基于ROMS模式的东海黑潮季节变化特征模拟研究*

周立佳　党振中　董慧超　牛洪暄　刘　昕　周　镇

(海军大连舰艇学院　大连　116018)



基于ROMS模式的东海黑潮季节变化特征模拟研究*

周立佳党振中董慧超牛洪暄刘昕周镇

(海军大连舰艇学院大连116018)

摘要黑潮是一支高温、高盐的西边界暖流，也是北太平洋副热带环流的重要组成部分;同时，黑潮也是影响潜艇航速、定位和行动隐蔽性的重要海洋环境现象。黑潮将高温、高盐的海水输送至东海，会对我国东部沿海地区的气候产生重要影响。利用ROMS模式以较高的分辨率模拟东海海表面和PN断面温度结构的季节变化特征，并结合WOA13数据进行对比分析，为开展东海黑潮相关研究提供基础。结果表明ROMS模式对东海黑潮具有较好的模拟效果，模式模拟的海表面温度的季节变化趋势与WOA13数据较为一致，冬、春季黑潮路径较为明显;同时，模式较好地模拟了 PN 断面温度结构的季节变化特征，流核结构明显。

关键词ROMS; 东海; 黑潮; 海表面温度; PN断面

Class NumberP731

1引言

黑潮是北太平洋副热带环流的重要组成部分，是一支高温、高盐的西边界暖流，其携带着大量的热量流入东海，对我国东部沿海的气候产生重要影响。黑潮也是影响潜艇航速、定位和行动隐蔽性的重要海洋环境现象。

黑潮流量以及流幅存在明显的季节变化和年际变化，黑潮流量夏季大，秋季小，流幅遵循春、夏宽，秋、冬窄的变化规律，且黑潮大弯曲存在年际变化[1～6]。同时，有学者利用再分析手段，系统分析了台湾以东黑潮温度锋时空变化规律及其形成变化规律，以及海洋涡旋和锋面波动对台湾以东黑潮锋的影响[7～8]。

随着计算能力的提升，近年来不断有学者利用数值预报模式对东海黑潮进行研究分析，取得了显著的进展，数值模式也是未来东海黑潮研究的主要方向。张蕴斐等[9]利用MICOM三维原始方程等密度面坐标模式模拟了黑潮环流的基本特征。白志鹏等[10]利用HYCOM 模式对东海黑潮进行气候态模拟，指出地形分辨率的提高和改善的斜压效应，使高水平分辨率模式对黑潮特征量的模拟有明显的改进。齐继峰[11]基于历史调查资料，利用统计分析方法和海洋数值模式指出东海黑潮流量具有显著的年际和年代际变化。樊孝鹏等[12]利用三维原始方程模式MITgcm计算了西北太平洋海区的多年平均流态，取得了较好的效果。Park and Farmer[13]利用HYCOM模式同化观测资料得到了黑潮的时间变化和三维特征，指出黑潮的入侵会导致温跃层的加深以及切变加强。

前人对于黑潮的研究主要集中于黑潮流量以及流幅的年际和年代际变化，且数值模拟研究大多分辨率比较低。考虑到东海海区复杂的地形特征，本文将利用ROMS模式以较高的分辨率模拟东海海表面和PN断面温度结构的季节变化特征，为开展东海黑潮相关研究提供基础。

2ROMS模式简介及模式设置

2.1ROMS模式介绍

区域海洋模式系统(Regional Ocean Modeling System,ROMS)是在近年的海洋科学研究中应用广泛的三维、自由表面、随底坐标模式。ROMS模式采用了Boussinesq近似和准静力近似，近似求解雷诺平均的 N-S方程。在水平方向上，ROMS模式采用正交曲线(Arakawa C)网格;垂向上采用地形拟合的可伸缩坐标系统(S坐标系)，并针对不同的情况提供多种转换函数和拉伸函数来调节垂向层级的疏密分配，进而增加了计算网格的解析度。在笛卡尔坐标系中其控制方程如下

·运动方程：

·连续方程：

·标量(温度、盐度)控制方程：

·状态方程：

ρ=ρ(T,S,P)

