三种垂向混合方案对HYCOM模拟北太平洋西边界流系的影响研究

李 理, 王 琰, 崔凤娟



三种垂向混合方案对HYCOM模拟北太平洋西边界流系的影响研究

李 理1, 王 琰1, 崔凤娟2

(1. 中国海洋大学海洋与大气学院, 山东青岛266100; 2. 国家海洋局北海信息中心, 山东青岛266061)

基于HYCOM(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model), 以OFES(OGCM for the Earth Simulator)资料为参考, 分析了KPP、MY2.5、KT三种不同混合方案对北太平洋西边界流系的模拟结果的影响。结果表明: 三种不同混合方案模拟的上层海洋平均流场与OFES资料相似, 但在流向和流幅上略有差异, 其中KPP方案模拟的流速与OFES资料最为接近, MY2.5方案次之, KT方案与其差别最大。通过代表性断面上流速的对比分析, 对模式就北赤道流、棉兰老流、棉兰老潜流、黑潮的模拟效果进行比较, KPP方案模拟的效果同前人的观测和研究最为接近。分析了北赤道流, 棉兰老流, 棉兰老潜流, 黑潮的流量的季节变化特征, 其中KPP方案与OFES资料计算的棉兰老流和棉兰老潜流的季节变化特征与前人描述比较一致, 表现为春强秋弱。KPP方案和OFES资料的计算结果表明, 北赤道流和棉兰老流大致上是同向变化的, 而在冬季棉兰老流同黑潮的变化基本上是一致的。

垂向混合方案; HYCOM(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model); 北太平洋西边界流系; 流量; 季节变化

海洋的垂向混合过程对于海洋-大气间的能量和动量交换具有重要作用, 对于温、盐分布和流场结构有重大影响[1]。但由于这一过程十分复杂, 尺度多样, 在海洋环流模式中很难控制, 因此需要对其进行参数化[2]。目前常用的有两类垂向混合方案, 第一类为块体混合方案, 这一类混合方案假设整个混合层是均匀混合的, 主要有KT(Kraus and Turner)[3]方案, PWP(Price, Weller and Prinkel)[4]方案和Chen等[5]提出的一种基于上述两种方案的新型块体混合方案等; 第二类为连续混合方案, 主要有PP(Pacanowski and Philander)[6]方案, MY(Mellor and Yamada)[7]方案, KPP (K-Profile Parameterization)[8]方案和Canuto等[9]提出的方案, 这类方案都能够模拟出混合层内的垂直结构。

前人在研究中对比了多种垂向混合方案。Halliwell[10]基于HYCOM Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model), 对比了7种不同的垂向混合方案对HYCOM的气候态模拟能力的影响, 结果表明, KPP方案、GISS方案和MY2.5方案相对更好; David Halpern等[11]对比了PP和MY两种混合方案对模拟热带太平洋的影响, 结果显示PP方案较MY方案的模拟结果更接近于实际观测; 舒启等[12]利用MOM (Modular Ocean Model)4, 对比了PP和KPP两种混合方案的全球模拟能力, 结果表明, 在中高纬度, KPP方案的效果优于PP方案, 在低纬度海域, 二者各有擅长之处; Qiao等[13]在前人的基础上考虑了不完全破碎表面波浪对海洋环流的影响, 并同未考虑浪致混合影响的MY方案结果进行对比, 结果表明, 考虑了表面浪致混合的模式对北半球中高纬度和南半球中纬度区域的夏季模拟结果更好。由于不同的垂向混合方案在不同海域的模拟能力不同, 因此本文基于HYCOM模式, 对比了三种混合方案对北太平洋西边界流系的模拟能力的影响, 并简要分析了造成差异的原因。 

1 数据资料及方法

本文用于作为模式分析验证的数据主要是OFES(Ocean General Circulation Model for the Earth Simulator)数据, 即地球模拟器海洋环流模式, 该数据是基于MOM3发展出来的一种海洋模式数据并使用地球模拟器进行计算输出[14], 地形数据分辨率为1/30°, 垂向混合上选取的是KPP方案[15]。本文中使用了OFES数据中第46~51年的位势温度、盐度、纬向流速和经向流速的结果。数据的空间范围为75°S~75°N, 水平分辨率为0.1°×0.1°, 垂向分为54层, 垂向分辨率从表层的5 m至底层的约330 m不等。

