韓 冰，陳學(xué)恩，趙 健

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島266100）

呂宋海峽位于臺(tái)灣島和呂宋島之間，南北平均寬度約185km，水深大都在2 000～4 500m。其西側(cè)為南海，東側(cè)是一支強(qiáng)大的西邊界流——黑潮。黑潮發(fā)源于北赤道海域，具有高溫高鹽特性，通過(guò)呂宋海峽對(duì)南海產(chǎn)生著很大的影響［1－3］。南海處于東亞季風(fēng)影響之下，具有特殊的季風(fēng)氣候，夏季季風(fēng)一般于5月中旬爆發(fā)，西南季風(fēng)最早在南海南部及中部形成，并在6月份迅速擴(kuò)展至整個(gè)南海，但在南海北部風(fēng)向較偏南。9月份東北季風(fēng)開(kāi)始出現(xiàn)在南海北部，10月擴(kuò)展至南海中部，至11月遍及全南海，到4月冬季季風(fēng)逐漸消失［4］。黑潮也存在著季節(jié)性變化，因此，呂宋海峽附近流場(chǎng)的變化備受關(guān)注。

關(guān)于黑潮與南海在呂宋海峽的水交換有很多不同的觀點(diǎn)，早期研究中，Chu［5］認(rèn)為黑潮在呂宋海峽南端進(jìn)入南海又從北部繞出南海，郭鐘信等［6］認(rèn)為黑潮有一個(gè)支流進(jìn)入南海，李立等［7］提出了“黑潮南海流套”的概念，并于1994年9月在南海北部的海洋調(diào)查中發(fā)現(xiàn)從黑潮分離出來(lái)的反氣旋渦旋結(jié)構(gòu)。最近的研究表明，黑潮有時(shí)并未直接進(jìn)入南海，而只是流經(jīng)呂宋海峽附近，如管秉賢和Shaw等［8－9］認(rèn)為，黑潮在夏季并不入侵南海。通過(guò)數(shù)值模擬研究呂宋海峽水交換的工作，如 Metzger［10］等認(rèn)為，分辨率低于1／16（°）的模式難以刻畫(huà)呂宋海峽地形，黑潮會(huì)以繞流形式繞入南海，高于1／16（°）時(shí)，黑潮則只流經(jīng)呂宋海峽；Su［11］則指出黑潮與南海的水交換是以反氣旋中尺度渦的形式或亞中尺度渦的形式通過(guò)呂宋海峽與南海進(jìn)行水交換的。

由于呂宋海峽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，數(shù)值模擬近年來(lái)已成為研究呂宋海峽環(huán)流結(jié)構(gòu)的主要研究手段。本文正是利用海洋模式HYCOM［12］，在模擬全球海洋環(huán)流的基礎(chǔ)上，對(duì)西北太平洋進(jìn)行高分辨率嵌套模擬，以著重研究呂宋海峽海域流場(chǎng)的季節(jié)性變化。

1 數(shù)值模式的簡(jiǎn)介和模式設(shè)置

HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model）海洋模式的垂向坐標(biāo)可同時(shí)使用z平面坐標(biāo)，跟隨地形sigma坐標(biāo)和等密度面坐標(biāo)［12］：在開(kāi)闊的分層海洋里，模式的垂向坐標(biāo)采用等密度面分層；在分層較弱的上混合層，等密度面分層平滑地轉(zhuǎn)為z坐標(biāo)分層；在淺水區(qū)，等密度面坐標(biāo)平滑的轉(zhuǎn)為sigma坐標(biāo)；在岸邊非常淺的水域又變成z坐標(biāo)。混合垂向坐標(biāo)使HYCOM適用于大洋和近海各種地形并存的海洋環(huán)流數(shù)值模擬。為解決上混合層和層化相對(duì)較弱區(qū)域的跨等密度面混和問(wèn)題，HYCOM 模式提供了包括 K－Profile Parameterization混 合 模 型［13－17］，動(dòng) 力 學(xué) 不 穩(wěn) 定 模 型，Mellor－Yamada的2.5階湍封閉和Kraus－Turner模型在內(nèi)的若干種垂直混合模型。本文采用了半隱式的KPP參數(shù)化方案，它能夠在垂向上提供全水深混合，表面混合層主要考慮風(fēng)驅(qū)混合和表面浮力通量，在海洋內(nèi)部則計(jì)入了背景內(nèi)波破碎、剪切不穩(wěn)定所致混合和雙擴(kuò)散的影響。

