黑潮近岸分支流在2017年9月与2019年9月差异的研究*

燕 杰 侯一筠, 4 刘 泽

黑潮近岸分支流在2017年9月与2019年9月差异的研究*

燕 杰1, 2, 3侯一筠1, 2, 3, 4①刘 泽1, 3, 4①

(1. 中国科学院海洋研究所 海洋环流与波动重点实验室 青岛 266071; 2. 中国科学院大学 北京 100049; 3.中国科学院海洋大科学中心 青岛 266071; 4.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室 青岛 266237)

通过对比2017年9月和2019年9月的温盐大面观测数据, 发现东海陆架上黑潮近岸分支流的路径在两次观测中存在显著差异。2019年9月黑潮近岸分支流中上游的路径相较2017年9月明显的东向偏移, 造成黑潮次表层水入侵东海近岸海域的强度较弱。为了探究黑潮近岸分支流的上述显著年际差异的原因, 利用卫星高度计数据和再分析风场数据, 通过分析大面观测同期的绝对海表动力高度、地转流场以及海表风场的差异, 阐述了黑潮近岸分支流路径产生显著年际差异的动力机制。2019年8—9月东海海表较2017年8—9月盛行更强的西南向沿岸季风, 强的西南向沿岸风通过埃克曼输运促使水体向岸堆积并在近岸区域沿岸西南向堆积。因此, 2019年8—9月东海近岸海域的跨岸方向压力梯度与2017年8—9月相比较小而沿岸压力梯度则较大。2019年8—9月, 受压力梯度分布的影响, 东海近岸海域产生西南向的沿岸地转流和离岸地转流。其中西南向的沿岸地转流会在底部生成离岸的底埃克曼流, 离岸底埃克曼流和离岸地转流共同抑制了黑潮近岸分支流的向岸入侵。这导致2019年9月黑潮近岸分支流的路径向东偏移, 黑潮次表层水入侵浙江近海及长江口区域的强度随之减弱。通过分析研究实际观测案例, 阐述了风影响黑潮近岸分支流入侵东海近岸海域的动力机制, 同时明确指出海表风场会从黑潮近岸分支流的中上游区域改变其路径, 进而对黑潮入侵东海近岸海域产生重要影响。

黑潮近岸分支流; 底埃克曼流; 地转流; 风; 黑潮入侵

东海是西北太平洋的陆架边缘海。前人的研究(Qi, 2014; Yang,2018)表明, 受台湾海峡水、黑潮水、径流淡水等水团的影响, 东海的水团特征以及环流结构十分复杂。黑潮作为其中最显著的影响因素主要通过黑潮分支流的形式深入入侵东海陆架, 对东海的海洋环境产生十分重要的影响。太平洋最强劲的西边界流-黑潮经由台湾以东水道北向进入东海, 在台湾东北附近海域与东海陆架坡发生碰撞, 主流折向东并大致沿东海陆坡流动, 部分黑潮水则于此处深入入侵东海陆架。关于黑潮水在台湾东北入侵东海的三维结构和相关动力机制,前人做了大量有益的工作。苏纪兰(2001)提出, 黑潮在台湾东北附近海域入侵东海陆架是黑潮失去台湾岛东部岸线支撑后所产生的必然结果, 其中黑潮次表层水常年可侵入东海陆架而黑潮表层水仅在秋冬季较强。以Guo等(2006)为代表的模式研究结果也基本表明黑潮次表层水常年占据陆架底层。Yang等(2011, 2012, 2013)基于区域海洋模式(regional ocean model system, ROMS)的模拟结果以及东海陆架上的大面观测资料分析了夏季黑潮次表层水入侵东海陆架的路径和三维结构, 明确指出黑潮次表层水入侵东海存在黑潮近岸分支流(the nearshore Kuroshio branch current, NKBC)和离岸分支流(the offshore Kuroshio branch current, OKBC)这两个分支。前人的研究从营养物质输送的角度同样证实了这两个黑潮分支的存在(Zhou, 2017, 2018; Wang, 2018)。其中黑潮近岸分支流可深入入侵东海近岸海域并抵达浙江近海以及长江口区域, 其携带的营养物质对中国近海生态环境和渔业生产能产生重要影响(Nitani, 1972; Yanagi, 1998; Chen, 1999; Zhao, 2019), 因此针对黑潮近岸分支流时空特征及其动力机制的深入研究对国计民生有着重要意义。

