北太平洋低纬西边界流系特征变化研究

戴玉玲，包畯，李家党

（中国卫星海上测控部，江苏江阴 214400）

1 引言

北太平洋低纬西部边界流非常复杂，它同时连接着热带环流系统（北赤道流-棉兰老流-北赤道逆流）和副热带环流系统（北赤道流-黑潮-黑潮衍生体），在世界大洋经向质量、热量和盐量的输运中起着重要作用。关于北太平洋低纬西边界流系的研究工作，自20世纪30年代就已开始。随着观测手段的不断更进，对该片海域的国际联合调查及国内大型海洋调查计划越来越多，并取得了大量的数据，这些资料为研究北太平洋低纬西边界流系的环流结构提供了很好的依据。同时，由于计算机技术的快速发展及成熟应用，更多的海洋数值计算模式应用于北太平洋低纬西边界流系结构特征及变化规律的研究。目前，对北太平洋低纬西边界流系的组成及结构已基本形成较一致的观点，认为北太平洋低纬西边界流系主要由北赤道流（NEC）、黑潮（KC）和棉兰老流（MC）组成（部分学者认为包括北赤道逆流（NECC））。本文参考周慧[1]、康霖[2]等的命名方法，将位于赤道以北0°—25°N，经度125°—135°E太平洋海域内的北赤道流、黑潮、棉兰老流合称为北太平洋低纬西边界流系，记作NEC-KC-MC。

北太平洋低纬西边界流系中的黑潮和棉兰老流都出自同源——北赤道流。北赤道流位于赤道以北10°—20°N之间，是太平洋中一支相对稳定的由信风引起的自东向西的风生漂流，在其到达太平洋西海岸后，由于受地形阻隔的影响产生分叉，生成向北流动的黑潮和向南流动的棉兰老流。这两支海流因为流速很大、且高温高盐，能够给所流经的海域带来很大的动能、热量和盐量，从而对海水能量、热量和质量都有极大的影响，尤其对改变局部海域的气候有着极其重要的作用[3-4]。北赤道流作为黑潮和棉兰老的源流，它的强度和分叉位置直接决定了黑潮和棉兰老流的强弱，进而直接影响着低纬和高纬海域质量、热量的运输，从而对整个西边界流域乃至整个太平洋地区海气系统产生重要影响[5]。此外，北太平洋低纬度西边界流是全球海温最高的区域，是全球最大的热源地，整个海表海温的异常通过复杂的海气相互作用将有可能会导致全球大气环流的变化，从而导致EL Niño事件的发生。由此可见，对北太平洋低纬度西边界流，特别是对其季节和年际变化规律进行研究，对海洋气象甚至全球气候研究均具有科学意义[6]。

本文研究所采用的数据资料取自美国国家环境预报中心（NCEP）全球海洋潜标观测系统再分析资料，统计时间为1983—2012年各月平均数据，数据分辨率为1°（经度）×0.3°（纬度）。

2 北太平洋低纬西边界流表层分布特征

图1a为本文所采用的NCEP再分析资料得出的北太平洋低纬西边界流表层多年（1983—2012年）平均流场，其结果与Tommy等利用高分辨海洋环流模式(OGCM)模拟得到的西北太平洋表层平均流场分布情况（见图1b）基本一致。在年平均时间尺度上，北赤道流（NEC）主要位于8°—20°N之间，年平均流速为20—30 cm/s。NEC流速最强劲处位于10°—14°N之间，年平均流速可达30 cm/s，最大流速高达40 cm/s以上。当NEC流至太平洋西边界菲律宾沿岸12°—3°N时，由于受地形的影响产生分叉，产生北向的黑潮（KC）和南向的棉兰老流（MC）。KC沿吕宋岛一路向北，沿台湾岛东侧流经东海时，由于和台湾东北部大陆坡折区存在碰撞[8]，方向转向东北运动，并沿大陆架边缘与大陆毗连区到达29°N，129°E附近后转向东运动。经计算，刚分出的KC流速较小，在吕宋岛东部年平均流速30—40 cm/s，到达吕宋岛东北部后年平均流速增至50 cm/s，到达台湾岛东侧后年平均流速高达70 cm/s，最大流速可达90 cm/s以上。MC与KC相似，刚分叉出的MC由于还未完全成型，流速较小，仅为40 cm/s,到达棉兰老东侧（7°—8°N）后流速急剧增大，表层年平均流速高达80—90 cm/s,最高可达110 cm/s以上，这与Qu[9]通过CAS调查计划观测得到的结论一致，Qu认为上层结构MC在8°N附近才得到充分发展，流速变大超过80 cm/s，并随着深度的减小MC宽度变窄。在NEC-KC-MC流系以南太平洋4°—12°N之间，存在着一支流向与NEC相反的海流，即为北赤道逆流，北赤道逆流的流速大于NEC，年平均流速达30—40 cm/s，最大可达50 cm/s以上。北赤道逆流（NECC）以南（0°—3°N）存在南赤道流的踪影，它的流动方向与NEC相同，自东向西流动，表层年平均流速与NEC接近，为20—30 cm/s。

