吕宋海峡流场季节变化的数值模拟*

韩 冰，陈学恩，赵 健

（中国海洋大学海洋环境学院，山东 青岛266100）

吕宋海峡位于台湾岛和吕宋岛之间，南北平均宽度约185km，水深大都在2 000～4 500m。其西侧为南海，东侧是一支强大的西边界流——黑潮。黑潮发源于北赤道海域，具有高温高盐特性，通过吕宋海峡对南海产生着很大的影响［1－3］。南海处于东亚季风影响之下，具有特殊的季风气候，夏季季风一般于5月中旬爆发，西南季风最早在南海南部及中部形成，并在6月份迅速扩展至整个南海，但在南海北部风向较偏南。9月份东北季风开始出现在南海北部，10月扩展至南海中部，至11月遍及全南海，到4月冬季季风逐渐消失［4］。黑潮也存在着季节性变化，因此，吕宋海峡附近流场的变化备受关注。

关于黑潮与南海在吕宋海峡的水交换有很多不同的观点，早期研究中，Chu［5］认为黑潮在吕宋海峡南端进入南海又从北部绕出南海，郭钟信等［6］认为黑潮有一个支流进入南海，李立等［7］提出了“黑潮南海流套”的概念，并于1994年9月在南海北部的海洋调查中发现从黑潮分离出来的反气旋涡旋结构。最近的研究表明，黑潮有时并未直接进入南海，而只是流经吕宋海峡附近，如管秉贤和Shaw等［8－9］认为，黑潮在夏季并不入侵南海。通过数值模拟研究吕宋海峡水交换的工作，如 Metzger［10］等认为，分辨率低于1／16（°）的模式难以刻画吕宋海峡地形，黑潮会以绕流形式绕入南海，高于1／16（°）时，黑潮则只流经吕宋海峡；Su［11］则指出黑潮与南海的水交换是以反气旋中尺度涡的形式或亚中尺度涡的形式通过吕宋海峡与南海进行水交换的。

由于吕宋海峡现场调查观测数据较少，数值模拟近年来已成为研究吕宋海峡环流结构的主要研究手段。本文正是利用海洋模式HYCOM［12］，在模拟全球海洋环流的基础上，对西北太平洋进行高分辨率嵌套模拟，以着重研究吕宋海峡海域流场的季节性变化。

1 数值模式的简介和模式设置

HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model）海洋模式的垂向坐标可同时使用z平面坐标，跟随地形sigma坐标和等密度面坐标［12］：在开阔的分层海洋里，模式的垂向坐标采用等密度面分层；在分层较弱的上混合层，等密度面分层平滑地转为z坐标分层；在浅水区，等密度面坐标平滑的转为sigma坐标；在岸边非常浅的水域又变成z坐标。混合垂向坐标使HYCOM适用于大洋和近海各种地形并存的海洋环流数值模拟。为解决上混合层和层化相对较弱区域的跨等密度面混和问题，HYCOM 模式提供了包括 K－Profile Parameterization混 合 模 型［13－17］，动 力 学 不 稳 定 模 型，Mellor－Yamada的2.5阶湍封闭和Kraus－Turner模型在内的若干种垂直混合模型。本文采用了半隐式的KPP参数化方案，它能够在垂向上提供全水深混合，表面混合层主要考虑风驱混合和表面浮力通量，在海洋内部则计入了背景内波破碎、剪切不稳定所致混合和双扩散的影响。

为更好地刻画西北太平洋区域的环流场，本文采用了大小区单向嵌套模拟技术，通过全球模式为西北太平洋模式提供边界输入，以考虑全球风应力旋度和外洋信号等遥强迫。因为关注的是吕宋海峡区域，全球模式的计算范围取为180°E～180°W，60°S～43°N；西北太平洋模式的范围取为99°E～133°E，7°S～41°N。大小区模式垂向采用相同的22层分层，最小水深设为10m，底地形选自ETOP05数据，水平方向均采用标准的墨卡托坐标，分辨率分别为1（°）×1（°）P×cosθ（θ是纬度）和1／4（°）×1／4（°）×cosθ（θ是纬度）。22层采用海表参考压强的目标位密值为19.50，20.25，21.00，21.75，22.50，23.25，24.00，24.70，25.28，25.77，26.18，26.52，26.80，27.03，27.22，27.38，27.52，27.64，27.74，27.82，27.88，27.94。

