莊展鵬，董婷婷

（1.自然資源部第一海洋研究所 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；2.嶗山實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

0 引言

黑潮是僅次于灣流的世界第2 大強(qiáng)流，發(fā)源于太平洋北赤道流到達(dá)呂宋島后的北上分支，為北太平洋副熱帶反氣旋流渦的一部分，如一條巨大的暖水河，蜿蜒流動(dòng)在北太平洋的西界。黑潮具有高溫、高鹽、水色深藍(lán)和透明度大的特點(diǎn)，流速快、流幅窄、流層厚、流量大，體現(xiàn)了大洋環(huán)流西岸強(qiáng)化的明顯特征，對(duì)鄰近海區(qū)的航海、漁業(yè)生產(chǎn)等影響很大[1]。

黑潮也是中國(guó)海區(qū)及鄰域環(huán)流系統(tǒng)的主動(dòng)脈，是對(duì)我國(guó)影響最顯著的大尺度海洋現(xiàn)象，像一道天然的屏障，成為東中國(guó)海區(qū)邊緣海水和大洋水的分界。同中國(guó)寬廣的陸架海區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)相比，黑潮具有更好的持續(xù)性、穩(wěn)定性和更小的季節(jié)變率，從而對(duì)中國(guó)海區(qū)水量平衡的維持起至關(guān)重要的作用，調(diào)制著相應(yīng)的物質(zhì)輸運(yùn)和熱量交換，影響著東亞地區(qū)的天氣過(guò)程和氣候變異，并成為海洋觀測(cè)、理論研究、數(shù)值模擬和儀器裝備試驗(yàn)的理想示范區(qū)。

然而黑潮并不是穩(wěn)定不變的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流量、流速、流幅等都有著特定的變化規(guī)律，因此研究黑潮的結(jié)構(gòu)變異和不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于診斷黑潮如何維系中國(guó)海與外海之間的物質(zhì)和熱量交換的動(dòng)態(tài)平衡有至關(guān)重要的作用[2-4]。三維結(jié)構(gòu)問(wèn)題是黑潮研究中最為基本的問(wèn)題之一，而對(duì)黑潮表層的變化特征的研究和分析，不僅是闡明黑潮本身動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)和變異規(guī)律首要的和必需的基礎(chǔ)，也是處理黑潮和伴隨現(xiàn)象及周圍水體相互關(guān)系時(shí)必須要解決的問(wèn)題[5-6]。另外，這項(xiàng)研究還可為艦船、潛艇在該流區(qū)的活動(dòng)直接使用，為生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究提供直接的參考[7-9]。

本文第1 節(jié)介紹了黑潮表層流軸的提取方法，第2 節(jié)展示了黑潮流軸的提取結(jié)果及其基本變化特征，第3 節(jié)利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸夂妥越M織映射開(kāi)展了黑潮流軸變化特征分析，第4 節(jié)為總結(jié)。

1 黑潮流軸提取方法

本文利用衛(wèi)星遙感 AVISO 絕對(duì)動(dòng)力地形（ADT）和地轉(zhuǎn)流資料進(jìn)行黑潮表層流軸信息提取。ADT 和地轉(zhuǎn)流資料是由法國(guó)衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供，該數(shù)據(jù)是由ERS-1/2， Envisat，Topex/Poseidon 及其后續(xù)衛(wèi)星Jason-1/2 的觀測(cè)數(shù)據(jù)融合得到的，并進(jìn)行了儀器誤差、環(huán)境干擾、海況誤差、潮汐干擾和反變氣壓計(jì)影響等因素的校正[10]。相對(duì)于單一衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)而言，多源衛(wèi)星融合后的數(shù)據(jù)提供了更高的時(shí)空分辨率。AVISO 地轉(zhuǎn)流資料是基于ADT 數(shù)據(jù)，利用地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系計(jì)算得到的，也可在AVISO 網(wǎng)站直接下載。

針對(duì) ADT 地轉(zhuǎn)流資料采用改進(jìn)的特征線法[11-12]對(duì)黑潮流軸位置信息進(jìn)行提取，并對(duì)其年際變化特征進(jìn)行了分析。對(duì)黑潮流域普遍存在相對(duì)大值的地轉(zhuǎn)流資料，采用改進(jìn)的特征線法，其具體步驟為：

