台湾岛和吕宋岛之间的海域统称为吕宋海峡, 其跨度接近350 km。吕宋海峡作为南海和太平洋联系的重要纽带, 太平洋与南海环流体系通过此处进行质量、动量与能量的交换。黑潮是西太平洋上的一支强大的西边界流, 它起源于北赤道流在吕宋以东的北向分支, 经菲律宾以东的海域, 越过吕宋海峡, 紧贴着台湾岛东部进入东海, 黑潮流经吕宋海峡时发生形变并作用于南海, 对南海北部环流及其变异有十分重要的影响, 但是黑潮在吕宋海峡附近的路径变化, 尤其是黑潮受由高山地形导致的风急流影响而发生形变的动力机制, 目前还不清楚。本研究拟使用一个1.5层约化重力浅水模式, 对吕宋海峡黑潮变异受风急流影响的动力机制进行初步的探讨。

1 吕宋海峡黑潮变异研究回顾

吕宋海峡是北太平洋西边界的一个缺口, 黑潮在北上途中流经此缺口时, 可能会因为失去陆架的支持而入侵南海。关于黑潮在吕宋海峡形变的方式, Wyrtki^[1]最早指出: 冬季表层黑潮水通过吕宋海峡进入南海, 并一直向西深入南海腹地, 夏季黑潮入侵逐渐衰退, 表层海水从南海流向太平洋; Shaw^[2]通过分析水文资料发现, 在冬季黑潮水可以达到117°E, 在夏季黑潮主轴被限制在120°E以东; Centurioni等^[3]统计1989—2002年的漂流瓶资料显示, 在南海发现漂流瓶的时间是在10月至1月, 而7月至9月期间在南海没有发现漂流瓶, 并且通过计算流速得出, 漂移物轨迹不仅是由Ekman输送产生的, 也与海洋斜压场变化有关; Shaw^{[2, 4]}也证实了这一点。也有观点认为黑潮水终年入侵南海, Chu等^[5]基于气候水文资料计算了吕宋海峡处黑潮的纬向流量, 结果显示黑潮终年流向西, 且流量在2月最大, 9月最小; Qu等^[6]通过对历史温盐资料的水团分析也得到了相似的结论, 但流量最大最小的月份以及流量值和Chu等^[5]不同。方国洪等^[7]建立了一个全球大洋变网格环流数值模式模拟中国近海域际水、热、盐输运, 发现在吕宋海峡附近, 就体积输送而言, 太平洋水终年进入南海, 最大流量发生在12月, 最小流量发生在6月。袁耀初等^[8]通过分析2002年春季海洋水文资料, 发现黑潮在吕宋海峡锚碇测流站200和500 m深度流向西北, 与计算得到的从海峡西部中心到海峡东部北端的西南-东北走向的断面流向一致, 而在700 m处流向为东北。Metzger等^[9-10]和Metzger^[11], 指出, 吕宋海峡处的黑潮形态对附近岛屿和海岸线的微小变化以及模式的分辨率十分敏感。苏纪兰^[12]利用非线性的β平面约化模式得出, 不可能有稳定的黑潮分支流进入南海, 黑潮水只能以非稳态的方式进入南海, 如亚中尺度涡之类。Yuan等^[13]利用近20 a来的卫星水色、SST和高度计资料研究吕宋海峡处的表层黑潮流向, 发现黑潮路径以直线跨越吕宋海峡为主, 只有在年平均不到30%的时间里黑潮以大弯曲反气旋形式入侵吕宋海峡, 冬季反气旋入侵的时间较年平均时间稍长一些, 并指出吕宋海峡黑潮路径的季节内变化特征与东部涡旋撞击的关系。

关于吕宋海峡海洋环流的动力机制目前的研究并不多, 比较典型的是季风对黑潮流态的影响, Wang等^[14]指出东北季风的上埃克曼层输运迫使黑潮流入吕宋海峡; Farris等^[15]的分析表明风应力强度控制着黑潮流套的扩展程度。许多数值模拟研究, 如Liang等^[16]、Hsin等^[17]、Wu等^[18]、Nan等^[19]都考虑了风强迫的作用, 以及风应力旋度产生的经向压力梯度对黑潮路径的影响, 但是上述研究都没有考虑黑潮的迟滞回归过程。

