2023, Vol. 47
文章信息
- 陈成吉, 王强. 2023.
- CHEN Cheng-ji, WANG Qiang. 2023.
- 日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态关联性的定量分析
- Quantitative analysis of the relationship between the path states of the Kuroshio south of Japan and the Kuroshio Extension
- 海洋科学, 47(4): 1-8
- Marine Sciences, 47(4): 1-8.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20220220002
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文章历史
- 收稿日期：2022-02-20
- 修回日期：2022-04-30
2. 河海大学 海洋学院, 江苏 南京 210098
2. College of Oceanography, Hohai University, Nanjing 210098, China
黑潮(Kuroshio)是北赤道流在菲律宾群岛东岸分叉而形成的一支向北的海流, 其沿吕宋岛东岸一路北上, 越过吕宋海峡, 途径台湾岛和石垣岛之间进入我国东海, 之后受大陆架影响向东北方向流去, 在日本九州岛西南约(29°N, 128°E)附近折向东, 经吐噶喇海峡流出东海, 然后沿日本南部向东北流, 于(35°N, 141°E)附近离开日本海岸向东流去, 成为向东的射流——黑潮延伸体(Kuroshio Extension, KE)。作为全球第二大暖流, 黑潮的年平均流量大约为25 Sv[1](1 Sv = 106 m3/s), 将热带的温暖海水向北输运至副热带海域, 进而对流经海域的海洋环流系统、生态系统和区域气候产生重要影响[2]。
黑潮在流经日本南部海域时, 其路径具有独特的变化特征, Taft[3]根据路径是否存在弯曲将其分为大弯曲路径(large meander, LM)[图 1蓝线]和非大弯曲路径(non-large meander)。Kawabe[4]进一步将非大弯曲路径细分为近岸非大弯曲路径(nearshore non-large meander, nNLM)[图 1红线]和离岸非大弯曲路径(offshore non-large meander, oNLM)[图 1紫线]。基于1993—2015年间的AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data)月平均海面绝对动力地形(Absolute Dynamic Topography, ADT)绘制的日本南部黑潮三种路径状态如图 1所示, 当黑潮处于大弯曲路径时, 黑潮在日本南部形成一个巨大的“U”型弯曲, 流轴向南偏, 在140°E附近的伊豆海脊处, 流轴经过北边的深水区, 当黑潮处于近岸非大弯曲路径时, 其流轴紧贴日本南岸, 并且在伊豆海脊处也经过北边的深水区, 对于黑潮的离岸非大弯曲路径, 其流轴接近日本南岸, 但在伊豆海脊处偏离南岸而流经南边的浅水区。Kawabe[5]还指出黑潮可以维持非大弯曲路径或大弯曲路径长达几年至十几年, 但是从非大弯曲路径转换为大弯曲路径或者相反的转变过程一般只需要几个月的时间, 该变化对渔业生产、区域环流和气候等有重要影响[6-8]。
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| 图 1 日本南部黑潮三种路径状态 Fig. 1 Three path states of the Kuroshio south of Japan |
日本南部黑潮的下游—黑潮延伸体的路径存在两种模态: 伸展态(elongation state)和收缩态(contraction state)[9]。如图 2所示, 当黑潮延伸体在处于伸展态时, 其在144°E和150°E处, 存在两个准稳定的弯曲, 流轴所在的平均纬度偏北, 流轴长度偏短; 相反, 当其处于收缩态时, 准稳定弯曲较弱, 流轴紊乱, 流轴长度偏长。黑潮延伸体的路径变化不仅影响海洋环境场, 还影响区域乃至全球气候变化[10-13]。
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| 图 2 黑潮延伸体状态示意图 Fig. 2 Illustration of the Kuroshio Extension state 注: 黑色线代表一个自然月月均的黑潮和黑潮延伸体的流轴位置。1994年为一个伸展态年份, 1997年为一个收缩态年份 |