本文所采用的数值模式为HYCOM, 它是基于MICOM(Miami Isopycnal-Coordinate Ocean Model)发展而来的。HYCOM最大的特点就是在垂向上采用了混合坐标(等密度坐标、sigma坐标和坐标的混合), 而在水平方向则是采用Mercator坐标系[16]。

分别设计了三组数值试验, 其区别在于混合方案的设置上, 分别采用了KPP、MY2.5、KT三种方案, 而其余设置均保持一致。模拟海域为78°S~66°N, 80°W~180°E, 地形数据为分辨率为5′的全球地形(5-Minute Gridded Global Relief Data Collection, ETOPO5), 水平分辨率为0.50°×0.50°cos(是纬度), 垂向分为22层, 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。大气强迫场来自1948~2003年气候态的NCEP月平均数据, 参量包括: 距海面10 m处风速、海表2 m处气温、比湿、短波与长波净辐射、降水等, 海表面盐度松弛到气候态月平均的Levitus1994资料的盐度场。模型由静止开始, 持续运行了30 a, 在运行到第20a后模式逐渐趋于稳定, 取最后5 a的月平均结果用于评估和分析。

本文主要对比了KT、KPP和MY2.5这三种混合方案的模拟效果进行了对比研究。KT方案是一种块体混合方案的, 基于整个混合层内的平均物理特征是均匀分布的假设, 对各物理量如平均运动速度、温度和盐度的原始控制方程在整个混合层深度内进行积分, 且认为在海表动量和浮力通量的共同作用下, 混合层内的动量和热量保持平衡, 该方案忽略了海洋对风应力的响应, 没有考虑由剪切不稳定造成的混合[3]。在HYCOM中, KT方案模拟效果的好坏取决于混合层深度的确定是否准确, 过深或过浅都会对其下的模拟效果造成很大影响[10, 14]; KPP方案是一种连续混合方案, 相较于其他混合方案, 其考虑了较多的物理过程: 在海洋表层考虑了风驱动混合、海表浮力通量、对流不稳定、温盐的非局地混合(太阳辐射、蒸发、降水等)造成的垂直混合; 在海洋内部考虑了内波破碎、剪切不稳定混合、双扩散等物理过程。其最大的优势就是可以解决上混合层和海洋内部层化较弱的跨等密面混合问题, 能平滑地转换混合较好的表层边界与混合较弱的海洋内水层之间的计算[8]。MY方案是在各阶近似上将湍方程进行封闭, 由此得到高阶湍封闭模式, 用以确定原始方程中的垂向湍扩散系数。MY2.5阶近似就是在假设湍流的剪切生成和浮力生成正好与湍流耗散过程相平衡基础上, 考虑了平流项和扩散项, 且忽略温、盐变量方程中的实时导数项和扩散项, 以湍动能和湍动特征长度l来对方程进行参数化, 最终得到湍动能方程和混合长方程, 此种方案只有对湍动能的预报方程, 其他物理量通过湍动能获得[7]。

2 北太平洋西边界流系模拟

北太平洋西边界流环流系统主要由热带太平洋的北赤道流(North Equatorial Current, NEC)及其在西边界的两支分叉——黑潮(Kuroshio Current, KC)和棉兰老流(Mindanao Current, MC)组成[17], 此外, 还包括一些潜流。其中, KC沿西边界向北流动, MC则向南流动。北太平洋西边界流系是一个流动非常复杂的系统, 连接了太平洋副热带环流和热带环流, 对于西太平洋暖池中的热收支起着非常重要的作用[18], 其变化规律对于热带太平洋的热量、质量输运和淡水通量都有较大影响。本文将OFES数据的年平均上层海洋流场同三种不同混合方案的模拟结果进行了对比分析, 并选取了代表性断面, 对NEC、KC和MC的模拟情况分别进行了比较。

2.1 上层流场

首先分析了年平均的上层(<400 m)平均流场(图1), 就基本形态而言, 三种混合方案的模拟结果及OFES数据均模拟出了NEC在到达菲律宾海岸后, 由于地形的阻挡发生分叉, 形成了北向的KC和南向的MC, 且北赤道逆流(North Equatorial Counter Current, NECC)和印尼贯穿流(Indonesian Throughflow, ITF)也能较好地模拟出来。但就流速量值而言, KPP方案模拟的NEC流速与OFES数据最为接近, 而KT方案和MY2.5方案的模拟结果相对偏小。此外, HYCOM中三种混合方案模拟的KC和MC较OFES强, 但NECC和ITF则偏弱。

