HYCOM模式对东海黑潮的气候态模拟

白志鹏，高松，王海棠

（1. 61741部队，北京100081；2. 国家海洋局北海预报中心，山东 青岛 266033；3. 青岛环海海洋工程勘察研究院，山东 青岛 266033）

HYCOM模式对东海黑潮的气候态模拟

白志鹏1，高松2，王海棠3

（1. 61741部队，北京100081；2. 国家海洋局北海预报中心，山东 青岛 266033；3. 青岛环海海洋工程勘察研究院，山东 青岛 266033）

使用三重嵌套的HYCOM（The HYbrid Coordinate Ocean Model）数值模式模拟气候态东海黑潮。模式水平分辨率从大区模式的1°×1°cosθ提高到小区模式的1/8°×1/8°cosθ。对模拟结果的分析表明： (1) 高水平分辨率模式对黑潮特征量的模拟有明显的改进。这些改进主要由两方面的原因引起：地形分辨率的提高和改善的斜压效应。 (2) 小区模式的模拟结果较好地再现了PN断面的垂向结构。基本反映了PN断面流速和流量的季节变化规律。夏季流速最强、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春两季处于过渡期。(3) 模式成功地模拟出东海黑潮东侧的逆流。该逆流流速稳定，夏季流速略大。 (4) 模式模拟出了PN断面的流速双核结构。

HYCOM模式；黑潮；PN断面

黑潮是一支强太平洋西边界流，它不但对东亚的区域气候有重要的影响，而且还影响全球的气候变化。黑潮源于北赤道流在菲律宾海域的北向分支（Nitani，1972）[1]，它由台湾东侧进入东海的东侧后大致沿最大地形坡折流向东北，再流经吐噶喇海峡，沿着日本南部海岸加速向东偏转。最后，它离开本州岛流入太平洋形成黑潮延伸体[2]。中国从20世纪80年代中期开始多次对黑潮进行联合调查研究[3-6]，揭示了黑潮的海流状况、水文特征、垂直结构等，为探索黑潮流域洋流变化的规律奠定了基础。刘增宏等（2004）[7]，利用卫星跟踪表面漂流浮标所取得的漂流路径和表层温度资料，进一步揭示黑潮表层海流及其流路的特征（图1B）。

近年来，对黑潮的数值研究多使用传统的垂向单一坐标模式（如：POM模式[8]、MOM2模式[9]、MICOM模式[10]、POM嵌套模式[11,12]、RIAMOM模式[13]），但由于黑潮流域海底地形陡变和强斜压性等特点，造成z-level模式海底地形处理和sigma模式压强梯度力计算的困难。Isopycnic模式虽然克服了上述的缺点，但在浅海海域该模式存在垂向分层处理的困难。为了克服这些问题，本文尝试采用 HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 混合垂向坐标海洋模式模拟黑潮流系，检验模式对东海黑潮的模拟能力，以期对黑潮的流路和垂向结构等有进一步的认识和了解。

图1 1953年到1984年GEK数据集的东海黑潮平均海表流场和Argos浮标的漂移轨迹A) 1953年到1984年 GEK数据集的东海黑潮平均海表流场[2]B) Argos浮标的漂移轨迹[7]）Fig. 1 Surface mean currents in the East China Sea derived from GEK data from 1953 to 1984 and Trajectories of Argos drifters A) Surface mean currents in the East China Sea derived from GEK data from 1953 to 1984[2];B) Trajectories of Argos drifters [7]

1 HYCOM模式简介及设置

HYCOM 数值模式是一个全球海洋环流模式，它的最大特点是采用由等深（z-level）坐标、sigma(terrain-following coordinate) 坐标和等密度 (isopycnic coordinate) 坐标相结合的垂向混合坐标，即在开阔的海域采用等密度坐标，在近岸海域采用sigma坐标，而在混合层和层结不稳定的海域采用等深坐标。它的另一个特点是模式嵌入了多种湍混合模块以供选择，如K-T方案、KPP方案等。近年来，该模式被广泛地用于大洋和区域海洋的研究[14-17]。