1）選取黑潮主軸常年經(jīng)過(guò)的點(diǎn)作為起始點(diǎn)；

2）作與該點(diǎn)流向垂直且長(zhǎng)度為rVmax=140 km的輔助線；

3）在輔助線上每隔7 km 插值得到該處的流向，并計(jì)算平均流向；

4）調(diào)整輔助線使其垂直于平均流向；

5）進(jìn)行第2 次插值，主軸位置被定義在新輔助線上流速最大的點(diǎn)，邊界被定義為沿主軸方向速度分量首次等于主軸流速30%的區(qū)域；

6）沿該主軸流向θVmax向下游移動(dòng)△r= 50 km到達(dá)新的位置，重復(fù)步驟2-5，最終得到黑潮主軸和邊界的位置。

在本文隨后部分中，黑潮主軸位置簡(jiǎn)稱為流軸，黑潮邊界組成的整體黑潮流經(jīng)的范圍稱為流路。改進(jìn)方法中還加入了遇到陷入渦旋等特殊不穩(wěn)定情況下的處理辦法，會(huì)退回到出現(xiàn)渦旋之前的位置重新掃描。

最大梯度法針對(duì)ADT 網(wǎng)格資料，逐列檢測(cè)ADT 梯度最大值的位置，該位置被認(rèn)為是黑潮流軸。最大梯度法完全從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，其提取思路較為直接，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，算法的效率較高，缺點(diǎn)是缺乏物理意義，提取結(jié)果可能與實(shí)際存在一定偏差。

2 黑潮表層流軸特征提取

以2005年12月-2006年11月為例，將AVISO逐日地轉(zhuǎn)流資料進(jìn)行季平均，采用特征線法分別提取4 個(gè)季節(jié)的黑潮流路信息，如圖1所示。由圖中可見(jiàn)，春季在日本南部黑潮流路呈現(xiàn)出“大彎曲”狀態(tài)，且在143°E 以東的黑潮延伸體海域其流路也有明顯地南北擺動(dòng)，原因可能是失去陸地和海底地形的約束后表層流路延續(xù)了上游的彎曲狀態(tài)，并出現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)且持續(xù)到夏季[13]。春季和冬季，在九州島南部海域也呈現(xiàn)出“小彎曲”狀態(tài)。上述路徑的時(shí)空變化特征可能與局地風(fēng)場(chǎng)、上游流量大小等因素有關(guān)[14-15]。

采用特征線法提取的4 個(gè)季節(jié)的表層流路信息，圖中箭頭表示地轉(zhuǎn)流場(chǎng)。圖1 基于AVISO 地轉(zhuǎn)流資料Fig.1 Surface Kuroshio path information based on geostrophic current data

針對(duì)高度計(jì)ADT 的逐日資料，采用改進(jìn)的特征線法提取黑潮的流軸信息（圖2），結(jié)果表明黑潮流軸在臺(tái)灣東北部海域會(huì)出現(xiàn)明顯的向北彎曲，有研究表明此處存在黑潮分支；隨后一直到九州島西南海域黑潮流軸保持較為平穩(wěn)的狀態(tài)，擺動(dòng)幅度很小[16-17]；在流經(jīng)九州島西南以及本州島南部時(shí)流軸會(huì)出現(xiàn)明顯的向南擺動(dòng)，并在伊豆海嶺處開(kāi)始東流，此時(shí)的黑潮流軸開(kāi)始呈現(xiàn)較為混亂的狀態(tài)，南北擺動(dòng)的幅度逐漸增大[18-19]。

紅色曲線表示總平均路徑，色標(biāo)表示水深。圖2 基于多年平均（1993年1月-2017年9月）的高度計(jì)資料的黑潮月平均流軸信息統(tǒng)計(jì)Fig.2 Information of monthly average surface Kuroshio axis based on multi-year averaged（from January 1993 to September 2017）altimeter data