1.1 全球模式配置

全球模式初始温盐场采用Levitus94［18－19］多年月平均数据的1月份温盐场，风场强迫和热力学强迫场采用 COADS（the Comprehensive Ocean－Atmosphere Data Set）［20］气候态数据，其中风强迫包括月平均的经向和纬向的风应力、风速，热力学强迫包括表层气温、表层大气的比湿、净短波辐射、净长波辐射、降水等。南北边界采用了10个网格的缓冲，将开边界的温度、盐度松弛到Levitus的气候态值，松弛时间从10d增加到120d；海表采用了盐度松弛和温度松弛。全球模式积分了20年，保存各种海洋模拟参数用于驱动西北太平洋模式。

1.2 西北太平洋模式配置

图1 西北太平洋模式计算区域地形图Fig.1 The computational area of the Northwest Pacific Ocean model

西北太平洋模式的计算区域见图1，在计算区域内，对地形进行了一定的处理。首先，为确保计算区域为连通区域，一个是将大陆上的湖泊处理成陆地。另一个是将区域的西南角与内部区域不相连接的部分处理成陆地。其次，在西边界上封闭马六甲海峡。因为马六甲海峡水深比较浅，通过的流量不大，封闭该海峡不会对计算结果产生明显的影响。这些处理是必要的，因为边界附近的不连通区域会影响整个区域的流量平，甚至会引起模式计算的发散。

西北太平洋模式的初始场采用了全球模式第20个积分年1月份的输出资料，确保模式更快地达到稳定态。风场强迫和热力学强迫场仍然采用COADS气候态数据，风强迫包括月平均的经向和纬向的风应力、风速，热力学强迫包括表层气温、表层大气的比湿、净短波辐射、净长波辐射、降水等。西北太平洋模式开边界流场及温盐场取自全球模式第20个积分年的输出资料，在积分过程中，每3天从大区模式中获取一次数据，周而复始地对模式进行为期12个月的循环模拟，共运行4年。由于模式以气候态周期性边界条件驱动，当模式进入积分稳定态后，整个区域内的动能之和应达到1个相对稳定的周期性的变化，相邻2个时间步的动能变化应该趋向于1个较稳定的值。

图2是西北太平洋区域平均动能的变化曲线。由图可知，平均动能的变化量在模式运行的前几个月内变化比较大，平均动能快速达到最小值，随后进入1个调整期，变幅趋小，积分2a后模式平均动能的变化量已经很小，可以认为模式已经稳定。

图2 西北太平洋区域平均动能的变化Fig.2 The variation of the average kinetic energy in the Northwest Pacific Ocean area

2 模式结果验证

2.1 全球模式的结果

图3和4是全球模式第20个模式积分年结果所得的西北太平洋区域3和9月份的10m层流场分布，从图中可以看出西北太平洋区域的主要海流特征如黑潮等基本上比较明显的模拟出来，并且也能看出主要海流的变化特征。这为西北太平洋更高分辨率的模拟提供了很好的边界条件。下面就基于西北太平洋模式第4个模式积分年的结果来验证、分析和讨论。

图3 全球模式模拟结果给出的西北太平洋区域3月份流场（10m）Fig.3 The horizontal flow field in the Northwest Pacific Ocean area in March from the results of the Global Ocean model（10m）

图4 全球模式模拟结果给出的西北太平洋区域9月份流场（10m）Fig.4 The horizontal flow field in the Northwest Pacific Ocean area in September from the results of the Global Ocean model（10m）

