南海表層環流和熱結構特征的數值模擬與影響因素分析聶宇華;詹杰民;陳植武【摘要】ByusingthePrincetonOceanModel,circulationandthermalstructureoftheSouthChinaSea(SCS)inthedomain98°-126°E,3°S-26°Naresimulatedonrealtopographydata.Theupperhalfoftherightverticalboundaryissetasanopenboundary.Thesimulationstartsfromamotionlessocean,andaveragetemperatureandsalinitydataofJanuaryareusedastheinitialfield.Drivenby12differentmonthlyaveragedwindfields,themodelrunssteadilyforfourmodelyears.Simulationresultsarerecordedfromthebeginningofthethirdyear.Thetemporalandspatialevolutionofthecirculationandthermalstructureisanalyzed.TheresultsshowthattheSCSisdominatedbyabigcyclonetypecirculationinwinterandbyananti-cyclonetypeinsummer.Duringspringandautumnthemonsoonreversesdirection.Thecirculationisinfluencedbythemonsoonofthelastseasonandtransitstothetypicalcirculationtypeofthenextseason.Itconsistsofmultiplevortices.Additionally,theclimateandenvironmentalconditionscaninfluencethecharacteristicsofthecirculationandthermalstructure.%采用普林斯頓海洋模式,在真實的地形數據、計算區域右邊界上半部分設為開邊界的條件下，對南中國海98°-126°E,3°S-26°N的范圍進行了環流和溫度結構的模擬.模擬從靜止的海洋開始，以1月份的月平均溫鹽數據為初始場，在12個不同的月平均風場驅動下,模式穩定地模擬了4個模式年.從第3年開始進行數據分析.首先從數值模擬的角度給出了南海表層環流和熱結構的時空演變過程,繼而詳細分析了氣候和環境因素的影響.結果表明:冬季南海主要被一個大的氣旋式環流占據，夏季主要呈大的反氣旋式環流.春季和秋季是季風轉換季節，南海環流在受到上一個季節影響的同時也向下一個季節的典型流態轉換,并由多個渦旋組成.此外，氣候和環境條件的設置，都會影響到南海的環流和熱結構特征.【期刊名稱】《中山大學學報(自然科學版)》【年(勤期】2011(050)002【總頁數】5頁(P134-138)【關鍵詞】南海環流;熱結構;黑潮;普林斯頓海洋模式【作者】聶宇華;詹杰民;陳植武【作者單位】中山大學應用力學與工程系廣東廣州,510275;國家海洋局南海分局,廣東廣州,510300;中山大學應用力學與工程系,廣東廣州,510275;中山大學應用力學與工程系,廣東廣州,510275【正文語種】中文【中圖分類】P731.11;P731.27南海位于熱帶西太平洋的邊緣，是西太平洋最大的半封閉深水海盆，具有某些大洋的特征。同時它不僅是聯接亞澳季風的橋梁，也是典型的季風區，并存在顯著的局地性海-氣相互作用［1］。因此，對南海環流和熱結構特征進行研究具有重要的理論和實踐意義。南海海況的研究主要包括實際觀測和數值模擬兩種方法。