其中Fu、Fv、FC为强迫项，Du、Dv、DC为扩散项。f(x,y)为科氏参数，g为重力加速度，φ(x,y,z,t)为压强项(φ=P/ρ0)。

2.2模式基本设置

本文模式的计算覆盖黄海、东海、南海东北部以及西北太平洋部分区域(116°E-137°E，19°N-41°N，见图1)，该区域边界离黑潮路径较远。模式网格水平分辨率为1/10°;垂向分为20层，垂直方向的坐标拉伸参数分别设置为θs=4和θb=0，最小深度设为75m，最大深度设为5000m。图2给出了东海沿27°N的纬向网格垂向剖面示意图，以直观地展现东海的地形变化。从图中可以看出ROMS模式垂直方向的随底坐标可以较好地表征地形的变化。同时，图2标注了东海的主要地形特征，自东向西依次为中国东海大陆架、冲绳海槽、琉球群岛岛链以及琉球海沟，结合图1可以发现其地形特征沿西南至东北方向分布。

图1　模式覆盖区域，包括整个东海、南海东北部以及西北太平洋部分区域(116°E-137°E，17°N-41°N);图中白线表示PN断面的位置

图2　模式网格垂向分层—东海沿28°N的纬向网格垂向剖面示意图(结合黑潮流区的地形，

模式地形数据为ETOPO1，数据分辨率为1’×1’;气象驱动场为每天1次的COADS(comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)资料;海面高和三维温盐流的开边界条件使用了SODA资料50年(1958～2008年)月平均场。正压流速采用Flather边界条件，三维斜压流速和温盐场采用Orlanski辐射加“轻推”(Nudging)边界条件。温度、盐度的初始条件由 WOA2005 数据集一月份的气候平均值给出,其空间分辨率为1/4°×1/4°。其开边界的分潮调和常数来源于 OSU Tidal Data Inversion(OTIS)提供的 TPXO7数据集，选取了四个主要分潮(M2、S2、N2、K2)作为潮强迫场。垂向混和参数化方案采用K-剖面参数化方案(K-Profile Parameteration,KPP)。

3海表面温度季节变化特征模拟结果分析

模式共运行10年，输出结构包括水位、流速、温度、盐度及密度，模式输出时间步长为1个月，本论文选取第十年1月到12月的模拟数据，与WOA13(World Ocean Atlas 2013)数据对比，进行温盐场的分析。WOA13数据是来自NOAA的国家海洋数据中心海洋气象实验室的海洋气候学最新数据集产品，包涵全球多种海洋要素数据，分为年平均、季节平均、月平均数据，是多种数据集的整合产品，包含多种实测数据，空间分辨率有：5°、1°、0.25°三种，在深度上利用内插值的方法，从表层到最大深度5500m分为102层。

图3　WOA13数据的气候态海表面温度

图3是利用WOA13数据提取的气候态东海海表面温度，东海的海表面温度有着明显的季节性变化。从图中可以看出，1月份SST自南向北逐渐升高，自吕宋海峡开始，有一股较强的暖水舌向北扩展至台湾东部海域;东海外海黑潮主轴的暖水舌沿琉球岛链由西南向东北延伸。4月份的SST较1月份有了明显的升高，东海外海黑潮主轴上的暖水舌温度也有明显升高，其变化趋势与1月份相差不大。7月份东海黑潮的趋势不明显，受短波辐射的影响，东海海域与其两侧的水温相差不大，而在日本以南以东的海面暖水舌相对比较明显。到了10月份，整个区域的SST已经较7月份有了明显的减退，且纬向变化较小，黑潮路径不明显。

图4　模式模拟的气候态海表面温度

图4给出不同季节模式模拟的海表面温度。通过模式模拟的海表面温度的季节变化趋势较为明显。1月份和4月份可以看到暖水舌自台湾北部向东北方向扩展，黑潮路径明显;7月份海表面温度最高，10月份次之;7月份和10月份sst的纬向变化较小，对黑潮路径的表征不明显。模式对于对马暖流的模拟较为明显，在不同季节均可看出有暖流经过对马海峡进入日本海。从模式的模拟结果可以看出，1月份黄海暖流较为明显，而7月份较弱，符合黄海暖流冬季较强，夏季较弱的规律。同时，模式受地形影响，1月份和4月份台湾暖流的强度异常偏大，7月份长江口附近有明显的冷水团出现，说明近岸的模拟结果有待进一步提高。

4PN断面温度结构季节变化特征模拟结果分析

为研究东海黑潮水下的温盐结构，本文选取位于黑潮中央地段的PN断面(位置见图1)。本文中选取的PN 断面(图1)东起 27°30′N、128°15′E，西至 30°30′N、123°15′E，与纬线成 37°交角。PN断面横切东海黑潮主干，在对东海黑潮的调查研究中PN 断面是观测时间最长、最系统、最著名的一个断面，也是表征东海黑潮强度以及时空变化的重要标志。

