左軍成,徐珊珊,石少華,陳美香,徐 青

(1.河海大學(xué)物理海洋研究所,江蘇南京 210098;2.國家海洋信息中心,天津 300171;3.閩東海洋環(huán)境監(jiān)測中心,福建寧德 352100)

東中國海的環(huán)流有兩大流系——外海流系及沿岸流系,兩大流系的發(fā)展構(gòu)成了東中國海環(huán)流的基本框架[1].有關(guān)科研人員通過大量零散的水文調(diào)查、簡單的過程模型和三維數(shù)值模擬[2],對目前東中國海環(huán)流的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了較明確的描述[3-7].但由于缺少長期觀測資料,環(huán)流的精細結(jié)構(gòu)和中小尺度渦旋等的變化還無法得出定論[8].

2008年青島海域暴發(fā)了大規(guī)模的滸苔災(zāi)害.滸苔最初見于黃海中部海域,之后在風(fēng)場和海流等諸多因素作用下漂移至青島海域,衛(wèi)星遙感監(jiān)測也證實了滸苔的漂移.在這一過程中黃海表層流起到了重要的作用[9-11].滸苔漂移引發(fā)了人們對夏季東中國海環(huán)流尤其是近岸表層流的關(guān)注.

本文利用POM模型,以滸苔事件為背景,模擬滸苔暴發(fā)期間東中國海的環(huán)流,以期探究東中國海環(huán)流對滸苔漂移的影響,為青島滸苔的大規(guī)模暴發(fā)提供水動力環(huán)境的解釋.

1 模型設(shè)置

1.1 模擬海域及模型參數(shù)設(shè)置

計算海域范圍為 24°N～ 43°N,117°E～ 131°E,水平正交網(wǎng)格,空間分辨率為 5′×5′.垂向分為 16層 .外模時間步長為20s,內(nèi)模時間步長為600s.

水深采用中國人民解放軍海軍航海保障部出版的航海圖,最小水深設(shè)為8m,最大水深3000m(圖1).

1.2 初始條件、邊界條件、強迫場

初始水位和流速場為零,用1月的WOA01氣候態(tài)月均溫鹽資料作為模型的初始場.開邊界位置見圖1,開邊界流速和溫度取自HYCOM全球模擬的結(jié)果.

強迫場包括氣候態(tài)月均的COADS熱通量資料,氣候態(tài)月均的WOA01海表鹽度資料,以及氣候態(tài)月均的COADS風(fēng)應(yīng)力資料;2008年日本東北大學(xué)綜合觀測每天1次的海表溫度資料;2008年QSCAT衛(wèi)星觀測每3天平均的風(fēng)場資料.

1.3 數(shù)值試驗設(shè)計

數(shù)值試驗分2個階段,第1階段的目的是獲得東中國海穩(wěn)定的氣候態(tài)流場、溫鹽場,并與以往的觀測結(jié)果比對,進行模型驗證和參數(shù)修訂.第2階段得到2008年滸苔期間的東中國海環(huán)流場,分析環(huán)流精細結(jié)構(gòu)及其對大型滸苔的輸移作用.

第1階段:從初始狀態(tài)積分,開邊界為每隔5d的深度平均流速和三維溫度、鹽度數(shù)據(jù),加入月均海表熱通量、鹽度和風(fēng)場強迫.模型積分5a,得到氣候態(tài)流場和溫鹽場.

第2階段:從第6年開始,保持其他條件不變.將表面強迫場的溫度和風(fēng)場數(shù)據(jù)用2008年滸苔暴發(fā)期間每隔5天的日本東北大學(xué)海表溫度和QSCAT風(fēng)場替換,模型積分5a,得到2008年滸苔事件期間東中國海環(huán)流的流場和溫鹽場.

2 模型結(jié)果驗證及參數(shù)化過程修訂

2.1 氣候態(tài)海表溫度模擬結(jié)果驗證

將第1階段所得東中國海氣候態(tài)流場和溫度場、鹽場與觀測結(jié)果比對.圖2為模擬得到的冬季(2月份)、夏季(8月份)海表溫度場.