為更好地刻畫(huà)西北太平洋區(qū)域的環(huán)流場(chǎng)，本文采用了大小區(qū)單向嵌套模擬技術(shù)，通過(guò)全球模式為西北太平洋模式提供邊界輸入，以考慮全球風(fēng)應(yīng)力旋度和外洋信號(hào)等遙強(qiáng)迫。因?yàn)殛P(guān)注的是呂宋海峽區(qū)域，全球模式的計(jì)算范圍取為180°E～180°W，60°S～43°N；西北太平洋模式的范圍取為99°E～133°E，7°S～41°N。大小區(qū)模式垂向采用相同的22層分層，最小水深設(shè)為10m，底地形選自ETOP05數(shù)據(jù)，水平方向均采用標(biāo)準(zhǔn)的墨卡托坐標(biāo)，分辨率分別為1（°）×1（°）P×cosθ（θ是緯度）和1／4（°）×1／4（°）×cosθ（θ是緯度）。22層采用海表參考?jí)簭?qiáng)的目標(biāo)位密值為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。

1.1 全球模式配置

全球模式初始溫鹽場(chǎng)采用Levitus94［18－19］多年月平均數(shù)據(jù)的1月份溫鹽場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫和熱力學(xué)強(qiáng)迫場(chǎng)采用 COADS（the Comprehensive Ocean－Atmosphere Data Set）［20］氣候態(tài)數(shù)據(jù)，其中風(fēng)強(qiáng)迫包括月平均的經(jīng)向和緯向的風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)速，熱力學(xué)強(qiáng)迫包括表層氣溫、表層大氣的比濕、凈短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、降水等。南北邊界采用了10個(gè)網(wǎng)格的緩沖，將開(kāi)邊界的溫度、鹽度松弛到Levitus的氣候態(tài)值，松弛時(shí)間從10d增加到120d；海表采用了鹽度松弛和溫度松弛。全球模式積分了20年，保存各種海洋模擬參數(shù)用于驅(qū)動(dòng)西北太平洋模式。

1.2 西北太平洋模式配置

圖1 西北太平洋模式計(jì)算區(qū)域地形圖Fig.1 The computational area of the Northwest Pacific Ocean model

西北太平洋模式的計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖1，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，對(duì)地形進(jìn)行了一定的處理。首先，為確保計(jì)算區(qū)域?yàn)檫B通區(qū)域，一個(gè)是將大陸上的湖泊處理成陸地。另一個(gè)是將區(qū)域的西南角與內(nèi)部區(qū)域不相連接的部分處理成陸地。其次，在西邊界上封閉馬六甲海峽。因?yàn)轳R六甲海峽水深比較淺，通過(guò)的流量不大，封閉該海峽不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。這些處理是必要的，因?yàn)檫吔绺浇牟贿B通區(qū)域會(huì)影響整個(gè)區(qū)域的流量平，甚至?xí)鹉Ｊ接?jì)算的發(fā)散。

西北太平洋模式的初始場(chǎng)采用了全球模式第20個(gè)積分年1月份的輸出資料，確保模式更快地達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫和熱力學(xué)強(qiáng)迫場(chǎng)仍然采用COADS氣候態(tài)數(shù)據(jù)，風(fēng)強(qiáng)迫包括月平均的經(jīng)向和緯向的風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)速，熱力學(xué)強(qiáng)迫包括表層氣溫、表層大氣的比濕、凈短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、降水等。西北太平洋模式開(kāi)邊界流場(chǎng)及溫鹽場(chǎng)取自全球模式第20個(gè)積分年的輸出資料，在積分過(guò)程中，每3天從大區(qū)模式中獲取一次數(shù)據(jù)，周而復(fù)始地對(duì)模式進(jìn)行為期12個(gè)月的循環(huán)模擬，共運(yùn)行4年。由于模式以氣候態(tài)周期性邊界條件驅(qū)動(dòng)，當(dāng)模式進(jìn)入積分穩(wěn)定態(tài)后，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的動(dòng)能之和應(yīng)達(dá)到1個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的周期性的變化，相鄰2個(gè)時(shí)間步的動(dòng)能變化應(yīng)該趨向于1個(gè)較穩(wěn)定的值。

