台湾东北附近海域是东海黑潮与陆架水体进行水交换最显著、最核心的海域(Liu et al, 2014; Yuan et al, 2015), 同时也是东海陆架上多支黑潮分支流的生成源地(Yang et al, 2011, 2012, 2018a)。黑潮在台湾东北入侵东海陆架的过程对整个东海的环流结构(Wang et al, 2016; Yang et al, 2018b)、气候(Chow et al, 2015)、营养盐输入(Li et al, 2014; Kodama et al, 2015; Lian et al, 2016; Zhou et al, 2018)、生态环境(宋金明等, 2017;杨德周等, 2017; Zhao et al, 2019)等诸多方面都有着显著的影响, 因此研究台湾东北局地海域黑潮入侵东海陆架强度的变化规律对理解和预测东海海洋环境的变化具有重要意义。

黑潮在台湾东北入侵东海陆架的特征存在显著的季节性差异(Liu et al, 2016), 并且伴随着明显的季节内变化(Yin et al, 2017)。Yang等(2011, 2012, 2018a)通过数值模拟研究给出了夏季黑潮在台湾东北入侵东海陆架分支流的三维偏转结构模型, 并提出地形β-spiral理论合理地解释了该模型; Oey等(2010)通过数值模拟研究提出陆架水的冷却会导致台湾东北黑潮在冬季形成一支强的反气旋式入侵分支流。Liu等(2014, 2016)则通过卫星高度计数据反演了台湾东北黑潮入侵陆架冬夏季流态的变化, 并结合海表漂流浮标提出了黑潮在台湾东北入侵东海陆架的两条典型路径, 夏季以东部入侵路径为主, 而冬季则以西部入侵路径为主。Yin等(2017)、Vélez-Belchí等(2013);程建婷等(2017)的研究则揭示台湾以东抵达的中尺度涡旋会使黑潮主体发生显著变化, 并进一步导致台湾东北黑潮入侵东海陆架发生明显改变。

已有的针对台湾东北附近海域黑潮入侵陆架的研究以数值模拟研究和海洋要素的大面走航观测或卫星海表观测研究为主, 如Oey等(2010)、Yang等(2018a)利用数值方法研究了台湾东北黑潮季节性入侵流态的相关机制, 赵瑞祥等(2014)、Wang等(2016)、Zhou等(2018)利用陆架上海洋要素的大面观测数据研究了黑潮次表层水入侵东海陆架的变化规律, Liu等(2014, 2016)利用卫星观测数据和海表漂流浮标数据研究了台湾东北黑潮入侵陆架的特征及其变化规律, 而台湾东北附近海域持续的定点流速观测则较少, 少数布放在台湾东北陆坡上深度超过120m的多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)持续流速观测均未能超过116d(Chuang et al, 1993; Tang et al, 2000; Wong et al, 2000; Yin et al, 2017)。因此, 本文利用台湾东北陆坡附近海域持续一年的现场深水流速观测数据并结合美国海军混合坐标海洋模式(Hybrid Coordinate Ocean Model, HYCOM)分析数据分析总结台湾东北黑潮入侵东海陆架强度的变化规律具有创新性, 也可为后续的台湾东北黑潮入侵陆架变化规律的相关研究提供可靠的观测证据和HYCOM分析数据的验证。

1 数据 1.1 现场测流数据

2017年5月23日—2018年5月19日, 搭载在深海锚系浮标上的一套ADCP记录了台湾东北陆坡上483.5m水深处至海表垂直剖面的水平流速数据。布放位置如图 1所示, 坐标为25.51°N, 122.59°E, 台湾东北陆坡的西段主体(D2—D3)与正东向的夹角约为30°(台湾东北陆坡在D3点附近由东北-西南走向转折为纬向, 黑潮入侵陆架的东(西)部路径则位于D3点东(西)侧), 图 2中沿陆坡和跨陆坡的流速均通过该角度换算得到。观测站点实测水深621m, 观测时间持续1a, 流速数据的采样时间精度为1h, 垂直采样精度为8m, 垂直方向共记录了62个数据层。离海表最近的6个数据层由于受到海表反射信号的干扰, 在我们的数据预处理中已被剔除。为了研究台湾东北陆坡附近黑潮入侵陆架的平均流特征, 本文对现场流速观测数据进行了36h的低通滤波处理, 去除了主要的潮汐信号和其它高频信号。

1.2 卫星高度计数据

本文采用的网格化卫星高度计数据集融合了全球主要海洋动力卫星的观测数据, 数据时间分辨率为1d, 空间分辨率为0.25°×0.25°。本文利用潜标观测时间段内台湾东北附近海域的海表动力高度数据计算了台湾东北黑潮流量和黑潮主轴位置, 并提取了测站点处地转流速异常的旋度等相关信息。

