黑潮对吕宋海峡全日内潮生成与传播影响的数值模拟研究❋

王嘉琦, 黄晓冬,2❋❋, 王 越, 于海庆

(1. 中国海洋大学深海多圈与地球系统前沿科学中心 物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100;2. 中国海洋大学三亚海洋研究院, 海南 三亚 572025; 3.中国海洋大学海洋与大气学院, 山东 青岛 266100;4. 山东大学海洋研究院, 山东 青岛 266237)

受天体引潮力的强迫,海水产生的周期性运动称为天文潮(也被称为正压潮),其普遍存在于全球海洋之中。天文潮与复杂地形,例如海底山脊、海岛、陆架以及陆架坡折区等区域[1-5],相互作用后会产生内潮。内潮生成需要的能量来源于天文潮;天文潮流经复杂粗糙地形使得海水产生垂向上的起伏运动,从而引起海水等密面的变化,激发内潮生成,进而在稳定层化的海水中传播。内潮在全球海洋中分布广泛,是大尺度天文潮向小尺度混合传递能量的重要纽带之一[6],其耗散为维持大洋经向翻转流和深海混合提供大量能量[7-8],是影响大尺度环流和全球气候变化的重要因素[9]。

研究内潮的变化特征中,会将内潮分解为相干与非相干两部分[10-12]。内潮相干部分与源地正压潮有着很好的时间对应关系,两者相位保持一致,可预测性较强。随着传播距离的增加,由于受黑潮、中尺度涡和大尺度环流等海洋中的多尺度动力过程下引起的背景层结和背景流等因素的影响,内潮的传播速度、相位以及能量的时空分布特征会发生显著改变,相干性减弱,非相干性部分能量显著增加[11-13],此时源地正压潮与内潮非相干部分相位不再一致,内潮的可预测性变差。另外,在未来进行的地表水和海洋地形(Surface water and ocean topography,SWOT)卫星任务[14]对海洋中的中尺度与亚中尺度现象进行研究中,如何从观测数据中预估并剔除非相干内潮噪声信号的影响是内潮研究领域目前亟需解决的问题之一。因此,研究内潮的非相干部分对于提高对内潮的预测与模拟的准确性,以及未来亚中尺度动力过程的观测研究有着重要意义。

南海是西北太平洋最大的边缘海,通过吕宋海峡与西太平洋相连。在吕宋海峡处东、西侧存在两个沿南北向的海脊,分别为兰屿海脊和恒春海脊。兰屿海脊相比于恒春海脊更高,更长且东侧水深更浅,因此吕宋海峡地形复杂。正压潮流在吕宋海峡的兰屿海脊周围可达 1 m/s[15]。复杂地形与大的正压潮流速度为强内潮的产生提供了良好的条件[16]。大量内潮在吕宋海峡生成后,分别向东西两个方向传播至太平洋和南海,为南海和西北太平洋的混合和深层环流提供了能量。强大的天文潮和独特的双海脊地形相互作用使吕宋海峡成为全球内潮生成的重要源地之一。

吕宋海峡是全球海域全日内潮生成最强的区域[17]。受地球旋转的影响,全日内潮比半日内潮更易到达南海南部和西太平洋低纬区域,尤其是在南海,其影响区域要大于半日内潮[17-18]。因此研究吕宋海峡处全日内潮的特征是内潮研究领域中重要的组成部分。

吕宋海峡有丰富的海洋动力过程,其中有一支携带高温高盐水体的北向流动——黑潮。前人研究发现黑潮起源于北赤道流,携带着西北太平洋的高温水向北流动[19],在经过吕宋海峡时,必然对其周围海域的水文条件(温度、盐度与密度)产生影响,进而会改变内潮的时空变化特征。根据前人研究,黑潮通常被分为三种形态,分别为“黑潮流套”(loop)、“分支入侵”(leak)与“跨越态”(leap)三种形态[20]。黑潮入侵的强弱会影响吕宋海峡生成源地以及传播路径上的海水层结,进而影响内潮的西向能通量传播[21]。Huang等[22]利用潜标阵列组的实测数据,发现在暖涡与冷涡期间,黑潮流套脱落成暖涡与冷涡的情况下,对半日内潮传播方向、流速大小均发生了改变。

