黑潮流轴在吕宋海峡的变化分析

丁睿彬，陈大可，姜良红

（卫星海洋环境动力学国家重点实验室，国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

起源于北赤道流，在菲律宾东岸15°N左右分叉后形成北分支的黑潮，是北太平洋的西边界强流，它携带大量的高温、高盐水北上，给东亚区域的海洋环境与气候带来重要影响［1－2］。黑潮在流经吕宋海峡时失去西边界的支撑（图1），因而发生重大的流态改变，这种改变直接关系到太平洋与南海的水交换以及黑潮下游的状况，因此黑潮在吕宋海峡附近的变化问题一直是区域性海洋学关注和争议的焦点。这一问题的主要争议在于黑潮是否入侵南海，或者是以何种方式进入南海的。第一种观点认为存在南海“流套”，即黑潮在吕宋海峡南边进入南海后从北边出来，在南海东北部形成一个“流套”［3］。第二种观点认为黑潮有一个“南海分支”，在夏季表现为一支向西流动的海流，直接进入南海［4］。第三种观点是“流套”和“分支”观点的组合，认为黑潮在吕宋海峡中部以南进入南海，一部分在台湾岛的西南侧形成“流套”，另一部分则在台湾岛的南边形成一个气旋性的“分支”［5］。近年来也有学者认为黑潮水能以中尺度涡或次中尺度涡的形式进入南海。

黑潮主流轴（即跨越黑潮速度梯度最大处）的位置及其随时间的变化在很大程度上能代表黑潮的时空变化。过去已有一些针对黑潮主轴的研究，如日本学者在日本岛附近海域做了不少相关工作［6］，但这些早期研究主要基于有限的现场观测资料，其空间覆盖率不足以获得黑潮流轴变化的完整图像；后来有学者结合卫星高度计和浮标数据，较为准确地确定了局地的黑潮的主轴［7］；最近 LIU et al［8］用卫星高度计资料进一步研究了东海黑潮的路径变化。然而，对于黑潮流轴在吕宋海峡附近的大幅度变化还缺乏系统研究。

本文以（1／12）°分辨率的区域海洋环流模式（ROMS）在北太平洋试验9a（2000—2008年）的输出结果为基本数据，利用自行编制的基于速度场的流轴自动检测方法，分析了黑潮流轴在吕宋海峡附近的位置及其在年际、季节和季节内时间尺度上的变化特征，并对引起这些变化的物理过程和机制进行了初步的探讨。

图1 研究区域地形图以及基于观测表层流场（AVISO，黑线）和ROMS模式10m（蓝线）、200m（红线）流场的黑潮流轴平均位置Fig.1 Map of research area and mean Kuroshio axes based on surface velocities from observation（AVISO，black）and 10m （blue）and 200m （red）velocities from ROMS model

1 数据和方法

1.1 数据

本文所用的主要数据来自ROMS模式对1个北太平洋区域（9°S～41°N、99°～146°E）的试验结果，该模式使用C网格和垂向S坐标，水平网格分辨率为（1／12）°，垂向分32层，其中没有加入同化；NCEP／NCAR再分析风场（1958—2000年）和混合的表面风场（2000—2008年）被用于驱动模式；Simple Oceanic Data Assimilation（SODA）资料被用于确定模式初始场和边界条件。虽然一共有50a的模式输出结果，但为了与观测资料对比，本文仅选取2000—2008年这9a的数据进行分析。

用来验证模式的表面流场数据由法国的Archiving，Validation，and Interpretation of Satellite Oceanographic Data（AVISO）提供，其时间分辨率为7d，空间分辨率为（1／3）°；AVHRR 温度资料由 NOAA提供，时间分辨率为1d，空间分辨率为（1／4）°。这些数据的时间范围都为2000—2008年。

图1比较了分别由AVISO表层流场和模式表层及次表层流场计算得到的9a平均的黑潮主流轴。从图1中可见，模式中的黑潮次表层流轴与观测的相当一致，但表层流轴系统性地偏西。这可能是因为模式的表层流场除地转流外还包含风生艾克曼输运，而后者的平均流向在此区域为西向（因为冬季风强于夏季风）；但AVISO的表层流只有地转流，因而与模式的次表层流更加一致。总的来说，模式结果基本合理，可以被进一步用来研究黑潮的变化。

