若干西边界潜流的气候态分布特征*

臧 楠,王 凡,吴德星

(1.中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室,山东青岛266071;2.中国科学院研究生院,北京100049;3.中国海洋大学物理海洋实验室,山东青岛266100)

若干西边界潜流的气候态分布特征*

臧 楠1,2,3,王 凡1,吴德星3

(1.中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室,山东青岛266071;2.中国科学院研究生院,北京100049;3.中国海洋大学物理海洋实验室,山东青岛266100)

“西边界潜流(WBUC)”是海洋环流中的重要现象,与表层环流相比,对次表层潜流的结构认识不足。本文利用SODA、OFES和ARGO资料,分析了北太平洋中的棉兰老潜流(MUC)和吕宋潜流(LUC)、南太平洋中的大堡礁潜流(GBRUC)和东澳大利亚潜流(EAUC)及南印度洋中的阿加勒斯潜流(AUC)的气候态空间分布特征,并且根据地转流反向的判据,分析WBUC的发生条件。

西边界潜流;温跃层;太平洋;印度洋

大洋环流是海盆尺度上海水的持久流动,是海洋中质量、热量输运的主要通道,对全球气候变化有重要影响。近几十年来的大量观测显示,大洋环流的垂直结构并非像传统认识的那样单一,在其下方往往存在与之反向的次表层潜流,这些潜流一般分布在西边界,或者在西边界处加强,称为“西边界潜流(WBUC)”。与表层环流相比,对WBUC的结构和形成机制认识不足,因此利用不断更新的各种实测数据和高分辨率同化数据,研究次表层潜流的分布特征和形成机制,对于大洋环流理论的进一步发展具有重要的科学意义。

太平洋北赤道流(NEC)到达海洋西边界后分叉形成北向的黑潮(KC)和南向的棉兰老海流(MC)[1-2]。在KC,MC下方分别存在吕宋潜流(LUC)和棉兰老潜流(MUC)。MUC是在1990年代由我国科学家发现的[3-6],多年平均最大速度大于10 cm/s。MUC位于200 db以下,具有多个中心,垂直尺度为500～1 000 m,水平尺度为100～250 km。MUC基于1 500 db的体积输运为6.2～28.4 Sv(平均为14.4 Sv),基于3 000 db的体积输运为15.4～43.9 Sv(平均为25.4 Sv)。多年平均的MUC基于1 500 db的体积输运为5.9 Sv,基于3 000 db的体积输运为8.7 Sv。MUC携带的部分海水分别来源于2个水团,即南太平洋副热带水和南极中层水。新几内亚沿岸潜流携带这2种水跨越赤道汇入MUC,即而通过130°E汇入北赤道潜流NEUC[7-12]。

曲堂栋等[13]通过分析1986—1991年吕宋岛东部区域的14个水文断面得到黑潮向岸一侧的下方存在次表层逆流,即LUC。LUC位于500 m以下,大约50 km宽。尽管LUC在速度和强度上有变化,还是可以认为它是1种持续的海洋现象。计算基于2 500 db的地转流发现,LUC在700 m左右存在最大速度为7 cm/s,地转流体积输运为3.6 Sv,其中大约28%的体积输运来自低盐的北太平洋中层水(NPIW)。王凡等[9]通过分析18°N附近断面的CTD资料得到LUC多年平均的基于1 500 db的体积输运为4 Sv。

南赤道流在澳大利亚东海岸分叉形成南向和北向边界流[14-15],南向分支汇入东澳大利亚海流(EAC)。Church等[16]利用1980—1981年大堡礁附近的航次资料分析大堡礁附近的海流情况,发现在表层存在很大的南向海流,而在300～900 m深度处存在北向的潜流。这支潜流存在双核结构,而且在冬季较强。曲堂栋等[15]通过分析澳大利亚和巴布亚新几内亚沿岸的历史水文资料,发现大堡礁潜流(GBRUC)的起源点在22°S附近,位于EAC下方,GBRUC向北流动,在15°S附近汇入北昆士兰海流。在澳大利亚以东海域,除了GBRUC,还有科学家发现其他逆流。Godfrey等[17]分析航次断面资料发现在EAC下方近底部存在北向逆流,流速大约为0.6～1.0 m/s。Mata等[18]通过分析世界海洋环流试验中的的30°S断面的海流数据发现,EAC是1支狭窄的南向强流,中心速度达到60 cm/s,在其下方2 500 m以下存在1支反向的逆流,流量为3.2 Sv。

