王 斌,赵 玮
(中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室,山东 青岛266100)
南海又称南中国海(South China Sea),是西北太平洋最大的边缘海。它是1个半封闭海盆,与外界的水交换主要是通过北部的台湾海峡、东部的吕宋海峡以及南部的苏丹陆架,其中吕宋海峡(包括巴士海峡、巴林塘海峡、巴布延海峡、吕宋海沟等)是连接太平洋与南海的唯一深水通道。在西北太平洋与南海水体交换的过程中,伴随的热通量和盐通量交换,对南海水团的性质起到了决定性的作用[1-4]。跨越吕宋海峡的太平洋深层水是连接西太平洋与南海深层环流的重要纽带,是维持南海热量和淡水平衡、支撑南海贯通流(South China Sea Through)[5-8],调节印度尼西亚贯通流(Indonesian Throughflow)[9],影响南海海盆沉积过程、水体循环周期及深海碳循环的关键因子[10-12]。对吕宋海峡深层流的观测和模式模拟研究还比较少,Wang[13]从质量守恒的角度,第1次间接地估算了深层水交换的水体通量,大约为0.7Sv。Liu和Liu[14]首次利用观测估算了巴士海峡1 500m以深进入南海的水体通量为1.2Sv.Tian等[15]于2005年10月沿吕宋海峡的断面观测表明1 500m以深大约有2Sv的西太平洋水进入南海。Chang等[16]通过布放在巴士海峡的海流计得到西北太平洋深层水进入巴士海峡的水体通量为(1.06±0.44)Sv,并且巴士海峡是西北太平洋水进入南海的主要通道。
迄今为止,关于吕宋海峡深层环流的数值模拟工作未见报道。其它海域的溢流(Overflow)和深层环流的数值模拟研究较多采用HYCOM数值模型。Xu等[17]利用1/12(°)水平分辨率的 HYCOM 模型和修改的捲挟方案结合观测数据对地中海溢流(outflow)进行研究,模拟获得溢流路径,与已有的观测结果吻合良好,并得到了直布罗陀海峡西侧的强捲挟过程。Xu等[18]利用1/12(°)水平分辨率的 HYCOM 模型获得了北欧海域溢流的水体输运路径和通量。本文利用HYCOM环流模式,结合现有的观测数据,模拟吕宋深层环流的空间结构,并讨论模式水平分辨率对模拟吕宋海峡深层环流的影响。
HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)[19-21]是原始方程全球海洋环流模式,是基于MICOM(Miami Isopycnal-Coordinate Ocean Model)的基础上发展起来的。该模式最大的优点在于采用了混合坐标,在开阔的层化海洋中采用等密度面坐标,然后平滑的过渡到浅海或陆架区域的随地形坐标,在混合层或层化不明显的海域则采用z坐标。混合坐标结合了等密度坐标、sigma坐标和z坐标的优点,弥补了采用单一坐标系的不足。HYCOM中有7种湍流封闭方案,实验结果表明,不同的混合方案对模拟结果会产生较大的差异,人们可以根据自己的研究需要选取不同的混合方案。
本文的模拟重点为吕宋深层环流,HYCOM的优势在于它可以很好的结合等密度面坐标和随地形坐标。而等密度面坐标适合于模拟发生在等位势密度面上的动力过程,辟如海洋内部的水体输运[22]。另外水平压强梯度力被认为是吕宋海峡深层环流的驱动机制[23-24],对于绝热流体,等密度面坐标也能很好的表征水平压强,因而HYCOM模式非常适合于吕宋海峡深层环流的模拟。
模式计算范围包括整个南海及部分西北太平洋区域(4°N~25°N,105°E~125°E,见图1a)。垂向分为32层,采用2 000m处参考压强,目标位势密度为28.10,28.90,29.70,30.50,30.95,31.50,32.05,32.60,33.15,33.70,34.25,34.75,35.15,35.50,35.80,36.04,36.20,36.34,36.46,36.56,36.64,36.70,36.74,36.78,36.82,36.84,36.86,36.88,36.92,36.96,37.01和37.06kg·m-3。地形分辨率为1′[25]。模式初始场采用 GDEM3温盐数据[26]。因为本文主要研究内容为吕宋海峡深层环流,模式设置中忽略海表面强迫。除了东边界采用19个网格的温盐松弛边界,其它边界均为闭边界。垂向混合方案为KPP混合方案(K-Profile Parameterization)[27]。