本文通过三重嵌套技术将水平计算分辨率从大区模式的 1°×1°cosθ（ 是纬度）提高到中区模式的1/4°×1/4°cosθ，再到小区模式的 1/8°×1/8°cosθ。各区域的计算范围为：大区为 20°S－62°N，100°E－65°W；中区为 11°S－63°N，100°E－10°W；小区为 23.5°N－44°N，118°E－150°E（图 2a）。

模式地形基于ETOP05数据经过平滑处理得到。图2B、图2C、图2D是小区计算区域内，三个模式使用的地形。三个模式地形主要的不同表现在东海陆架区域和一些海山的形状。大区模式地形与真实地形相比过于平滑，中区和小区模式地形有了很大的改善，相比较而言小区模式地形最接近真实地形。两者的区别主要体现在100 m到2 000 m等深线处。

在三个嵌套区域，本文采用相同的海表参考压强分层方案，共分 22层，各层的参考目标位密值为：19.5, 20.24, 20.98, 21.72, 22.46, 23.20, 23.94, 24.64, 25.22, 25.70, 26.11, 26.44, 26.72, 26.95, 27.14, 27.30, 27.44,27.56, 27.66, 27.74, 27.80, 27.84。这样设计的优点在于能保证上5层的位密值小于任何海水位密，使模式的上5层为固定的等深坐标，确保上混合层的精度。

模式的初始场使用Levitus 1月份气候态月平均温、盐场。选用KPP垂向混合子模型，KPP混合方案的参数选用与Halliwell（2004）[18]相同。模式采用COADS（分辨率为1° × 1°）海气通量数据集。选择非常数块体系数公式与模式相结合[19]。

大区模式运行25年后，输出第21 ～ 25 a的结果作为中区模式的背景场。继续运行中区模式5 a，输出第3 ～ 5 a结果作为小区模式的背景场。继续运行小区模式3 a，输出小区第3 a结果进行分析。

图2 三重嵌套模式各区的计算范围和模式地形A) 三重嵌套模式各区的计算范围；B) 小区计算区域内大区模式地形；C) 小区计算区域内中区模式地形；D) 小区模式地形 (单位：m)PN 表示PN断面的位置Fig. 2 Domain of triply nested models and Model depths (m)A) Domain of triply nested models; B) Model depths of Nest 1; C) Model depths of Nest 2; D) Model depths of Nest 3;PN denotes the observational hydrographic line in the East China Sea (known as the PN line)

2 模式水平分辨率的提高对模拟结果的影响

2.1 表层流场结果分析

图3为模式年平均表层 (15 m)的流场分布。模式各区模拟结果相比，大区模拟的东海黑潮流速较弱、流幅也较宽；中区的结果与大区相比有了很大地改善，但是中区在琉球群岛（26oN, 126oE）附近黑潮出现多余的分支；小区模拟的结果与观测结果最为接近，东海黑潮流轴的流速基本在100 cm/s左右。黑潮流轴在30oN附近向东偏转，沿日本南岸和东南岸向东北方向流动，在40oN, 142oE附近与亲潮汇合，形成黑潮延伸体。由此可见，模式水平分辨率提高后，能更好地模拟黑潮流场。小区模式对黑潮两种经典流径（图4）的成功模拟，进一步为本结论提供佐证，从图3中可以看出本模拟的黑潮流径与图4实测数据的分析结果[20]十分相似。

2.2 PN断面各要素年平均结果分析

PN断面是东海的著名断面，本文取PN断面的年平均流速、位温、位密的模式结果进行分析，发现随着模式分辨率的提高，模拟结果与实测结果更加接近。PN断面年平均的模式结果见图5。如图5所示，三个模式都模拟出了较强的流核，大约位于陆架上方水深100 m处。从图5中可以看出，黑潮流核强度和位置以及垂向结构都对模式水平分辨率非常敏感。黑潮流核速度从大区的25 cm/s加强到小区的80 cm/s，这主要是由陆架坡度分辨率的提高和增强的斜压效应引起的。