由于日本南部黑潮和黑潮延伸体在地理位置上是相邻的, 因此它们的路径状态之间是否存在联系, 一直是学者们关心的热点问题。已有研究使用的数据资料时间长度较短, 尚未形成一致结论, 仍存在争议。首先, Qiu等[14]发现黑潮延伸体状态的转变主要与风应力的变化有关, 与日本南部黑潮没有显著的联系。随后, Pierini[15]发现黑潮延伸体路径状态的转变与日本南部黑潮的变化可能存在联系。进一步, Sugimoto等[16]指出当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲路径和大弯曲路径时, 黑潮延伸体主要处于伸展模态, 而当日本南部黑潮是离岸非大弯曲路径时, 黑潮延伸体倾向于处于收缩模态, 但是他们所用的资料时间长度较短(仅16 a), 资料中仅发生一次黑潮大弯曲事件, 因此他们仅能定性地评估日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态之间联系, 无法给出定量结果。此外, Wang等[17]在研究黑潮延伸体路径状态转变过程的可预报性时, 发现日本南部黑潮路径状态的变异可能对黑潮延伸体路径状态产生影响。最近, Qiu等[18]在分析2017年左右黑潮延伸体状态转变时指出, 日本南部黑潮在2017年发生的大弯曲路径会对黑潮延伸体路径状态产生影响。
综上所述, 日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间可能存在关联, 但是前人的研究有一定的局限: 要么在个例中寻找关系, 要么所用的资料时间太短, 很难给出定量的统计结果。本文利用AVISO观测资料并结合高分辨率海洋再分析资料, 定量分析了日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态的变化特征以及两者之间的关联。
1 资料 1.1 AVISO资料卫星高度计能够全天候、大面积获取海洋表面相对高度, 因而被广泛应用于物理海洋学研究。从1975年开始, 全球多个机构陆续发射多颗高度计卫星, 包括ERS-1, TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2, Envisat等。本文使用的卫星观测的海面绝对动力地形(Absolute Dynamic Topography, ADT)数据来自法国国家空间研究中心(Centre National d'Études Spatiales, CNES)的卫星海洋学存档数据中心(AVISO)(https://www.aviso.altimetry.fr)。该资料是由ERS/Envisat, Jason-1, Jason-2, TOPEX/Poseidon等多颗卫星高度计资料融合而成, 覆盖范围为全球, 时间分辨率为1 d, 水平网格分辨率为1/4°×1/4°。本文使用从1993年至2015年共计23 a的ADT资料, 对其做了7 d平均预处理, 并将1.1 m ADT等值线定义为黑潮和黑潮延伸体流轴。
1.2 海洋高分辨率再分析资料本文使用的海洋高分辨率再分析资料来自Usui等建立的西北太平洋30 a的四维变分再分析数据集[19](Four-dimensional Variational Ocean ReAnalysis for the Western North Pacific over 30 years, FORA, http://synthesis.jamstec.go.jp/FORA/)。该资料集是基于日本气象厅(Japan Meteorological Agency, JMA)气象研究所(Meteorological Research Institute, MRI)开发的四维变分同化系统[20]构建的, 其同化了1 500 m以浅的温度和盐度剖面数据、网格化的海表面温度数据、高度计衍生的海面高度数据以及海冰密集度。FORA数据集覆盖了西北太平洋(117°E~160°W, 15°N~65°N), 水平网格分辨率是可变的, 在117°E~160°E, 15°N~50°N区域内为1/10°×1/10°, 在160°E~160°W, 50°N~65°N区域内为1/6°×1/6°, 垂直分为54层, 最浅为1 m, 最深为6 300 m。本文使用该数据集的海表高度(sea surface height, SSH)数据, 时间从1982年至2015年, 共计34 a, 时间分辨率为1 d。