图5　利用WOA13逐月月平均资料提取的 PN 断面温度剖面

本文中选取的PN 断面(见图1)东起 27°30′N、128°15′E，西至 30°30′N、123°15′E，与纬线成 37°交角。PN断面横切东海黑潮主干，在对东海黑潮的调查研究中PN 断面是观测时间最长、最系统、最著名的一个断面，也是表征东海黑潮强度以及时空变化的重要标志。

图5是利用WOA13逐月月平均资料提取的 PN 断面温度剖面。从中可以看出，黑潮主轴上有非常强的暖水，尤其是在 1 月和 4 月非常明显，在两侧的海水有很强的温度梯度，且4月份其流核结构十分明显，黑潮主轴的强度较大。7月份，海水表层的温度都非常高，温度梯度不是很明显， 10月份，随着高温水的南退，黑潮主轴的暖水特征又再次出现。对于 PN 断面，深层水的水温变化不是很大，全年的温度特征都比较一致。从PN断面的温度结构分析中，可以发现冬、春季节PN断面流核结构最为明显。

对比模式结果与WOA13结果可以发现，模式能够较好地再现 PN 断面温度结构的季节变化特征。在 1 月和 4 月，模式模拟出了冬、春季节PN断面上明显的流核结构;4月份流核中心温度较1月份有所上升;受台湾暖流异常的影响，在靠近大陆一侧的近岸有一弱的高温中心。7月份sst明显升高，温度水平梯度变化不大，流核结构不明显;等温线在陆架坡折区内侧(靠近大陆一侧)上浮，说明黑潮模拟结果夏季流幅较广。 10月份，sst较7月份有所下降，模式模拟结果可以看出黑潮主轴的结构，但强度较弱。

图6　模式模拟的PN断面温度剖面

5结论

本文利用ROMS模式进行东海黑潮气候态的模拟，并对比WOA13数据，提取东海海表面和PN断面温度结构的季节变化特征，主要结论概括如下:

1) 模式模拟的海表面温度的季节变化趋势较明显，冬、春季黑潮路径较为明显。

2) 模式较好地模拟了 PN 断面温度结构的季节变化特征，冬、春季PN断面流核结构较为明显。

3) 受地形影响及分辨率的限制，模式对黄海暖流以及台湾暖流的模拟效果有待提高，是未来需要进一步完善的部分。

参 考 文 献

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[8] 李威,王琦,马继瑞,等.台湾以东黑潮锋的中尺度过程研究[J].海洋通报,2011(5):518-528.

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[10] 白志鹏,高松,王海棠.HYCOM模式对东海黑潮的气候态模拟[J].海洋通报,2010(2):121-129.

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[12] 樊孝鹏,黄大吉,章本照.东海黑潮的气候态数值模拟[J]. 浙江大学学报(工学版),2006(5):916-920.

[13] Jae-Hun Park and David Farmer(2013), Effects of Kuroshio intrusions on nonlinear internal waves in the South China Sea during winter[J]. Journal of Geophysical Research, 2013,118：7081-7094.

收稿日期：2016年1月19日,修回日期：2016年2月14日

作者简介：周立佳,男,博士,副教授,研究方向：军事海洋环境作战应用。

中图分类号P731

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.023

Seasonal Variation Characteristics of the Kuroshio in the East China Sea Based on ROMS

ZHOU LijiaDANG ZhenzhongDONG HuichaoNIU HongxuanLIU XinZHOU Zhen

(Dalian Naval Academy, Dalian116018)

AbstractKuroshio as a high temperature, high salt, west boundary warm current, is an important part of the north Pacific subtropical circulation. At the same time, kuroshio is a kind of important marine environmental phenomena which can influence speed. Location and covertaction of submarine Kuroshio flows into the east China sea with high temperature, high salt water. Kuroshion in East china sea have an important influence on the climate of the east coast of China. By making use of the Regional Ocean Modeling System(ROMS) and data of WOA13(World Ocean Atlas 2013), the seasonal variation characteristics of sea surface in east china sea and PN section temperature structure are simulated in order to provides the basis for the related research of Kuroshio. Results shows that ROMS have a good simulation on the east China sea Kuroshio, the simulation of the SST seasonal variation agrees with the result of the WOA13, and the route of the Kuroshio in winter and spring is clear. At the same time, the model can simulate the seasonal variation characteristics of PN section temperature structure.

Key WordsROMS, East China sea, Kuroshio, SST, PN section