在离岸海域, KT方案模拟的NEC流向向西, 而其余两种混合方案以及OFES数据模拟的流向偏西北, 主要是因为KT方案作为一种块体混合方案, 在计算中采取了过多的近似, 忽略了许多物理过程, 只考虑了能量平衡, 忽略了海洋对风的动力响应, 因此其模拟的流速相对偏小。相反, 由于KPP方案考虑了较多的物理过程进行参数化, 而MY2.5方案有更为复杂的物理基础, 因此这两种混合方案在低纬度海域的模拟效果要优于KT方案。

a: OFES数据; b: KPP方案; c: MY2.5方案; d: KT方案(图2、图3、图4同)

a: OFES data; b: KPP scheme; c: MY2.5 scheme; d: KT scheme(also applied in fig.2, fig.3, and fig.4)

2.2 NEC模拟

为了进一步对比三种不同的垂向混合方案下HYCOM对北太平洋西边界流系流系的模拟效果, 分别对NEC、KC和MC的年平均流速进行了分析。图2是135°E断面的年平均纬向流速, 向东为正, 选用这一经向断面来代表NEC进行对比。

就整体的结构而言, 模式结果均模拟出了NEC沿向极方向扩展到密度更大的水层的趋势, 这与Qu等[19]通过中美联合调查资料得到的结果基本一致。此外, 杨青莹等[20]通过对日本气象厅在1967~2009年间获得的137°E断面温盐深仪(Conductance, Temperature and Depth, CTD)资料分析表明: NEC的平均位置位于8°~18°N, 其流核出现在10°~12°N附近。三种不同混合方案的模拟结果与之比较一致, 但HYCOM模式结果的流核位置较OFES资料偏北, 且深度范围更广。此外, MY2.5与KT方案模拟的副热带逆流偏强。

2.3 KC模拟

图3给出了18°N断面的年平均经向流速, 以北向流速为正, 选取此断面进行对黑潮源区模拟情况的对比。可以看到, 在西边界沿岸, 模式结果均模拟出了一支较强的西边界流, 即KC。早期一些学者曾观测到黑潮下存在次表层逆流, Qu等[21]将其命名为吕宋潜流(LUC), 并指出 LUC靠近大陆坡处, 其上、下边界分别为500 m和 2 000 m, 沿黑潮近岸一侧向南流动。可以看到HYCOM模拟结果在沿岸北向流下存在次表层逆流, 上界约在600 m, 而OFES资料则没有表现出这一流动。此外, HYCOM模拟出在KC以东有南、北向流交替出现, KPP方案尤为明显, 而OFES资料不存在这一现象, Guan[22]在早期的一些观测中, 也发现了黑潮东侧这种南北向交替流。由于模式结果除了受混合方案影响外, 受侧边界的摩擦系数的影响也很大, 在近岸区HYCOM模拟结果的差异并不明显, 可能是由于在该区域, 侧摩擦系数的设置对模式影响更为重要, 而在离岸区, 不同混合方案的作用才凸显出来。此外, 在利用HYCOM对黑潮进行模拟时, 提高上混合层坐标分辨率会使黑潮的流场模拟更为合理[23], 但本文在试验设置中垂向分层仅为22层, 较低的垂向分辨率对模式结果也产生了一定影响。即使使用了相同的混合方案, OFES资料数据与KPP方案下HYCOM的模拟结果也存在一定的差异, 这主要都是因为在参数设置以及地形数据和分辨率等方面二者并非完全一致。

2.4 MC模拟

根据前人研究[24-26], 选取了8°N断面对比不同混合方案下HYCOM对MC的模拟情况。图4给出了8°N断面的年平均经向流速, 其中北向流速为正(红色), 南向流速为负(蓝色), 黑线为等位势密度线。

在700 m以浅, 沿西边界, 有一较强的南向流, 即MC。模式结果均模拟出了MC的流幅随深度减小的趋势, 且近岸处的流动要较离岸较远处强, 这种结构与前人的研究一致[26-27]。对比OFES数据与HYCOM模拟结果, HYCOM中KPP方案与MY2.5方案模拟的MC都较OFES更强, 深度更深, 而KT方案则更浅。