在黑潮近岸分支流入侵路径的特征及其变化方面, 前人也提出了许多重要的观点。Xu等(2018)通过数值模拟实验分析指出冬夏季黑潮次表层水基本都会沿122°E经向断面北向入侵到达东海陆架60 m等深线处而后沿着60 m等深线继续东北向运动。Xu等(2018)还进一步提出底埃克曼效应是冬夏季黑潮次表层水能否跨越60 m等深线入侵浙江近海的主要动力机制, 并且提出风对黑潮次表层水向岸入侵起主要作用。Yang等(2018)利用模式模拟和浙江近海北部温盐断面观测提出一种新的黑潮近岸分支流入侵路径变化的机制, 认为黑潮在台湾以东的1—7月的流向变化会使黑潮与陆架坡折撞击角度产生差异, 从而进一步导致黑潮近岸分支流在浙江近海春夏季出现, 冬季消失。已有的针对黑潮近岸分支流及黑潮入侵东海的研究更多关注东海28°N以北黑潮近岸分支流和黑潮离岸分支流明显的下游区域以及台湾东北黑潮近岸分支起源区(Yang, 2012, 2018; 何源首等, 2019; He, 2019), 黑潮近岸分支流在其中上游区域的时空变化特征目前并不清晰, 相关动力机制的研究也较少。受观测资料的制约, 针对黑潮近岸分支流同一季节的年际差异同样缺乏深入研究。本文通过对比2017和2019两年的9月份东海的大面温盐实测数据, 对黑潮近岸分支流入侵路径的显著年际差异及其原因进行了较深入的研究。

1 数据来源和断面位置

1.1 现场观测数据

在国家自然科学基金的资助下, 我们分别在2017年9月19—22日以及2019年9月12—25在东海进行了两次水文调查, 两次调查均采用了Seabird911直读式温盐深观测仪(conductivity-temperature-depth, CTD)测量温盐深等基础水文数据。航次调查共包含DH2、DH3、DH4、DH5等四个水文调查断面, 断面的位置走向以及站点分布如图1所示。两次航次观测断面的走向位置一致但站位数量和间隔略有不同。2017年的航次中, DH2断面包含DH2-1a至DH2-8a共八个站位点, DH3断面包含DH3-1a至DH3-6a共六个站位点, DH4断面包含DH4-1a至DH4-6a共六个站位点, DH5断面包含DH5-1a至DH5-6a共六个站位点。2019年的航次中, DH2断面包含DH2-1b至DH2-5b共五个站位点, DH3断面包含DH3-1b至DH3-5b共五个站位点, DH4断面包含DH4-1b至DH4-4b共四个站位点, DH5断面包含DH5-1b至DH5-6b共六个站位点。2019年各断面的观测站位较2017年稀疏, 但观测断面的跨岸范围相差不大, 两次秋季航次基本覆盖了黑潮近岸分支流在东海陆架上常出现的海域。

1.2 风场再分析数据

本文的风场数据采用欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)第五代再分析资料(ECMWF reanalysis v5, ERA5)。该数据集提供海表面10 m的水平风场数据, 是目前海洋和大气研究常用的风场再分析资料。本文使用版本的空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间精度为月。

1.3 卫星高度计数据

本文采用网格化的卫星高度计数据集(archiving, validation and interpretation of satellite oceanographic dataset, AVISO)提供东海的海表观测信息。该数据集提供1993年至今的绝对海表面动力高度(absolute dynamic topography, ADT)、海表高度异常(sea level anomaly, SLA)和地转流速(geostrophic velocity, GV)等变量。其中绝对海表面动力高度为卫星测高相对于大地水准面的高度差, 海表高度异常为卫星测高相对于平均海表面动力高度的高度差, 而地转流速是基于绝对海表面动力高度计算得到。该数据集以0.25°×0.25°的空间分辨率和1 d的时间分辨率覆盖全球海洋。

