多岛环流理论在南海域际环流中的应用研究

连 展,方国洪,王新怡,孙宝楠

(1.中国科学院南海海洋研究所,广东广州510301;2.中国科学院大学,北京100039; 3.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061)

多岛环流理论在南海域际环流中的应用研究

连 展1,2,3,方国洪1,2,3,王新怡3,孙宝楠3

(1.中国科学院南海海洋研究所,广东广州510301;2.中国科学院大学,北京100039; 3.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061)

在Wajsowicz(1993)多岛环流理论的基础上,给出了一种摩擦-地形阻力作用的参数化方案,并应用于南海域际环流动力学的研究。结果表明,不考虑阻力时理论结果在海水输运方向上与实测一致,但在输运量的量值上与实测差别很大;考虑了摩擦-地形阻力作用后计算所得的各通道的流量与实测结果不但在方向上完全一致,在数值上也具有一定的一致性。因而在考虑了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup环流理论的多岛环流理论能够很好解释南海域际环流形成的主要动力机制。采用1948—2014年NCEP逐年风应力资料计算结果表明,各海峡流量均存在明显的年际变化,其中吕宋海峡和民都洛海峡更为明显。相关分析显示,吕宋、民都洛和卡里马塔海峡的流量相互之间存在较强的正相关性,而与望加锡海峡流量呈现显著的负相关。El Niño正位相期间太平洋-印度洋贯穿流南海分支加强而望加锡海峡流量减弱。计算结果还表明,吕宋海峡、民都洛海峡的西、南向流量在1948—2014年期间都存在明显的增强趋势,而卡里马塔海峡基本上未受影响。

岛屿环流理论;南海;域际环流

南海位于太平洋西部,是东南亚地区最大的边缘海,其水深变化剧烈、海水流系复杂,可以通过海气相互作用对邻近地区的气候产生影响[1]。南海通过吕宋海峡、台湾海峡、民都洛海峡、巴拉巴克海峡、卡里马塔海峡和马六甲海峡与太平洋、东海、苏禄海、爪哇海和印度洋等互相连通(图1)。南海与周边海域和大洋之间的海水交换较为频繁,海水以域际环流的形式,在南海-太平洋、南海-印度洋等海域之间相互交换[2],并且与印尼贯穿流相连通[3-6]。其中,印尼贯穿流是南海周边海域域际环流中最重要的一支。它由太平洋流入印度洋,是全球热盐输送带中重要的一环[4-5]。它的南海分支(也称南海贯穿流)由吕宋海峡进入南海后主要从民都洛海峡和卡里马塔海峡流出南海,也是南海域际环流的重要组成部分[4,6]。该分支携带的海水热盐特性与贯穿流主轴存在差异,二者可以产生显著的相互作用[7],因此对印尼贯穿流南海分支的特性研究具有重要的科学意义。与印尼贯穿流相同,驱动海水从吕宋海峡进入南海并最终从民都洛海峡和卡里马塔海峡流出南海的机制有许多种,其中最重要的一种可以通过“岛屿环流”理论进行解释[8]。

岛屿环流理论最早由Godfrey[9]提出,依据该理论,如大洋之中存在一个岛屿,则通过岛屿和大洋西边界之间通道的海水流量主要是由风应力沿环绕岛屿东侧的大洋内区和岛屿西侧边界的线积分结果所决定。Wajsowicz[10]将Godfrey的理论推广到多岛的情况,并研究了摩擦的阻力效应。Pedlosky等[11]对该理论进行了验证和推广,考虑了水平摩擦、压强梯度力等其他因素可能对结果造成的影响。利用岛屿环流理论,可以通过简单的计算,在清晰的物理背景下,得到研究海峡海水流量的定量分析结果。将其应用于南海域际环流,可以有效地得到不同海峡和水道海水流量,并将南海区域置于整个太平洋海盆尺度的风场影响下,给出南海域际环流的动力机制解释并充分揭示其长时间、大尺度的变化特征。Wajsowicz[12]将多岛环流理论应用到包括南海在内的东南亚海域,但没有考虑各通道的地形效应。Qu等[8]的研究发现,该理论可以估算出较为合理的吕宋海峡入流结果。刘钦燕等[13]和Wang等[14]的研究发现该理论估算的印尼贯穿流主流和南海分支的年际变化趋势与数值模拟结果有较好的一致性。但是这三项研究只涉及明都洛海峡一个出流通道和单岛环流理论。