图3 模式年平均表层 (15 m)各区流场分布Fig. 3 Model surface (15 m) annual mean currents. The chart is in turn： Nest 1, Nest 2, Nest 3

由于三个模式使用相同的海表风场和海表热通量数据集，因此各模式的PN断面水体通量基本保持一致，净流量约27 Sv，这与袁耀初和刘勇刚等的研究结果[5,6,21,22,24-28]是一致的。陆架坡度分辨率从大区到小区不断提高，对应的PN断面的面积逐渐减小，刻画的陆坡更接近真实情况。在水体通量保持不变的前提下，PN断面的流速逐渐增强。而增强的斜压效应对模式结果的影响主要表现为，流核的流速逐渐增强，流核以下的流速迅速减小，小区结果在海槽底部甚至出现负值（西南向流）。这一现象可以通过“热成风关系”解释。由于在小区模式中流核周围等温线和等密线的梯度明显加大，产生更强的斜压效应，使流核的流速明显增强。为了满足水体通量的平衡，流核以外的流速必然减小。

此外，中区模式和小区模式模拟出了黑潮东侧存在逆流，深度可达海槽底部，小区模式平均流速约为20 cm/s。这一现象与文献[5,6]的水文调查资料分析结果基本相符。刘勇刚等[5,6]利用1992－1994年每年4个航次的资料得出的分析结果显示：黑潮以东及黑潮以下都存在逆流，最大流速约在15 ～ 40 cm/s之间。陈红霞等[23]也得出过类似的结果，但逆流流速较小，最大值约为15 cm/s。

3 PN断面季节变化分析

近年来，国内外学者对东海黑潮作了大量科学调查研究，以东海PN断面（图2）为例，研究计算了1985－1998年黑潮PN断面流量的年变化与季节变化[5,6,21,22,24-28]。 这些计算结果表明, 黑潮流量的多年统计季节平均值在夏季时最大, 秋季最小，多年平均值为27.0 Sv。图6为小区冬、春、夏、秋四季的PN断面的流速。从图6中可以看出，模式模拟的PN断面流速和流量夏季最大，分别为100 cm/s和29 Sv；秋季最小分别为80 cm/s和21.68 Sv；春、冬两季介于两者之间。这与上述文献的结果相一致。

图4 黑潮流径实测值与模拟值比较A) 1959年1月到1960年3月实测结果分析的黑潮流径 (Shoji，1972); B) 模拟的黑潮“大弯曲”路径 (t=322 d); C) 模拟的黑潮无弯曲路径 (t=138 d)Fig. 4 Map of the Kuroshio path A) Patterns of the observed Kuroshio paths from January 1959 to March 1960; B) The model large-meander path of the Kuroshio (t=322 d);C) The model no-large-meander path of the Kuroshio (t=138 d)

图5 PN断面年平均的模式结果依次为：上图为大区（NEST 1）流速（vec）（A1）、位温（T）（A2）、位密（r）（A3）；中图为中区（NEST 2）流速（B1）、位温（B2）、位密（B3）；下图为小区（NEST 3）流速（C1）、位温（C2）、位密（C3）。流速负值被填充为阴影。模式的输运量被标在流速图中（VT-net 是净输运量、VT-pos是正输运量、VT-neg是负输运量）Fig. 5 Vertical distribution of annual model results at PN line ： The chart is in turn ： NEST 1 velocity (vec) (A1), potential temperature (T) (A2), and potential density (r) (A3); NEST 2 velocity, potential temperature, and potential density (B1, B2, B3) ; NEST 3 velocity, potential temperature, and potential density(C1, C2, C3)Regions with negative values of alongshelf velocity are shaded; model calculated volume transports are shown in chart of velocity . (VT-pos and VT-neg are volume transports calculated whit positive and negative alongshelf velocity , respectively ; VT-net represents a sum of VT-pos and VT-neg)