圖2是西北太平洋區(qū)域平均動(dòng)能的變化曲線。由圖可知，平均動(dòng)能的變化量在模式運(yùn)行的前幾個(gè)月內(nèi)變化比較大，平均動(dòng)能快速達(dá)到最小值，隨后進(jìn)入1個(gè)調(diào)整期，變幅趨小，積分2a后模式平均動(dòng)能的變化量已經(jīng)很小，可以認(rèn)為模式已經(jīng)穩(wěn)定。

圖2 西北太平洋區(qū)域平均動(dòng)能的變化Fig.2 The variation of the average kinetic energy in the Northwest Pacific Ocean area

2 模式結(jié)果驗(yàn)證

2.1 全球模式的結(jié)果

圖3和4是全球模式第20個(gè)模式積分年結(jié)果所得的西北太平洋區(qū)域3和9月份的10m層流場(chǎng)分布，從圖中可以看出西北太平洋區(qū)域的主要海流特征如黑潮等基本上比較明顯的模擬出來(lái)，并且也能看出主要海流的變化特征。這為西北太平洋更高分辨率的模擬提供了很好的邊界條件。下面就基于西北太平洋模式第4個(gè)模式積分年的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證、分析和討論。

圖3 全球模式模擬結(jié)果給出的西北太平洋區(qū)域3月份流場(chǎng)（10m）Fig.3 The horizontal flow field in the Northwest Pacific Ocean area in March from the results of the Global Ocean model（10m）

圖4 全球模式模擬結(jié)果給出的西北太平洋區(qū)域9月份流場(chǎng)（10m）Fig.4 The horizontal flow field in the Northwest Pacific Ocean area in September from the results of the Global Ocean model（10m）

2.2 黑潮流型

圖5 給出了西北太平洋模式春夏秋冬4個(gè)季節(jié)黑潮流型的模擬結(jié)果。如圖5中所示，黑潮發(fā)源于北赤道流延續(xù)體，其沿菲律賓群島，呂宋海峽及臺(tái)灣島向北，然后在25°N附近形成反氣旋式彎曲并轉(zhuǎn)向東北，在東海內(nèi)其沿陸架外緣和陸坡之間流動(dòng)，到達(dá)日本南岸后轉(zhuǎn)向東，離開(kāi)日本后成為黑潮延續(xù)體。

圖5 西北太平洋區(qū)域的流場(chǎng)（10m）Fig.5 The horizontal flow field in the Northwest Pacific Ocean area（10m）

從圖5可分析黑潮的季節(jié)變化，春夏2季黑潮非常強(qiáng)，流量大，而在秋冬兩季黑潮偏弱，這與前人的論述吻合［15－16］。黑潮強(qiáng)度的這種變化與東亞季風(fēng)存在著一定關(guān)系，春末夏初南海開(kāi)始盛行西南季風(fēng)，增強(qiáng)了黑潮在中國(guó)近海的強(qiáng)度，而在冬秋兩季盛行的東北季風(fēng)則減弱了黑潮的強(qiáng)度，可見(jiàn)模擬所得的黑潮季節(jié)變化是合理的。

2.3 PN斷面流速分布

PN斷面位于沖永良部島西北，橫切東海黑潮主干，跨越?jīng)_繩海槽、大陸坡和大陸架，這一斷面大體上位于黑潮所流經(jīng)東海的中央地段，與緯線成37°交角。從1972年5月起至今，日本長(zhǎng)崎海洋氣象臺(tái)就做定期觀測(cè)，每年實(shí)施春、夏、秋、冬4季觀測(cè)。本文采用的PN斷面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)源于劉勇剛等［15］利用日本“長(zhǎng)風(fēng)丸”調(diào)查船1992年航次以及“凌風(fēng)丸”調(diào)查船9201航次獲取的水文資料。