(李 燕 编辑)

图1 南海及邻近海域地理形势图Fig.1 Topography of the South China Sea and adjacent seas

鉴于以往在应用岛屿环流理论研究南海域际环流时,采用了过于简单的积分路径设计,无法充分考虑南海及周边海域复杂的岛链影响,得到的结果往往过于理想化;同时南海几个关键海水通道如台湾海峡、卡里马塔海峡等水深非常浅,直接应用原始的绕岛环流理论因为忽略了摩擦和地形效应,所得结果与实际情况差别也较大[13],本文将应用多岛屿环流理论于南海域际环流,并将考虑地形变浅和水道变窄导致的阻力效应,对南海域际环流通过各通道的流量作出估计,并研究其年际变化特征。

1 方法和资料

1.1 无阻力情况下多岛环流理论在南海的应用

为了方便研究南海域际环流,我们将南海东侧的大小岛屿进行了归并,选取了具有代表性的台湾岛、菲律宾群岛、加里曼丹岛(含巴拉望岛,下同)和新几内亚岛-澳大利亚大陆(以下简称新-澳大陆)各作为单一的岛屿(图2),以研究通过以上岛屿之间或岛屿与大陆之间水道的海水流量。

图2 积分路径示意图Fig.2 Diagram for the paths of integration

图2 中Ψe为美洲大陆沿岸流函数值,本文取0 Sv(1 Sv=106m3/s)。Ψw为亚洲大陆沿岸流函数值。由于位于美洲大陆和亚洲大陆之间的白令海峡平均流量大约为0.8 Sv,流向北[15],因此本文取Ψ2=0.8 Sv。根据原始岛屿环流理论,环绕台湾岛的流函数为

通过台湾海峡的海水流量(向北和向东为正,下同)为

环绕菲律宾群岛的流函数为

通过吕宋海峡的海水流量为

环绕新-澳大陆的流函数为

根据多岛环流理论,环绕加里曼丹岛的流函数为

因而,通过民都洛海峡的海水流量为

通过望加锡海峡(含望加锡岛以东的马鲁古海及以南海域,下同)的海水流量为

通过卡里马塔海峡的海水流量为

上列各式中ρ0为海水密度;f为Coriolis参数;→τ为风应力;→l为沿积分路径方向的微分向量。

1.2 摩擦-地形阻力的参数化方案及应用

根据Wajsowicz[10]文章中的表述,若采用Stommel阻力关系,则通过某海峡的海水输运量T和原始绕岛理论得到的对应结果T存在以下关系:

式中,r=(rN'-yS')/(yN-yS);yN-yS为岛屿西侧南、北两端距离;yN'-yS'为岛屿西侧需考虑阻力一段的长度。δ=W/δS,δS=AS/(βsinθ),其中W为岛屿西侧水道特征宽度,AS为Stommel摩擦系数,θ为海峡轴与东西方向的夹角。对于岛屿西侧,sinθ≈1,此时δS=As/β,即为Stommel模式中的西边界流特征宽度[9]。

Wajsowicz[10]认为,海峡如果变浅,阻力也相应增大,但是在她的研究[10]中,没有给出阻力与水深之间的具体关系式。为此,我们在δ的参数化中,增加了一项水深因子,取

式中,H为海峡的特征深度;H0为大洋无流面的特征深度。上式表明,若海峡水深越浅、宽度越窄,则δ越小,由式(10)确定的T/~T比值也越小。

这样,考虑了地形和摩擦阻力后,台湾海峡海水流量和环绕台湾岛的流函数分别为

卡里马塔海峡海水流量和环绕加里曼丹岛的流函数分别为

民都洛海峡的海水流量和环绕菲律宾群岛的流函数分别为

望加锡海峡的海水流量和环绕新-澳大陆的流函数分别为

而吕宋海峡的海水流量则为

具体应用中,对式(11),我们均取H0=1 000 m,δs=100 km,H和W及式(10)中的r和μ因海峡而异,具体取值及对应的δ,μ值见下表:

表1 不同海峡各参数的取值Table 1 Parameters of different straits

1.3 风应力资料

本文选用了NCEP再分析资料的海面上10 m处风场数据集,它的空间分辨率为1°52'30″×1°52'30″,时间覆盖范围为1948-01—2014-12,时间分辨率为逐月。该数据集提供的为风速和风向数据,我们通过转换公式将其转换为风应力。公式中

在沿给定的路径积分时,首先利用空间插值的方法,得到积分路径上的风应力,然后依照上面给出的方法,得到各个岛屿海岸处多年平均流函数和各海峡的海水多年平均流量及其年际变化结果。

2 结果分析

2.1 各海峡多年平均流量

利用1948—2014多年平均的风应力场我们计算了在稳定态下各岛屿的流函数和各海峡的流量。作为参照,我们首先在表2列出了前人依据不同方法给出的通过各海峡年平均流量的估计值(以下简称其为实际结果),以用于检验本研究所得结果的合理性。表3为忽略了摩擦-地形阻力的计算结果。由表可以看出,不考虑阻力得到的结果在海水输运方向上与实际结果一致,但在输运量的量值上与实际结果差别很大。例如计算得到的台湾海峡流量达到20 Sv以上;再如从太平洋方向通过南海及周边海域进入印度洋的域际环流中,计算得到的最主要通道为卡里马塔海峡(T4),而通过望加锡海峡的流量(T3)却小很多。在实际海洋中,卡里马塔海峡水深较浅,相对于水深较深的望加锡海峡,摩擦-地形阻力将会极大地阻碍海水通过此海峡,因此将其作为该贯穿流的主流通道显然是不合理的,与实际的量值也差别很大。当原始岛屿环流理论被应用于简单地岛屿模型中时,如果我们更多地关注计算得到的定性结果,该理论可以满足研究要求。而在本研究中,我们考虑了较为复杂的多岛效应,试图研究海水在其中不同通道流量的区别与联系,计算结果显示,不考虑阻力的岛屿环流理论在此种情境并不适用。

表2 通过观测或者数值模式等方法得到的各海峡流量Table 2 Transport through each strait based on observation or numerical simulation

续表

表3 忽略摩擦-地形阻力的计算结果Table 3 Transport estimated with the traditional multi-island rule

按照式(12)～式(16)考虑了摩擦-地形阻力作用后计算所得的各个岛屿的流函数和各通道的流量见表4。由表可以看到,计算结果与实际结果在方向上完全一致,在数值上也具有一定的一致性。由此可见,在考虑了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup环流理论的多岛环流理论能够很好地解释南海域际环流形成的主要动力机制。

表4 考虑了摩擦-地形阻力后的计算结果Table 4 Transport estimated with the improved multi-island rule

2.2 各海峡流量的年际变化和长期变化趋势

2.2.1 各海峡流量的年际变化特征

Rossby波从美洲海岸至东南亚和澳大利亚海岸来回大约需要1 a多的时间[8]。这个时间尺度小于年际变化尺度,因此对于年际变化,我们可以近似地应用稳定态的岛屿环流理论[10]。

选取1948—2014年的逐年平均风应力资料计算了各海峡海水流量的年际变化情况,结果见图3。由图可以看出,各海峡流量均存在较为明显的年际变化。在一些特殊年份,有的海峡的海水输运值可能严重偏离多年平均值。为了衡量各海峡海水输运值的稳定性,我们分别计算了其标准差和变异系数(变异系数定义为该时间序列标准差与其平均值之比),见表5。表中显示民都洛海峡具有最明显的年际变化,变异系数可达33%以上,其次则为吕宋海峡。台湾海峡、卡里马塔虽然绝对输运量较小,但是其年际变异系数和输运量最大的望加锡海峡相当。同时,为了对比验证基于岛屿环流理论所得结果,我们应用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)资料[32]进行了相同的分析,所得结果同见表5。两种方法得到的结果基本特点比较类似,可见吕宋海峡和民都洛海峡两处年际变化更为显著这一现象的真实性较强,并且可以应用岛屿环流理论来解释其产生原因。