對于大洋環流的研究，實際觀測成本較高，因此數值模擬是較為常用的研究手段。數值模擬從20世紀80年代開始應用于南海海域。1987年，Pohlmann［2］應用三維環流模式(OGCM),得到了與Wyrtki［3］相似的結果。1989年，曾慶存［4］用二維全流方程模式，計算了南海12個月的平均表層流，他認為南海暖流的主要成因是風生海流受四周海岸約束以及西沙和南沙群島等海底地形的阻擋而造成的補償流作用。同年，文獻［5］以二維全流模式對南沙群島鄰近海域春季典型月平均流進行數值模擬，其結果與實測結果基本相符。1996年，王東曉［6］應用一個包含動力學和熱力學的熱帶海洋兩層半模式，模擬南海上層海洋封閉邊界條件下的季節性環流，顯示了模式對南海海盆尺度的環流系統具有較好的模擬能力。1999年，錢永甫等［7］利用普林斯頓海洋模式(POM)對南中國海的年平均海流進行了數值模擬。結果表明，在南海海流的形成中風應力的作用更為重要。2001年，薛惠潔等［8］利用POM計算南海及其鄰近海域的環流。2004年，楊波等［9］采用美國地球物理流體動力學實驗室開發的一套大洋環流模式MOM(ModularOceanModel)，也較好地模擬了南海的環流。然而，在眾多的數值模擬研究中，還沒有文獻在考慮各種氣候因素影響的條件下，對南海表層環流及熱結構的年周期變化進行系統研究。這就是本文研究的出發點。1模式配置及驗證1.1模式配置本文在最新版本POM模式的基礎上，對其進行適當的修改，使其能夠用來模擬實際的南海環流和熱結構問題。所選取的計算范圍為98°-126°E，3°S-26°N。采用ETOPO55'x5'的實際地形數據，最大水深超過5500m。水平網格精度為0.25°x0.25。，垂直方向共分為16個。層。右邊界上12°-26°N的地方設置為開邊界。在此開邊界上給定流速的大小，采用詹杰民等［10］2004年模擬北太平洋時西岸流場的數據，其他邊界均設置為封閉邊界。計算從靜止的海洋開始，采用Levitus數據庫中1月份月平均溫度和鹽度作為初始場，并采用DASILVA數據庫中12個月份的月平均風場作為表面強迫條件。計算時將這12個風場作為每月15號的風場，其它時刻的風場在每個時間步上插值得到。12個月的海面凈熱通量取自COADS。模擬時，外模時間步長取6s，內模時間步長取180s。取每個模式月為30d，每個模式年為360d。經過兩個模式年的模擬后，計算已基本穩定。從第3年的1月份開始記錄和分析模擬結果。1.2模式驗證在進行具體的環流和熱結構特征模擬之前需要進行模式驗證。本文選取Wyrtki［3］繪制的包括整個南海在內的東南亞海域雙月表層海流圖中的冬季南海表層海流圖和李榮鳳等［11］模擬得到的中國及鄰近海域1月份月平均流場圖作為對比。本文模擬所得到的1月份表層流場如圖1a所示。經過對比可知，本文結果與文獻中的實測及模擬結果基本吻合［3-11］。冬季南海存在著一個大的氣旋式環流。具體來說，在西海岸是向南沿岸流，西邊界流強化現象比較明顯；在南部淺水區的東部海域存在向北的回頭流，加里曼丹北側存在著向南的補償流，暹羅灣內則是順時針渦旋，南海南部也能夠清楚地看到一個非常明顯的逆時針渦旋，并且較好地模擬出了黑潮入侵現象。這些結果都與文獻［11］模擬出的流場結構相吻合。但流場形態在細節上不可能完全一致。因為計算條件和模式配置本身就存在不同。例如，本文僅右邊界的上半部分設為開邊界，其余邊界封閉。而李榮鳳等［11］為了避開困難的開邊界處理問題，把計算區域取為98.75°E-69.75°W和60.25°N-60.25°S,并充分考慮了太平洋流系特別是黑潮與我國海域海流的相互作用和水交換。因此，兩種結果在—些細節上存在差異是在所難免的。2南海表層環流和熱結構的時空演變下面以一個年周期四季代表月的表層流場和溫度場來詳細討論南海表層環流和熱結構的時空演變特征。圖1四季代表月的流場圖Fig.1Representativeflowfieldsoffourseasons由冬季南海表層流場圖（圖1a）可以看到，POM模式很好地再現了南海冬季海流，即總體上呈氣旋式大環流。