黑实线: 等位势密度线

Boldface line: potential contour

对位于次表层的棉兰老潜流(Mindanao Undercurrent, MUC)的模拟, 虽然HYCOM结果均模拟出了双流核的结构, 但同OFES数据比较, MUC的深层流核的位置略有偏差, HYCOM结果中的深层流核贴近岸边, 而OFES数据中的深层流核则离岸有一段距离, 这可能与模式中设置的底摩擦和侧摩擦系数有关, 由于地形的分辨率以及参数设置的差异, 即使使用KPP这一相同的垂向混合方案, HYCOM模拟结果也同OFES资料存在差异。但就浅层流核而言, HYCOM模拟结果同OFES数据比较类似。整体上看, 在1 000 m以浅, HYCOM结果同OFES数据的流速特征接近。

就三种不同的垂向混合方案而言, KPP方案同MY2.5方案的模拟效果非常类似, 相对而言, KT方案对MC流核和MUC浅层流核的模拟效果要比其他两种混合方案差, 这主要是由于块体混合方案假设了混合层内各项要素都是均匀分布的, 在混合层深度确定得不准确的情况下, 这种假设就会造成混合层以下的流速结构出现偏差。

3 流量的季节变化

为了进一步比较分析三种不同混合方案下HYCOM模式对北太平洋西边界流的模拟效果, 在之前的基础上, 对MC、MUC、NEC和KC的流量的季节变化也进行了分析比较。

3.1 MC与MUC流量的季节变化

MUC主要是由南极中层水(Antarctic Intermediate Water, AAIW)与南太平洋热带水(South Pacific Tropical Water, SPTW)下层水两种水团构成[28], MUC位势密度范围为26.5~27.5 kg/m3, 分别对应着SPTW下层水的上界与AAIW的下界, 27.15 kg/m3为两种水团的分界线, 且MUC的盐度限制为大于34.4 psu, 以此为依据, 计算8°N断面的MUC流量。为了保持一致, 沿8°N断面, 在126°~132°E内, 积分海表至位势密度为27.15 kg/m3深度的南向流速, 计算MC流量, 图5给出了根据OFES数据和三种混合方案下HYCOM结果计算出的MC和MUC流量异常值的季节变化。

OFES和HYCOM模拟结果均显示出了明显的季节变化特征, OFES与HYCOM中KPP方案模拟的MC流量在春季(3~5月)达到最大, 秋季(9~11月)最小, 夏季和冬季量值相当, 这与前人的研究结果比较一致[25, 29], 而MY2.5方案与KT方案模拟出的流量在6月出现最大值后会迅速减少, 到夏末秋初时达到最小值, 在秋、冬两季变化较小, 从冬季末开始流量又逐渐增多。就变化的幅度而言, HYCOM模式结果的振幅要小于OFES数据, OFES数据与HYCOM中KPP方案的流量最大值出现在5月, 但最小值的出现时间前后相差一个月(OFES: 11月; KPP: 10月), 整体而言, 二者都体现出了MC流量春夏较大, 秋冬较少的特点。MUC与MC之间在季节变化上具有较好的一致性, OFES资料同HYCOM中KPP方案模拟结果有所体现。

a: 棉兰老流(MC); b: 棉兰老潜流(MUC)

a: MC; b: MUC

3.2 流量的季节变化

对于NEC、MC和KC的流量计算, 均采用深度积分的方法, 具体方法如下: 沿135°E的经向断面, 在8°~20°N之间400 m以浅的西向流速垂直积分为NEC的流量; 沿18°N纬向断面, 122°~132°E之间1 000 m以浅北向流速的积分代表KC的流量; 沿8°N纬向断面, 在126°~132°E之间700 m以浅南向流速的积分为MC的流量。

表1给出了根据OFES资料和三种不同混合方案下HYCOM模拟结果计算出的NEC、MC和KC季节平均流量(单位: Sv), 依次为春(3~5月)、夏(6~8月)、秋(9~11月)、冬(11~次年2月)。