图6 小区PN断面的流速分布：依次为冬 (A)、春 (B)、夏 (C) 和秋 (D)阴影为负值。流量值在图的左边模式的输运量被标在流速图中（VT-net 是净输运量、VT-pos是正输运量、VT-neg是负输运量）Fig. 6 Vertical velocity distribution of NEST3 model results at PN line： winter (A), spring (B), summer (C), autumn (D). Regions with negative values of alongshelf velocity are shaded; model calculated volume transports are shown in chart of velocity. (VT-pos and VT-neg are volume transports calculated whit positive and negative alongshelf velocity, respectively; VT-net represents a sum of VT-pos and VT-neg)

图7 小区PN断面的位温 (T)、位密分布 (r) ：A－D依次为冬、春、夏和秋位温分布。E－H依次为冬、春、夏和秋位密分布Fig. 7 Vertical distribution of potential temperature (T), and potential density (r) of NEST3 model results at PN line： A～D is potential temperature of winter,spring, summer, autumn；E～H is potential density of winter, spring, summer and autumn

图7为小区PN断面的位温、位密分布。从图7中可以看出，冬、春两季的位温、位密在PN断面上层水平梯度大，垂向梯度小，黑潮流核处（约126°E）的位温约为20℃，而在123°E位温仅为8℃左右。夏季位温的分布与冬、春两季相反,在 PN断面上层位温垂向梯度很强，水平梯度较弱,位温从表层的 29℃迅速下降到200 m处的18℃左右。位密分布也有相似的特征。这样的分布特征主要由东海的气候特征决定。以位温分布为例，冬季东海受亚洲大陆高压影响，以偏北风为主，平均风速可达9 ～ 10 m/s，这使得上层海水充分混合。黑潮从赤道地区带来的高温海水沿着东海大陆坡流动，导致等密度面向大陆架上方倾斜，形成了黑潮次表层水向大陆架上方涌升的现象，同时黑潮流幅向西侧扩展。夏季，海表热辐射增强，局地温度升高，全海区水温大致为26℃ ～ 29℃，与黑潮主流温度基本相同。

因此，PN断面的温度水平梯度很小。同时，夏季以较弱的偏南风为主，平均风速仅有5 ～ 6 m/s，东海上层海水层结稳定，致使垂向梯度明显，黑潮流轴稳定，流幅较窄。春、秋两季是过渡时期，上层海水介于冬季强混合和夏季强层结之间。

4 PN断面双核结构分析

从袁耀初（1991）[29]发现黑潮PN断面有两个流核结构以来，许多国内学者对PN断面的流核结构做了大量的研究，结果表面PN断面存在单核、双核结构[3,5,6,23]。

本文通过对模拟结果的分析比较发现，模拟的流速结果在PN断面主要分为两类：单核和双核结构。如图8 A、图8 B、图8 C分别为小区运行第3 a的t = 196 d，t = 016 d和t = 250 d时模拟的PN断面流速分布，图8 A为典型的单核结构，图8 B、图8 C为双核结构。图8 A中流核位于陆坡上（126.5 °E），流核深度约为100 m，形状为不规则的椭圆形，流核西侧流速变化相对强烈，东侧流速变化相对缓慢，这体现了大洋环流的西边界强化特征。图8 B中最明显的特征是有两个流速为正值的流核，两个流核也都位于陆坡之上，流核间的距离约为 50 km并呈平行排列，且主轴的西侧流速变化比东侧强烈，西侧流核深约30 m，流速约65 cm/s，东侧流核深约100 m，流速约80 m/s。图8 C为模式模拟的另一种双核结构，与图8 B相比，两个流核呈斜线上下排列，上部流核深约40 m，下部流核深约150 m，流速分别约为120 cm/s和105 cm/s。本文的图8 A、图8 B和图8 C的流核结构均与文献[6]根据水文资料分析的结果（图8 D、图8 E和图8 F）基本一致或十分相似，但图8F的流速较大。

