15m層中的黑潮流動路徑

在中國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，即黑潮。黑潮是中國海區(qū)及鄰域環(huán)流系統(tǒng)的主動脈,作為大洋對陸緣淺海區(qū)環(huán)流的一個驅動力,持續(xù)不斷地將外洋信息傳遞到中國近海,對它的水文要素場和生態(tài)要素場有著決定性的影響。對黑潮的認知是一個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資料對黑潮及其鄰近海域的多年年平均和季節(jié)平均表層流場分布特征進行了系統(tǒng)分析,指出在反氣旋式彎曲處均發(fā)生分支或入侵現象;馬超等采用Argos漂流浮標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等應用衛(wèi)星高度計資料研究了東海黑潮近表層流場的時空變化;王海龍等應用TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計海表面測高資料計算分析了日本以南黑潮主軸的擺動特性以及流速的分布與變化特征。基于衛(wèi)星通訊的自主式觀測資料越來越多,觀測質量也逐漸提高,對黑潮流路進行整體性研究并達到月份尺度的可能已經成熟。本文采用1979-02—2012-03共33a的水帆位于15m層的Argos漂流浮標資料,對整個黑潮流系15m層的多年年平均和月平均流路與流軸特征進行了系統(tǒng)分析。1數據和方法1.1海流動力學模型Argos漂流浮標來源于NOAA大西洋實驗室,該實驗室已對原始數據進行整合、質量控制和插值,得到時間間隔為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)內的4710個浮標資料,將研究區(qū)域(圖1)按(1/4)°×(1/4)°劃分網格,對每個網格內的海流數據進行正態(tài)分布檢驗,去掉大于2倍方差的數值,僅將包含3個及以上數據的網格視作有效網格,然后進行網格平均。該類Argos漂流浮標為三段式結構,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,故由其位置數據計算得到的流速矢量位于15m水層。因受到風應力、波浪、水阻力等影響,浮標的漂移速度與海流流速的觀測誤差約為2cm/s,而由Argos定位系統(tǒng)對浮標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層流場是基本可信的,并可用作表層流場的參考。1.2輔助線插值插值及流軸位置關于黑潮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)內選取和黑潮流向大體一致的定點;2)因黑潮流幅一般為74~130km,故在所選取的定點處作一條與該點流向垂直且長度為140km的輔助線;3)在輔助線上每隔7km進行插值,求得所有插值點的流向平均;4)之后調整輔助線使其垂直于平均流向,再在調整之后的輔助線上進行第二次插值,流軸位置則被定義在新輔助線上70km內流速最大的點;5)然后沿平均流向向下游移動10km到達下個位置,重復步驟2)-4)得到新的流軸位置,如此反復求得整個黑潮流系的流軸。如同河流都有自己的岸界,大海中穿行的黑潮與途經的周圍水體之間也存在較為明顯的分界。對黑潮整個流動路徑的系統(tǒng)研究發(fā)現,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,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”相對應。本文將黑潮流動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路徑清晰而穩(wěn)定。黑潮源于呂宋島東側海區(qū),續(xù)接了北赤道流的北上分量,向北到呂宋海峽及臺灣東南海區(qū),仍然有北太平洋水進入到黑潮主流,順臺灣東側流動的黑潮,主流經蘇澳—與那國水道進入東海,總體順東海陸架坡折向東北流動,接近30°N附近開始折向東偏轉,經吐噶喇海峽離開東海返回太平洋,然后順日本列島東南側繼續(xù)向東北流動,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,整個流程約4000km。總體上看,黑潮流動路徑大致呈孤線形,且基本是一個以(13°30′N,142°00′E)為圓心、2235km為半徑的直角弧段(圖4)。其次,黑潮的流動路徑在呂宋海峽、臺灣東北、九州西南及伊豆海嶺附近海區(qū)都發(fā)生顯著調整,主要表現有二,其一是路徑彎曲,并且表現為發(fā)生氣旋式彎曲前先進行反氣旋式彎曲調整;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中的黑色實線所示,由其可以看出,相對于黑潮兩側的邊界,黑潮流軸整體性偏左,且在呂宋島東北至臺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,而是呈現出較平直流段的大流速區(qū)和彎曲調整流段的低流速區(qū)相互交錯的狀況,黑潮流路上呂宋島東北、臺灣島以東、沖繩諸島西北、四國島以南至伊豆諸島以西和本州島東南是流速相對較大的流段,其中四國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較小。換句話說,黑潮流速在總體上由南向北呈變大趨勢,但并非沿流路持續(xù)性逐漸增加,而是在呂宋海峽、臺灣東北、九州以南和伊豆海嶺等黑潮流動路徑發(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平直的流段。3豆海嶺發(fā)生較大彎曲根據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,說明本月份黑潮在該水層向南海的入侵較強;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)向邊緣海的入侵變弱,但在臺灣東北海區(qū),流軸顯著西伸(圖7),反映向陸架入侵勢強,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和邊緣海水體外壓的趨勢相當;6月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路較5月份有北移趨勢,且邊緣海水體外壓的趨勢較為明顯,黑潮流路和流軸較5月份整體性向東偏移且比較平直,在其左側出現了與其伴隨的北向流,特別是在東海,黑潮左側出現了較為系統(tǒng)的來自臺灣海峽的外陸架流動;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、至臺灣東南才比較穩(wěn)定,由于邊緣海水體外壓勢強,黑潮流路在東海也最為平直,左側有來自臺灣海峽的外陸架流動;8月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路開始南伸,東海黑潮左側的外陸架流動減弱,來自臺灣海峽的流動在近岸海區(qū)較為明顯;9月份,低緯度海區(qū)的黑潮流路繼續(xù)南伸,黑潮左側與其伴隨的北向流動消失,邊緣海水體外壓的趨勢和黑潮向邊緣海的入侵趨勢相當,浙閩沿岸出現南向流;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、臺灣東北和九州西南都開始向邊緣海入侵,臺灣海峽內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個月份是黑潮流路和流軸發(fā)生變化的重要轉折期,而1月,4月,7月和10月這4個月份則是各季節(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,東海黑潮的左側伴隨有來自臺灣海峽的外陸架流動。4黑潮流軸運行的主要特征我們利用33a(1979-02—2012-03)的水帆位于15m層的Argos漂流浮標資料繪制黑潮流系15m層多年年平均和月平均流場,運用特征線方法計算得到黑潮流軸,定義黑潮流動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路徑大致呈孤線形,且基本是一個以(13°30′N,142°00′E)為圓心、2235km為半徑的直角弧段,其在呂宋海峽、臺灣東北、九州西南及伊豆海嶺附近海區(qū)都發(fā)生顯著調整,主要表現為發(fā)生氣旋式彎曲前先進行反氣旋式彎曲調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,其中四國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、臺灣東北、九州以南和伊豆海嶺等黑潮流動路徑發(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平