迟滞回归现象是由Sheremet^[20]发现的, 他指出当缺口大小和Munk边界层厚度满足一定关系时, 西边界流在缺口处存在多稳定态, 以及从一个稳定态到另一个稳定态转换时产生迟滞现象, 但是并没有进一步研究中尺度涡旋以及风对西边界流流态转换的影响。在上述的基础上, 袁东亮等^[21]初步研究了中尺度涡对西边界流路径影响的动力机制, Yuan等^[22]进一步研究了不同尺度和不同位置的涡旋对西边界流流态转变的影响, Song等^[23]研究了两种流态的西边界流对中尺度涡旋发展的影响, Hou等^[24]研究了不同形态的黑潮流入吕宋海峡的非线性动力机制。Wang等^[25-26]研究了经向风对缺口处西边界流流态转变的影响, 结果显示, 当西边界流处于从入侵到跨隙转变的临界状态时, 南风的暴发有助于西边界流跨隙, 而当西边界流处于从跨隙流态到入侵流态转变的临界状态时, 北风的暴发使西边界流入侵西海盆。钟慎雷等^[27]在Wang等^[25]的基础上研究了理想地形下不同方向和不同尺度的理想风急流对西边界流流态转变的影响, 但模式中所用缺口宽度和罗斯贝变形半径太小, 迟滞回归曲线中没有出现Hopf分岔, 无法反映西边界流的非线性特征, Hopf分岔是从稳定解变为稳定周期解的分岔点。本研究首先是对钟慎雷等^[27]研究工作的加强, 采用了与吕宋海峡实际情况相符合的缺口宽度a=300 km和罗斯贝变形半径L_R=60 km, 重复理想试验, 并进一步考虑实际海陆边界条件下, 实际风急流对黑潮路径的影响。

2 模式介绍

本文所采用的1.5层约化重力浅水模式, 与王铮^[25-26]和钟慎雷^[27]研究经向风、理想风急流对西边界流路径影响所采用的浅水模式相同, 而与Sheremet^[20]和袁东亮等^[21]研究流量和涡旋对西边界流路径影响所采用的1.5层约化重力准地转模式不同, 是因为准地转模式只能接受风应力旋度强迫, 而浅水模式可以接受分量风强迫, 模式的控制方程为全流型方程组, 如下所示,

$\left( \begin{array}{l} \frac{{\partial U}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \left( {\overline v U} \right) - fV = - g'h\frac{{\partial h}}{{\partial x}} + {A_H}{\nabla ^2}U - RU + {\alpha _\tau }\frac{{{\tau ^x}}}{\rho } \\ \frac{{\partial V}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \left( {\overline v V} \right) + fU = - g'h\frac{{\partial h}}{{\partial y}} + {A_H}{\nabla ^2}V - RV \\ \frac{{\partial h}}{{\partial t}} + \frac{{\partial U}}{{\partial x}} + \frac{{\partial V}}{{\partial y}} = 0 \\ \end{array} \right., $

(1)

模拟区域是450×180个网格点组成的矩形区域, 如图 1所示, X是横向网格点坐标, Y是纵向网格点坐标, 网格间距为10 km, 包括东西两个海盆, 中间由一带缺口的海脊隔开, 两个海盆皆为封闭海盆, 西海盆纬向长2 000 km, 经向宽1 800 km, 东海盆纬向长2 500 km, 经向宽1 800 km, 西边界流由东海盆纬向风驱动。模式中, $U\overrightarrow i + V\overrightarrow j = h\overrightarrow v = h(u\overrightarrow i + v\overrightarrow j )$, u和v分别代表上层东向和北向速度分量, ${\tau ^x}$为纬向风应力, 模式上层海洋的密度是ρ₀=1 022 kg/m³, 下层水体不动, 密度为ρ₀+Δρ, 约化重力是g′=0.03 m/s², 平衡时水深h=300 m, 边界条件采用无滑动摩擦, 水平拉普拉斯扩散系数为A_H=300 m²/s, Rayleigh型底摩擦R=5×10^-8 s^-1。采用β平面近似, f₀=3.2×10^-5 s^-1, β=2×10^-11 m^-1·s^-1, 缺口宽度为a=300 km, 缺口中央的罗斯贝变形半径L_R=(g′h)^1/2/f=60 km, 西边界缺口半宽与Munk边界层厚度L_M之比$\gamma $=a/(2L_M)=6.09。