5 结论与展望

使用三重嵌套的HYCOM数值模式模拟气候态东海黑潮的模拟得出如下结论：

a）高水平分辨率模式对黑潮特征量的模拟有明显的改进。这些改进主要由两方面的原因引起：地形分辨率的提高和改善的斜压效应。

b）小区模式的模拟结果较好地再现了PN断面的垂向结构。结果基本反映了PN断面流速和流量的季节变化规律：夏季流速最强、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春两季处于过渡期。

c）模式成功地模拟出东海黑潮东侧的逆流（该逆流流速稳定，夏季流速略大）和PN断面的流速双核结构。

模式虽然较好地模拟了东海黑潮的时空特征和PN断面的垂向结构，但对PN断面流速双核结构的成因没有给出满意的解释，需要对其进行深入的研究，并在此基础上探讨东海黑潮多流核结构的成因，以及东海黑潮流量、流径的变化与黑潮大弯曲之间的联系。

图8 PN断面流核结构A 模式单核结构；B, C模式双核结构；D观测单核结构；E, F观测双核结构。（E, D, F 引自文献[22]）Fig. 8 Current core structure of PN line(A) Model signal core ; (B, C) Model double core; (D) Model signal core[22]; (E, F) Observation double core[22]

[1] Nitani H, Beginning of the Kuroshio. The Kuroshio—Its Physical Aspects, H. Stommel and K. Yoshida, Eds. [J]. University of Tokyo Press, 1972：129-163.

[2] Qiu B, Imasato N. 1990： A numerical study on the formation of the Kuroshio Counter Current and the Kuroshio Branch Current in the East China Sea.[J]. Cont. Shelf Res., 10, 165-184.

[3] 袁耀初, 潘子勤, 金子郁雄, 等. 东海黑潮的变异与琉球群岛以东海流 [C]. 黑潮调查研究论文选 (五). 北京： 海洋出版社, 1993： 279-297.

[4] 孙湘平, 金子郁雄. 1989—1991年黑潮的变异 [C]. 黑潮调查研究论文选 (五). 北京： 海洋出版社, 1993： 52-68.

[5] 刘勇刚, 袁耀初. 1992年东海黑潮的变异 [J]. 海洋学报, 1998, 20 (6)： 1-11.

[6] LIU Yong-gang,YUAN Yao-chu.Variability of the Kuroshio in the East China Sea in 1993 and 1994 [J]. Acta Oceanologica Sinica, 1999, 18 (1)： 17-36．

[7] 刘增宏, 许建平. Argos表面漂流浮标在黑潮区的若干观测结果 [J]. 东海海洋, 2004, 22 (4)： 1-10

[8] 乔方利, 孙湘平, 袁业立, 等. 黄海和东海的环流数值模拟研究 [J]. 水动力学研究与进展 (A辑), 1998, 13 (2)： 244-253.

[9] 许东峰, 袁耀初. 1997年夏季西北太平洋环流模拟 [J]. 海洋学报, 2001, 23 (3)： 18-25.

[10] 张蕴斐, 张占海. 海潮环流的数值模拟 [J]. 海洋学报, 2003, 25 (3)： 120-128.

[11] Guo X, Hukuda H, Miyazawa Y, et al. A triply nested ocean model for simulating the Kuroshio-Roles of horizontal resolution on JEBAR [J]. Journal Physics Oceanography, 2003, 33： 146-169.

[12] Guo X, Hukuda H, Miyazawa Y, et al. The Kuroshio Onshore Intrusion along the Shelf Break of the East China Sea The Origin of the Tsushima Warm Current [J]. Journal Physics Oceanography, 2006, 36： 2 205-2 231.

[13] Joon-soo L, Takeshi M. Intrusion of Kuroshio Water onto the Continental Shelfof the East China Sea [J]. Journal of Oceanography, 2007, 63： 309-325.

[14] Kara A B, Hurlburt H E, Wallcraft A J, et al. CORRIGENDUM for Black Sea mixed layer sensitivity to various wind and thermal forcing products on climatological time scales [J]. Journal Climate, 2006, 19： 494-495.

[15] Lee S-K, Enfield D B, Wang C. Ocean general circulation model sensitivity experiments on the annual cycle of Western Hemisphere Warm Pool [J].Journal Geophys Research, 2005, 110 (10)： C002640-C009004.

[16] Chassignet E P, Hurlburt H E, Smedstad O M, et al. Geanerallized vertical coordinates for eddy-resolving global and coastal ocean Oceanography, 2006,19： 20-31.