冬季海表溫度呈現(xiàn)從北向南升高的趨勢,整個海域的南北溫差超過20°C(圖2(a)).等溫線呈西南—東北走向,大體沿等深線分布.近岸淺水海域水溫低,深水海域水溫高,水平梯度大.渤海有一暖水舌從渤海海峽伸進渤海灣;黃海表層有一暖水舌從南黃海經(jīng)北黃海一直延伸到渤海海峽,影響黃海大部分海域,暖水舌東西兩側(cè)水溫明顯低于同緯度中部海域;東海海區(qū)高溫區(qū)在黑潮流域,124°E以北直到長江口和東北海域各有1個暖水舌.

夏季海溫比冬季均勻得多(圖2(b)).渤海大部分海域海溫在24～26°C之間,高溫出現(xiàn)在水深較淺的遼東灣、渤海灣和萊州灣,而渤海中部溫度較低;黃海大部分海域海溫在24～26°C之間,沿岸淺水區(qū)水溫較高,而在遼東半島和山東半島的頂端,以及朝鮮西岸卻存在明顯的低溫區(qū).東海比渤海和黃海海溫更均勻,等溫線基本沿岸線走向,絕大部分海域海溫為28～29°C,海域差異小,僅在閩浙沿岸出現(xiàn)低溫區(qū).

圖1 東中國海地形及模型開邊界示意圖Fig.1 Sketch of topography of East China Sea and open boundary of model

圖2 東中國海海表溫度模擬結(jié)果(單位:℃)Fig.2 Simulated results of sea surface temperature in East China Sea(units:℃)

冬季和夏季東中國海表層海溫的分布特征與湯明義等[12-13]的結(jié)果一致.

2.2 氣候態(tài)流場模擬結(jié)果驗證

模擬得到的冬、夏兩季的表層和深度平均東中國海環(huán)流形態(tài)比較準確地刻畫了東中國海的環(huán)流場結(jié)構(gòu)(圖3、圖4),與蘇紀蘭[2]的結(jié)論基本一致.

圖3 冬季表層和深度平均流場及其模擬Fig.3 Simulated surface and depth-averaged flow fields in winter

圖4 夏季表層和深度平均流場及其模擬Fig.4 Simulated surface and dep th-averaged flow fields in summer

2.2.1 黑潮

黑潮經(jīng)臺灣以東海區(qū)的水道進入東海,向北流動,當(dāng)觸及東海陸坡后(26°N,122°E),有很少部分海流沖上陸坡,與陸架水混合.黑潮主流轉(zhuǎn)向偏東方向,在(26°N,125°E)轉(zhuǎn)向東北,沿著東海陸坡前行,偏向200m等深線的右側(cè),在大隅海峽和吐噶喇海峽流出東海進入日本以南海域.東海黑潮的流軸、流速都比較穩(wěn)定,具有季節(jié)變化特征.黑潮主軸流速約為0.9m/s,最大為1m/s以上.夏季黑潮主軸強度比冬季強,流幅比冬季寬.

黑潮兩側(cè)出現(xiàn)了一些逆流和渦旋.分析冬、夏季表層和深度平均流場,發(fā)現(xiàn)這些渦旋的位置相對穩(wěn)定.主要渦旋有:29°N,128°30'E附近,黑潮到達奄美群島西側(cè)時,冬夏季都存在一個反氣旋型渦旋,直徑約為100 km,這一現(xiàn)象與日本的衛(wèi)星追蹤浮標(biāo)資料[14]符合得很好;27°N,127°E附近存在一個反氣旋型渦旋,直徑約為100km,這與陳紅霞等[15]的實測結(jié)果較一致;25°N,124°E附近有一股比較強的逆流,與顧玉荷等[16]所描繪的海流示意圖較一致.