图1 模式计算范围Fig.1 The bottom topography
Tian等[24]在吕宋海峡两侧的观测研究表明,南海1 000m以下的垂向混合率高于太平洋一侧2个量级以上。南海1 000m深的混合率为10-3m2·s-1并随着深度的增加逐步增大到10-2m2·s-1,而太平洋一侧的垂向混合率为10-5m2·s-1。由于KPP垂向混合方案无法模拟真实的深层垂向混合率,本文基于观测对KPP混合系数进行调整,将南海整个海盆在1 000m以下的垂向混合率统一设定为10-3m2·s-1。
本文通过3个数值实验探讨水平分辨率对吕宋海峡深层环流的影响,并给出吕宋海峡深层环流的空间分布和垂向结构。实验一的水平分辨率为1/6(°),实验二的水平分辨率为1/12(°),实验三的水平分辨率为1/24(°),采用的水平网格皆为墨卡托网格,其他设置都相同。
图2是3个实验中121°E断面25层(36.82kg·m-3)以下水体输运10年间的变化(正值表示从西北太平洋流向南海方向)。实验一的流量在1年以后很快变为0,表明1/6(°)分辨率实验无法模拟吕宋海峡深层环流。此实验中吕宋海峡的底地形(见图3)表明1/6(°)的水平分辨率无法分辨巴士海峡和台东海峡的地形特征,致使吕宋海峡在2 000m以下呈完全封闭状态,太平洋深层水无法进入吕宋海沟,进而无法形成吕宋海峡深层环流。实验二的断面流量变化表明模式经过1年的调整后年平均流量达到1.8Sv,在前5年流量有轻微减小,5年之后流量达到稳定状态,年平均流量值稳定在1.5Sv。实验三得到的结论与实验二相似,吕宋海峡深层流的流量达到稳定后年平均流量为1.5Sv。不同之处在于高分辨率下模式在积分前几年的流量比低分辨率情况下结果小,并且经过3年的积分很快达到稳定状态。这是因为模式在初始几年中深层流未达到稳定,而实验二由于分辨率较低计算网格大且底地形不是很准确,造成在流速大且不稳定的情况下得到的流量值可能大于高分辨率下的结果。由此可见,1/6(°)的水平分辨率无法模拟吕宋深层环流,1/12(°)和1/24(°)水平分辨率对121°E断面25层以下的总流量没有影响。实验二和实验三在5年之后都达到稳定状态,本文采用第10年的模式结果进行进一步的分析。
图2 121°E断面25层(σ2,36.82kg·m-3)以下的水体输运流量(单位,Sv)Fig.2 The evolution of model-determined westward transport(in Sv)from model layers 25 (σ2of 36.82kg·m-3)to bottom along 121°E
图3 实验一中的吕宋海峡地形Fig.3 The topography of Luzon Strait in the first experiment
图4 巴士海峡内B点沿海峡方向的流速剖面Fig.4 The velocity profiles of point B in Bashi Channel
本文利用2008年8月份巴士海峡直接流速观测数据(LADCP)研究巴士海峡深层流结构。观测点的位置为图4中的B点(121.68°E,21.14°N),通过剔除潮流获得的准定常流。流速观测结果表明吕宋海峡流速垂向结构有明显的溢流特征,意味着太平洋深层水进入巴士海峡深层。文中选取模式网格点与观测点距离最近的点(实验一为121.63°E,21.13°N,实验二为121.68°E,21.18°N,实验三为121.68°E,21.13°N)进行比较,其中流速方向为沿海峡向南海方向。观测剖面表明太平洋深层水在1 900m左右(σ2,36.82kg·m-3)以深进入巴士海峡,随着深度的增加流速增大,并在海底附近出现最大值(约30cm/s),同样呈现出明显的溢流特征。