黑潮入侵南海会对吕宋海峡内潮产生折射作用[23]。Jan等[24]利用三维模式结果发现黑潮入侵会减小全日内潮西向传播能通量,却能增大半日内潮西向传播能通量;而Ma 等[21]用模式与观测的结果发现黑潮入侵会使全日内潮的生成增加,但半日内潮的生成变化不大,此结论与Jan等[24]的结论正好相反。Xu 等[25]利用中国海多尺度海洋环流模型(China Sea multi-scale ocean modeling system,CMOMS)模式数据发现在黑潮的“跨越态”形态下全日内潮能量生成显著强于黑潮的“黑潮流套”形态下全日内潮能量生成。因此,在吕宋海峡处黑潮在对内潮的生成与传播过程中,前人所得到的结论并不一致。

根据上文所讨论的内容,吕宋海峡处有着丰富而强烈的多尺度动力过程——黑潮和内潮,不同形态下的黑潮会对全日内潮的生成与传播产生显著影响。但前人在吕宋海峡处黑潮对内潮的生成与能通量传播影响中所得到的结论并不一致。对于南海内潮的非相干性研究大多没有探究在不同黑潮形态下的变化。因此,本文将讨论在不同黑潮形态下,吕宋海峡处全日非相干内潮的生成与传播变化。

1 模式数据与处理方法

1.1 模式介绍

为探究黑潮对吕宋海峡处全日内潮生成与传播的影响,基于有限体积海岸海洋模式(FVCOM)构建一套覆盖吕宋海峡区域的环流-潮汐耦合模型。本模型的经纬度范围为:105°E—130°E,5°N—30°N,而本文研究选取的经纬度范围为117°E—123°E,16°N—23°N(见图1)。所选取的范围囊括了黑潮流经重点的区域和内潮生成的源地。

(红实线表示开边界。The red lines represents open boundary.)

王昭允等[26]对本模型中的网格设置介绍、初始场数据来源以及开边界强迫均做了详细的介绍,在此不做赘述。该模型在垂向上共设计了 41 个 sigma层,在本文所关注的吕宋海峡区域网格分辨率为4 km。尤其是在模式网格设置中对吕宋海峡进行了加密网格处理,增加在吕宋海峡区域更多位置的模拟。

模型输出结果包括三维温度、盐度、环流、流速及海平面高度等,时间分辨率为每小时,空间分辨率为(1/12)°×(1/12)°。该模型计算的时间长度为 2015 年 6 月 1 日—2016 年 9 月 1日,本文采用模型 2015 年 9月 1 日—2016 年 9 月 1 日的一年数据模拟结果进行分析研究。

1.2 模式验证

将模式数据中的两大全日正压分潮(O1、K1)与正压潮TPXO 7.2数据结果对比,图2中表明两者振幅的大小与相位的变化趋势较一致。此外将模式数据表层背景流流速与AVISO高度计地转流流速对比(见图3),选取在不同形态黑潮时期,将环流-潮汐耦合模型表层背景流流速进行月平均,分别得到在12月黑潮的“黑潮流套”形态下,在3月黑潮的“分支入侵”形态下与在6月黑潮的“跨越态”形态下的表层背景流流速并与AVISO高度计地转流流速对比,发现在不同形态黑潮时期,模式数据表层背景流与AVISO高度计地转流流速两者较相似。

图2 模式数据中的两大全日正压分潮(O1、K1)与TPXO 7.2的正压潮同潮图

综上所述,该FVCOM模式可以很好地模拟出南海北部与吕宋海峡区域的背景流和正压潮,也对我们进一步利用模式数据开展研究奠定了很好的数据基础。

1.3 处理方法

将模式数据中的温度、流速进行垂向5 m一层的线性插值,计算得到正压流与斜压流。参考文献[27-29]的计算方法,将斜压流进行滤波分析(使用频带范围为[0.85 1.20]cpd)得到全日内潮信号作为总项,对全日内潮信号进行调和分析得到全日内潮相干部分,总项(全日内潮信号)剔除全日内潮相干部分后所得的差值则为全日内潮非相干部分,即:

Ui=U-Uc,

(1)

(2)

(3)

式中:U代表正压流速;u′表示斜压流速;p′代表扰动压强;下标i表示内潮的非相干部分;下标c表示内潮的相干部分。

(4)

本文在计算全日内潮能通量与能量生成非相干部分中包括了交叉项与完全非相干项,将交叉项包括在全日内潮非相干部分中是因为交叉项与完全非相干项均受背景流的影响,所以将其合起来考虑。

为衡量全日非相干内潮在内潮能量生成与能通量中的比例情况,可以用内潮的非相干系数R来表示其占比情况。

(5)

式中:X表示全日内潮的生成量或能通量;Xc表示全日相干内潮的生成量或能通量。R越大,代表全日非相干内潮的占比越大,内潮非相干性越显著。

Huang等[22]推导出考虑了地球旋转效应优化的T-G方程:

[f2(U-cp)-k2(U-cp)3]Φ″-f2U′Φ′+

[k4(U-cp)3+k2U″(U-cp)2-k2N2(U-cp)]Φ=0

Φ(0)=Φ(-H)=0。

(6)

为内波传播的相速度。基于Huang等[22]附录A的计算方法,本文根据特征值求解方法对优化的T-G 方程进行数值求解,最终获得内潮标准化下的传播相速度。

(7)

2 研究结果与分析

黑潮通常被分为三种形态,分别为“黑潮流套”(loop)、“分支入侵”(leak)与“跨越态”(leap)[24]。本文将模式数据中的原始流速进行低通滤波,得到背景流流速,再将背景流流速进行月平均,得到月平均变化的背景流形态:黑潮以“黑潮流套”形态入侵南海的月份对应2015年10、11和12月,2016年4和5月;黑潮“跨越态”形态对应的月份为2015年9月,2016年6月;黑潮以“分支入侵”形态入侵南海的月份对应为2016年1、2和3月。通过对比每个月的背景流形态,选取与黑潮三种典型形态相一致所对应的月份,得到2015年12月、2016年3月与6月的背景流(见图4)。

基于模式数据选取吕宋海峡区域的全日正压潮纬向流速,将其空间平均得到吕宋海峡区域的全日正压潮纬向流速的变化。在冬季12月与夏季6月的全日正压纬向潮流速较强,纬向流速最大可达0.025 m/s,而春季3月的全日正压潮流较弱,纬向流速最大仅有0.02 m/s。从图5看出吕宋海峡处全日正压潮纬向流速有明显的季节变化,对于不同季节的内潮变化,正压潮流对内潮的影响远强于黑潮对内潮的影响。

图5 全日正压潮纬向流速

2.1 黑潮对全日内潮能量生成的影响

在吕宋海峡区域,分别在其东、西、南和北侧选取122.5°E、120°E,18.5°N—22°N的断面,探究在不同黑潮形态下,全日内潮的能量生成与其非相干部分能量生成占比。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态、春季3月黑潮的“分支入侵”形态、夏季6月黑潮“跨越态”形态下,全日内潮与其非相干部分能量生成的结果如图6所示。

全日内潮能量生成与其非相干部分能量生成在吕宋海峡的东脊与西脊处较大。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,在吕宋海峡处全日内潮能量生成为16.30 GW,非相干部分能量生成为2.70 GW,非相干部分能量生成占比达16.6%;在春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,全日内潮能量生成为11.46 GW,非相干部分能量生成的为-1.05 GW,非相干部分能量生成占比达9.2%;在夏季6月黑潮的“跨越态”形态下,全日内潮能量生成为13.04 GW,非相干部分能量生成为1.84 GW,非相干部分能量生成占比达14.1%。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,吕宋海峡处全日内潮能量生成最大,而在春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,吕宋海峡处全日内潮能量生成最小。

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,全日内潮非相干部分能量生成的占比强于在黑潮的“跨越态”形态与黑潮的“分支入侵”形态下的全日内潮能量生成与其非相干部分的占比。

2.2 黑潮对全日内潮能通量的影响

从图7可知,在不同黑潮形态下,全日内潮能通量在吕宋海峡处分别向东、向西传播。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,吕宋海峡西侧断面处全日内潮能通量向西传播3.58 GW,其非相干部分能通量为0.78 GW,非相干部分占比达21.7%,吕宋海峡东侧断面处全日内潮能通量向东传播2.01 GW;在春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,吕宋海峡西侧断面处全日内潮能通量向西传播2.41 GW,其非相干部分能通量为-0.41 GW(向吕宋海峡内传播,方向向东),非相干部分占比达17.0%,吕宋海峡东侧断面处全日内潮能通量向东传播1.23 GW;在夏季6月黑潮的“跨越态”形态下,吕宋海峡西侧断面处全日内潮能通量向西3.22 GW,其非相干部分能通量为0.60 GW,非相干部分占比达18.6%,吕宋海峡东侧断面处全日内潮能通量向东传播1.87 GW(见图7)。

在不同黑潮形态下,全日内潮能通量的非相干性发生显著变化。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下全日非相干内潮能通量的占比达21.7%,其占比强于黑潮的“分支入侵”与“跨越态”形态下全日内潮非相干部分能通量的占比。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,全日内潮非相干性显著强于春季3月黑潮的“分支入侵”与夏季6月黑潮的“跨越态”形态下的全日内潮非相干性。其中,春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,在吕宋海峡西侧断面处全日内潮非相干部分的能通量传播方向变为向东传播,全日内潮非相干部分能通量显著减小。全日内潮非相干部分能通量减弱的原因是由于全日内潮非相干部分的能量生成显著减少,在春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,全日非相干内潮能量生成仅为-1.05 GW(见图6)。

