15m層中的黑潮流動(dòng)路徑

15m層中的黑潮流動(dòng)路徑

在中國(guó)東部和西北部太平洋之間的交匯處，有一條黑色的水帶，像一條上升的河流，在第一島上鏈之間流動(dòng)，即黑潮。黑潮是中國(guó)海區(qū)及鄰域環(huán)流系統(tǒng)的主動(dòng)脈,作為大洋對(duì)陸緣淺海區(qū)環(huán)流的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力,持續(xù)不斷地將外洋信息傳遞到中國(guó)近海,對(duì)它的水文要素場(chǎng)和生態(tài)要素場(chǎng)有著決定性的影響。對(duì)黑潮的認(rèn)知是一個(gè)不斷豐富和深化的過程,胡筱敏等利用衛(wèi)星跟蹤海表面漂流浮標(biāo)資料對(duì)黑潮及其鄰近海域的多年年平均和季節(jié)平均表層流場(chǎng)分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析,指出在反氣旋式彎曲處均發(fā)生分支或入侵現(xiàn)象;馬超等采用Argos漂流浮標(biāo)資料分析了黑潮入侵南海問題,得出黑潮向南海入侵主要發(fā)生在秋、冬兩季,春、夏兩季基本上不發(fā)生;LIU等應(yīng)用衛(wèi)星高度計(jì)資料研究了東海黑潮近表層流場(chǎng)的時(shí)空變化;王海龍等應(yīng)用TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計(jì)海表面測(cè)高資料計(jì)算分析了日本以南黑潮主軸的擺動(dòng)特性以及流速的分布與變化特征?；谛l(wèi)星通訊的自主式觀測(cè)資料越來(lái)越多,觀測(cè)質(zhì)量也逐漸提高,對(duì)黑潮流路進(jìn)行整體性研究并達(dá)到月份尺度的可能已經(jīng)成熟。本文采用1979-02—2012-03共33a的水帆位于15m層的Argos漂流浮標(biāo)資料,對(duì)整個(gè)黑潮流系15m層的多年年平均和月平均流路與流軸特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。1數(shù)據(jù)和方法1.1海流動(dòng)力學(xué)模型Argos漂流浮標(biāo)來(lái)源于NOAA大西洋實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室已對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、質(zhì)量控制和插值,得到時(shí)間間隔為6h的空間位置資料。我們選取了1979-02—2012-03海域(10°~42°N,116°~160°E)內(nèi)的4710個(gè)浮標(biāo)資料,將研究區(qū)域(圖1)按(1/4)°×(1/4)°劃分網(wǎng)格,對(duì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),去掉大于2倍方差的數(shù)值,僅將包含3個(gè)及以上數(shù)據(jù)的網(wǎng)格視作有效網(wǎng)格,然后進(jìn)行網(wǎng)格平均。該類Argos漂流浮標(biāo)為三段式結(jié)構(gòu),上部浮球主要用于在海面與衛(wèi)星通訊,中部纜線用于上下部連接,下部位于15m水層的水帆用于被海流隨體拖拽,故由其位置數(shù)據(jù)計(jì)算得到的流速矢量位于15m水層。因受到風(fēng)應(yīng)力、波浪、水阻力等影響,浮標(biāo)的漂移速度與海流流速的觀測(cè)誤差約為2cm/s,而由Argos定位系統(tǒng)對(duì)浮標(biāo)的定位偏差所引起的流速誤差約為5cm/s,故由此資料所得到的15m層流場(chǎng)是基本可信的,并可用作表層流場(chǎng)的參考。1.2輔助線插值插值及流軸位置關(guān)于黑潮15m層流軸的確定,本研究采用Ambe等所使用的特征線法,并結(jié)合馬超等使用該法確定黑潮流軸的思路。