3 黑潮表層流軸特征分析

3.1 離岸距離

圖3 繪制了采用最大梯度法和改進(jìn)的特征線法針對(duì)多年平均（1993年1月-2015年9月）的高度計(jì)ADT 和地轉(zhuǎn)流網(wǎng)格化資料得到的黑潮流軸信息，并在黑潮流軸上選取了6 個(gè)斷面，沿?cái)嗝娣謩e計(jì)算黑潮流軸與日本島的距離，稱為離岸距離，以此描述黑潮流軸的時(shí)空變化規(guī)律。在6 個(gè)斷面中，斷面1 和2 位于九州島西南，主要用以描述在流經(jīng)該海域并穿過(guò)吐噶喇海峽處黑潮流軸的變化和擺動(dòng)情況；斷面3 位于四國(guó)島南部，在以往的研究中該海域的黑潮流經(jīng)擺動(dòng)幅度較小，需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證；斷面4-6 位于本州島南部，該處海域的黑潮流軸變化幅度較大，且變化存在明顯的年際規(guī)律，因此設(shè)計(jì)了3 個(gè)斷面來(lái)全面、準(zhǔn)確地對(duì)其時(shí)空變化特征進(jìn)行描述。

紫色虛線表示針對(duì)地轉(zhuǎn)流資料采用改進(jìn)的特征線法得到的黑潮流軸，黑色實(shí)線表示針對(duì)ADT 資料采用最大梯度法得到的黑潮流軸，紅色實(shí)線表示在黑潮流軸上選取的6 個(gè)斷面。圖3 基于多年平均（1993年1月-2017年9月）的高度計(jì)資料采用不同算法得到的黑潮流軸比較Fig.3 Surface Kuroshio axis extracted by different methods based on the multi-year averaged（from January 1993 to September 2017）altimeter data

圖4 和圖5 統(tǒng)計(jì)了2 種不同算法得到的黑潮流軸在上述6 個(gè)斷面上相對(duì)于平均位置的離岸距離異常時(shí)間序列，即逐日離岸距離減去平均離岸距離的結(jié)果。由圖中可得，斷面4-6 上呈現(xiàn)出較為明顯的離岸擺動(dòng)，尤其在2001年和2009年左右出現(xiàn)2 次大幅度的離岸彎曲；斷面3 上擺動(dòng)幅度較小，且頻率較低；斷面1 和2 上離岸距離呈現(xiàn)較為顯著的準(zhǔn)周期性變化，離岸和近岸狀態(tài)交替出現(xiàn)。

采用最大梯度法針對(duì)月平均ADT 資料得到，其中離岸方向?yàn)檎?。圖4 6個(gè)斷面上相對(duì)于平均位置的離岸距離時(shí)間序列Fig.4 Time series of offshore distances relative to average position along 6 sections based on monthly averaged ADT data using maximum gradient method，with forward offshore direction

采用改進(jìn)特征線法針對(duì)月平均地轉(zhuǎn)流資料得到，其中離岸方向?yàn)檎?。圖5 6 個(gè)斷面上相對(duì)于平均位置的離岸距離時(shí)間序列Fig.5 Time series of offshore distances relative to average position along 6 sections based on monthly averaged geostrophic current data using modified characteristic line method，with forward offshore direction

此外，2 種算法在物理本質(zhì)、探測(cè)效率等方面都有較為明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，其提取結(jié)果也存在一定差異。一方面，最大梯度法的做法是逐列檢測(cè)梯度最大值的位置，完全從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，缺乏一定的物理意義，且相鄰列之間也缺少必要的物理學(xué)聯(lián)系，導(dǎo)致離岸距離時(shí)間序列里出現(xiàn)異常大值。相比于最大梯度法，基于改進(jìn)的特征線法得到的離岸距離時(shí)間序列則較為平滑。另一方面，由于黑潮受周圍海域中尺度過(guò)程影響顯著，這給探測(cè)算法帶來(lái)很大難度。最大梯度法擁有思路直接、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以其算法的優(yōu)化過(guò)程較為方便，算法的效率較高，魯棒性較好。而改進(jìn)的特征線法沿著最大流速方向向前推進(jìn)，受周圍中尺度過(guò)程的影響較大，且算法較為復(fù)雜，優(yōu)化過(guò)程難度較大。綜上所述，最大梯度法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺乏一定的物理意義；改進(jìn)的特征線法的探測(cè)結(jié)果更好，但魯棒性較低。