2 观测断面的水文分布特征

2.1 2017年秋季航次

2017年9月DH2、DH3、DH4以及DH5断面的温度和盐度分布如图2所示。从DH2断面温盐分布(图2a, 2e)可以看到, 断面垂向分层显著, 断面底部被低温高盐水占据, 在陆架底层约60 m等深线附近的DH2-2a至DH2-3a站位以及约100 m等深线附近的DH2-7a至DH2-8a站位存在两个清晰的低温高盐核心(近岸核心盐度最大约为34.4, 温度最低约为20 °C; 离岸核心盐度最大约为34.5, 温度最低约为19 °C)。在DH3断面(图2b, 2f), 与DH2断面较为一致,垂向层结显著, 同样在陆架底部存在两个清晰的低温高盐核心, 其中近岸核心位于陆架底层约60 m等深线附近的DH3-2a至DH3-3a站位(盐度最大约为34.5, 温度最低约为18 °C); 离岸核心受到断面东部观测站位不足的影响, 核心较为模糊, 但依旧可以发现其存在于站位DH3-6a附近。在DH4断面(图2c, 2g), 除却60 m等深线以浅区域, 陆架底层整体被高盐低温水占据, 低温高盐核心(最大盐度>34.5; 最低温度<19 °C)有且只有一个, 位于DH4-3a站附近。而在DH5断面(图2d, 2h), 60 m等深线以浅区域垂向混合较为均匀, 水体呈现柱状, 而离岸区域依旧层结明显, 低温高盐水位于DH5-5a站位以及DH5-6a站位附近的东海底层。

图1 黑潮次表层水入侵东海的结构以及观测断面站位位置示意图

注: a: 黑潮次表层入侵东海环流结构; b: 2017年9月观测站位分布; c: 2019年9月观测站位分布; b和c中黑色实线分别表示60, 100以及200 m等深线; 水深数据来源于ETOPO1

2.2 2019年秋季航次

2019年9月DH2、DH3、DH4以及DH5断面的温度和盐度分布如图3所示。在DH2断面(图3a, 3e), 站位DH2-2b以西区域的垂向混合较强, DH2-2b以东区域依旧层结明显, 陆架海水底层被低温高盐水占据。DH2断面温度结果显示, 在近岸区域和离岸区域分别存在两个冷水核心, 其中近岸冷水核心(最低温度<21 °C)位于约60 m等深线的DH2-2b站位附近, 而离岸核心(最低温度<19 °C)位于约100 m等深线的DH2-5b站位附近。而盐度结果显示, 仅存在离岸高盐核心(最大盐度>34.4), 陆架底部盐度随着离岸距离减小而逐步减小。在DH3断面(图3b, 3f), 站位DH3-2b以西区域垂向混合较均匀, DH3-2b以东区域层结明显。东海陆架海水底层在约80 m等深线的DH3-3b站位至DH3-5b站位区域存在一个低温高盐核心(最低温度<18 °C, 最大盐度>34.5), 低温高盐水无法达到DH3-2b及其以浅区域。在DH4断面(图3c, 3g), 低温高盐水核心(最低温度<18 °C, 最大盐度>34.5)位于DH4-3b站位至DH4-4b站位区域底层, 低温高盐水无法达到DH4-2b站位。从DH5断面(图3d, 3h)结果显示, 低温高盐水(最低温度<18 °C, 最大盐度>34.5)占据东海离岸区域底层, 仅能入侵达到DH5-4b站位处。

图2 2017年9月航次东海断面的盐度和温度分布

3 黑潮近岸分支流在2017与2019年9月的差异

前人的研究(赵瑞祥等, 2014; Zhou, 2018)已经证实秋季东海底层低温高盐水来自黑潮近岸分支流和黑潮离岸分支流入侵携带的黑潮次表层水。其中黑潮次表层水的向岸入侵程度主要受黑潮近岸分支流的影响, 因此通过东海观测断面中底层(每个站的最大测量深度)的温度盐度分布可以判别黑潮近岸分支流入侵的路径和范围(图4)。虽然两次航次站点间隔存在些许不同, 但是可以清晰的发现2017年9月和2019年9月黑潮近岸分支流入侵东海陆架的路径存在较大差异。