如圖2所示:1)在黑潮主流區(qū)內(nèi)選取和黑潮流向大體一致的定點(diǎn);2)因黑潮流幅一般為74~130km,故在所選取的定點(diǎn)處作一條與該點(diǎn)流向垂直且長(zhǎng)度為140km的輔助線;3)在輔助線上每隔7km進(jìn)行插值,求得所有插值點(diǎn)的流向平均;4)之后調(diào)整輔助線使其垂直于平均流向,再在調(diào)整之后的輔助線上進(jìn)行第二次插值,流軸位置則被定義在新輔助線上70km內(nèi)流速最大的點(diǎn);5)然后沿平均流向向下游移動(dòng)10km到達(dá)下個(gè)位置,重復(fù)步驟2)-4)得到新的流軸位置,如此反復(fù)求得整個(gè)黑潮流系的流軸。如同河流都有自己的岸界,大海中穿行的黑潮與途經(jīng)的周圍水體之間也存在較為明顯的分界。對(duì)黑潮整個(gè)流動(dòng)路徑的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),黑潮邊界處的流速除了與主軸流向較為一致外,流速大小主要在20~30cm/s。也就是說(shuō),黑潮邊界不是僅以某一流速為特征的極薄層,而是以流速段為特征的過渡性區(qū)域,并和水文特征中稱謂的“鋒面”相對(duì)應(yīng)。本文將黑潮流動(dòng)路徑的邊界定義為流速大小在20~30cm/s的過渡性區(qū)域。2黑潮流動(dòng)路徑流速大小在20~30cm/s的黑潮邊界流線如圖3中黑色虛線所示,由其可以看出,多年平均的黑潮流動(dòng)路徑清晰而穩(wěn)定。黑潮源于呂宋島東側(cè)海區(qū),續(xù)接了北赤道流的北上分量,向北到呂宋海峽及臺(tái)灣東南海區(qū),仍然有北太平洋水進(jìn)入到黑潮主流,順臺(tái)灣東側(cè)流動(dòng)的黑潮,主流經(jīng)蘇澳—與那國(guó)水道進(jìn)入東海,總體順東海陸架坡折向東北流動(dòng),接近30°N附近開始折向東偏轉(zhuǎn),經(jīng)吐噶喇海峽離開東海返回太平洋,然后順日本列島東南側(cè)繼續(xù)向東北流動(dòng),大約在(35°N,141°E)附近海域離開日本海岸蜿蜒東去,并逐漸散開,整個(gè)流程約4000km。總體上看,黑潮流動(dòng)路徑大致呈孤線形,且基本是一個(gè)以(13°30′N,142°00′E)為圓心、2235km為半徑的直角弧段(圖4)。其次,黑潮的流動(dòng)路徑在呂宋海峽、臺(tái)灣東北、九州西南及伊豆海嶺附近海區(qū)都發(fā)生顯著調(diào)整,主要表現(xiàn)有二,其一是路徑彎曲,并且表現(xiàn)為發(fā)生氣旋式彎曲前先進(jìn)行反氣旋式彎曲調(diào)整;其二是路徑開口,主要是支流的并入或分支的流出。由特征線方法確定的黑潮流軸如圖3中的黑色實(shí)線所示,由其可以看出,相對(duì)于黑潮兩側(cè)的邊界,黑潮流軸整體性偏左,且在呂宋島東北至臺(tái)灣以東海域最為顯著,在本州島以南海域次之,而在東海段基本居中。為了更方便看出黑潮流路上流速的變化情況,畫出黑潮流區(qū)15m層多年平均的流速等值線分布如圖5所示,由其可見,黑潮流路上的流速較周圍海區(qū)明顯偏大,但是順黑潮流路方向黑潮流速并不是持續(xù)穩(wěn)定的,而是呈現(xiàn)出較平直流段的大流速區(qū)和彎曲調(diào)整流段的低流速區(qū)相互交錯(cuò)的狀況,黑潮流路上呂宋島東北、臺(tái)灣島以東、沖繩諸島西北、四國(guó)島以南至伊豆諸島以西和本州島東南是流速相對(duì)較大的流段,其中四國(guó)島以南至伊豆諸島以西流段的流速為最大,這些大流速區(qū)段的相接處流速則相對(duì)較小。換句話說(shuō),黑潮流速在總體上由南向北呈變大趨勢(shì),但并非沿流路持續(xù)性逐漸增加,而是在呂宋海峽、臺(tái)灣東北、九州以南和伊豆海嶺等黑潮流動(dòng)路徑發(fā)生彎曲或過渡性的海域發(fā)生流速增加持續(xù)性的斷裂,流速明顯弱于流路相對(duì)平直的流段。3豆海嶺發(fā)生較大彎曲根據(jù)黑潮邊界定義和特征線方法繪出的黑潮15m層多年平均的各月流路及流軸特征如圖6所示:1月份,黑潮在巴士海峽、臺(tái)灣東北和九州西南都發(fā)生向邊緣海的入侵,其中黑潮流路在巴士海峽的開口較大,流軸西伸南海,說(shuō)明本月份黑潮在該水層向南海的入侵較強(qiáng);2月份,黑潮流路在巴士海峽的開口向北縮小、流軸連續(xù),顯示其在該海區(qū)向邊緣海的入侵變?nèi)?