強大的東北季風給中南半島東南側海域帶來了1個非常明顯的逆時針渦旋。由相應的溫度圖（圖2a）可知，其處于低溫區，屬冷渦。該冷渦的周圍還存在著3個較明顯的小渦旋。南海西側沿岸至中南半島有一支強海流，自北向南流向爪哇海，導致上述冷渦形成，即〃南海環流的西向強化”現象［3］。另外，黑潮洋流北上流經呂宋海峽時，能通過呂宋海峽影響南海北部環流，使其加強。本文并未模擬出明顯的冬季南海暖流。這可能是由于冬季風應力較大，表層漂流強度也較大，南海暖流被暫時掩蓋。管秉賢［12］認為該暖流在表層以下仍是明顯的，在東北季風減弱的間歇還會顯現在表層。圖2四季代表月的溫度場圖Fig.2Representativetemperaturefieldsoffourseasons從太陽輻射的角度來說，南海北部溫度應比南部低。但從冬季溫度場（圖2a）可見，冬季南海的海表溫度較均勻。北部海表溫度并不會明顯比南部低。這主要是由于黑潮暖流入侵，將高溫的海水帶到南海的北部，使得南海南北的海表溫度不存在明顯的差別。春季是南海的季風轉換期。冬季盛行的東北季風開始減弱，夏季風逐漸建立。海面多為風力較弱的偏東風。隨著東北季風的衰退，冬季流型開始逐漸分裂和轉化。由圖1b可以看到，春季南海南部開始出現較明顯的冬季反向流，中南半島附近海域的小渦旋開始增多，冬季流型開始瓦解。東北季風的減弱，使得廣東外海表層出現了較弱的南海暖流。另外，結合溫度圖和流場圖可知，沿呂宋島西北岸有一支較明顯的暖水北上。李培良等［13］也曾經模擬出這種現象，并將其稱之為呂宋沿岸流。西邊界流此時已基本與冬季流向相反。呂宋沿岸流開始略顯雜亂。春末，隨著季風更替的完成，總的環流形勢已經比較接近夏季流態。從春季的溫度場圖（圖2b）可以看到，南海海域的表層海溫開始上升。尤其是南海南部海域，整體水溫明顯比冬季升高。但在加里曼丹島北部海域，還存在著一個低溫水域。這是因為春季黑潮入侵減弱，失去了黑潮暖流的支撐，南海北部海域的溫度明顯比冬季偏低。這也部分驗證了Shaw[14]“黑潮南海分支始于夏末，冬季加強，終于春末”的論點。南海的夏季為西南季風盛行期。從圖1c可以看到，南海夏季海流已經形成，總體上呈現出大而較明顯的反氣旋式環流。南海西側沿岸的西邊界流強化現象已經非常明顯。西邊界流的北上，在海南島沿岸形成了較明顯的順時針渦流。對比溫度圖可知，其渦中心處溫度較高，屬于暖渦。另外，整個夏季南海北部沒有明顯的黑潮入侵現象。從溫度圖（圖2c）可知，由于沒有黑潮暖流的支撐，北部海域的低溫區有所擴大。中部和西南部海域，溫度整體較高。這個季節南海最重要且明顯的溫度結構就是存在于海南島東南側的暖渦。秋季跟春季一樣，也是季風的轉換期。但由于秋季風力強于春季，所以其流場結構比春季有序。隨著西南季風自北向南迅速撤退，南海北部的氣旋式環流開始發展，反氣旋環流減弱并開始瓦解。由秋季流場圖（圖1d）可見，此時冬季流態開始出現，氣旋式大環流逐漸明顯起來。在越南東海岸，東北向漂流被西南向漂流所替代。這個月份冬季流向（即西南流向）的西邊界流已經非常明顯。秋末，隨著冬季風的形成，南海環流逐漸由秋季流態轉變成冬季流態。從溫度場圖（圖2d）可以看到，總體上，秋季海表溫度相對較低。但是，由于黑潮在夏末秋初開始經由呂宋海峽入侵南海，南海北部的冷水區內，受黑潮暖流的影響重新出現了暖水區。南部海域（西部沿岸）開始出現較明顯的低溫冷水區，并開始形成冷渦。這是由南下的西邊界流弓I起的。3氣候和環境因素對南海動力結構的影響分析太陽輻射和季風是影響南海環流和熱結構最重要的兩個氣候因素。其中太陽輻射造成溫度和鹽度南北分布不均勻，因而導致了壓力梯度與科氏力共同作用形成的密度流。溫鹽的分布不均也是一個非常重要的海洋環境因素。季風則是南海表層環流的最直接強迫，也在很大程度上改變了海水的上層水溫分布。