夏季模擬結(jié)果在PN斷面黑潮有1個(gè)流核，流核靠近陸架坡折（見(jiàn)圖6a）。200m以淺水層流速都大于1.0cm／s，最大流速靠近表層，為1.68，0.2m／s流速可達(dá)700m處。模擬結(jié)果跟實(shí)際觀測(cè)（見(jiàn)圖6b）的流結(jié)構(gòu)基本相似，但模擬的最大流速值1.68m／s比實(shí)際觀測(cè)到的最大流速1.55m／s略大。鑒于本文的數(shù)值模擬是基于氣候態(tài)的海表通量場(chǎng)，上述結(jié)果可以接受。

圖6 a夏季PN斷面流速分布（模式結(jié)果）Fig.6 a The Summer flow field at Section PN （model results）

圖7 a冬季PN斷面流速分布（模式結(jié)果）Fig.7 a The Winter flow field at Section PN （model results）

圖6 b 1992年夏季PN斷面流速分布（觀測(cè)結(jié)果）Fig.6 b The Summer flow field at Section PN in 1992（observation results）

圖7 b 1992年冬季PN斷面流速分布（觀測(cè)結(jié)果）Fig.7 b The Winter flow field at Section PN in 1992（observation results）

冬季模式結(jié)果跟實(shí)際觀測(cè)相似（見(jiàn)圖7），黑潮流核靠近陸架坡折處，在200m以淺，流速都大于0.8m／s。黑潮的厚度比實(shí)際觀測(cè)略厚。流核的最大流速為1.53m／s，而實(shí)際觀測(cè)到的最大流速為1.58m／s。鑒于本文的數(shù)值模擬是基于氣候態(tài)的海表通量場(chǎng)，上述結(jié)果也可以接受。

在夏冬2個(gè)季節(jié)，模式對(duì)黑潮在PN斷面的流速結(jié)構(gòu)和流核位置模擬較準(zhǔn)確，夏天黑潮的強(qiáng)度比冬天大，并且最大流速與實(shí)測(cè)相差無(wú)幾。由于數(shù)值模式的精度和驗(yàn)證數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間差異，模擬所得的黑潮流軸要比實(shí)際略寬。

3 呂宋海峽附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖8 呂宋海峽附近的流場(chǎng)（10m）Fig.8 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（10m）

從圖8呂宋海峽海域10m層的流場(chǎng)分布圖可以看出，春季，在呂宋海峽處形成了1個(gè)明顯的氣旋渦，黑潮水通過(guò)這個(gè)氣旋又回到了原來(lái)的流軸上。這個(gè)氣旋渦在夏秋2個(gè)季節(jié)西移。冬季，在21°N，119°E處形成1個(gè)反氣旋渦，在反氣旋渦的北部一部分回到黑潮主軸上去，一部分通過(guò)臺(tái)灣海峽流出去，這個(gè)渦旋在春季依稀可見(jiàn)但是強(qiáng)度減弱了很多。從120.75°E呂宋海峽口處看，一年四季在呂宋海峽中部都有黑潮水入侵，北部有南海水的流出，夏秋2季不太明顯，但冬季最為明顯，其在南海北部形成了流套，黑潮水從呂宋海峽中部流入，在呂宋海峽北部又流了出去。在呂宋海峽南部，春夏秋3季，都是南海水流入到太平洋中，在冬季則是黑潮水流入到南海中。

從呂宋海峽海域50和100m層流場(chǎng)分布圖可以看出（見(jiàn)圖9、10），其與10m層流場(chǎng)分布相似，這說(shuō)明呂宋海峽處的流場(chǎng)在10～100m深度處分布基本一致。從圖10中更能看出冬季南海北部形成了1個(gè)流套，在夏秋兩季黑潮入侵都不太明顯。