两次观测显示黑潮近岸分支流入侵达到DH5断面的位置较为一致。而后, 2017年9月的黑潮近岸分支流会继续向北入侵达到约60 m等深线的DH4-2a站位处, 并基本继续沿着60 m等深线向东北入侵, 这与前人对黑潮近岸分支流的描述结果一致。2019年9月的黑潮近岸分支流离开DH5断面后则会立即明显向东偏折, 远无法达到60 m等深线处, 其入侵至DH4断面后会继续向东偏折而后向东北方向运动, 从而减弱了黑潮次表层水对浙江近海区域的入侵。通过黑潮近岸分支流在2017年和2019年的路径示意图(图5), 我们可以清晰地看到造成两年黑潮近岸分支流路径差异的源头在DH4断面附近。

图3 2019年9月航次东海断面盐度和温度分布

4 机制分析与讨论

什么因素造成2017年9月和2019年9月黑潮近岸分支流路径的差异呢？Xu等(2018)将东海区域底层流速矢量动量拆分后, 发现东海底部黑潮次表层水的运动主要受到地转流和底埃克曼流的影响, 如公式(1)和公式(2)所示:

图4 2017年9月(a, b)和2019年9月(c, d)每个站的最大测量深度处的盐度(a, c)温度(b, d)的水平分布

注: a, b中黑色圆点表示2017年9月的观测站位; c, d中黑色圆点表示2019年9月的观测站位; 黑色实线分别表示60, 100, 200 m等深线; 水深数据来源于ETOPO1

图5 2017年(a)和2019(b)年9月黑潮近岸分支流路径示意图

注: a中黑色圆点表示2017年观测站位, 红色箭头表示黑潮近岸分支流在2017年9月的路径; b中黑色圆点表示2019年观测站位, 蓝色箭头表示黑潮近岸分支流在2019年9月的路径; 黑色实线分别表示60, 100, 200 m等深线; 水深数据来源于ETOPO1

Xu等(2018)通过将东海底部压力梯度的拆分发现影响黑潮近岸分支流运动的东海底部地转流主要由海表高度差异引起的正压流决定, 密度引起的斜压流影响较小。我们在DH4断面的温盐观测同样证实了这一观点, 由于水深较浅, 且水平温度盐度差异较小造成密度差异较小, 相对于正压流, 斜压流可以忽略。因此我们忽略东海底部地转流中斜压流分量, 利用AVISO卫星高度计数据集的绝对海表动力高度计算得到的地转流代表东海底层地转流。

因为造成2017年9月和2019年9月黑潮近岸分支流路径差异的源头在DH4断面附近, 所以选取与海岸线垂直的DH4断面的地转流进行讨论。受潮汐和地形因素的影响, AVISO的绝对海表面动力高度数据以及其计算的地转流在近岸区域误差相对较大。但是杨洋等(2018)利用东海坎门验潮站2013—2015年的月均海表面高度数据与同期AVISO网格化的月均海表面动力高度数据进行对比, 对应结果较好。这表明利用月平均的AVISO网格化海表面动力高度数据可以减小其在东海近岸区域的误差, 在研究东海区域海平面变化方面具有较高的可信度。Xu等(2018)通过示踪物实验得出结论, 黑潮次表层水从台湾东北入侵达到浙江近海区域需要大约1.5个月的时间。因此我们计算了观测前约1.5个月(2017年8月1日—9月20日以及2019年8月1日—9月20日)DH4断面地转流的平均值(图6)。图6的结果显示2017年和2019年8—9月沿DH4断面的地转流皆存在离岸方向的分量, 这表明地转流会促使底部黑潮近岸分支流离岸运动。因此支撑黑潮近岸分支流向岸入侵的动力只能为跨DH4断面北向的地转流引起的向岸底埃克曼流。同时我们发现, 相较于2017年, 2019年8—9月DH4断面地转流的离岸分量在近岸区域(121.6°—122.3°E)更强, 更加阻碍黑潮近岸分支流向岸入侵。更为重要的是, 2019年8—9月DH4断面地转流的东北向沿岸分量在近岸区域(121.6°—122.2°E)远小于2017年, 特别是在121.6°—122.1°E区域, 地转流的沿岸分量会转向西南。2019年DH4断面近岸区域西南向的沿岸地转流决定了底部沿岸东北向流动较弱甚至向西南流动。弱的东北向沿岸流引起的弱的向岸底埃克曼流不足以支撑黑潮近岸分支的向岸入侵, 而西南向的流动会引发离岸埃克曼流阻碍黑潮近岸分支的向岸入侵。2017年和2019年8—9月地转流方向和大小的差异致使2019年黑潮近岸分支流在DH4断面会向东离岸偏折。

