西北太平洋环流和海温数值模拟

沈 淇， 朱建荣， 端义宏， 孙明华

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.国家气象中心，北京 100081）

西北太平洋环流和海温数值模拟

沈 淇1， 朱建荣1， 端义宏2， 孙明华2

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.国家气象中心，北京 100081）

基于Ecom-si建立了一个西北太平洋海洋数值模式，综合考虑了侧边界通量、海表面风应力、热通量、蒸发和降水等因素，模拟并分析了西北太平洋环流和海温的基本特征.模式验证结果表明，模式计算的海温与日本2008年西北太平洋实测温度走航断面资料吻合良好.模式再现了低纬度海区表层自东向西流动的北赤道流、强西边界流黑潮、东海的台湾暖流和对马暖流、黄海沿岸流和黄海暖流等.数值模式还较好地模拟出了西北太平洋、南海、东海和黄海的海温分布.

西北太平洋； 海温； 海流； 数值模拟

0 引 言

西北太平洋海洋环流和表层温度在经向热输送和气候变化中起着重要的作用，尤其对于我国气象异常和气候变化至关重要［1］.长久以来，诸多学者对西北太平洋环流和海温以及其动力机制进行研究.从20世纪60～70年代，黑潮联合调查开始，人们对西北太平洋环流进行现场调查.到20世纪80年代到90年代，越来越多的国家主持和参与西北太平洋海域调查研究，并取得显著成果.Fine等［2］通过实测资料研究得到了比较完整的热带西北太平洋环流图，是对过去关于热带西北太平洋海流环流研究结果的良好概括.但是，由于观测研究的局限性，很难在大范围上对西北太平洋进行系统的研究.随着计算机速度和容量的大幅增加及计算技术的发展，用数值计算预测海洋环流变异已成为一种十分重要的研究手段.近年来，已有不少学者对西北太平洋环流进行数值模拟.刘秦玉应用绝热表层风海流模式，以COADS资料对北太平洋风海流季节变化进行了数值模拟，其研究结果表明西边界流冬、春季强，夏、秋弱等特点［3］.许东峰等对1997年夏季西北太平洋环流进行模拟，应用MOM2模式计算了西北太平洋的环流［4］.其研究表明，黑潮在台湾以东并不存在东分支流流向琉球群岛以东海域；约在冲绳岛西南分为3支，主要分支转向东北沿冲绳岛以东海域向东北流去.沙文钰应用POM海洋模式对环台湾岛海域冬夏两季海流情况进行数值模拟，结果表明，台湾暖流同时来源于台湾海峡和黑潮在台湾东北方的一个北上分支，且后者的成分略大［5］.陈义中应用ECOM海洋模式对黄海东海环流和长江冲淡水季节连续变化进行了数值模拟，模拟结果表明，在秋、冬季节，黑潮的入侵是以表、中层水为主；在春、夏季节，黑潮的入侵以底层为主［6］.虽然不少学者对西北太平洋各种环流情况进行模拟研究，但较少有学者针对西北太平洋温度变化进行模拟研究.目前应用较为广泛的海洋模式较多，都为对海洋原始运动方程组作有限差分的数值模式.按垂向坐标系划分，有取z坐标的MOM、HAMSOM、MITgcm等，取等密度面坐标的MICOM、HIM等，取能拟合海底地形σ坐标的ECOM和POM等，还有取混合坐标的HYCOM.本文计算区域为西北太平洋和南海、东海、黄海和渤海，有深海大洋，还有浅海陆架.浅海陆架海底地形复杂，冬季等密度面消失，故本文采用垂向坐标为σ的ECOM数值模式.ECOM数值模式是在POM基础上发展起来的，水位方程求解采用隐式求解，而POM采用内外模分裂的计算方法求解.POM和ECOM均在海洋环流和海温上得到了广泛的应用.本文研究组在长期应用ECOM的基础上，对其中的斜压压强梯度力、温盐方程平流项数值格式作了有效的改进［7－9］，能更好地模拟海洋环流和温盐分布变化.

我国对台风等天气过程的数值模拟，一般仅考虑海表温气候态的空间分布，并未考虑海温在台风作用下变化.台风的能量主要来自海洋，海洋在台风的作用下海表面降温，反过来影响台风的强度和路径.海洋和大气是相互作用的，需要将大气数值模式与海洋数值模式耦合研究海洋对大气热量的贡献和大气对海洋的强迫作用.国家气象局研制发展了GRAPES大气模式，本文研究组长期应用和发展海洋模式ECOM，在中国气象局数值预报（GRAPES）发展专项资助下，经过两年的研究已将大气模式和海洋模式耦合，对台风个例作了模拟，结果表明，台风强度有了较明显变化，与实际更加符合.本文介绍课题组基于ECOM建立的西北太平洋环流数值模式和模拟分析西北太平洋环流和海温的时空变化.