1.2 方法

黑潮主流轴在某一特定时刻的位置通常是通过寻找一定空间范围内的速度最大值来确定［7－8］。然而，由于黑潮在吕宋海峡附近失去海岸约束，再加上地形和涡旋的作用，流态变化剧烈，仅用流速最大值难以准确找出黑潮的真正主轴。因此，本文根据黑潮的物理特性开发了一种自动检测黑潮主轴的方法（图2），检测区域范围为16.5°（吕宋岛以东）～24.8°N（台湾岛以东）、118°～130°E。检测黑潮主轴的具体步骤如下：

图2 检测黑潮主轴的方法示意图Fig.2 Schematic map of a method to detect Kuroshio axis

（2）在每一个纬向网格线上将搜索半径限定在黑潮平均主轴（图1）的左右300km之内，进而找出搜索半径内V最大值的位置；

（3）为保证这一位置为黑潮主轴位置，还须满足3个条件（图2）：（a）与前一个纬向网格线上（上游）黑潮主轴位置的纬向距离不能超过n1；（b）2个连续时刻找出的黑潮主轴位置间的距离不能超过n2；（c）此处的温度（T2）和盐度（S2）与上游黑潮主轴的温度（T1）和盐度（S1）必须满足

的条件，即保持水团的相似性；否则将重新计算。其中参数n1、n2和n3通过敏感性试验获得，在本文中分别取为12，12和1.5。敏感性试验的过程通过不停地修改3个参数的值来比对已经得出的黑潮主轴和背景流场的一致性，最终通过观察得出在研究时间尺度内时空上合理的黑潮主轴，然后确定最终参数。

图3显示出采用上述方法寻找得到的2000年1月1日的黑潮流轴。由图3可见，该方法很好地抓住了黑潮的空间形态，黑潮流轴（图3中的黑线）不仅与背景流场对应，还与表层温度和盐度的分布高度相关。

2 黑潮流轴变化特征

图3 由自动检测方法确定的2000年1月1日的黑潮表层流轴（黑线）Fig.3 Surface axis of Kuroshio（black curve）on January 1，2000captured by the automatic detection method

黑潮流轴在吕宋海峡附近的变化可以从不同层次和不同时间尺度上进行研究。本文分别选择10m和200m这2个代表水深以及年际、季节和季节内3个时间尺度来分析黑潮流轴的变化特征。为简单起见，季节变化定义为9a平均的气候态季节变化，年际变化为减去季节变化并作3个月滑动平均后的变化，季节内变化则为去除上述季节和年际变化后剩余的变化。

2.1 年际变化

如图4所示，黑潮流轴在表层（水深为10m）和次表层（水深为200m）都有明显的年际变化，但仅限于吕宋海峡（右图），且表层的变化大于次表层。在表层，2000年和2001年黑潮在吕宋海峡北部向西入侵南海，2003、2006和2008年黑潮在吕宋海峡中部和北部向东漂移。在次表层，黑潮仅2000年和2007年在吕宋海峡北部出现，明显向东漂移的迹象则只在2008年出现。与Ni~no3指数（左图中的黑线）对比显示，黑潮流轴的年际变化与ENSO存在一定的联系，在Ni~no3指数变化大的年份（2002、2006和2008年）黑潮流轴偏移变化都较其它时期大，有科学家指出在2006—2008年黑潮流量变化明显，但由于数据长度不够难以量化表征。

2.2 季节变化

如图5所示，黑潮流轴的季节变化在表层与次表层比较一致，其幅度略大于年际变化，但与年际变化一样主要出现在吕宋海峡。在表层，黑潮流轴夏季在吕宋海峡北部向东漂移，秋季在吕宋海峡南部入侵，冬季在吕宋海峡北部入侵。在次表层，黑潮流轴夏季东移且较弱，冬季西进则更强。季节变化似乎与局地经向风（左图中黑线）有关：春、夏季西南季风盛行时黑潮向东偏移，秋、冬季东北季风盛行时黑潮向西入侵，这与 LIANG et al［9］研究的结果一致。