实验一中,B点流速垂向剖面表明深层流速基本为0,没有明显的溢流特征,并且水深与实际情况相差很大,这是由于实验一较粗的水平分辨率无法分辨巴士海峡的地形,导致巴士海峡封闭进而不存在深层流动。实验二中,B点流速剖面表明从大约1 800m(模式25层,36.82kg m-3)深度,沿海峡向南海方向的流速大于0,表明西太平洋水进入巴士海峡,并且随着深度的增加,流速越来越大,在海底附近达到最大值(27cm/s)。实验二的模拟结果与观测垂向流速剖面有良好的符合。实验三中,流速剖面在垂向结构与实验二结果相近,也呈现出了明显的溢流特征,最大值出现在海底位置约为30cm/s。并且基于实验二和三模拟结果得到的巴士海峡年平均流量均为1.1Sv,这与前人的观测有良好的吻合[14,16]。这说明本文采用的模式设置可以很好的模拟巴士海峡深层流。
B点的流速剖面表明西北太平洋水从模式的第25层开始经过巴士海峡进入南海,因而121°E纬向断面25层以下的流量可以近似认为是西北太平洋深层水通过吕宋海峡深水通道进入南海的流量。模式结果表明,在达到稳定状态后,西北太平洋深层水进入南海的年平均流量值为1.5Sv(见图2),与观测结果相近[22]。
基于B点的流速剖面,积分整个区域内25层以下单位宽度的流量给出吕宋海峡深层的流量密度图,给出吕宋海峡深层环流的路径(图5a为实验一结果,b为实验二结果,c为实验三结果)。实验一的结果表明,1/6(°)水平分辨率无法分辨吕宋海峡复杂地形,此实验不能模拟得到吕宋海峡深层环流。实验二和实验三的结果表明,西北太平洋深层水到达吕宋海峡后分为2支,1支通过巴士海峡流入吕宋海沟,1支通过台东海峡流入吕宋海沟,在吕宋海沟北部汇合后沿吕宋海沟向南流动。沿恒春海脊(Hen-Chun ridge)向南流动的过程中,没有明显的流从 WG1缺口处流向南海。在WG2缺口处,一小部分吕宋海峡深层水从吕宋海沟分离出来进入南海,剩余的深层水基本从WG3缺口处进去南海。WG4缺口处没有明显的流动。2个实验得到的吕宋海峡深层流空间分布特征基本一致,太平洋水在2个试验中都主要从巴士海峡进入吕宋海沟,最后通过WG2和WG3通道进入南海。1/24(°)水平分辨率模拟得到的吕宋海峡深层环流路径与1/12(°)水平分辨率的模拟结果基本一致,只是高分辨率的模拟结果能显示出更细致的结构(如吕宋海沟北部的气旋式环流结构)。
图5 模式25层 (σ2,36.82kg·m-3)以下年平均单位宽度流量 (单位,m2·s-1)Fig.5 The annual mean transport per unit width(unit:m2·s-1)of the first experiment from model layer 25(σ2,36.82kg·m-3)to bottom
本文在巴士海峡、台东海峡、WG2和WG3通道各取垂直海峡方向的垂向断面计算其流量,定量描述各个海峡和通道的水体通量,验证水平分辨率的高低是否会对吕宋海峡的主要出入口的流量产生影响。同样计算模式25层以下的流量密度代表吕宋深层环流及其分支的流量。实验二(1/12(°))和实验三(1/24(°))得到的巴士海峡、台东海峡、WG2和WG3通道的流量基本一致,分别为1.1、0.4、0.5和0.9Sv,2个实验得到的流量差异仅体现在小数点后两位,这主要是由不同分辨率下底地形的差异造成。由此可见1/24(°)的水平分辨率不会影响吕宋海峡中各个出入口的深层流流量。
本文还研究了吕宋海峡深层环流在流动过程中垂向结构的变化和不同水平分辨率对吕宋海峡深层环流的垂向结构的影响。根据各出入口的流量大小,本文仅对主要出入口的垂向结构和吕宋海沟的垂向结构进行研究。同时由于实验一中不存在吕宋海峡深层环流,本文只对实验二和实验三的结果进行分析。分别取巴士海峡、WG2、WG3通道以及吕宋海沟北、中、南3个断面进行对比(见图6,7)。图6为巴士海峡、WG2和WG3通过的垂向结构和流速分布。可以很明显的看到无论是实验二还是实验三,各个海峡、通道的流速最大值出现在海底附近呈现出明显的溢流结构,在底层由于科氏力的作用,流速最大值出现在流速正方向的右侧。