总体而言, FORA很好地再现了北太平洋西部海洋环流的基本特征, 而且在20世纪80年代没有高度计数据的情况下, FORA成功地再现了诸如黑潮大弯曲和黑潮延伸体的年代际变化[19], 与其他再分析数据集相比, FORA的空间分辨率更高, 时间长度更长, 使用的同化系统更先进[19-20], 该再分析数据集已被应用于研究西北太平洋环流和海气相互作用[21-26], 这促使我们利用该资料探讨日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关联性。类似AVISO资料, 我们使用FORA资料时, 也对其做了7 d平均预处理, 并将0.2 m SSH等值线定义为黑潮和黑潮延伸体流轴。
2 结果图 3给出了AVISO和FORA的海表高度气候平均态分布图, 它们具有相似的空间分布特征, 黑潮的流轴紧贴日本南部海岸, 黑潮延伸体有两个分别位于144°E和150°E的准稳定弯曲, 且流轴长度较短, 表明日本南部黑潮更多时间处于非大弯曲路径, 黑潮延伸体倾向处于伸展模态。
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| 图 3 黑潮流轴的气候态 Fig. 3 Climatology of the Kuroshio current axis 注: 白色线代表海面高度或海面动力地形等值线, 等值线间隔为0.1 m。对AVISO资料, 1.1 m ADT等值线对应黑潮流轴[图 3(a)红线]。对FORA资料, 0.2 m SSH等值线对应黑潮流轴[图 3(b)红线] |
为探究日本南部黑潮与黑潮延伸体状态变化的关系, 我们分别绘制了AVISO和FORA的日本南部黑潮路径指数[图 4(a)]和黑潮延伸体路径长度指数[图 4(b)]。日本南部黑潮路径指数定义为在138°E, 日本南部黑潮流轴所处的纬度值, 它能够很好地刻画日本南部黑潮的路径状态。当路径指数较小时, 黑潮处于大弯曲路径[图 4灰色带], 当路径指数在33附近, 黑潮处于近岸非大弯曲路径, 而当路径指数处于中间水平[约31.5(图 4(a)紫色虚线)~32.5(图 4(a)黑色虚线)]时, 黑潮处于离岸非大弯曲路径。黑潮延伸体路径长度指数定义为141°E至153°E范围内, 黑潮延伸体流轴的长度。它能够区分黑潮延伸体的伸展模态和收缩模态: 较小的路径长度指数对应伸展模态[小于1 628 km(图 4(b)紫色虚线(
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| 图 4 黑潮指数 Fig. 4 Path indices of the Kuroshio |
比较两个指数, 发现当日本南部黑潮路径指数显著偏小时, 黑潮延伸体路径长度指数也偏小, 如日本南部黑潮处于大弯曲路径时(图中灰色阴影范围), 这种对应关系十分明显。当日本南部黑潮路径指数偏大, 此时处于离岸非大弯曲, 黑潮延伸体路径长度偏长, 表明黑潮延伸体处于收缩模态。然而, 这种对应关系也有例外的情况, 例如1996—1997年, 日本南部黑潮路径指数偏大, 但此时黑潮延伸体路径指数偏小, 表明日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态之间的关系复杂, 需要更加定量化地分析。此外, AVISO与FORA两套资料的两种指数十分接近, 因此可以用更长时间的FORA资料代替AVISO资料进行定量分析。
为了进行定量分析, 本文参考Sugimoto等[16]给出的方法, 对黑潮的3种典型路径进行分类: 当黑潮流轴位于(32°N, 136°E), (33°N, 138°E)和(34°N, 140°E)以北时, 黑潮处于近岸非大弯曲路径; 当流轴位于(32°N, 136°E)以北和(33.5°N, 140°E)以南时, 路径被分类为离岸非大弯曲路径; 当流轴分布在136°E~137°E的区域的32°N以南时, 路径状态为大弯曲路径, 如果不属于这3种路径的, 将其分为“其他”类。图 5给出了上述分类方法得到的不同类型黑潮路径, 可见, 分类得到的3种路径状态的特征与前文所述一致, 表明本文所用的分类方法能够很好地区分其路径状态。利用FORA资料, 我们得到了日本南部黑潮处于三种不同路径状态的比例, 如表 1所示, 日本南部黑潮处于近岸非大弯曲路径、离岸非大弯曲路径和大弯曲路径的比例分别为14%, 49%和9%, 不难看出日本南部黑潮倾向处于离岸非大弯曲状态。
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| 图 5 基于FORA资料的日本南部黑潮路径状态分类 Fig. 5 Classification of the path states of the Kuroshio south of Japan based on FORA data 注: 黑线为7 d平均的黑潮流轴, 彩线为每类状态的流轴平均 |
| 近岸非大弯曲 | 离岸非大弯曲 | 大弯曲 | 其他 | |
| 数量 | 250 | 878 | 166 | 480 |
| 占比/% | 14 | 49 | 9 | 28 |