2.2.2 臺灣暖流

從本文模擬結(jié)果看,臺灣暖流除冬季表層受偏北風(fēng)的影響,沿岸附近海域有偏南的流動外,冬季垂直平均流速和夏季流速均一致地沿等深線流向東北.臺灣暖流主軸的流速冬季多小于0.15 m/s,夏季流速在0.15m/s左右,夏季流幅較冬季寬.冬季,臺灣暖流部分源于黑潮在臺灣島東北向陸架的入侵,夏季則主要來自沿臺灣海峽的北上流動.這與趙保仁等[17-19]的分析結(jié)果較一致.

2.2.3 對馬暖流

黑潮在30°N,128°E附近分為2支,1支轉(zhuǎn)為東南方向在九州島西岸流入太平洋,1支繼續(xù)北上,之后轉(zhuǎn)為東北方向通過對馬海峽流入日本海,構(gòu)成對馬暖流的主要來源.對馬暖流主軸流速冬季多在0.4m/s左右,夏季主軸流速比冬季大.

對馬暖流曾被認為是東海黑潮在九州西南海域分離出來而向北流去的一個分支,但是后來的許多調(diào)查研究表明,對馬暖流并不是簡單的黑潮分支,而是由東海黑潮水、東海陸架混合水等多源匯集而形成的.從本文的模擬結(jié)果看,對馬暖流的主要來源有東海黑潮分支水、東海陸架混合水和朝鮮沿岸流.對馬暖流有明顯的季節(jié)變化特征,夏季,由于構(gòu)成對馬暖流的黑潮分支水、東海陸架混合水均比冬季強,使得對馬暖流比冬季強.

2.2.4 黃海暖流

黃海暖流流速較小.在冬季深度平均流場中,黃海環(huán)流最顯著的特征是黃海中部北上的黃海暖流,表明黃海暖流下層強于表層.該暖流從濟州島以南海區(qū)流向西北進入黃海,大約在34°N轉(zhuǎn)向北,可以一直到達渤海口.冬季黃海暖流主要來源于黑潮和對馬暖流分支,其走向基本沿60m等深線延伸.夏季盛行的南風(fēng)不利于黃海暖流的發(fā)展,所以夏季黃海暖流較弱,僅能向北延伸到34°N,這與Hsueh等[20]的結(jié)果一致.在濟州島西北,黃海暖流會分出1支折向東,經(jīng)濟州海峽匯入對馬暖流.黃海暖流主要起源于東海陸架流動,甚至上溯到臺灣暖流的近岸分支,僅有很少一部分來自黑潮的分支.

2.2.5 近岸表層流

冬季表層流中向南流的東海近岸表層流較顯著,但是模擬流幅過窄.夏季盛行東南風(fēng)和西南風(fēng),東海近岸表層流自南向東北流,在到達青島海域時轉(zhuǎn)向東或東南.這一北向近岸表層流的存在能很好地解釋2008年滸苔從黃海中部到青島海域的漂移.

之前普遍認為終年向南流的黃海近岸表層流在本文的模擬結(jié)果中沒有表現(xiàn)出來.

在朝鮮半島西岸,終年都存在著向南的近岸表層流,并在朝鮮半島西南角轉(zhuǎn)向東,冬季較強,夏季較弱.這些特征與以往的研究結(jié)果極為吻合.

渤海終年存在一個順時針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流,這與陳新平[21]的研究結(jié)果一致.

從溫度場和環(huán)流場的模擬結(jié)果來看,本文建立的東中國海氣候態(tài)模型比較合理,能較好地刻畫東中國海環(huán)流的基本結(jié)構(gòu)和流速的量級.