阿加勒斯海流(AC)是南印度洋副热带流涡的西边界流。1995年3月,利用LADCP(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler)对AC开展了第1次全深度海流观测。在这次观测中发现在AC下方存在1支深层逆流,即AUC[19-22]。在32°S处发现AUC携带北大西洋深层水和南极中层水向北输运,这说明西边界在印度洋深层水的流通方面占有很重要的地位。据估算,AUC驱动了印度洋40%的反转流[23]。为了更深入的研究AUC的变化形态及形成机制等问题,2003年2～3月在南非东海岸29°S～37°S范围内开展大规模船载观测项目阿加勒斯潜流试验(AUCE)。在此次观测中,利用高分辨率的CTDO和LADCP在30°S,32°S,34°S和36°S 4个断面进行观测,其结果表明AUC并非沿着非洲大陆沿岸连续地向东北方向流动。在36°S和32°S可以清楚地观测到AUC,而在34°S变得比较弱,在30°S处AUC变得远离海岸。

由此可以看出,在以往的研究中由于资料的限制,只是通过1个或几个断面来研究潜流的分布特征,对各潜流的分布特征没有系统的认识。本文利用3种资料系统的分析世界各海域潜流的发生的空间分布特征,并利用地转流发生反向的判据来分析WBUC产生的必要条件。

1 数据

所用到的数据包括:(1)SODA1.4.3(The Simple Ocean Data Assimilation)数据集中2000—2004年的平均海流数据。(2)OFES(Ocean General Circulation Model for the Earth Simulation)资料中模式计算的第46～第50年的平均海流数据。(3)ARGO(A rray for Real-time Geostrophic Oceanographic)浮标资料,本文中利用所需区域的ARGO浮标资料的温度和盐度来计算地转流。

2 菲律宾以东海域潜流的气候态分布

图1(a)(b)(c)分别给出了SODA资料在菲律宾以东海域(120°E～150°E,5°N～20°N)范围内5、500和1 000 m平均流场。由5 m流场看出,NEC在12°N附近的西边界分叉,形成向北的KC和向南的MC。随着深度的加深,到了500 m左右在棉兰老岛东侧128°E～130°E处出现与上层海流方向相反的潜流MUC,MUC在9°N和12°N附近转向东并分成2支,汇入NEC下方的2支并行向东流的NEUC。到了1 100 m左右,吕宋岛东侧122°E～124°E处出现LUC,而MUC也有向岸的趋势,限制在127°E以西的范围,两者在12°N附近相遇,然后转向东汇入NEUC。随着深度的加深,NEUC的北侧分支流轴向北偏移。图1(d)(e)(f)给出OFES资料的流场分布,由于OFES数据分辨率较高,流场中的涡结构比较明显,除了在棉兰老岛沿岸可以看到逆向的潜流外,在500和1 000 m层棉兰老岛东侧可以看到2个反气旋涡,2涡的中心分别位于5.6°N,128.4°E和10.4°N,127.8°E。北侧的反气旋涡与丁宗信等[24]提到的萨马(Sama)涡位置比较相近。

图1 菲律宾以东海域流场分布Fig.1 Currents distribution in the east of the Philippines

图2是8°N和18°N附近的ARGO断面分布。图3(a)(b)分别给出SODA资料和OFES资料在8°N断面的经向流速,图3(c)给出的是利用ARGO资料计算出的8°N断面的地转流。从图3中可以看出,在表层均为南向的海流,而在其下方,均出现与上层流向相反的北向流。在SODA数据中(见图3(a)),向南的MC主要位于600 m以上,最大流速达到94 cm/s;从600 m以下出现北向次表层潜流MUC,中心位于127°E附近,深度为1 000 db,最大速度达到14 cm/s;MUC基于1 500 m的体积输运为13.8 Sv。在OFES数据中(见图3(b)),向南的MC主要位于500 m以上,最大流速达到113 cm/s。在MC下方存在反向的MUC,中心位于128.8°E、600 db,最大流速接近4 cm/s;M UC基于1 500 m的体积输运为1.1 Sv。图3(c)给出8°N断面以1 500 m为基准面计算的地转流,向南的MC主要位于200 m以上,最大流速达到156 cm/s;从200 m以下出现北向次表层潜流MUC,有2个中心分别位于128°E和129.5°E,深度为800 m,最大速度达到19.5 cm/s;MUC基于1 500 m的体积输运为9.17 Sv。