從呂宋海峽海域500m層的流場(chǎng)分布圖可以看出（見(jiàn)圖11），它與10～100m流場(chǎng)有明顯不同。春夏秋冬4個(gè)季節(jié)在這個(gè)深度處黑潮對(duì)南海都沒(méi)有明顯的入侵，且在呂宋海峽北部，南海的海流都從南海向太平洋流去。在500m深度處，最明顯的海流是南海暖流的存在。其從116°E的東邊，沿著20°N一直往東傳，到117.5°E處轉(zhuǎn)向東北方向傳播，再到21°N～22°N處東傳，穿過(guò)呂宋海峽，一直進(jìn)入到西北太平洋。從圖中可發(fā)現(xiàn)，南海暖流終年存在，之前國(guó)家海洋局南海分局于1975—1984年間在南海北部陸架鄰近海域開(kāi)展了10年水文斷面調(diào)查，溫、鹽度及重力勢(shì)資料分析表明，南海暖流終年存在［17］。

800m層流場(chǎng)表明（見(jiàn)圖12），南海暖流在這個(gè)深度已經(jīng)消失，春夏2季黑潮主要通過(guò)呂宋海峽的南部和中部進(jìn)入南海，北部則南海水流出海峽。而在秋冬2季也主要是黑潮水進(jìn)入到南海之中，但在這個(gè)深度流場(chǎng)流速已經(jīng)很小，僅有10cm／s左右。1 000m層（見(jiàn)圖13）流場(chǎng)表明，黑潮主要通過(guò)呂宋海峽的中部入侵南海，并且形成了微弱的南海分支流，其方向是沿著西南方向。在800～1 000m處主要是黑潮水流入南海。

圖9 呂宋海峽附近的流場(chǎng)（50m）Fig.9 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（50m）

圖10 呂宋海峽附近的流場(chǎng)（100m）Fig.10 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（100m）

圖11 呂宋海峽附近的流場(chǎng)（500m）Fig.11 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（500m）

圖12 呂宋海峽附近的流場(chǎng)（800m）Fig.12 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（800m）

圖13 呂宋海峽附近的流場(chǎng)（1 000m）Fig.13 The horizontal flow field in the area of Luzon Strait（1 000m）

4 結(jié)論

本文首先利用HYCOM海洋模式對(duì)全球海洋環(huán)流進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取穩(wěn)定的全球環(huán)流數(shù)據(jù)資料，然后通過(guò)單向嵌套技術(shù)，模擬西北太平洋的流場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上，著重研究和分析了呂宋海峽處的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其季節(jié)性變化。主要結(jié)果歸納如下：

（1）很好地再現(xiàn)了黑潮的流型變化，春夏2季黑潮非常強(qiáng)，流量大，秋冬2季黑潮則明顯偏弱。通過(guò)對(duì)著名代表性PN斷面觀測(cè)的對(duì)照，表明考慮了全球環(huán)流影響的西北太平洋模式成功地模擬了黑潮的季節(jié)變化及其流態(tài)特征；

（2）在10～100m層的流場(chǎng)處，呂宋海峽中部常年存在黑潮水入侵，北部有南海水的流出。夏秋2季黑潮水的入侵不太明顯，冬季最為明顯，其在南海北部形成流套，黑潮水從呂宋海峽中部流入，沿著流套在呂宋海峽北部又流出南海；

（3）500m層的流場(chǎng)表明，春夏秋冬4個(gè)季節(jié)在這個(gè)深度處黑潮對(duì)南海都沒(méi)有明顯的入侵，最顯著的是南海暖流的存在，在呂宋海峽北部，南海的海流都從南海流入太平洋；

（4）800m層的流場(chǎng)表明，南海暖流在這個(gè)深度已經(jīng)消失，春夏2季黑潮主要通過(guò)呂宋海峽的南部和中部進(jìn)入南海，北部則是南海水流出海峽。在秋冬2季主要是黑潮水進(jìn)入南海，流速已經(jīng)很小，僅10cm／s左右。1 000m層流場(chǎng)表明，黑潮主要通過(guò)呂宋海峽的中部入侵南海，且形成了微弱的南海分支流，其方向是西南方向。在800～1 000m處主要是黑潮水流入南海。

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