2.2 黑潮流型

图5 给出了西北太平洋模式春夏秋冬4个季节黑潮流型的模拟结果。如图5中所示，黑潮发源于北赤道流延续体，其沿菲律宾群岛，吕宋海峡及台湾岛向北，然后在25°N附近形成反气旋式弯曲并转向东北，在东海内其沿陆架外缘和陆坡之间流动，到达日本南岸后转向东，离开日本后成为黑潮延续体。

图5 西北太平洋区域的流场（10m）Fig.5 The horizontal flow field in the Northwest Pacific Ocean area（10m）

从图5可分析黑潮的季节变化，春夏2季黑潮非常强，流量大，而在秋冬两季黑潮偏弱，这与前人的论述吻合［15－16］。黑潮强度的这种变化与东亚季风存在着一定关系，春末夏初南海开始盛行西南季风，增强了黑潮在中国近海的强度，而在冬秋两季盛行的东北季风则减弱了黑潮的强度，可见模拟所得的黑潮季节变化是合理的。

2.3 PN断面流速分布

PN断面位于冲永良部岛西北，横切东海黑潮主干，跨越冲绳海槽、大陆坡和大陆架，这一断面大体上位于黑潮所流经东海的中央地段，与纬线成37°交角。从1972年5月起至今，日本长崎海洋气象台就做定期观测，每年实施春、夏、秋、冬4季观测。本文采用的PN断面流场结构来源于刘勇刚等［15］利用日本“长风丸”调查船1992年航次以及“凌风丸”调查船9201航次获取的水文资料。

夏季模拟结果在PN断面黑潮有1个流核，流核靠近陆架坡折（见图6a）。200m以浅水层流速都大于1.0cm／s，最大流速靠近表层，为1.68，0.2m／s流速可达700m处。模拟结果跟实际观测（见图6b）的流结构基本相似，但模拟的最大流速值1.68m／s比实际观测到的最大流速1.55m／s略大。鉴于本文的数值模拟是基于气候态的海表通量场，上述结果可以接受。

图6 a夏季PN断面流速分布（模式结果）Fig.6 a The Summer flow field at Section PN （model results）

图7 a冬季PN断面流速分布（模式结果）Fig.7 a The Winter flow field at Section PN （model results）

图6 b 1992年夏季PN断面流速分布（观测结果）Fig.6 b The Summer flow field at Section PN in 1992（observation results）

图7 b 1992年冬季PN断面流速分布（观测结果）Fig.7 b The Winter flow field at Section PN in 1992（observation results）

冬季模式结果跟实际观测相似（见图7），黑潮流核靠近陆架坡折处，在200m以浅，流速都大于0.8m／s。黑潮的厚度比实际观测略厚。流核的最大流速为1.53m／s，而实际观测到的最大流速为1.58m／s。鉴于本文的数值模拟是基于气候态的海表通量场，上述结果也可以接受。

在夏冬2个季节，模式对黑潮在PN断面的流速结构和流核位置模拟较准确，夏天黑潮的强度比冬天大，并且最大流速与实测相差无几。由于数值模式的精度和验证数据获取的时间差异，模拟所得的黑潮流轴要比实际略宽。

3 吕宋海峡附近流场结构分析

图8 吕宋海峡附近的流场（10m）Fig.8 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（10m）

从图8吕宋海峡海域10m层的流场分布图可以看出，春季，在吕宋海峡处形成了1个明显的气旋涡，黑潮水通过这个气旋又回到了原来的流轴上。这个气旋涡在夏秋2个季节西移。冬季，在21°N，119°E处形成1个反气旋涡，在反气旋涡的北部一部分回到黑潮主轴上去，一部分通过台湾海峡流出去，这个涡旋在春季依稀可见但是强度减弱了很多。从120.75°E吕宋海峡口处看，一年四季在吕宋海峡中部都有黑潮水入侵，北部有南海水的流出，夏秋2季不太明显，但冬季最为明显，其在南海北部形成了流套，黑潮水从吕宋海峡中部流入，在吕宋海峡北部又流了出去。在吕宋海峡南部，春夏秋3季，都是南海水流入到太平洋中，在冬季则是黑潮水流入到南海中。