图3 各海峡1948—2014年海水输运量的变化Fig.3 Variations of transport through each strait in 1948—2014

表5 不同海峡海水输运标准差和变异系数Table 5 The standard deviations and variable coefficients in each straits

为了研究不同海峡的海水流量年际变化的相互关系,我们分别计算了不同海峡多年海水流量的相关系数(表6)。由表6中可见南海域际环流存在一个明显的特点:望加锡海峡海水流量除与台湾海峡流量因距离较远而相关性甚弱外,与其余所有海峡流量变化均呈负相关。这一现象在一些高精度数值模式中也可以发现[14,33],刘钦燕等[13]和Wang等[14]认为引起该现象的原因可能是由于太平洋风场变化带来的北赤道流分叉点位置移动。吕宋海峡作为进入南海最主要的通道,其流量与民都洛海峡流量存在非常高的正相关关系,与卡里马塔海峡流量相关系数略小,但仍然超过0.7,显示吕宋海峡与这两个海峡的年际变化具有密切的相关性。卡里马塔海峡流量和民都洛海峡相关系数也较高。台湾海峡作为唯一一个向北流动的海流出口,与其他海峡海水输运的相关性并不非常显著。

表6 不同海峡海水输运年际变化相关系数Table 6 Correlation coefficients of between the transport of the straits

南海域际环流作为沟通两个大洋的重要渠道,可能受太平洋和印度洋多种大尺度海洋气象现象的影响。我们选取了多种海洋和气象指数,计算了其余不同海峡海水输运年际变化的相关系数(表7)。这些指数分别为NIN~O3.4指数(代表典型El Niño事件),NIN~O1+2指数(代表东太平洋型El Niño事件),EMI(El Niño Modoki Index,代表中太平洋型El Niño事件),DMI(Dipole Mode Index,即印度洋偶极子指数),PDO(Pacific Decadal Oscillation Index,即太平洋年代际振荡指数)和SOI(Southern Oscillation Index,即南方涛动指数)。本分析显示了与上一分析方法类似的结果,即吕宋海峡、民都洛海峡和卡里马塔海峡与各类系数的相关性接近。同时,望加锡海峡海水输运值的相关性与以上3个海峡的相反。台湾海峡海水输运则与所有海洋现象的相关性均不显著。NIN~O3.4指数与各海峡的相关系数最高,显示了相对于其他海洋现象,典型的ENSO事件这一大尺度海洋现象与南海域际环流的联系最为密切。在此事件发生时,可能导致吕宋、民都洛和卡里马塔海峡向西和向南流量的增强,而相应地印尼贯穿流的主要通道——望加锡海峡处的南向流量会减弱。

表7 不同海峡输运量与各类太平洋、印度洋海洋指数的相关系数Table 7 Correlation coefficients between transport through straits and indices in the Pacific and Indian Oceans

为了进一步分析不同海峡流量变化与相关性最高的NIN~O3.4指数之间的关系,我们给出了不同海峡输运量和NIN~O3.4指数随时间变化情况的对比图(图4)。为更清楚地展示它们之间的相互关系,所有数据均经过3 a滑动平均;为了重点关注其相对变化特征,所有数据均经过标准化,公式为

图4 各海峡流量与NIO3.4指数对比图Fig.4 Comparison between the transport through each strait and NIO3.4 index

2.2.2 各海峡流量长期变化趋势:

本文选用的风应力资料时间范围为1948-01—2014-12共67 a,适用于长期变化趋势的分析。我们应用线性回归的方法,得到了各海峡海水输运量的线性变化趋势。各海峡2014年相对于1948年海水输运量的变化值及其与多年平均值的比例见表8。由表可见吕宋海峡和民都洛海峡在研究覆盖的时间范围内,出现了明显的西向和南向流量增强趋势,民都洛海峡2014年的南向流量相对于1948年甚至增加了将近1/2。这个结果显示吕宋海峡增加的西向入流主要是由于民都洛海峡向南流量的增强,而几乎没有受到离它们较远的卡里马塔海峡的影响。相对于吕宋海峡和民都洛海峡,望加锡海峡和台湾海峡海水输运的变化趋势则要小得多,望加锡海峡南向海水输运呈现缓慢的增强趋势,台湾海峡的北向流在1948—2014年期间总体上只是略有减小,但在15 a左右有显著减弱趋势。