3 理想情况下的试验 3.1 模拟迟滞过程

在定常解的范围内, 约化重力浅水模式试验显示了与Sheremet^[20]类似的迟滞过程, 即当$\gamma $ > 4.55时, 西边界流在缺口处存在二个定常流态: 跨隙流态和反气旋大弯曲入侵流态(包括周期甩涡状态)。图 2显示的是浅水模式中西边界流中线在缺口处侵入西部海盆的迟滞过程, 图 2中横坐标显示的是风应力参数α_τ, 由它产生驱动产生西边界流, 代表西边界流流量, 纵坐标显示的是流量一半的流线在缺口处侵入西海盆的距离X_P, 跨隙流态时X_P=0, 入侵流态时X_P < 0从图 2中可以看出随着西边界流流量不断增大, 缺口处向西侵入的距离在逐渐缩小, 直到Hopf分岔出现, 记此时α_τ=R_C=0.30, 西边界流由入侵流态改为周期甩涡状态(图中双线部分), 西边界流流量逐渐增大, 西边界流几乎不进入缺口处的西部海盆, 记此时α_τ=R_L=0.59, 当α_τ > 0.59演变成为跨隙流态。这时如果减少西边界流流量, X_P将沿上面的曲线, 西边界流仍然保持跨隙的稳定流态(X_P=0), 直到α_τ=R_P= 0.43, 流态迅速转变为周期甩涡态, 继续减少流量, 当α_τ < 0.43西边界流由周期甩涡态转变为稳定的入侵流态。

这样在R_P < α_τ < R_L范围内存在多平衡态, 两个临界态分别是从入侵到跨隙转变的临界态R_L=0.59和从跨隙到入侵转变的临界态R_P =0.43。本文的试验设计按照以下思路进行: 先探讨西边界流处在迟滞现象临界值时, 受局地风急流影响的动力机制, 分为由入侵到跨隙流态跳跃和从跨隙到入侵流态跳跃两种情况。然后进一步探讨真实海陆边界条件下风急流对黑潮路径的影响。

3.2 理想风急流

Wang等^[28]指出在台湾岛以及菲律宾群岛上有四处明显高山, 当风在穿过这些高山之间的空档时受到高山影响, 风场形式发生改变, 形成的风叫做风急流。卫星资料和数值模拟证实了风急流是南海中尺度涡生成的主要因素, 夏季主要分布在越南中部外海, 冬季主要在台湾岛西南海域及吕宋西北及以西海域, 风急流的构成方程为:

$\left( \begin{array}{l} {\tau _x} = - {\tau _0}{e^{ - \frac{{{{(y - 105)}^2}}}{{{Y^2}}}}}{e^{ - \frac{{{{(x - 118)}^2}}}{{{X^2}}}}}\cos \theta \\ {\tau _y} = - {\tau _0}{e^{ - \frac{{{{(y - 105)}^2}}}{{{Y^2}}}}}{e^{ - \frac{{{{(x - 118)}^2}}}{{{X^2}}}}}\sin \theta \\ cur{l_z}\tau = \;\frac{{\partial {\tau _y}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial {\tau _x}}}{{\partial y}}, \\ \end{array} \right.$

(2)

其中, X=Y=35, ${\tau _0}$=0.1 N/m²; x、y、X、Y取值都是格点数, 取角度θ表示风急流的方向, θ=0是东风风急流, θ=π/4是东北风风急流, θ=π/2是北风风急流, θ=3π/4是西北风风急流, θ=π是西风风急流, θ=5π/4是西南风风急流, θ=3π/2是南风风急流, θ=7π/4是东南风风急流, 不同方向风急流旋度在模式计算区域的结构见图 3, 其中蓝色表示负的风应力旋度, 生成反气旋涡旋, 红色表示正的风应力旋度, 产生气旋涡旋。

在本研究中, 风急流作用时间设为第1 a作用40 d, 40 d之后去掉风急流并将模式积分6 a达到稳定状态。模式中的时间相当于实际时间的10倍, 因为模式中所模拟黑潮的流量只有实际黑潮流量的1/10左右。Farris等^[15]通过统计发现, 如果局地临界风应力强度大于0.08 N/m², 且作用时间超过4 d, 黑潮流环就会形成。本研究模式作用区域和作用时间的选取以此为依据。

3.3 理想情况下的试验 3.3.1 西边界流由周期甩涡态到跨隙流态跳跃

当西边界流处在由周期甩涡态到跨隙流态转变的临界状态时(图 4), 此时α_τ=0.59, 它较易受到来自西风和南风风急流的扰动而发生跳跃。图 5显示的是各个方向的风急流对西边界流路径影响的结果, 所加理想风急流区域为缺口附近。风急流作用后的结果显示西风θ=π、西南风θ=5π/4, 以及南风风急流θ=3π/2可以使西边界流由周期甩涡流态转换为跨隙流态, 其他方向的风急流仍然保持西边界流的初始甩涡态。由于西边界流变化的迟滞过程, 西边界流流态一经改变无法再恢复到初始流态。