[17] Chassignet E P, Hurlburt H E, Smedstad O M, et al. Ocean prediction with the Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM). In： Ocean Weather Forecasting： An Integrated View of Oceanography, Chassignet [J]. 2006： 413-426.

[18] Halliwell Jr G R. Evaluation of vertical coordinate and vertical mixing algorithms in the HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) [J]. Ocean Modelling, 2004, 7： 285-322.

[19] 高松, 吕咸青. HYCOM模式对赤道及北太平洋海表温度的模拟 [J]. 海洋科学进展, 2007, 25 (3)： 257-267.

[20] Shoji D. Time variation of the Kuroshio south of Japan. Kuroshio, Physical aspects of the Japan current [M]. H.Stommel and K.Yoshida,Eds.,University of Washington Press, 1972： 217-234.

[21] YUAN Yao-chu, KANEKO A, SU Ji-lan, et a1. The Kuroshio east of Taiwan and in the East China Sea and the currents east of the Ryukyu Islands during early summer of 1996 [J]. Journal of Oceanography, 1998, 54 (4)： 217-26．

[22] 陈红霞, 袁业立, 华锋. 东海黑潮主段G-PN断面的多核结构 [J]. 科学通报, 2006, 51 (6)： 730-737.

[23] Yuan Y C, Liu C T, Pan Z Q, et al. Cirulation east of Taiwan and in the East China Sea and east of the Ryukyu Islands during early summer 1985 [J].Acta Oceanologica Sinica, 1996,15 (4)： 423-435.

[24] 袁耀初, 刘勇刚, 苏纪兰, 等. 1997年夏季台湾岛以东与东海黑潮 [C]. 中国海洋文集, 2000. 12： 1-10.

[25] 袁耀初, 刘勇刚, 苏纪兰, 等. 1997年冬季台湾岛以东与东海黑潮 [C]. 中国海洋文集. 2000. 12： 11-20.

[26] 袁耀初, 高野健三, 潘子勤, 等. 1991年秋季东海黑潮与琉球群岛以东的海流 [C]. 中国海洋文集, 1995. 5： 1-11

[27] Liu Y G, Yuan Y C. Variability of the Kuroshio in the East China Sea in 1995 [J]. Acta Oceanologica Sinica, 1999, 18 (4)： 459-475.

[28] 袁耀初, 苏纪兰. 1995年以来我国对黑潮及琉球海流的研究 [J]. 科学通报, 2000, 45 (22)： 2353-2356.

[29] 袁耀初, 远藤昌宏, 石崎广. 东海黑潮与琉球群岛以东海流的研究 [C]. 黑潮调查研究论文选 (三). 北京： 海洋出版社, 1991.

A HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) for simulating the climatological Kuroshio in the East China Sea

BAI Zhi-peng1, GAO Song2, WANG Hai-tang3

(1. 61741 Troops of PLA, Beijing 100081, China;2. North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China;3. Qingdao Huanhai Marine Engineering Prospecting Institute, Qingdao 266033, China)

A triply nested HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) was used to simulate the climatological Kuroshio in the East China Sea. The model resolution increases from 1°×1° costo 1/8°×1/8° cos . The following conclusions can be deduced from the numerical results： (1) The higher-resolution model can improve the simulation results of Kuroshio, which is mostly caused by better representation of topography and baroclinicity; (2) The higher-resolution model results reproduce the water vertical structure of PN section, and generally reflect seasonal variation rule of current velocity and current flux at PN section. In summer, current velocity is the strongest and current flux is the largest, while in autumn, current velocity is the weakest and current flux is the lowest, and the values in winter and spring are between those of summer and autumn; (3) The model successfully simulates the countercurrent in the east of Kuroshio, which is steady and comparatively larger in summer; (4) The model simulates the double core structure of Kuroshio at PN section.

HYCOM; Kuroshio; PN section

P731.27

A

1001-6932 (2010)02-0121-09

2008-12-12；

2009-06-04

白志鹏（1982－），男，天津人，助理工程师，硕士，主要从事海洋环流方面研究。电子邮箱：looeybai@hotmail.com