將基于改進(jìn)的特征線法得到的黑潮流軸在6個(gè)斷面上的相對(duì)于平均流軸的離岸距離時(shí)間序列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸猓‥MD），得到不同頻率的信息及趨勢(shì)信息（圖6-7）。在斷面1 和2 上，4-6 層的信號(hào)變化較為均勻，振幅變化較小，表明在九州島西南海域黑潮的流軸變化以準(zhǔn)周期性為主，擺動(dòng)幅度較大；斷面3 上的分解結(jié)果均較為平穩(wěn)，但在2005年左右各層均出現(xiàn)一個(gè)明顯的大振幅波動(dòng)，可能是受當(dāng)時(shí)上游流量變化以及九州島南部、本州島南部黑潮流軸擺動(dòng)的影響；與其他斷面相比，斷面4-6上各層的分解結(jié)果的振幅都要更大，但分解得到的任何一層都未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定信號(hào)，可見(jiàn)本州島南部海域的黑潮流軸變化較為復(fù)雜；且趨勢(shì)項(xiàng)始終為正，表明在1993年至2015年這段時(shí)間內(nèi)黑潮在本州島南部整體呈現(xiàn)離岸狀態(tài)。

圖6 基于EMD 的斷面1-2 離岸距離時(shí)間序列分解結(jié)果Fig.6 Decomposition results of time series of offshore distances along Section 1 and 2 based on EMD method

圖7 基于EMD 的斷面3-4 離岸距離時(shí)間序列分解結(jié)果Fig.7 Decomposition results of time series of offshore distances along Section 3 and 4 based on EMD method

3.2 黑潮流軸模態(tài)分類

SOM 也稱為自組織特征映射（SOFM），是一種無(wú)指導(dǎo)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，自組織的過(guò)程實(shí)際上就是一種無(wú)指導(dǎo)的學(xué)習(xí)，其通過(guò)自身訓(xùn)練，自動(dòng)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。

由于最大梯度法采用逐列推進(jìn)的方式尋找梯度最大值位置，則得到的黑潮流軸信息可看作一個(gè)緯度隨經(jīng)度變化的映射，其中經(jīng)度為自變量，緯度為因變量。因此，將基于月平均資料得到的黑潮流軸信息作為n維向量輸入到SOM 中，將黑潮流軸分為較為明顯的3 個(gè)模態(tài)（圖9）。由圖中可見(jiàn)，3個(gè)模態(tài)差異最明顯的區(qū)域是在本州島南部海域。紫線最為平直，離岸相對(duì)更近，對(duì)應(yīng)于近岸模態(tài)，其所占比例高達(dá)54%，表明在1993-2017年所研究的時(shí)期內(nèi)黑潮表層流軸在超過(guò)一半的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)近岸模態(tài)的特征；黑線離岸最遠(yuǎn)，存在明顯的“大彎曲”特征，對(duì)應(yīng)大幅度離岸模態(tài)，其比例為35.3%；青線所在位置介于上述二者之間，其所占比例僅為10.7%，可看作一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)。

通過(guò)與黑潮主軸變化特征對(duì)比可以看出：黑潮主軸位置在中國(guó)東海和日本以南部分海域內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，且東海黑潮段較為平直，而在遠(yuǎn)離日本島向東偏轉(zhuǎn)后，在黑潮延伸體海域受到中尺度渦旋的影響，主軸位置變化較為劇烈。

4 結(jié)束語(yǔ)

黑潮具有高溫、高鹽、流量大、流速快和流幅窄等特征，其流軸的時(shí)空變化對(duì)我國(guó)、日本等一些毗鄰國(guó)家和地區(qū)的氣候、漁業(yè)、航海安全以及海洋資源等具有顯著的影響?；贏VISO 高度計(jì)地轉(zhuǎn)流資料，采用改進(jìn)的特征線法和最大梯度法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸夂妥越M織映射方法，分析了黑潮表層流軸的季節(jié)和年際變化規(guī)律，并揭示其與周邊海域水文環(huán)境的相關(guān)性特征。結(jié)果表明，黑潮流軸在本州島南部擺動(dòng)幅度較大，整體呈現(xiàn)離岸狀態(tài)；在四國(guó)島南部海域擺動(dòng)幅度較小，流軸幾乎緊貼岸線；在九州島南部由于吐噶喇海峽的影響流軸也存在準(zhǔn)周期性的較大幅度的擺動(dòng)。黑潮流軸的分類結(jié)果表明，在本州島南部海域，黑潮流軸在超過(guò)一半時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)近岸平直特征，“大彎曲”和過(guò)渡狀態(tài)分別占35.3%和10.7%。