2.3 全日内潮传播速度变化率

根据Huang等[23]计算传播速度的方程,计算在三种黑潮形态下,吕宋海峡区域处的传播速度。

在吕宋海峡区域,黑潮的“黑潮流套”形态下,传播速度的变化率最大,可达0.5;而在黑潮的“分支入侵”形态下,传播速度在吕宋海峡较小,传播速度的变化率仅为0.2,逐渐向西传播速度减小,在吕宋海峡西侧传播变化率可达0,表明在黑潮的“分支入侵”形态下,吕宋海峡西侧的传播速度显著减少。在黑潮的“跨越态”形态下,吕宋海峡区域的传播速度变化率为0.3,而后逐渐向西传播速度变化率为0.1(见图8)。

图8 三种不同的黑潮形态下全日内潮传播速度的变化率

在吕宋海峡,冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,全日内潮非相干性的占比最大。具体表现在全日内潮非相干性能量生成最大,其传播速度变化率最大。由于传播速度会影响全日内潮的位相,从而会影响全日内潮的非相干性,导致在吕宋海峡内非相干性最强。而在黑潮的“分支入侵”形态下,全日内潮非相干性的占比最小,全日内潮非相干性能量生成最小,其传播速度变化率最小,由于传播速度会影响全日内潮的位相,从而会影响全日内潮的非相干性,导致在吕宋海峡内非相干性最弱。

3 总结与展望

本文基于数值模型的结果,对吕宋海峡区域三种不同形态黑潮对全日内潮生成与传播影响展开了研究。得到的主要结果如下:

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,全日内潮能量生成为16.30 GW,非相干部分能量生成为2.70 GW,非相干部分能量生成占比达16.6%;能通量西向传播3.58 GW,全日非相干内潮能通量为0.78 GW,非相干部分占比达21.7%,能通量东向传播2.01 GW。

在春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,全日内潮能量生成为11.46 GW,非相干部分能量生成的为-1.05 GW,非相干部分能量生成占比达9.2%。能通量西向传播2.41 GW,全日内潮非相干部分的能通量为0.41 GW(向吕宋海峡内传播,方向向东),非相干部分占比达17.0%,东向传播1.23 GW。

在夏季6月黑潮的“跨越态”形态下,全日内潮能量生成为13.04 GW,非相干部分能量生成为1.84 GW,非相干部分能量生成占比达14.1%;能通量西向传播3.22 GW,其中非相干部分为0.60 GW,非相干部分占比达18.6%,东向传播1.87 GW。

通过对三种不同黑潮形态下全日内潮及其非相干部分的能量生成进行对比,我们发现:受冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态影响,全日内潮与全日非相干内潮的能量生成最大,其非相干部分的占比也最大,强于“分支入侵”形态与“跨越态”形态下全日内潮的能量生成与占比。

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下,全日内潮传播速度变化率最大,由于传播速度会影响全日内潮的位相,从而会影响全日内潮的非相干性,使得在吕宋海峡处全日内潮非相干性增强。此外,在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形态下全日内潮能量生成最大,使得全日内潮非相干部分西传能通量增强,加强了吕宋海峡处全日非相干内潮的变化。而在春季3月黑潮的“分支入侵”形态下,全日内潮传播速度变化率最小,由于传播速度会影响全日内潮的位相,使得全日内潮的非相干性减弱。此外,全日内潮非相干性能量生成最小(为负值),全日内潮西传能通量减少,减弱了吕宋海峡处全日非相干内潮的变化。综上,全日内潮非相干部分能量通量随黑潮流态的变化,一方面与吕宋海峡波速变化有关,另一方面与内潮的能量生成有关。

因此,通过模式结果发现在三种黑潮形态下,吕宋海峡区域的全日内潮生成与传播的时空分布特征存在明显差异,不同形态的黑潮会产生不同动力过程,使得全日内潮的非相干性产生重要变化。这为更深入了解黑潮对吕宋海峡全日内潮的影响打下一定的基础。此外,背景流与内潮之间的非线性相互作用过程也会影响全日内潮的非相干性,在接下来的研究中可以进一步探究在吕宋海峡区域不同形态黑潮与全日内潮的非线性相互作用过程,如何影响全日内潮的非相干性变化。