其中, v_g为选取断面的法向地转流速, v_ga为地转流速异常, x_w为断面最西侧坐标, x_E为断面最东侧坐标, KVT为ETC断面黑潮流量, X为NL断面黑潮主轴位置, V_ga curl则为地转流速异常的旋度。

1.3 分析数据

HYCOM分析数据集是目前物理海洋学领域常用的海洋分析数据之一, 该数据集是基于HYCOM数值模式的输出结果采用美国海军耦合海洋资料同化系统(Navy Coupled Ocean Data Assimilation, NCODA)融合了卫星观测数据, 海表漂流浮标, Argo浮标, 定点观测数据等多种海洋观测资料得到的分析数据产品, 数据时间分辨率为1d, 空间分辨率为0.08°×0.08°。本文利用ADCP现场观测期间的HYCOM分析数据提取了观测站点处的流速剖面数据, 计算了黑潮在台湾东北跨越200m等深线入侵东海陆架的水体输运量, 并与现场观测的入侵强度进行了对比分析和研究。HYCOM分析数据在观测站点处跨陆坡和沿陆坡的流速剖面随时间的变化如图 2c和图 2d所示, HYCOM分析数据能较好地反映观测时间段内台湾东北黑潮跨陆坡入侵强度(图 2、图 3)和沿陆坡西南向流动的陆坡逆流(Tang et al, 2000)的变化。

2 黑潮入侵东海陆架强度的变化

观测站点处黑潮跨陆坡方向流速剖面的时间序列记录了黑潮入侵陆架强度(跨陆坡方向流速v_c的垂直积分)的变化, 同时, 沿陆坡方向流速剖面的时间序列则记录了台湾东北陆坡西段(D1—D3)次表层自北棉花峡谷沿陆坡西南向流动的陆坡逆流(Tang et al, 2000; Hsu et al, 2018)的变化。由于本文主要讨论黑潮在台湾东北跨陆坡入侵强度的变化, 因此对次表层准稳定存在的台湾东北陆坡逆流不作展开讨论。

黑潮在观测站点处以及台湾东北陆坡西段的跨陆坡入侵强度存在显著的季节变化特征。2017年6月—2017年10月, 观测站点处黑潮跨陆坡入侵强度明显弱于2018年11月至2018年4月的入侵强度, 表现出显著的冬强夏弱的特征。如此显著的季节特征主要与台湾东北黑潮入侵流态的转变有关, 夏季黑潮主轴偏东, 黑潮在东部(西部)陆坡的跨陆坡入侵较强(较弱), 而冬季黑潮主轴偏西, 黑潮在西部(东部)陆坡的跨陆坡入侵较强(较弱)(Liu et al, 2014, 2016)。因此, 观测站点处由观测数据、分析数据分别提取的黑潮跨陆坡入侵强度(图 3)和由分析数据计算的台湾东北陆坡西段黑潮跨陆坡入侵强度(跨越200m等深线断面水体输运的垂直积分)均呈现出显著的冬强夏弱的特征, 与之相反的是, 陆坡东段则呈现出显著的夏强冬弱的特征(图 4)。

与前人的研究对比, 本文对陆坡西段黑潮跨陆坡水体输运季节变化的定量研究结果(图 3、图 4)与黑潮表层水入侵陆架强度的季节变化特征较一致, 但是与黑潮次表层水入侵陆架强度的季节变化特征相反。针对台湾东北黑潮入侵陆架强度的季节变化特征, 赵瑞祥等(2014, 2015)通过研究总结表层漂流浮标轨迹以及东海陆架上各季节大面观测的温盐分布特征后提出:黑潮表层水体侵入东海陆架在秋冬季较强, 春夏季较弱, 而黑潮次表层水体侵入东海陆架在夏季最强, 冬季最弱。Liu等(2014)的数值研究结果也表明夏季黑潮在台湾东北陆坡西段主要表现为次表层水体的入侵, 但这并不意味着夏季台湾东北陆坡西段次表层的黑潮跨陆坡水体输运要强于冬季, 夏季陆坡西段黑潮分支流的强度相比于冬季强的反气旋式分支流(Oey et al, 2010)仍然较弱(Liu et al, 2014)。本文将台湾东北陆坡西段这一关键区域作为整体从水体输运的角度研究了黑潮跨陆坡入侵强度的季节变化, 对黑潮水体跨越陆坡后在陆架上的分布以及黑潮水体更深入入侵陆架的机制没有展开研究。此外, 夏季台湾东北陆坡西段附近还存在有待深入研究的海洋现象和流速结构, 如台湾东北冷水块(Cheng et al, 2009), 台湾东北陆坡逆流(Wu et al, 2008)等, 定量研究并解释这些结构的变化对于理解此处黑潮入侵强度的季节变化也很重要, 但还有待更深入研究工作的开展。