但在臺(tái)灣東北海區(qū),流軸顯著西伸(圖7),反映向陸架入侵勢(shì)強(qiáng),在伊豆海嶺處的流路比1月份平直;3月份,黑潮在巴士海峽、臺(tái)灣東北和九州西南的流路和流軸都較為平直,向邊緣海的入侵較弱;4月份,黑潮向邊緣海的入侵趨勢(shì)仍較弱,流軸在伊豆海嶺發(fā)生較大彎曲(圖8);5月份,黑潮向邊緣海的入侵趨勢(shì)和邊緣海水體外壓的趨勢(shì)相當(dāng);6月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路較5月份有北移趨勢(shì),且邊緣海水體外壓的趨勢(shì)較為明顯,黑潮流路和流軸較5月份整體性向東偏移且比較平直,在其左側(cè)出現(xiàn)了與其伴隨的北向流,特別是在東海,黑潮左側(cè)出現(xiàn)了較為系統(tǒng)的來(lái)自臺(tái)灣海峽的外陸架流動(dòng);7月份,黑潮流路在低緯度海區(qū)的北移最為明顯、呂宋島東北不夠明顯、至臺(tái)灣東南才比較穩(wěn)定,由于邊緣海水體外壓勢(shì)強(qiáng),黑潮流路在東海也最為平直,左側(cè)有來(lái)自臺(tái)灣海峽的外陸架流動(dòng);8月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路開始南伸,東海黑潮左側(cè)的外陸架流動(dòng)減弱,來(lái)自臺(tái)灣海峽的流動(dòng)在近岸海區(qū)較為明顯;9月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路繼續(xù)南伸,黑潮左側(cè)與其伴隨的北向流動(dòng)消失,邊緣海水體外壓的趨勢(shì)和黑潮向邊緣海的入侵趨勢(shì)相當(dāng),浙閩沿岸出現(xiàn)南向流;10月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路繼續(xù)南伸,黑潮在巴士海峽、臺(tái)灣東北和九州西南都開始向邊緣海入侵,臺(tái)灣海峽內(nèi)最為顯著的是南向流;11月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路繼續(xù)南伸,黑潮在巴士海峽、臺(tái)灣東北和九州西南向邊緣海的入侵開始顯著,黑潮流路和流軸較夏季更為彎曲;12月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路繼續(xù)南伸,黑潮在巴士海峽、臺(tái)灣東北和九州西南向邊緣海的入侵較11月更顯著,其中黑潮流軸在巴士海峽發(fā)生斷裂而西伸南海,發(fā)生顯著的向南海入侵,在九州以南和伊豆海嶺海區(qū),黑潮流軸也發(fā)生較大彎曲。從以上分析可以看出,2月,5月,8月和11月這4個(gè)月份是黑潮流路和流軸發(fā)生變化的重要轉(zhuǎn)折期,而1月,4月,7月和10月這4個(gè)月份則是各季節(jié)的代表月份,易將本文的季節(jié)劃分確定為:12月,1月和2月為冬季,3月,4月和5月為春季,6月,7月和8月為夏季,9月,10月和11月為秋季。其中,冬季特征是黑潮流路和流軸最為曲折,黑潮在巴士海峽、臺(tái)灣東北和九州西南向邊緣海發(fā)生顯著入侵;夏季特征是黑潮流路和流軸最為平直,東海黑潮的左側(cè)伴隨有來(lái)自臺(tái)灣海峽的外陸架流動(dòng)。4黑潮流軸運(yùn)行的主要特征我們利用33a(1979-02—2012-03)的水帆位于15m層的Argos漂流浮標(biāo)資料繪制黑潮流系15m層多年年平均和月平均流場(chǎng),運(yùn)用特征線方法計(jì)算得到黑潮流軸,定義黑潮流動(dòng)路徑的邊界為流速大小為20~30cm/s的過渡性區(qū)域,系統(tǒng)分析表明:黑潮多年年平均流動(dòng)路徑大致呈孤線形,且基本是一個(gè)以(13°30′N,142°00′E)為圓心、2235km為半徑的直角弧段,其在呂宋海峽、臺(tái)灣東北、九州西南及伊豆海嶺附近海區(qū)都發(fā)生顯著調(diào)整,主要表現(xiàn)為發(fā)生氣旋式彎曲前先進(jìn)行反氣旋式彎曲調(diào)整和路徑開口處支流的并入或分支的流出;黑潮流軸整體性偏向黑潮左邊界,其中在呂宋島東北至臺(tái)灣以東海域最為顯著,在本州島以南海域次之,而在東海段基本居中;黑潮流路上的流速在總體上由南向北呈增大趨勢(shì),其中四國(guó)島以南至伊豆諸島以西流段的流速為最大,但并非沿流路持續(xù)性逐漸增加,而是在呂宋海峽、臺(tái)灣東北、九州以南和伊豆海嶺等黑潮流動(dòng)路徑發(fā)生彎曲或過渡性的海域發(fā)生流速增加持續(xù)性的斷裂,流速明顯弱于流路相對(duì)平