表8 相对于1948年,各海峡2014年海水输运量的变化值和其与多年平均值比例Table 8 Change in transport through the straits between 1948 and 2014

3 结 语

本文在Wajsowicz[10]多岛环流理论的基础上,给出了一种摩擦-地形阻力作用的参数化方案,并利用NCEP再分析风场资料将理论应用于南海域际环流研究,得到的主要结论如下:

1)不考虑阻力得到的理论结果在海水输运方向上与实测一致,但在输运量的量值上与实测差别很大。

2)考虑了摩擦-地形阻力作用后计算所得的各通道的流量与实测结果不但在方向上完全一致,在数值上也具有一定的一致性。由此可见,在考虑了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup环流理论的多岛环流理论能够很好解释南海域际环流形成的主要动力机制。

3)采用1948—2014年NCEP逐年资料计算结果表明,各海峡海水输运值均存在明显的年际变化,其中吕宋海峡和民都洛海峡更为明显。通过相关分析我们发现吕宋海峡、民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量之间具有较强的正相关性,其共同组成了太平洋-印度洋贯穿流南海分支。而这些海峡的流量与望加锡海峡流量呈现显著的负相关。太平洋-印度洋贯穿流南海分支及望加锡贯穿流与台湾海峡流量相关性微弱。El Niño过程与印尼贯穿流南海分支及望加锡海峡流量都具有显著的相关性:El Niño正位相期间前者加强而后者减弱。

4)吕宋海峡、民都洛海峡的西、南向流在长期变化方面都存在明显的增强趋势,并且这种显著变化主要局限于以上两个海峡中,卡里马塔海峡基本未受影响。

南海域际环流的各出流通道水浅且地形复杂,本文采用的多岛环流理论和给出的摩擦-地形阻力参数化方案应用于本海区时有很大的经验性和局限性,但是基本上能够解释南海域际环流的主要驱动机制。

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Application of Multi-island Rule to the Study of the Inter-ocean Circulation of the South China Sea

LIAN Zhan1,2,3,FANG Guo-hong1,2,3,WANG Xin-yi3,SUN Bao-nan3
(1.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China; 3.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao,266061,China)

The multi-island rule developed by Wajsowicz(1993)is improved with parameterization of geometry-topography friction effect,and applied to the dynamical study of the inter-ocean circulation of the South China Sea(SCS).It shows that the directionof transport through inter-ocean passages of the SCS estimated from the traditional multi-island rule agrees with observations,but the magnitude of the transport differs remarkably from the observation.However,when the geometry-topography friction effect is considered,both the direction and magnitudeof transport agree well with the observations,suggesting that the improved multi-island rule is capable of capturing the major characteristics of the inter-ocean circulation of the SCS.Calculations based onwind stresses from NCEP reanalysis from 1948 to 2014 indicate that the transport through inter-ocean passages have significant interannual variations,in particular the transport through the Luzon and Mindoro Straits.Correlation analysis shows that the transport through the Luzon, Mindoro,and Karimata Straits are positively correlated to each other,but negatively correlated with that through the Makassar Strait.Analysis further shows that,during the El Niño positive phases,the SCS branch of the Pacific-Indian Ocean through flow is strengthened,and the Makassar Strait transport is accordingly weakened.The westward transport through the Luzon Strait transport and the southward transport through the Mindoro Strait demonstrates an increasing trend during 1948—2014,while that through the Karimata Strait is rather stable.

island rule theory;South China Sea;inter-ocean circulation

P731

:A

:1671-6647(2017)01-0020-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.003

2015-12-31

国家自然科学基金资助项目——南海北部温跃层季节内变化特征及其成因研究(41506037);国家重点基础研究发展计划项目——南海环流和海峡水交换对海气相互作用的影响(2011CB403502);国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目——海洋环境动力学和数值模拟(U1406404)

连 展(1982-),男,山东青岛人,助理研究员,硕士,主要从事大洋环流和海洋数值模拟方面研究.E-mail:lianzhan@fio.org.cn

Received:December 31,2015