2个实验中各个海峡/通道在1 000m以下的垂向层结和流速分布基本相同,不同点在于细结构和海底地形。图7为吕宋海沟北部(20.2°N附近垂直海峡方向)、中部(19.5°N 附近垂直海峡方向)和南部(18.2°N附近垂直海峡方向)的垂向流场结构,图7a和d表明吕宋海沟北部存在1个气旋式涡旋,实验三的反气旋环流要强于实验二,图5也表明了此环流特征。在2个试验中,太平洋深层水通过巴士海峡和台东海峡到达吕宋海沟吕宋北部时流核分布在2 000~3 000m之间,太平洋深层水并未下沉到海底。2个实验的流速分布、垂向层结在此断面都符合良好。到达吕宋海峡的中部和南部后,2个实验在海底附近的结构有差异。实验二中,太平洋深层水的流核在2 800m左右沿海峡向西南流动,而在实验三中太平洋水已经下沉到海底附近,2个实验在此断面的层结也出现差异,实验三的垂向分层相对均匀,在底层的分辨率较高可以更准确的把握流场特征。在吕宋海沟的南部,实验二中的深层水虽然出现下沉但仍未贴近海底,实验三中的深层水已彻底下沉到海底。2个实验中,深层水在流动过程中均出现下沉现象,不过1/24(°)水平分辨率下模拟得到的深层水在流动过程中的下沉速度快于1/12(°)水平分辨率下的模拟结果。
图6 垂直巴士海峡(a、d)、WG2(b、e)和 WG3(c、f)通道方向流速断面Fig.6 Velocity sections cross Bashi Strait(a,d),gaps WG2 (b,e)and WG3
图7 垂直吕宋海沟北部(a、d)、中部(b、e)和南部(c、f)方向的流速断面Fig.7 Velocity sections cross the northern(a,d),middle(b,e)and southern Luzon Trough
数值实验表明,1/12(°)和1/24(°)的水平分辨率对模拟巴士海峡和WG2与WG3通道的深层水垂向层结和流速分布基本没影响。在吕宋海沟内部,太平洋水不能在低分辨率试验中很快下沉到海底,2个实验在吕宋海沟中部的流速垂向结构以及层结有较大不同,但在吕宋海沟南北两端,2个实验的结果吻合良好。
本文首次利用HYCOM模式,并根据南海实测垂向混合率修改模式KPP垂向混合方案对吕宋海峡深层环流进行模拟。1/6(°)、1/12(°)和1/24(°)水平分辨率的模拟结果显示,1/6(°)的水平分辨率不足以分辨巴士海峡和台东海峡地形,太平洋深层水没有进入吕宋海峡的深水通道进而无法模拟吕宋海峡深层环流。1/12(°)和1/24(°)的水平分辨率都可以对吕宋海峡的复杂地形给出良好的描述,太平洋深层水可以通过巴士海峡和台东海峡进入吕宋海沟进而驱动吕宋海峡深层环流,2个实验得到的吕宋海峡深层环流年平均流量高度一致(1.5Sv)并与现有观测有很好的吻合,吕宋海峡深层环流的路径均是西北太平洋深层水沿兰屿海脊向北流动,到达吕宋海峡后,分为2支进入巴士海峡(1.1Sv)和台东海峡(0.4Sv),在吕宋海沟海槽汇合后沿吕宋海沟地形向西南流动。西北太平洋深层水主要通过位于恒春海脊的WG2和WG3缺口进入南海,年平均流量分别为0.5和0.9Sv。2个实验模拟的吕宋海峡深层环流空间分布和路径基本一致,只是高分辨率的结果显示了更清晰的细结构。吕宋海峡深层流的主要出入口巴士海峡、WG2和WG3通道在2个试验中的垂向结构和流场分布没有明显的差异,只是在沿吕宋海沟地形向南流动的过程中,实验二的下沉速度要慢于实验三,到吕宋海沟南部,2个试验中的深层水基本下沉到海底,在这个3个断面中,实验二和实验三只在吕宋海沟中部断面的垂向结构和流速分布有差异,在另外2个断面,2个实验的结果基本一致。本文的研究不但给出了吕宋海峡深层环流的空间分布,并且通过详细的比较证明了1/12(°)的水平分辨率足可以模拟吕宋海峡深层环流,这对以后的数值研究具有很好的借鉴意义。
本文的立足点是深层环流的过程研究,忽略了海洋上层强迫的影响。在未来的工作中将进一步加入上层强迫来模拟真实的吕宋海峡深层环流及全深度的水体交换。
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