我們設計如下3個算例：算例1既有太陽輻射造成的溫度和鹽度水平不均勻分布，又有風應力作用，稱為“TSW”試驗；算例2只有溫度和鹽度的水平不均勻分布而無風應力作用，稱為“TS”試驗；算例3只有風應力作用，溫度和鹽度都設置為均勻場(溫度和鹽度分別設置為25°C和34以消除溫鹽不均勻所產生的密度流)，稱為“W”試驗。本文以冬季1月份的海表流場和溫度場為例比較3個算例的模擬結果。圖3不同氣候條件下冬季(1月份)表層流場圖和溫度場圖Fig.3ThesurfaceflowandtemperaturefieldsoftheSCSinJanuaryunderdifferentclimaticconditions:(a)TSCase;(b)WCase圖3a和b分別為TS算例和W算例的模擬結果。TSW算例的模擬結果見圖1a及圖2a。對比3個流場圖可以發現，W算例流場的總體流型與TSW算例的基本—致。TS算例除了暹羅灣中的順時針環流和呂宋海峽以東的黑潮比較明顯外，其余海域的流場基本處于無序的狀態。并且由于僅有溫鹽水平梯度的作用，流速較其它兩個算例的小。當TS算例加入風場的作用后(即TSW算例)，原來基本無序的表層流場變得明顯有序，見圖3(b)。在單一影響因素的作用下，W算例的表層流場比TSW算例的更加有序；越南東南側的渦旋數量也比TSW算例的少。總的來說，太陽輻射造成的溫鹽水平不均勻的影響比風場的影響要小很多，但不能完全忽略。風場的作用決定了南海表層流場的基本流型，但溫鹽的水平分布對于流場的細微結構也是有一定影響的。另外，在僅有風場作用的W試驗中，仍然可以看見清晰的南部逆時針渦旋。這說明風場的作用能夠激發出與風應力旋轉方向相同的直接渦旋。錢永甫等［15］也曾得出類似的結論。從3個溫度圖可以看到，W試驗由于摒除了溫鹽水平不均勻分布的影響，溫度是初始設置的25°C均勻場。TS算例雖然沒有風場的作用，但由于采用了真實的初始溫鹽數據，在密度流、地轉流、黑潮入侵的影響下，溫度場有明顯的空間結構變化。另外，黑潮入侵由于沒有風場的推動，南海北部的高溫海域面積縮小，并存在—個明顯的低溫冷水區。并且由于沒有了南下的西邊界流，越南東南側的冷渦中心也不復存在。由此可見，對于溫度場來說，太陽輻射有重要的影響，但是風場也可以起到輔助的作用。4結論季風是造成南海上層環流季節變化的主要因素。冬夏兩季為季風盛行期，兩種不同的季風導致了運動方向截然相反的環流系統。南海冬季主要被一個大的氣旋式環流占據；夏季主要呈大的反氣旋式環流。春秋兩季是季風轉換季節，南海環流在受到上一個季節影響的同時也向下一個季節的典型流態轉換，并由多個渦旋組成。季風的更疊使環流不斷演變，而黑潮經呂宋海峽的作用則使之更趨復雜。冬夏兩季，南海環流都有十分明顯的西向強化趨勢。與之相比，南海東側的環流結構強度較弱并稍顯凌亂。季節變化和西向強化是南海環流的兩個主要特征。黑潮入侵南海始于夏末秋初，冬季勢力最強，終于春末。由于冬季表層海流流速較大，南海暖流在4月份開始才能夠在表層觀察到。冷暖渦旋結構在四個季節都存在。溫度和鹽度的水平變化對于流場的影響很小，而風場則是南海上層流場的主要驅動力。參考文獻：高榮珍，王東曉，王衛強，等.南海上層海洋熱結構的年循環與半年循環[J].大氣科學，2003,27(3):345-352.POHLMANNTA.Three-dimensionalcirculationmodeloftheSouthChinaSea[M]//NIHOULJJ,JAMARTBM,eds.Three-dimensionalModelsofMarineandEstuarineDynamics[M].NewYork:Elsevier,1987:245-268.WYRTKIK.ScientificresultsofmarineinvestigationsoftheSouthChinaSeaandtheGulfofThailand1959-1961,NagaReport2[M].California:ScrippsInstitutionofOceanography,1961.曾慶存，李榮鳳，季仲貞，等.南海月平均流的計