除了季节特征, 黑潮在观测站点以及陆坡西段的入侵强度还显示出显著的季节内变化, 如夏季7月发生的观测站点处及陆坡西段黑潮入侵显著增强的事件, 冬季1月上旬发生的观测站点处及台湾东北陆坡西段黑潮入侵显著减弱的事件(图 3、图 4)。在这些显著事件期间, 台湾东北陆坡西段与东段入侵陆架的强度均表现出较好的负相变化, 两者10天低通滤波时间序列的相关系数达到-0.67(图 4), 显示出黑潮强入侵区段的显著季节内变化。进一步的数据分析结果则显示, 陆坡西段观测站点处观测的跨陆坡入侵强度的季节内变化特征与台湾东北黑潮主轴位置的变动具有一致性(图 5)。Yin等(2017, 2019b)的研究表明, 台湾以东抵达的大洋中尺度涡旋会对黑潮主轴及黑潮流量产生显著影响, 气旋式涡旋显著减弱黑潮流量, 并使得台湾东北黑潮主轴西移, 反之, 反气旋式涡旋显著增强黑潮流量, 并使得台湾东北黑潮主轴东移, 进而影响黑潮在台湾东北的入侵变化; 需要指出的是, 台湾东北黑潮主轴位置的显著摆动也会受其它多种因素的影响, 如过境的台风(Sun et al, 2009; Zheng et al. 2014)等。在本次台湾东北持续一年的定点深水观测中, 黑潮入侵陆架强度显著的季节内变化均在台湾东北黑潮主轴位置的摆动中得到较好的体现, 两者10天滑动平均时间序列的相关系数达到-0.58(图 5)。

对观测站点处持续一年观测的黑潮跨陆坡入侵强度的时间序列进行谱分析(图 3), 结果显示, 入侵强度存在显著的10d、15d以及20d左右的短周期信号。其中10d的信号多见于东海黑潮的观测中, 是东海黑潮斜压不稳定波动的特征信号(James et al, 1999)。15d左右的周期信号则主要体现了在数据预处理中未被滤掉的太阴-太阳半月分潮(MSf, 14.765d)信号, 在本文的结论部分对该信号不再作特别说明。20d的信号则与观测站点处地转流速异常的旋度有关, 以往的研究表明, 台湾东北附近海域是东海两个涡动能集中的区域之一(Qin et al, 2015), 并且台湾东北涡旋的短期变化比较显著(Cheng et al, 2009; Yin et al, 2019a), 观测站点处黑潮跨陆坡入侵强度20d左右的信号在观测站点处地转流速异常旋度的时间序列中有同样的信号出现(图 3c), 因此, 可以合理推断, 观测站点处黑潮跨陆坡入侵强度20d左右的周期信号主要体现了台湾东北局地涡旋的短期变化。

3 结论

持续一年的ADCP现场深水观测数据和经过验证的HYCOM分析数据均显示台湾东北黑潮入侵东海陆架的强度存在显著的季节和季节内变化。夏半年(5—10月), 黑潮在台湾东北陆坡西段的入侵较弱, 陆坡东段的入侵则较强; 冬半年(11—4月), 台湾东北陆坡西段的入侵显著增强, 而东段的入侵则显著减弱, 台湾东北黑潮入侵陆架的季节内变化也基本满足东西段陆坡黑潮入侵强度的负相关系。黑潮在台湾东北观测站点处的跨陆坡入侵强度随着台湾东北黑潮主轴位置的摆动而发生变化, 黑潮主轴东移则黑潮在台湾东北陆坡西段及观测站点处的入侵减弱, 陆坡东段的入侵加强; 反之, 黑潮主轴西移则黑潮在台湾东北陆坡西段及观测站点处的入侵增强, 陆坡东段的入侵减弱。

黑潮在观测站点处跨陆坡入侵东海陆架强度的时间序列还显示出显著的10d, 20d左右的短周期信号。其中10d的信号可由东海黑潮的斜压不稳定波动解释, 而20d左右的周期信号则与观测站点处地转流速异常所对应的涡旋过程关系密切。值得一提的是, 黑潮在观测站点处跨陆坡入侵东海陆架强度20d以内的短周期信号在HYCOM分析数据中也有类似的分布特征(不考虑潮汐信号), 但信号强度偏弱。

致谢 本文用到的HYCOM分析数据可通过HYCOM官方网站https://hycom.org/下载, 卫星高度计数据可通过AVISO官方网站http://www.aviso.cnes.net下载, 海底地形数据可通过NOAA网站https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html下载, ADCP现场测流数据的获取则由自然资源部第一海洋研究所船队的东海共享航次(航次编号: NORC2017-02 & NORC2018-01)完成, 在此, 对上述机构及参与各观测航次的船员表示感谢。杨兵博士, 胡放, 赵新华, 王凯等也全程参与了各个航次潜标的回收与布放工作, 一并表示感谢！此外, 也要感谢专家老师在审稿过程中提出的意见和建议, 相关审稿意见和建议对本文的修改和完善起到了重要作用, 于楠也参与了本文格式的编辑和修改, 十分感谢！