对于黑潮延伸体, 根据其路径长度指数所展现的特征, 我们作如下分类:
伸展态:
| $ p < \bar p - 0.1\delta , $ | (1) |
收缩态:
| $ p > \bar p + 0.1\delta , $ | (2) |
其中, p为141°E~153°E范围内的黑潮延伸体路径长度,
| 伸展态 | 收缩态 | 其他 | |
| 数量 | 1 006 | 638 | 130 |
| 占比/% | 57 | 36 | 7 |
为了定量地得到日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态之间的关系, 我们考察了当日本南部黑潮处于某一状态时, 黑潮延伸体所处的路径状态。统计结果表明, 当日本南部黑潮为近岸非大弯曲和大弯曲时, 黑潮延伸体处于伸展态的比例远大于其处于收缩态的比例, 两者比值约为2(表 3); 而当日本南部黑潮处于离岸非大弯曲路径时, 黑潮延伸体处于伸展态与收缩态的比例较为接近, 处于收缩态的比例稍大于处于伸展态的比例。
| 伸展态 | 收缩态 | 其他 | |
| 近岸非大弯曲 | 110(44%) | 61(24%) | 79(32%) |
| 离岸非大弯曲 大弯曲 |
283(32%) 87(52%) |
388(44%) 36(22%) |
207(24%) 43(26%) |
| 注: 括号内为同一黑潮路径状态下, 黑潮延伸体不同状态的占比 | |||
进一步, 从空间结构上看(图 6—图 8), 分类得到的黑潮延伸体的模态特征与前文所述一致, 例如, 分类为伸展态路径的两个准稳定弯曲可被清晰地观察到[图 6(a)、图 7(a)和图 8(a)], 路径更平直, 而分类为收缩态路径的两个准稳定弯曲是不清晰的[图 6(b)、图 7(b)和图 8(b)], 路径更曲折。当黑潮延伸体处于伸展态时, 流轴主要通过伊豆海脊北部的深水通道, 当其处于收缩态时, 流轴主要通过伊豆海脊南部的浅水通道, 这与前人的研究结果一致[27]。
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| 图 6 基于FORA资料的日本南部黑潮处于近岸非大弯曲时, 黑潮延伸体的路径状态 Fig. 6 Path state of the Kuroshio Extension when the Kuroshio south of Japan is in a nearshore non-large meander path state based on FORA data 注: 红色线的位置为伊豆海脊的位置 |
此外, 当黑潮处于离岸非大弯曲路径时, 黑潮延伸体处于伸展态和收缩态的比例接近, 根据黑潮流轴通过伊豆海脊的位置无法解释这一情况, 表明上述机制不能完全解释日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关系, 可能存在其他机制调制了两者之间的关联。
3 结论与讨论本文利用23 a(1993—2015年)的卫星高度计资料和34 a(1982—2015年)的再分析资料, 对日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关系进行了定量分析, 结果表明: 日本南部黑潮和黑潮延伸体的路径状态存在关联。当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲和大弯曲路径时, 黑潮延伸体处于伸展态的比例远大于其处于收缩态的比例, 两者比值约为2; 当日本南部黑潮处于离岸非大弯曲路径时, 黑潮延伸体处于伸展态和收缩态的比例接近, 处于收缩态的比例稍大于处于伸展态的比例, 这与前人的定性结论不同, 他们认为当黑潮处于离岸大弯曲路径时, 黑潮延伸体处于不稳定模态[27]。
黑潮流轴处于伊豆海脊的位置部分地决定了日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关联: 当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲路径和大弯曲路径时, 黑潮流轴主要经过伊豆海脊北部的深水水道, 此时黑潮延伸体更易形成伸展态。但是日本南部黑潮处于离岸非大弯曲路径时, 黑潮延伸体形成伸展态和收缩态的比例较为接近, 此时根据黑潮流轴处于伊豆海脊的位置难以解释上述关系, 可能存在其他机制调制了两者的关联。例如, 黑潮延伸体的路径状态变化还与位于其东部约160°W的SSH异常信号西传有关[14]。在未来的工作中, 我们将利用数值模式开展敏感性试验, 深入探讨日本南部黑潮和黑潮延伸体具有关联性的物理机制。
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