圖5 衛(wèi)星(EOS/MODIS)監(jiān)測滸苔分布Fig.5 Algal distribution monitored by satellite(EOS/MODIS)

3 2008年滸苔事件期間東中國海環(huán)流

3.1 風(fēng)場對滸苔密集區(qū)形成及移動的影響

分析2008年5—7月每3天平均的QSCAT風(fēng)場,并計算散度.衛(wèi)星監(jiān)測的滸苔分布(圖5,圖中橢圓范圍為比較晴的3D監(jiān)測結(jié)果,表明滸苔區(qū)的移動[11])與2008年5—7月風(fēng)場輻合區(qū)(圖6)空間位置較一致,而滸苔聚集區(qū)的移動與盛行風(fēng)向基本一致.2008年5月中旬黃海西部為西南風(fēng),黃海中部和東部為東南風(fēng),在西南風(fēng)和東南風(fēng)之間出現(xiàn)明顯的風(fēng)場輻合帶.到5月底黃海中西部轉(zhuǎn)為西風(fēng),東部為西北風(fēng),二者之間仍為輻合區(qū).風(fēng)場輻合區(qū)位置與圖5衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的滸苔密集區(qū)位置一致.對照圖5還可以看到在西南風(fēng)的作用下,5月下旬滸苔聚集區(qū)向東北方向漂移,并且面積不斷擴大,這與李大秋等[22]的研究結(jié)果一致.

圖6 2008年5—7月風(fēng)場與散度場Fig.6 W ind filed and divergence field from May to July in 2008

2008年6月為明顯的偏東風(fēng)異常,6月14日的風(fēng)場見圖6(c).在偏東風(fēng)的作用下,位于黃海中西部的滸苔聚集區(qū)向西漂移,漂移到青島近海海域.從衛(wèi)星圖片看到6月18日黃海東部青島近海已經(jīng)出現(xiàn)滸苔,風(fēng)場輻合區(qū)也在青島沿海.6月一直維持偏東風(fēng),在其影響下,大量滸苔出現(xiàn)在青島沿海和奧林匹克帆船比賽海區(qū).

2008年7月上旬,黃海轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),山東半島南部海區(qū)為偏西南風(fēng),之間形成輻合區(qū),且輻合區(qū)較之6月向東延伸.在西南風(fēng)的作用下,滸苔密集區(qū)向東北方向移動.7月6日和12日的衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果表明,沿山東半島南部沿海,膠南 青島 海陽近海均出現(xiàn)大片滸苔.風(fēng)場演變過程與滸苔的移動過程非常一致.

3.2 2008年滸苔事件期間東中國海環(huán)流結(jié)構(gòu)

結(jié)合風(fēng)場資料,本文對模擬得到的東中國海2008年5月15日—6月30日的環(huán)流結(jié)構(gòu)進行分析(圖7).5月15日,山東半島南岸是西南風(fēng),黃海中部是東南風(fēng).在東南風(fēng)的影響下,黃海近岸表層流緊貼黃海岸邊向西北方向流動,山東半島南岸在西南風(fēng)作用下向東北方向流動.5月中旬在黃海中部出現(xiàn)的滸苔在該北向表層流的影響下向北漂移.黑潮和臺灣暖流依然保持夏季表層流的特點,黃海暖流這時不太明顯,朝鮮沿岸表層流在東北風(fēng)的吹拂下偏西南方向流動,渤海內(nèi)依然是順時針方向的流動.

2008年5月30日,黃海中西部轉(zhuǎn)為西風(fēng),東部為西北風(fēng).在西風(fēng)的影響下,黃海近岸表層流明顯偏向東流,山東半島南岸水域表層流在西南風(fēng)的影響下有向東北方向的流動,此時滸苔向東北方向擴展,面積擴大,在青島附近東南海域出現(xiàn)滸苔.

圖7 2008年5—6月底滸苔期間流場模擬結(jié)果Fig.7 Simulated flow fields during algae bloom period from May to July in 2008

2008年6月15日,在東風(fēng)的影響下,黃海近岸表層流緊貼岸邊向西、向北流,滸苔漂移到青島近岸海區(qū).6月25日和6月30日在東南風(fēng)的影響下,山東半島南部海區(qū)沿岸向東北表層流增強,同時在膠南-海陽附近海域有東南流向的環(huán)流出現(xiàn),這些使得大量滸苔在青島沿海和奧林匹克帆船基地附近聚集.