首先可以看出, HYCOM模拟结果计算出的流量都要大于OFES资料的计算结果, 其中以KT方案尤为显著。具体分析量值, OFES资料计算的NEC流量在夏季最大, 秋季最小, 而三种不同混合方案的模式结果则是春季流量最大, 秋季最小。张志春等[30]基于Argo浮标数据对NEC流速的季节变化进行了研究, 结果表明: NEC在冬春季流速增大、幅度变宽, 而到了秋季均变小, 这与本文根据模式结果中的流速计算得到的流量季节变化大体上是一致的。对于MC流量的变化, OFES资料及三种混合方案的计算结果均表明其最大值出现在春季, 最小值出现在秋季; 而对于KC流量的计算, 除了KT方案偏差过大外, 其余三者均在夏季出现最大值, OFES资料同MY2.5方案的模拟结果均在冬季出现最小值, 而KPP方案模拟结果则在秋季出现最小值。整体来看, KPP方案同OFES资料的结果都表明, NEC和MC的流量大致上是同向变化的, 尤其是在春、夏、秋三个季节, 而在冬季NEC同KC的流量变化基本上是一致的, 这一点KT方案也有所体现, 而MY2.5方案则是二者同NEC都是同向变化。由于模式的底摩擦和侧摩擦系数的设置上不够准确, 因此出现了模拟的流量偏大的现象。此外, KPP方案主要是将一系列物理过程进行参数化, 虽然考虑了较多的物理过程, 但在参数化过程中所取的经验参数并不是在所有区域都能有较好的表现, 因此在对西边界流系的模拟上较其他混合方案没有体现出较大的优势, 再加上该区域的流场受风应力旋度影响较大, 因此忽略了海洋对风应力响应的KT方案模拟结果较差。

表1 北太平洋西边界流系季节平均体积输运量

4 结论

本文基于HYCOM模式, 以OFES资料作为参考, 将3种不同混合方案对北太平洋西边界流系的模拟能力的影响进行了分析, 得到的结论如下:

1) 通过对上400 m的平均流场进行对比分析可以看出三种混合方案的模拟结果以及OFES资料基本上能将一些主要流动如NEC, MC, KC, NECC等模拟出来, 只是在流向和流幅上有略有差异。就流速大小而言, 除KC外, HYCOM模式的结果都较OFES资料偏小, 相对而言, 在HYCOM中, 采用同样混合方案的KPP方案模拟的流速同OFES资料最为接近, MY2.5方案次之, KT方案偏差最大。

2) 选取135°E断面的年平均的纬向流速, 将其作为NEC代表进行了对比分析, 结果表明, HYCOM模拟的流核较OFES资料偏北, 且深度范围更广。此外, 还选取了18°N断面的年平均的经向流速, 将其作为KC代表进行了分析, HYCOM结果和OFES资料均在西边界附近存在一强北向流, 但HYCOM模式模拟出的流核较OFES强, 但流幅则相对较窄。由于这3种混合方案却没有考虑浪致混合这一过程, 造成模拟的混合层深度偏浅, 所以模拟出的KC涉及的深度偏浅, 此外还因为模式本身对于底摩擦和侧摩擦系数的设置以及地形数据的插值方案等方面缺陷造成模式结果的不准确。

3) 选取了8°N断面来作为研究MC的代表断面。通过对8°N断面年平均经向流速的对比分析可以看到HYCOM结果均模拟出了MC的流幅随深度减小的趋势, 且近岸处的流动要较离岸较远处强, 这种结构与前人的研究一致。

4) 采用按照等位势密度面积分的方案计算了MC和MUC的体积输运量的季节变化, 结果显示OFES与HYCOM中使用KPP方案模拟出的MC体积输运量在春季(3~5月)达到最大, 秋季(9~11月)最小, 夏季和冬季量值相当, 这与前人的研究结果比较一致, 而其余两种混合方案模拟出的体积输运量的最大值和最小值出现的时间则存在一定偏差。KPP方案下HYCOM模拟结果与OFES资料计算的MC和MUC的季节变化特征与前人描述比较一致, 春强秋弱。

5) KPP方案下的HYCOM结果和OFES资料的计算结果表明NEC和MC大致上是同向变化的, 而在冬季MC同KC的变化基本上是一致的。

综上所述, 在利用HYCOM对北太平洋西边界流系进行模拟时, KPP方案的模拟效果及其模拟的主要流动的流量季节变化与前人的描述最为接近。因此, 我们建议在对这一区域进行模式模拟研究时, 可以采用KPP方案。

[1] 雷霁, 杨海军. 海洋垂直混合系数对大洋环流影响的敏感性研究[J]. 北京大学学报: 自然科学版, 2008, 44(6): 864-870. Lei Ji, YANG Haijun. Research on the sensitivity of global ocean circulation to vertical diffusivity[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2008, 44(6): 864-870.