图2 北太平洋低纬西边界流表层多年季节平均流场

图2为北太平洋低纬西边界流表层多年季节平均流场。由图可以看出，无论是NEC，还是KC和MC，都有较强的季节变化尺度。NEC夏季（6—8月）流速大于冬季（12—次年2月）流速，春季（3—5月），秋季（9—11月）最小。夏季NEC流速最大，流幅最窄，平均流速达30—40 cm/s，最大可达50 cm/s以上，秋季流速最小，流幅最大，平均流速仅为20 cm/s。同时，由图也可以看出NEC在位置上存在季节上的偏移，相较于冬季，夏季NEC的位置略比冬季偏北1—2个纬度。KC和MC的变化特征与NEC相似，夏季流速大，流幅窄，KC和MC夏季平均流速最大分别可达70—80 cm/s、90—100 cm/s。冬季，KC流速小，流幅变宽，平均流速为60 cm/s，最小流速仅为40 cm/s；相比较于KC，MC冬季和夏季平均流速差别较小，冬季略小于夏季，平均流速也达90 cm/s。同样，北赤道逆流在位置上也存在季节上的变化，夏季主要位于4°—7°N，冬季主要位于3º—7°N，位置比夏季略向南移动了1个纬度，流幅比夏季略宽1个纬度；在流速上，北赤道逆流的强流区比较集中，尤其是在秋季，主要集中在3°—5°N之间，该纬度范围内流速高达40—50 cm/s，而夏季流速分布较均匀，平均流速达40 cm/s以上，冬季流速略小于夏季，但平均流速仍达30—40 cm/s。

3 北太平洋低纬西边界流流量月变化特征

为了积分方便，分别将NEC、KC、MC各断面1983—2012年30年的逐月数据资料进行水平方向和垂直方向上插值，水平方向上插值到0.1°经度×0.1°纬度，垂直深度上插值到10 m一层，分别计算NEC、KC、MC、NECC各断面上的流量，选取的积分经纬度和深度范围见表1所示。

表1 NEC、KC、MC、NECC流量计算选取范围[10-11]

根据表1，计算得出NEC、KC、MC，NECC各断面的月平均流量（见图3）。从各月流量分布来看，NEC春夏两季的流量运输明显大于秋冬两季，且在夏季的7月出现最大值57 Sv，冬季的12月出现最小值49 Sv。在春夏季节，NEC在130ºE断面的纬向流量运输一直维持在52 Sv以上，春季的流量运输为54.7 Sv，夏季的流量运输最高，为56.3 Sv。值得注意的是在夏季的8月，NEC的流量运输由7月的最高值突然降低，减小至小于春季的流量运输，这可能是由于季节的过渡，NEC的表层出现了漩涡的原因。KC的流量变化基本稳定，上下波动较小，全年维持在23—28 Sv之间，冬季月份流量略小于夏季月份，且在12月出现了最小值，为23 Sv，夏季7月份出现了最大值，为28 Sv。这个计算结果与Yaremchuk[12]等计算得到的27.6 Sv和Atsuhiko[13]计算得到的30 Sv以下比较接近，而与Qu[9]、鞠霞[14]等计算得到的12—15 Sv的差距还较大。总的来看，大多数学者计算的KC流量在12—60 Sv之间不等，结果相差很大，一方面这与KC所处的流场环境有关，另一方面与计算所选取的参考面和计算方法有关[15]，目前对于KC的范围和方法还未存在一个统一的标准。相较于KC，MC的流量变化具有明显的季节变化特征，春季流量输送最大，夏季次之，秋季流量运输最小，春季最大流量运输达32 Sv，秋季仅为25 Sv。MC的流量变化趋势和NEC变化趋势非常接近，略有差别之处在于NEC在过了夏季的7月后流量逐渐减小，而MC在5月份过后就有流量变小的趋势，可能的原因在于吕宋岛以东表层出现了漩涡[10]。NECC在流量变化上与NEC具有反相性，流量运输的最大值出现于秋末冬初的11月份，为40 Sv，而最小值出现于冬季的2月份，仅为28 Sv，由此可见，在冬季NECC的波动较大，稳定性较差。