产生这种现象的动力机制解释如下。图 6是θ= 5π/4和θ=7π/4所对应的风急流旋度结构, 因为蓝色表示负的风应力旋度, 生成反气旋涡旋, 红色表示正的风应力旋度, 产生气旋涡旋, 所以压力梯度力由蓝色圆圈指向红色圆圈, 压力梯度的方向会影响黑潮主轴路径; 同时反气旋涡旋和气旋涡旋相邻面的流向也会对黑潮流态产生影响。当压力梯度和流向一致改变西边界流流态时, 西边界流流态发生跳跃, 如当θ=5π/4时为西南风风急流, 压力梯度力指向西北, 有利于西边界流跨隙, 两个涡旋相邻面流流向东北, 也有利于西边界流的跨隙, 所以西南风风急流会使处于临界态的西边界流由入侵流态转变为跨隙流态(图 5)。而当两者作用不一致时, 西边界流保持其原有流态, 如当θ=7π/4时为东南风风急流, 压力梯度力指向西南, 有利于西边界流的入侵, 而两个涡旋相邻面流流向西北, 有助于西边界流的跨隙, 两者作用相反, 西边界流保持初始入侵流态(图 5)。

3.3.2 西边界流由跨隙流态向周期甩涡流态跳跃

当西边界流处于由跨隙到周期甩涡转变的临界流态时, 它的路径较易受到东风和北风风急流, 而不是西风和南风风急流扰动而发生跳跃。当α_τ=0.43时, 在缺口处加理想风急流后的试验结果显示东风、

北风以及东北风风急流可以使西边界流在缺口处的路径由跨隙流态永久地转换为周期甩涡态, 而其他方向的风急流仍然保持西边界流的跨隙流态, 动力机制仍然是压力梯度力和涡旋流动方向的双重作用。从图 2可以看到, 当α_τ < 0.43时, 西边界流只存在一种状态即反气旋入侵流态(包括周期甩涡态), 由于迟滞过程, 在风急流被去掉后, 随着流量的减少, 西边界流将沿着图 2中下边的双线曲线达到稳定, 很显然是周期甩涡态。

理想试验结果如表 1所示。当西边界流处在由周期甩涡态到跨隙流态转变的临界状态时, 西风、南风以及西南风风急流使缺口处的西边界流由周期甩涡流态转换为跨隙流态。当西边界流处在由跨隙流态到周期甩涡态转变的临界状态时, 东风、北风以及东北风风急流使得西边界流入侵西海盆, 西边界流路径一旦改变, 在风急流被去掉后不能恢复初始流态。

4 实际风急流对黑潮路径的影响

保持缺口宽度a=300 km和缺口中央罗斯贝变形半径L_R=60 km不变, 考虑ETOPO5地形和实际风急流, 检验实际风急流(冬夏两季)对吕宋海峡处的黑潮流态的影响。

4.1 实际风急流

实际风场资料: 本文使用的是QuikSCAT上的分辨率为(1/4)°×(1/4)°SeaWinds日平均资料。QuikSCAT风场本身包含了丰富的动力信息, 可以很好地分辨出台湾岛、菲律宾群岛等高山地形, 进而更好地显示南海东侧的风场小尺度特征, 加风范围是119°~ 122°E, 18°~23°N。冬季取12月—次年2月共90 d, 对从1999—2009年的10 a冬季风应力进行EOF分解, 第一模态占88%, 将得到的第一模态作为实际冬季风急流强迫1.5约化重力模式(图 7), 其中WSC是风应力旋度, 具体定义风应力大小为:

$\tau = {C_d}{\rho _a}\sqrt {{u_{10}}^2 + v_{10}^2} \left( {{{\vec u}_{10}}, {{\vec v}_{10}}} \right), $

(3)

其中, 拖曳系数C_d=1.2×10^-3, ρ_a=1.23 kg/m³; 夏季取6月—8月共90 d, 对从1999—2009年的10 a夏季风应力进行EOF分解, 第一模态占65%, 将第一模态作为实际夏季风急流强迫模式。实际风急流作用时间同样为第一年作用40 d, 40 d之后将风急流去掉并积分6 a使模式稳定。