[2] Li X, Chao Y, Mcwilliams J C, et al. A comparison of two vertical mixing schemes in a Pacific ocean general circulation model[J]. Journal of Climate, 1999, 14(7): 1377-1398.

[3] Kraus E B, Turner J S. A one-dimensional model of the seasonal thermocline II. The general theory and its consequences[J]. Tellus, 1967, 19(1): 98–106.

[4] Price J F, Weller R A, Pinkel R. Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling, and wind mixing[J]. Journal of Geophysical Research, 1986, 91(C7): 8411-8427.

[5] Chen D, Rothstein L M, Busalacchi A J. A hybrid vertical mixing scheme and its application to tropical ocean models[J]. Journal of Physical Oceanography, 1994, 24(10): 2156-2179.

[6] Pacanowski R C, Philander S G H. Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans[J]. J Phys Oceanogr, 1981, 11(11): 1443-1451.

[7] Mellor G L, Yamada T. Development of a turbulent closure model for geophysical fluid problems[J]. Reviews of Geophysics & Space Physics, 1982, 20(4): 851-875.

[8] Large W G, Mcwilliams J C, Doney S C. Oceanic vertical mixing: a review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization[J]. Reviews of Geophysics, 1994, 32(4): 363-403.

[9] Canuto V M, Dubovikov M S. A dynamical model for turbulence. I. General formalism[J]. Physics of Fluids, 1996, 8(2): 571-586.

[10] Halliwell G R. Evaluation of vertical coordinate and vertical mixing algorithms in the Hybrid-Coordinate Ocean Model (HYCOM)[J]. Ocean Modelling, 2004, 7(s 3-4): 285-322.

[11] Halpern D, Chao Y, Ma C C, et al. Comparison of tropical Pacific temperature and current simulations with two vertical mixing schemes embedded in an ocean general circulation model and reference to observations[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), 1995, 100(C2): 2515-2522.

[12] 舒启, 乔方利, 宋振亚. 垂直混合方案对全球海洋环流模式模拟结果的影响对比研究[J]. 海洋科学进展, 2010, 28(1): 17-23. Shu Qi, Qiao Fangli, Song Zhenya. Model result comparison between two vertical-mixing schemes in a global ocean general circulation mode[J]. Advances in Marine Science, 2010, 28(1): 17-23.

[13] Qiao F, Yuan Y, Ezer T, et al. A three-dimensional surface wave–ocean circulation coupled model and its initial testing[J]. Ocean Dynamics, 2010, 60(5): 1339- 1355.

[14] Sasaki H, Nonaka M, Masumoto Y, et al. An Eddy- Resolving Hindcast Simulation of the Quasiglobal Ocean from 1950 to 2003 on the Earth Simulator[M]. New York: High Resolution Numerical Modelling of the Atmosphere and Ocean Springer, 2008: 157-185.

[15] Masumoto Y. A fifty-year eddy-resolving simulation of the world ocean : Preliminary outcomes of OFES (OGCM for the Earth Simulator)[J]. J Earth Simulator, 2004, 1: 35-56.

[16] Bleek R, Halliwell G, Walleraft A, et al. Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) user’s manual: details of the numerical code [EB/OL]. http: //hycom.rsmas. miami.edu.

[17] 蔡榕硕, 齐庆华, 张启龙. 北太平洋西边界流的低频变化特征[J]. 海洋学报, 35(1): 9-14. Cai Rongshuo, Qi Qinghua, Zhang Qilong. On low- frequency variations of volume transport of the Pacific western boundary currents[J]. Acta Oceanologica Sinica (in Chinese), 2013, 35(1): 9-14.

[18] Qu T, Meyers G, Godfrey J S, et al. Upper ocean dynamics and its role in maintaining the annual mean western Pacific warm pool in a global GCM[J]. International Journal of Climatology, 1997, 17(17): 711-724.

[19] Qu T, Humio M, Toshio Y. On the western boundary currents in the Philippine Sea[J]. Helgoland Marine Research, 2008, 62(62): 377-387.

[20] 杨青莹, 王凡. 137°E断面北赤道流的结构特征和年际变化[J]. 海洋科学, 2013, 37(12): 62-67. Yang Qingying, Wang Fan. The velocity structure and interannual variations of the North Equatorial Current along the 137°E section[J]. Marine Sciences, 2013, 37(12): 62-67.