图4(a)(b)分别给出SODA资料和OFES资料在18°N断面的经向流速,图4(c)给出的是利用ARGO资料计算出的18°N断面的地转流。图4(a)为SODA资料在18°N处的经向流速,可以看出,122.5°E～124°E范围内有1支狭窄的北向流——黑潮(KC),深度达到700 m,中心位于123°E,最大流速达到61 cm/s。在靠近吕宋岛的狭窄地带有1支南向次表层潜流,它出现在700 m以下,中心位于1 000 m左右,最大流速为5 cm/s;LUC基于1 500 m的体积输运为4.48 Sv。在OFES资料中(见图4(b)),KC位于122.5°E～124°E之间,深度达到500 m,中心位于122.5°E,最大流速达到80 cm/s。在KC下方存在南向的LUC,有2个中心分别位于1 000 m、123.5°E左右,中心流速近2 cm/s;LUC基于1 500 m的体积输运为0.53 Sv。图4(c)为18°N处的ARGO资料计算的地转流剖面(1 500 m为基准面),可以看出,KC位于123°E～124.5°E的狭窄范围内,深度达到800 m,中心位于123.5°E,最大流速达到104.4 cm/s。在靠近吕宋岛的狭窄地带有1支南向次表层潜流,它出现在400 m以下,中心位于600 m左右,最大流速为21 cm/s;LUC基于1 500 m的体积输运为0.64 Sv。

图2 (a)8°N;(b)18°N附近ARGO断面分布Fig.2 ARGO sections distribution nearby(a)8°N,(b)18°N

图3 8°N断面的经向流速Fig.3 Meridional velocity in 8°N section

图4 18°N断面的经向流速Fig.4 Meridional velocity in 18°N section

3 澳大利亚以东海域潜流的气候态分布

图5(a)～(d)给出SODA资料在澳大利亚东部海区5、500、1 000和3 000 m层的气候态平均流场。从5 m层流场可以看出,南赤道流(SEC)在澳大利亚东岸15°S附近分叉,分为向北的北昆士兰海流(NQC)和向南的东澳大利亚海流(EAC)。NQC在到达巴布亚新几内亚沿岸后通过托雷斯海峡转向西汇入阿拉弗拉海。EAC沿着澳大利亚海岸一直向南,在30°S附近流速达到最达,最达流速超过40 cm/s。到了500 m层,23°S附近出现1支北向的次表层海流,沿着澳大利亚陆坡经过大堡礁抵达巴布亚新几内亚沿岸转向东,汇入新几内亚沿岸潜流(NGCUC),这支海流就是大堡礁潜流(GBRUC)。在1 000 m层,这支次表层流依然存在,而且在SEC下方15°S附近出现东向的逆流。在3 000 m层,由于地形的影响,海流局限在几个不连续的部分,而且流型比较杂乱,可以看出在30°S附近有向北的流动。图5(e)～(h)给出的是OFES资料在各层的流场,总体形态与SODA数据相似,只是数值较SODA数据为大。

图5 澳大利亚以东海域流场分布Fig.5 Currents distribution in the east of the Australian

由于在18°S和30°S附近的ARGO断面较少,且深度太浅,没有给出ARGO数据的断面地转流。图6分别给出SODA和OFES数据在18°S断面的经向速度。从图6(a)以看出,在400 m以上存在1支南向的海流——EAC,最大流速为17 cm/s;400 m以下是向北的海流——GBRUC,有2个中心,分别位于147.5°E和149°E,最大流速为2 cm/s。图6(b)给出OFES资料18°S断面经向流,300 m以上为南向的EAC,中心流速为24 cm/s;300 m以下为北向的GBRUC,中心位于500 m左右,中心速度为11 cm/s。

图6 18°S断面的经向流速(a)SODA,(b)OFESFig.6 Meridional velocity in 18°S section(a)SODA,(b)OFES