图4 黑潮流轴在吕宋海峡（18.5°～22°N）表层（上图）和次表层（下图）的年际偏移变化Fig.4 Interannual variations of the Kuroshio axis near the Luzon Strait（18.5°N～22°N）at 10m （upper panels）and 200m （lower panels）depths

2.3 季节内变化

如图6所示，黑潮流轴的季节内变化比年际和季节变化强烈得多，且不限于吕宋海峡（图6右）。黑潮流轴在吕宋海峡的季节内变化（图6左）似乎存在季节和年际尺度上的调制，例如在2003年以后表层与次表层的变化相当一致，但在此之前则相差较大。总的来说，无论在表层还是次表层，黑潮在季节内尺度上向西入侵的幅度大于向东的移动。在吕宋海峡，黑潮流轴的季节内变化占其总变化方差的80%，表明 季节内变化是此处黑潮变化最为重要的分量。

3 机制讨论

3.1 风和黑潮惯性的影响

为了探讨局地风场驱动的艾克曼输运和黑潮本身惯性对吕宋海峡黑潮流轴变化的可能影响，本文沿120.75°E对吕宋海峡（18.5°～22°N）的黑潮流轴变化和经向风分别做平均，察看不同水深的流轴与风场之间的关系；同时在吕宋岛东侧黑潮进入吕宋海峡之前的位置（18°N）取1个流速断面，观察该断面不同水深的黑潮经向流速对吕宋海峡黑潮流轴变化的影响。

在年际尺度上，吕宋海峡黑潮流轴的变化与局地的经向风在表层有较好的正相关，即北（南）风大时黑潮流轴向西（东）偏，相关系数随着深度的增加而降低；黑潮流轴的变化与上游黑潮流速也有较好的正相关，即向北的黑潮流速大（小）时黑潮流轴偏东（西），相关系数却随着深度的增加而增大（图7a）。在季节尺度上也存在类似的关系，即黑潮流轴在表层与局地风场高度正相关而在次表层与上游黑潮流速高度正相关，只是风的影响似乎限制在一个更薄的表层内（图7b）。在季节内尺度上，黑潮流轴的变化与局地风场和上游黑潮流速的相关性都很低，说明黑潮在吕宋海峡的高频变化（也是黑潮的主要变化）基本不受表层艾克曼输运或黑潮本身惯性的控制（图7c）。

这些结果可简单解释如下：对于黑潮的低频（季节到年际）变化来说，在准地转理论的框架内（如SHEREMET［10］所论述），西边界流（黑潮）在流经一个较大的豁口（如吕宋海峡）时，其路径将在β效应驱使下向西偏，而西偏的程度取决于流速（惯性）的大小：流速很大时可直接跃过豁口，流速小时则进入豁口形成“流套”，这就是吕宋海峡黑潮流轴变化在年际和季节尺度上与上游流速呈正相关的原因。另一方面，由风驱动的表层艾克曼输运则是吕宋海峡黑潮流轴变化与局地风呈正相关的原因，这也说明为什么与风的相关随水深递减而与上游流速的相关却随水深递增。对于黑潮的高频（季节内）变化来说，最大的影响可能来自涡旋，而进入吕宋海峡的涡旋主要是由环流的不稳定产生的，因而与局地风场和黑潮惯性的关系不大。

图7 黑潮流轴在吕宋海峡（18.5°～22°N）不同水深中的年际（a）、季节（b）和季节内（c）变化与当地经向（V向）风速和上游黑潮（V向）流速的相关系数Fig.7 Correlations of interannual，seasonal and intra－seasonal variations of Kuroshio axis at the Luzon Strait（18.5°N～22°N）with local meridional wind and up－stream Kuroshio velocity

3.2 涡旋的分布和影响

海洋中的涡旋以接近于罗斯贝波的速度向西移动［11］，但目前对涡旋到达西边界之后的命运特别是与西边界流的相互作用机制仍然不清楚。前人的研究结果表明，涡旋在吕宋海峡呈现不同的形态［12－14］，且与黑潮发生强烈的相互作用。鉴于涡旋对黑潮季节内变化的重要影响，本文采用一个自动探测涡旋的方法［15－16］察看吕宋海峡周边（16.5°～30°N、120.5°～130°E）涡旋的分布情况，并探讨涡旋运动与吕宋海峡黑潮流轴变化的关系。