[21] Qu T, Kagimoto T, Yamagata T. A subsurface countercurrent along the east coast of Luzon[J]. Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers, 1997, 44(3): 413-423.

[22] Guan B. Major features of warm and cold eddies south of the Nansei Islands[J]. Chinese Journal of Oceanology & Limnology, 1983, 1(3): 248-257.

[23] 陈晓斌, 周林, 陈璇, 等. 东中国海HYCOM模式垂向坐标对比研究[J]. 海洋科学, 2015, 39(7): 60-68. Chen Xiaobin, Zhou Lin, Chen Xuan, et al. A comparative study of HYCOM vertical coordinate in the East China Sea[J]. Marine Sciences, 2015, 39(7): 60-68.

[24] Wang F, Hu D X. Dynamic and thermohaline properties of the Mindanao Undercurrent I. Dynamic structure[J]. Chinese Journal of Oceanology & Limnology, 1998, 16(2): 122-127.

[25] Hu D X, Cui M C, Qu T D, et al. A subsurface northward current off Mindanao identified by dynamic calculation[J]. Elsevier Oceanography, 1991, 54: 359-365.

[26] Qu T, Tzu-Ling C, Wu C, et al. Mindanao Current/Undercurrent in an eddy-resolving GCM[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2012, 117(C6): 1-16.

[27] Wang C, Lan J, Wang G. Climatology and seasonal variability of the Mindanao Undercurrent based on OFES data[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2013, 32(7): 14-20.

[28] Wang F, Hu D. Dynamic and thermohaline properties of the Mindanao Undercurrent I. Dynamic structure[J]. Chinese Journal of Oceanology & Limnology, 1998, 16(2): 122-127.

[29] Zhai F, Wang Q, Wang F, et al. Variation of the North Equatorial Current, Mindanao Current, and Kuroshio Current in a high-resolution data assimilation during 2008-2012[J]. Fao Forestry Paper, 1985, 31(6): 1445- 1459.

[30] 张志春, 袁东亮, 李博. 基于Argo浮标的西北太平洋环流特征分析[J]. 海洋科学, 2015(7): 93-102. Zhang Zhichun, Yuan Dongliang, Li Bo. Analysis of circulation structure in the Northwest Pacific Ocean based on Argo profiles[J]. Marine Sciences, 2015(7): 93-102.

(本文编辑: 李晓燕)

Effects of three vertical mixing schemes on HYCOM simulations of the north Pacific western boundary current system

LI Li1, WANG Yan1, CUI Feng-juan2

(1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. North China Sea Data & Information Service of the State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

Based on the OGCM for the Earth Simulator (OFES) and simulations of the north Pacific western boundary current system via HYCOM (Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model), a comparison is conducted of the performances of three different kinds of vertical mixing schemes: the K-Profile Parameterization (KPP) scheme, the Kraus and Turner (KT) scheme, and the Mellor-Yamada level 2.5 (MY2.5) scheme. Results of all schemes for simulated flow distributions of upper ocean are similar to those of OFES in the North Pacific, but slight mismatches are found in flow directions and regions. The KPP scheme conducts the best simulation in comparison with OFES, and the KT scheme conducts the worst. A comparison in a typical section of the North Equatorial Current (NEC), Kuroshio Current (KC), and Mindanao Current (MC), shows that the KPP scheme is superior and thus in agreement with previous research results. Using the three simulation results of different mixing schemes and OFES data, the seasonal volume transport of NEC, KC, MC, and MUC are estimated. Both the KPP scheme and OFES reflect the signal that the MC has maximum seasonal transport in spring (March to May) and minimum transport in fall (September to November), and the MUC has an homologous trend. Furthermore, both the KPP scheme and OFES demonstrate the signal that the MC and NEC vary in the same phase, while the KC and MC vary in the same phase only in winter.

vertical mixing scheme; HYCOM (Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model); North Pacific western boundary current system; volume transport; seasonal variation

Mar. 14, 2016

[National Basic Research Program of China, No.2012CB417404; Research Project of Chinese Ministry of Education, No.113041A]

P731.27

A

1000-3096(2017)03-0113-09

10.11759/hykx20160314003

2016-03-14;

2016-05-10

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB417404); 教育部科学技术研究项目(113041A)

李理(1992-), 女, 湖南沅陵人, 硕士研究生, 主要从事海洋环流方面研究, 电话: 18765950526, E-mail: lllf0506@126.com