图7给出2种数据在30°S断面的经向速度。在SODA数据中(见图7(a)),南向的EAC主体存在2 000 m以上,最大流速为42 cm/s;在3 500 m左右近岸的地方存在极弱的北向海流,流速在0.01 cm/s左右;EAC下方潜流的体积输运为0.08 Sv。在OFES数据中(图7(b)),EAC主体在2 000 m以上,中心位于154°E,中心流速为73 cm/s。在EAC下方出现的反向逆流,有2个中心,一处位于154.1°E附近,流速大约为0.7 cm/s;一处位于155°E附近,流速大约为4 cm/s;EAC下方潜流的体积输运为0.48 Sv。

图7 30°S断面的经向流速Fig.7 Meridional velocity in 30°S section

4 阿加勒斯潜流的的气候态分布

由于SODA资料分辨率较低,对AUC的表现不明显,所以本节只使用了OFES资料分析AC及AUC的分布特征。图8给出了OFES西南印度洋非洲南部沿岸流场。从5 m层流场可以看出,在非洲南部沿岸存在1支向西南方向流动的海流——阿加勒斯海流(AC),这支海流平均流速为90 cm/s左右,最大速度超过140 cm/s(见图8(a))。从2 000 m层流场可以看出,从36°S开始在岸边出现东北向逆流,这支逆流沿着非洲南部沿岸向东北方向流动,在34°S处变弱,然后逐渐增强,在30°S附近转向东。这支逆流速度较小,平均流速仅为2 cm/s左右。

图8 西南印度洋的流场分布(OFES资料)Fig.8 Currents distribution in the southwest Indian Ocean(from OFES data)

图9给出了OFES资料在31°S、33°S和35°S断面的流速。由流速的分布来看,向西南向流动的AC主要位于1 700 m以上,3个断面最大流速分别为117、131和83 cm/s;从1 500 m以下出现北向次表层潜流AUC,中心位于2 000 m左右,中心流速均大于2 cm/s。AUC在3个断面基于底部的体积输运分别为1.61、1.87和2 Sv。

5 西边界潜流的形成原因

在以往的研究中,基于1个考虑上层(混合层)、中层(温跃层)和深层(密度近似均匀)情形的简单的2维概念模式,得到温跃层倾斜导致地转流逆转的判据[9]。此判据为:

其中,Δρ=ρ2-ρ1,ρ1为上层密度,ρ2为下层密度,η为海表面高度,h为温跃层深度,η′和h′分别为海表面高度和温跃层深度的梯度。这个判据的意义是当海表面高度梯度和温跃层深度梯度的方向相反,且后者的倾斜达到一定程度时,下层地转流发生反转,与上层地转流反向。下面计算此判据在各海域的分布情况。

图10分别给出根据SODA和OFES资料计算的菲律宾以东海域的判据情况。从图10(a)可以看出,同时满足2个判据区域可分为3部分:第1部分在吕宋岛沿岸,占据15°N～20°N区域;第2部分位于8°N～12°N,128°E～150°E的狭长区域;第3部分从棉兰老岛沿岸开始,沿西边界向北至10°N附近,接着转向东并入第2部分。图10(b)给出的满足2个判据的区域与SODA数据的计算结果相似,只是更为细节化,这与数据的分辨率有关。从SODA和OFES数据对这个海域的判据情况来看,同时符合2个判据的区域与潜流的发生区域基本重合。

图10 菲律宾以东海域符合2个判据的区域Fig.10 The superposition region of two criterions in the east of the Philipines

图11分别给出根据SODA和OFES数据计算的澳大利亚以东海域的判据情况。从图11(a)可以看出,同时满足2个判据的区域主要存在于澳大利亚沿岸、新几内亚沿岸以及澳大利亚以东的部分海域。从图11(b)可以看出,同时满足2个判据的区域包括3个部分:第1部分在15°S附近沿着SEC的路径到达澳大利亚沿岸,并向北弯曲,在到达巴布亚新几内亚沿岸后沿着岸边向西北延伸;第2部分从15°S开始沿着澳大利亚东边界向南延伸,直到35°S附近。从2种数据的结果来看,同时满足2个判据的区域主体比较清晰,基本上与澳大利亚以东海域存在潜流的区域重合,只是在澳大利亚东岸25°S～35°S之间没有发现清晰潜流的区域也满足判据。