从吕宋海峡海域50和100m层流场分布图可以看出（见图9、10），其与10m层流场分布相似，这说明吕宋海峡处的流场在10～100m深度处分布基本一致。从图10中更能看出冬季南海北部形成了1个流套，在夏秋两季黑潮入侵都不太明显。

从吕宋海峡海域500m层的流场分布图可以看出（见图11），它与10～100m流场有明显不同。春夏秋冬4个季节在这个深度处黑潮对南海都没有明显的入侵，且在吕宋海峡北部，南海的海流都从南海向太平洋流去。在500m深度处，最明显的海流是南海暖流的存在。其从116°E的东边，沿着20°N一直往东传，到117.5°E处转向东北方向传播，再到21°N～22°N处东传，穿过吕宋海峡，一直进入到西北太平洋。从图中可发现，南海暖流终年存在，之前国家海洋局南海分局于1975—1984年间在南海北部陆架邻近海域开展了10年水文断面调查，温、盐度及重力势资料分析表明，南海暖流终年存在［17］。

800m层流场表明（见图12），南海暖流在这个深度已经消失，春夏2季黑潮主要通过吕宋海峡的南部和中部进入南海，北部则南海水流出海峡。而在秋冬2季也主要是黑潮水进入到南海之中，但在这个深度流场流速已经很小，仅有10cm／s左右。1 000m层（见图13）流场表明，黑潮主要通过吕宋海峡的中部入侵南海，并且形成了微弱的南海分支流，其方向是沿着西南方向。在800～1 000m处主要是黑潮水流入南海。

图9 吕宋海峡附近的流场（50m）Fig.9 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（50m）

图10 吕宋海峡附近的流场（100m）Fig.10 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（100m）

图11 吕宋海峡附近的流场（500m）Fig.11 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（500m）

图12 吕宋海峡附近的流场（800m）Fig.12 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（800m）

图13 吕宋海峡附近的流场（1 000m）Fig.13 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（1 000m）

4 结论

本文首先利用HYCOM海洋模式对全球海洋环流进行数值模拟，获取稳定的全球环流数据资料，然后通过单向嵌套技术，模拟西北太平洋的流场，在此基础上，着重研究和分析了吕宋海峡处的流场结构及其季节性变化。主要结果归纳如下：

（1）很好地再现了黑潮的流型变化，春夏2季黑潮非常强，流量大，秋冬2季黑潮则明显偏弱。通过对著名代表性PN断面观测的对照，表明考虑了全球环流影响的西北太平洋模式成功地模拟了黑潮的季节变化及其流态特征；

（2）在10～100m层的流场处，吕宋海峡中部常年存在黑潮水入侵，北部有南海水的流出。夏秋2季黑潮水的入侵不太明显，冬季最为明显，其在南海北部形成流套，黑潮水从吕宋海峡中部流入，沿着流套在吕宋海峡北部又流出南海；

（3）500m层的流场表明，春夏秋冬4个季节在这个深度处黑潮对南海都没有明显的入侵，最显著的是南海暖流的存在，在吕宋海峡北部，南海的海流都从南海流入太平洋；

（4）800m层的流场表明，南海暖流在这个深度已经消失，春夏2季黑潮主要通过吕宋海峡的南部和中部进入南海，北部则是南海水流出海峡。在秋冬2季主要是黑潮水进入南海，流速已经很小，仅10cm／s左右。1 000m层流场表明，黑潮主要通过吕宋海峡的中部入侵南海，且形成了微弱的南海分支流，其方向是西南方向。在800～1 000m处主要是黑潮水流入南海。

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