图8 2000年1月1日吕宋海峡周边海域的涡旋分布Fig.8 Eddy distribution in the vicinity of the Luzon Strait on January 1，2000

作为一个例子，图8是用自动探测涡旋方法找出的涡旋在2000年1月1日的分布，表明该方法能有效地检测聚集在吕宋海峡周边海域的大量涡旋。图9进一步显示邻近吕宋海峡的1个方形区域（18°～23°N、120°～126°E）2000—2008年涡旋的收支情况。从图9中可见：（1）由于黑潮的平流作用，北边界出去的涡多于进来的涡，南边界进来的涡多于出去的涡；（2）由于涡旋的西传特性，东边界进来的涡多于出去的涡，西边界出去的涡多于进来的涡；（3）在区域内部生成的涡远多于边界上进来的涡，且这些涡的绝大部分都消亡在区域里，说明这里大部分涡旋的生命周期和移动距离有限；（4）由于区域内生成的涡多于消失的涡，所以从北边界和西边界出去的涡分别多于从南边界和东边界进来的涡。气旋和反气旋涡都具有这些收支特征，只是后者在区域内的净生成量大于前者，因而从边界出去的也更多。吕宋海峡邻近区域既是涡旋的“温床”，也是涡旋的“墓地”［12］；黑潮里的涡旋有可能进入南海［13］，也有可能被黑潮带走或消亡在黑潮里［14］。

为了进一步察看黑潮与涡旋的相互作用，图10比较了穿过图9中120°E和123°E两条边界的涡旋数量与相对应的黑潮流轴变化次数。当涡旋从西向东运动时，无论在120°E或123°E，无论是反气旋涡还是气旋涡，黑潮流轴在大多数（70%～80%）情况下向 东漂移；反之，当涡旋从东向西运动时，黑潮流轴在大多数（75%～85%）情况下向西漂移。由于在同一时刻穿过黑潮两边的涡旋可能不止1个，吕宋海峡黑潮流轴的变化不一定与单个涡旋的进出对应，但图10中涡旋的进出与黑潮的变化基本一致，表明涡旋是影响吕宋海峡黑潮流轴摆动的主要原因。又因为涡旋以西向运动为主，所以黑潮流轴向西摆动的次数明显多于向东摆动的次数。

4 结论

本文以高分辨率的区域海洋环流模式（ROMS）的9a（2000—2008年）输出结果为基本数据，利用自行编制的基于速度场的流轴自动检测方法，分析了黑潮流轴在吕宋海峡附近的位置及其在年际、季节和季节内时间尺度上的变化特征，并初步探讨了引起这些变化的物理过程和机制。得出的主要结论如下：

（1）黑潮流轴在吕宋海峡附近具有明显的年际、季节和季节内变化，其中季节内变化最为强烈；总的来说黑潮流轴在表层的变化大于次表层的变化，向西摆动的次数多于向东摆动的次数。

（2）在年际和季节时间尺度上，黑潮流轴在表层主要受局地风场驱动的艾克曼漂流影响，北风强时西偏，南风强时东偏；而次表层黑潮流轴的变化则主要由黑潮本身的惯性决定，上游流速小时西偏拐入南海，上游流速大时采取更为直接的路径越过吕宋海峡北上。

（3）在季节内时间尺度上，黑潮流轴的变化主要由涡旋与黑潮的相互作用控制，当涡旋（包括气旋和反气旋涡）向东（向西）运动时，黑潮流轴在大多数情况下向东（向西）漂移；由于涡旋以西向运动为主，所以黑潮流轴的变化以向西的移动居多。

（4）吕宋海峡附近海域的涡旋收支分析表明，这里既是产生涡的“温床”，也是涡消失的“墓地”；由于产生的涡多于消失的涡，所以从北边和西边出去的涡多于从南边和东边进来的涡；随黑潮北上的涡可以对下游产生影响，而向西移动的涡可以将黑潮水带入南海。

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