4.2 ETOPO5地形

模式的计算区域是280×100个网格点组成的矩形区域, 边界封闭, 网格间距27.75 km, 分辨率为(1/4)°, 对应的经纬度是110°~180°E, 10°~35°N, 所选区域中南海和太平洋只通过吕宋海峡相连接。在10°N, 取f₀ =2.5×10^-5 s^-1, 约化重力g′ =0.03 m/s², 平衡时水深h=300 m, 地形以200 m等深线作为陆地边界。基于上述地形以及参数设置, 得到的迟滞回归曲线没有出现Hopf分岔, 不能真实反映吕宋海峡处的黑潮流态, 经多次检验发现是由于西部海盆的陆地边界太过靠南, 影响黑潮的周期甩涡。将模式作如下修改: 地形采用ETOPO5的地形数据, 西海盆大陆陆地边界以35 m等深线作为陆地边界, 其他区域仍然以200 m等深线作为陆地边界。

在新的地形下, 出现了周期甩涡态, 在南海区域可以观察到完整的涡旋, 图 8是在新地形下迟滞回归图, 在图上出现因非线性效应而产生的Hopf分岔R_C。流态改变的临界值分别为: 从入侵到跨隙流态转换所对应的临界值R_L=0.50, 从跨隙到入侵流态转换所对应的临界值R_P =0. 44。

4.3 试验结果

试验一: 当黑潮处于由反气旋入侵到跨隙转变的临界流态时, 此时黑潮主轴入侵南海, 对应的风应力参数α_τ=0.50, 它较容易受到夏季风急流而不是冬季风急流的影响。图 9显示, 夏季风急流可以使黑潮路径改变, 黑潮由反气旋大弯曲入侵流态转变为跨隙流态。而冬季风急流仍然维持黑潮的入侵流态。

试验二: 当黑潮处于由跨隙到入侵转变的临界流态时, 对应的风应力参数α_τ=0.44, 此时黑潮较容易受到冬季风急流而不是夏季风急流的影响。图 10显示冬季风急流使黑潮由跨隙流态永久地转变为反气旋大弯曲入侵流态。而夏季风急流不会造成黑潮流态的转换。

4.4 动力机制分析

夏季风急流是东南风, 对应于理想试验的西南风风急流θ=5π/4, 冬季风急流是西北风, 对应于理想试验的东北风风急流θ=π/4。试验结果显示: 当黑潮处于由入侵到跨隙转换的临界状态时, 夏季风急流使得黑潮由入侵流态变换为跨跃流态, 而当黑潮处于由跨隙到入侵转换的临界状态时, 冬季风急流使黑潮入侵南海, 这和理想情况下的试验结果相一致, 可以用来解释许多分析观测资料显示的黑潮反气旋大弯曲入侵南海多发生在冬季的科学事实。

动力机制解释: 以冬季风急流为例, 冬季风急流在海峡北部即台湾岛西南是负的风应力旋度, 海峡南部即吕宋岛西北是正的风应力旋度。负的风应力旋度产生反气旋涡旋, 造成海平面上升、温跃层下降, 原来向北流动黑潮将绕着反气旋涡旋的南边界向西流动; 并且由于在海峡北部产生反气旋涡旋, 在南部产生气旋涡旋, 海平面北高南低, 经向压力梯度力指向南方, 阻碍黑潮的北向流动, 由于黑潮处于从跨隙到入侵转变的临界状态, 一旦黑潮主轴稍微西移, 且黑潮流量减少, 黑潮将入侵南海。而夏季风急流的作用相反。

5 结论

本文使用1.5层约化重力浅水模式, 设置了和吕宋海峡较接近的参数, 研究了西边界流在西边界缺口处路径转变受理想风急流影响的动力机制, 并初步探讨了ETOPO5地形下, 实际风急流对吕宋海峡处黑潮路径转变的影响。结果表明: 1) 理想试验结果显示, 当西边界流处在由周期甩涡态到跨隙流态转换的临界状态时, 西风、南风、西南风风急流使缺口处西边界流流径由周期甩涡态转变为跨隙流态。当西边界流处在由跨隙流态到周期甩涡态转变的临界状态时, 东风、北风以及东北风风急流使得西边界流由跨越缺口转变为入侵西海盆, 西边界流在风急流消失后不能再回到初始流态。2) 应用到实际情况下, 试验结果与理想试验结果一致, 并与观测事实相符。冬季风急流(东北风风急流)有利于黑潮入侵南海, 夏季风急流(西南风风急流)有利于黑潮跨跃吕宋海峡向北流动。

本文的研究仅涉及风急流对黑潮流态转变的影响, 没有考虑其他的因素, 例如西太平洋和南海之间的海平面高度差异、吕宋海峡处黑潮锋面的斜压不稳定性、吕宋海峡处黑潮的不稳定性、从太平洋传来的中尺度涡旋、海峡处的风急流等。这些动力机制可能是相互关联的, 一项的变动会引起其他项的变化, 需要更进一步的研究。