图6 2017年和2019年DH4断面地转流8—9月平均值

为了进一步研究引起地转流差异的原因, 我们分别计算2017年和2019年8—9月东海区域绝对海表面动力高度平均值(图7)。通过对比2017和2019年绝对海表面动力高度的差异, 我们发现引起2019年8—9月DH4断面近岸区域(121.6°—122.2°E)地转流沿岸分量流向西南的主要原因。相较2017年8—9月, 2019年同期的近岸侧的海表面高度升高, 离岸侧的海表面高度减弱, 在跨岸方向上减弱了正的压力梯度甚至在近岸区域产生负的压力梯度, 通过地转效应在60—100 m等深线之间的陆架区域引发西南向的沿岸地转流。引起DH4断面122.3°E以西离岸方向的地转流增大的主要原因是: 近岸区域南部的海表面高度增大较强, 产生了较强的正的沿岸压力梯度从而产生更强的离岸方向的地转流。引起近岸海表高度升高的原因主要有风引起的海水近岸堆积以及比容引起的海表面高度变化。2017年9月和2019年9月的温盐观测显示两年差异较小, 基本可以排除比容引起的海平面变化, 因此考虑为风导致的海水堆积引起的海表高度变化。

图7给出了东海区域内2017年和2019年8—9月月平均的海表面10 m风场。2017年8—9月沿岸季风较弱, 而2019年东海沿岸则盛行强的西南向风。海表风场会引起水体的埃克曼输运, 在北半球水深较深区域, 埃克曼输运方向位于风向的右方并与风向垂直, 而在近岸区域水深较浅, 水深小于两倍的埃克曼层厚度, 因此埃克曼输运并不与风向完全垂直, 同时具备垂直风向向右的分量和沿着风向的分量。因此, 在近岸区域, 西南向的沿岸风会促使水体向岸和向西南堆积。2017和2019年8—9月沿岸风的差异导致2019年相较2017年沿岸水体向岸和向西南堆积较大, 减弱了跨岸压力梯度和增大了沿岸压力梯度, 继而使沿岸地转流和跨岸地转流产生显著差异, 并进一步造成2017年和2019年黑潮近岸分支流路径的差异。

图7 2017年(a)和2019年(b)8—9月平均的绝对海表面动力高度以及水平风场

注: a中黑色圆点表示2017年观测站位, b中黑色圆点表示2019年观测站位

5 结论

利用2017年9月和2019年9月东海陆架上的大面观测数据, 本研究发现2017年和2019年9月黑潮近岸分支流入侵东海的路径存在显著差异。其中2017年9月黑潮近岸分支流的入侵路径特征与前人的研究较为一致, 黑潮近岸分支流在台湾以北沿着122°E经线向北入侵至60 m等深线附近而后大致沿着60 m等深线向长江口附近海域入侵。2019年9月黑潮近岸分支流在离开台湾以北附近海域后, 并没有沿122°E经线向北入侵至60 m, 而是向东发生明显偏折, 使得黑潮近岸分支流无法沿着60 m等深线向北运动。