图12给出根据OFES数据计算的澳大利亚以东海域的判据情况。从图12可以看出,同时满足2个判据的区域分为2部分:第1部分为沿着非洲东岸延伸的狭长区域,此区域基本上与AUC的发生区域重合;第2部分包括非洲东南的部分海域,在此区域内,满足2个判据的点呈现不规则分布,这大概与此海域内的复杂海流有关。

从计算结果来看,潜流的发生海域均符合2个判据,由此推出,由于海表面高度与温跃层的倾斜引起的下层地转流与上层地转流反向,能够导致WBUC的发生。

图11 澳大利亚以东海域符合2个判据的区域Fig.11 The superposition region of two criterions in the east of the Australian

图12 西南印度洋符合2个判据的区域(OFES数据)Fig.12 The superposition region of two criterions in the southwest Indian Ocean(OFES data)

6 结论

根据3种数据的分析结果,能够清晰的看到的潜流有北太平洋的M UC和LUC,南太平洋的GBRUC和南印度洋的AUC。Godfrey等[17]提到的EAC下方近底部的逆流在此次的数据分析中没有看到;M ata等[18]提到EAC下方2 500 m存在逆流,在SODA和OFES数据的30°S断面中均有显示,但是位置和强度有所出入。

在北太平洋,SODA数据的分析结果与以往得到的结论[7-9,13]较为相似:MUC出现在600 m以下,中心位于127°E附近,深度为1 000 db,最大速度达到14 cm/s,基于1 500 m的体积输运为13.8 Sv;LUC位于靠近吕宋岛的狭窄地带,它出现在700 m以下,中心位于1 000 m左右,最大流速为5 cm/s,基于1 500 m的体积输运为4.48 Sv。OFES数据由于分辨率较高,流场中涡结构比较明显,断面流速和体积输运均偏小。ARGO数据断面结构与SODA数据相似,但是由于断面较少(在靠近岸边的地方没有数据),其结果与SODA相比较量值较小。

在南太平洋,SODA数据得到的结果:GBRUC位于400 m以下,有2个中心,分别位于147.5°E和149°E,最大流速为2 cm/s,基于底部的体积输运为0.9 Sv。OFES数据得到的结果:北向的GBRUC出现在300 m以下,中心位于500 m左右,中心速度为11 cm/s;GBRUC基于底部的体积输运为4.48 Sv。2种数据结果中,SODA数据结果与以往的结果较为接近[15-16]。

在南印度洋,由于SODA数据分辨率较低,没有显示出AUC的相关结果。OFES数据得到的流场结构与2003年的阿加勒斯潜流实验(AUCE)的结果(36°S和32°S处AUC明显,34°S处较弱,30°S处开始离岸)相似。3个断面结果为:AUC位于1 500 m以下,中心在2 000 m左右,中心流速均在2 cm/s左右;AUC在3个断面基于底部的体积输运分别为1.61、1.87和2 Sv。

关于潜流的形成原因,本文计算了地转流发生反转的判据在各研究海域中的分布情况。从结果来看,潜流的发生海域均符合2个判据。由此推出,由于海表面高度与温跃层的倾斜引起的下层地转流与上层地转流反向,能够导致WBUC的发生。而有些区域符合2个判据而并未发生潜流,这说明地转流反向的判据是必要条件,而非充分条件,WBUC产生的其它机制,还需要进一步的研究。

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The Climatological Distribution of Several Western Boundary Undercurrents

ZANG Nan1,2,3,WANG Fan1,WU De-Xing3
(1.The Key Laborato ry of Ocean Circulation and Waves,Chinese Academy of Science,Qingdao 266071,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Lab of Physical Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

The western boundary undercurrent is an important phenomenon in the ocean circulation,and there was less know ledge about the undercurrents than the surface currents.The climatological distribution of several undercurrents,including M indanao Undercurent,Luzon undercurrent,Great Barrier Reef undercurrent,East Austrilian undercurrent and Agulhas Undercurrent,were analyzed using the SODA,OFES and ARGO data.The emergence of the subsurface countercurrents is tightly associated with the opposite ho rizontal gradients of sea surface height and the dep th of the thermocline.

western boundary undercurrent;the thermocline;the Pacific Ocean;the Indian Ocean

P731.27

A

1672-5174(2011)09-001-08

国家自然科学基金项目(40576016)资助

2010-09-15;

2011-03-03

臧 楠(1980-),女,博士后。E-mail:zangnan@ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