流場的模擬結(jié)果與風(fēng)向基本匹配,表層流場主要受風(fēng)向的影響.另外值得注意的是,之前普遍認為黃海近岸表層流向南流動,本文模擬的夏季黃海近岸表層流卻是向北流動,山東半島南岸表層流向東北流動,且該海流與風(fēng)場關(guān)系密切.山東半島南岸表層流較小,約0.15m/s,黃海沿岸較大,約0.3m/s,這與劉志亮等[8]的研究結(jié)果相同,與使用真實地形進行黃海環(huán)流模擬的數(shù)值模型[23-24]結(jié)果一致.本文推測在夏季黃海近岸表層流為向北然后轉(zhuǎn)為向東北的流動,流轉(zhuǎn)向的位置形成流隔,利于滸苔的聚集.另外,在青島外海南北兩側(cè)存在2個渦旋,北側(cè)為逆時針旋轉(zhuǎn),南側(cè)為順時針旋轉(zhuǎn),2個渦旋的存在使得青島海域的滸苔更容易聚集,造成青島附近海域滸苔聚集量比日照更大的狀況.以上結(jié)論很好地解釋了滸苔從黃海中部海區(qū)向青島沿岸海區(qū)漂移和聚集的原因.本文黃海近岸表層流北向流動這一模擬結(jié)果與較精確地形的引入和夏季風(fēng)密切相關(guān).

4 結(jié) 語

本文利用POM模型模擬東中國海氣候態(tài)的溫度場和流場,在此基礎(chǔ)上模擬2008年黃海滸苔事件期間的環(huán)流.模擬得到的氣候態(tài)溫度場與多年觀測統(tǒng)計得到的溫度場分布較一致.黑潮的主要特征模擬結(jié)果較好,主軸流速約為0.9m/s,最大為1m/s以上,夏季主軸強度比冬季強,夏季流幅比冬季寬.黑潮兩側(cè)出現(xiàn)一些逆流和渦旋;對馬暖流主軸流速冬季多在0.4m/s左右,夏季主軸流速比冬季大.對馬暖流主要來源有東海黑潮分支水、東海陸架混合水和朝鮮沿岸流,夏季比冬季強.模擬冬季表層環(huán)流的黃海暖流不太顯著,向北只延伸到34°N.而冬季深度平均流場中黃海暖流很顯著,表明下層流強于表層流.模擬得到的冬季表層?xùn)|海近岸流較顯著,但是模擬流幅過窄.之前普遍認為終年向南流的黃海近岸表層流本文的模擬結(jié)果為冬季向南流,而在夏季卻沿岸北上.在朝鮮半島西岸,終年都存在著向南的近岸流,并在朝鮮半島西南角轉(zhuǎn)向東,冬季較強,夏季較弱.在渤海終年存在1個順時針方向的環(huán)流.

分析2008年5—7月滸苔暴發(fā)區(qū)域的風(fēng)場,發(fā)現(xiàn)滸苔聚集區(qū)與風(fēng)場輻合區(qū)空間位置較一致,而滸苔聚集區(qū)的移動與盛行風(fēng)向基本一致.用2008年滸苔暴發(fā)期間每隔5天的海表溫度場和風(fēng)場做強迫場,得到2008年滸苔事件期間東中國海環(huán)流場.流場的模擬結(jié)果與風(fēng)向基本匹配,表層流場主要受到風(fēng)的影響.模擬的夏季黃海近岸表層流向北流動,山東半島南岸向東北流動,且該海流與風(fēng)場關(guān)系密切.山東半島南岸表層流較小,黃海近岸較大.本文推測在夏季黃海近岸表層流為向北然后轉(zhuǎn)為向東北的流動,流轉(zhuǎn)向的位置形成流隔,利于滸苔的聚集.青島外海南北兩側(cè)存在的2個渦旋使得青島海域的滸苔更容易聚集,青島附近海域滸苔聚集量比日照更大.這些結(jié)論很好地解釋了滸苔從黃海中部海區(qū)向青島沿岸海區(qū)漂移和聚集的原因.黃海近岸表層流向北流動這一模擬結(jié)果與較精確地形的引入和夏季風(fēng)密切相關(guān).

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