通过对比分析两年同时期的绝对海表面动力高度、地转流、风的差异, 本研究认为, 2019年9月黑潮近岸分支流的显著东向偏折主要是由2019年8—9月强的西南向沿岸季风引起。2019年8—9月强的西南向沿岸季风通过埃克曼输运促使东海区域水体向岸堆积, 造成近岸区域水体海表面高度上升, 减弱了跨岸正的压力梯度, 甚至在近岸区域形成负的跨岸压力梯度。这一过程减弱了东北向沿岸流继而使向岸的底层埃克曼输运减弱和转向, 失去了提供黑潮近岸分支流向岸的动力。此外, 由于近岸区域水深较浅, 风不仅生成与风向垂直向右的埃克曼输运, 同时也会生成沿风向的埃克曼输运分量, 水体会沿岸向西南堆积, 继而增大沿岸南北压力梯度, 从而增大了离岸方向的地转流, 进一步抑制黑潮近岸分支流向岸运动。以上过程的综合作用使得2019年9月黑潮近岸分支流发生显著的东向偏折。

本文通过实际观测案例的分析研究, 证实了风对黑潮近岸分支流入侵东海近岸海域存在重要影响, 阐述了风影响黑潮近岸分支流入侵东海近岸海域的动力机制, 并同时明确指出海表风场会从黑潮近岸分支流的中上游区域改变其路径, 进而对黑潮入侵东海近岸海域产生重要影响。本文的研究结果对黑潮入侵东海的预测与预报工作具有一定的参考价值。

致谢 本文用到的卫星高度计数据可通过AVISO官方网站下载 http://www.aviso.cnes.net下载, ERA5风场再分析数据可通过https://cds.climate.copernicus. eu/#!/home 网站下载。本研究的数据及样品采集得到国家自然基金委员会共享航次计划项目(项目批准号: 41649902,41749902)的资助。该航次(航次编号: NORC2017-02, NORC2019-02)由“向阳红18”号科考船实施, 在此一并致谢。对上述机构和各观测航次的船员表示感谢。

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THE DIFFERENCE OF THE NEARSHORE KUROSHIO BRANCH CURRENT BETWEEN SEPTEMBER 2017 AND SEPTEMBER 2019

YAN Jie1, 2, 3, HOU Yi-Jun1, 2, 3, 4, LIU Ze1, 3, 4

(1.CAS Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. Laboratory for Ocean and Climate Dynamics, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China)

Study on the CTD (conductivity-temperature-depth) observation data of the East China Sea in September 2017 and September 2019 revealed a significant difference in the paths of the Nearshore Kuroshio Branch Current (NKBC) between the two cruises. The upper-middle paths of the NKBC in September 2019 was more eastward than that in September 2017, and the intensity of NKBC invading China nearshore area in 2019 was weaker. Satellite altimetry data and sea surface wind re-analysis data were used to explore the causes of the above-mentioned significant inter-annual differences. By comparing the differences in sea surface height, geostrophic current, and wind during the observation period of the two years, the key mechanism that induced the difference of the paths of the NKBC in September of the two years was revealed. The southwestward wind that prevailed in the East China Sea from August to September in 2019 was stronger that in 2017, The stronger southwestward wind in 2019 pushed the water to accumulate towards more shoreward and southwestward in the nearshore area. This process decreased the cross-shore pressure gradient and increased the along-shore pressure gradient in the nearshore area, and then generated southwestward alongshore geostrophic current and offshore geostrophic current. The stronger offshore geostrophic current and the offshore bottom Ekman current that induced by the southwestward alongshore geostrophic current jointly restrained the inshore intrusion of the NKBC. The mechanism resulted in the eastward migration of the NKBC, and further weakened the invasion of the Kuroshio subsurface water northward into Zhejiang coastal area and Changjiang (Yangtze) River estuary area in September 2019. Based on the analysis and research of actual observation cases, the dynamic mechanism of the influence of wind on the intrusion of the NKBC was explained, and the path variation of sea surface wind field in the middle and upper reaches of the NKBC was revealed, which had an important impact on the Kuroshio intrusion into Chinese nearshore area.

nearshore Kuroshio branch current (NKBC); bottom Ekman current; geostrophic current; wind; Kuroshio intrusion

P731.26

10.11693/hyhz20201000301

* 国家自然科学基金，41630967号，41776020号。燕 杰，博士研究生，E-mail: yanjiehaida@163.com

侯一筠，博士生导师，研究员，E-mail: yjhou@qdio.ac.cn；刘 泽，副研究员，E-mail: liuze@qdio.ac.cn

2020-10-29，

2021-01-18