图3 NEC、KC、MC、NECC各断面月平均流量

由图3还可以看出，KC和MC的流量总和变化趋势和NEC的变化趋势接近，但数值上略大于NEC的流量运输。一方面可证明KC和MC为NEC分叉后的主要支流，因此KC和MC的流量总和与NEC流量接近，且变化趋势一致；另一方面，由于在流量计算过程中积分选取的经纬度及深度范围所致，KC和MC的流量总和与NEC流量存在偏差。另外，在NEC流量计算过程中发现，在NEC南边界中，纬向存在正方向的流速，这是由于NEC中混有部分反向的赤道逆流，在NEC流量计算中，这部分流量与NEC流量进行了部分抵消，这也是KC和MC流量总和略大于NEC流量的原因之一。

4 北太平洋低纬西边界流相关性分析

由表2可以看出，NEC、KC和MC夏季多年平均流量大于冬季多年平均流量，NECC冬季多年平均流量略大于夏季多年平均流量。从流量的稳定性来看，除MC外，NEC、KC和NECC的夏季流量的稳定性均强于冬季流量。4支海流中，MC流量的稳定性最好，NECC的稳定性最差，尤其冬季，NECC的流量起伏波动大，表现的非常不稳定。从季节指数[16][I=（Ms-Mw）/]来看，NEC的季节变化最明显，其次是MC，NECC的季节变化最不明显，这是由于NEC主要受东北信风的驱动，对季节变化的响应强烈；而NECC处于赤道无风带，对季节变化的响应较弱，但这不是NECC流量不稳定的唯一原因，目前还没有统一的研究结果，有的学者认为和NECC的形成原因有关，有的则认为要从波动理论来解释这一现象。

表2 北太平洋低纬西边界流相关性分析表

从各海流与NEC的相关性分析，无论是KC还是MC，它们与NEC的相关系数的均大于0.5，说明总的来说，NEC的流量同时控制着KC、MC的流量变化，且KC、MC与NEC为正相关，即当NEC流量增加时，KC和MC的流量都增加，而当NEC流量减小时，KC和MC的流量也都随之减小。这与康霖博士[17]通过研究NEC与KC、MC的流量变化在季节时间尺度和年际时间尺度上的流量异常变化现象得出的KC、MC的流量变化与NEC具有同相变化关系的结论相一致。比较KC、MC与NEC的相关性，MC与NEC的相关系数大于KC，即MC的流量受NEC的影响较KC大。用同样的方法计算MC与KC的相关系数为0.16，可见，MC与KC虽然同为NEC的主要支流，但两者之间的关系并非为负相关，而是正相关，且相关系数很低，因此得出结论：同作为NEC的两条支流，MC的流量并不因为KC流量的增大而变小，且KC流量与MC流量两者之间既有关联，又互相独立。相较于MC，KC与NEC的相关系数略低，这与Qiu和Lukas[18]的研究结果相一致，说明KC流量在受NEC流量变化影响的同时还受其他因素的制约，如吕宋海峡东部的漩涡，日本岛南部的暖涡及KC北侧的副热带逆流等等，这些因素对KC流量的影响均是不容忽视的。NECC与NEC有很大的负相关性，即当NEC流量增加时，NECC流量减小；而当NEC流量减小时，NECC的流量反而变大。这与高立宝等[19]利用投放的漂流浮标观测资料（2005—2008年）并结合ADCP和Argo浮标资料分析得出的NEC与NECC两者流量具有季节方向变化特征的结论相一致，而与孙湘平[20]利用1967—1995年日本气象厅海洋气象观测资料得出的NEC与NECC两者流量具有相同季节变化的结论相反。一方面可能的原因是两者所使用的观测资料不同造成的差异，且后者所使用的资料仅限于冬、夏二季；另一方面可能的原因是NECC海流的主要来源并非NEC，可能是与之变化反向的南赤道流，具体原因还需进一步分析。

5 结论

本文研究了北太平洋低纬西边流系表层分布特征及流量月变化特征，并探讨了各海流之间的相关性，得出以下结论：

（1）北太平洋低纬西边界流系主要由NEC、KC、MC及NECC构成，在位置变化上表现出夏季北移，冬季南移的特征；在流速变化上均表现出夏季强盛，冬季减弱的季节变化特征；

（2）从流量运输情况看，NEC、KC和MC的春夏季节流量运输均大于秋冬季节的流量运输，而NECC则相反；

（3）从各海流与NEC的相关性分析上看，NEC与KC、MC为正相关，与NECC为负相关，NEC的流量变化控制着KC、MC的流量变化。

本文对北太平洋低纬西边界流系的研究重点主要集中于对NEC、KC、MC组成的NEC-KC-MC流系，而对NECC仅做了初步分析；另外，由于本文主要从整体趋势研究各流系的分布及时空变化特征，所采用的数据资料分辨率有限，如需对各流系的变化机理及影响因素做进一步分析，还需增加分辨率更高的数据资料以及其他诸如风场、卫星高度计、温盐场等资料。

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