1 模式的建立和验证

1.1 模式的建立

本文基于ECOM模式建立西北太平洋环流数值模式.ECOM是在POM基础上发展起来的海洋模式，均采用正交曲线网格［10］.ECOM放弃了POM分裂算子和时间滤波方法，时间上采用欧拉前差格式，并用隐式格式计算水位方程，消除了CFL判据的限制，2.5阶湍流闭合模型求解垂向湍流黏滞和扩散系数［11］.本文计算范围为西北太平洋，水平坐标采取球坐标，斜压压强梯度力计算采用扣除“局域”密度方法减少计算误差［7］.

模式计算区域为东西向从东经104°至东经145°，南北向从北纬7°到北纬48°，网格水平分辨率设置为25′×25′（见图1）.垂向σ坐标，非等间距分为20层，各层上界坐标分别为0.0、0.01、0.02、0.035、0.05、0.067、0.085、0.105、0.13、0.15、0.18、0.21、0.26、0.32、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0.因模式水位计算采用隐式格式，时间步长取为100 s.

图1 模式计算区域和水平网格Fig.1 Model domain and grid

水深数据来自于国家海洋数据共享中心，分辨率为1′×1′，插值到网格后分布见图2.黄海东海大部分区域水深小于100 m，沿菲律宾东侧、巴士海峡、台湾东侧、琉球东侧和日本南侧在较窄范围内水深变化剧烈，外侧水深达到3 000 m以上.在琉球和东海陆架之间，存在水深超过1 000 m的琉球深沟，其西侧为陡峭的陆架坡.南海北部、北部湾水深小于200 m，南海中部水深大于1 000 m.考虑到本文研究主要目的是海洋表层环流和海表温，模式最小水深设为30 m，最大水深设为1 000 m.

图2 模式计算区域水深分布Fig.2 Distribution of topography in model domain

模式以1月份作为初始计算月份，初始海温、盐度资料取自NODC的25′×25′高精度海洋温盐分析资料.一般而言，对计算区域较小、水深较浅的情况，初始流速和水位的初值取为零.但因本文海洋模式计算区域大，水深大，为节省模式计算的水位、环流等达到准稳定状态所需要的时间，给出水平环流和水位的初始场，资料源自ATOMS的soda资料.

海表面边界条件涉及风应力、热通量和水通量的给出.各月风引力资料来自于Da Silva多年月平均数据［12，13］，图3为1月份西北太平洋海表面平均风应力分布，25oN以北以西北风为主，以南以东北风为主.风应力较强，大部分海域达到0.2 Nm－2.图4为7月份西北太平洋海表面平均风应力分布，总体上以偏南风为主，夏季风应力比冬季弱，南海的西南季风较强.各月平均海表面热通量和降雨、蒸发资料取自SOC surface flux climatology.

图3 1月份西北太平洋风应力分布Fig.3 Distribution of wind stress in the Northwest Pacific in January

图4 7月份西北太平洋风应力分布Fig.4 Distribution of wind stress in the Northwest Pacific in July

模式侧开边界条件包括流速、海温和盐度的给出.开边界采用法向通量形式给出，各月资料取自ATOMS的soda资料，保证整个计算区域内的水体质量进出守恒.海温和盐度由NODC资料给出.

1.2 模式的验证

模式从上述初始状态和边界条件驱动下，从1月份起算，计算2个模式年，得到各个月的西北太平洋环流和海温分布.利用2008年日本气象厅和美国NOAA给出的西北太平洋各月航次观测资料，对本文建立的西北太平洋海洋模式作海温验证.图5为观测断面分布图.利用模式计算的12月份气候态环流、海温和盐度等结果，模式从2007年12月1日连续计算至2008年12月31日，涉及每日气象资料，包括海表面风场、太阳辐射、净热通量、蒸发和降水资料取自NCEP后处理资料.

图5 2008年西北太平洋观测断面Fig.5 The observation sections in the Northwest Pacific in 2008

采用观测的各月各个断面温度剖面资料验证建立的模式，下面仅给出沿最长断面4在4月份和8月份的验证情况.

2008年4月沿断面4（见图6），观测资料表明在近日本海岸以南200 km处，等海温线向下凸起，表明该处黑潮主轴深受地形的影响，在0～700 m水深处水平方向具有强烈的斜压效应.在断面1 000 km处，海表面海温为23.5℃.在断面2 000 km处，海表面海温为28.3℃，温跃层位于120～400 m，700 m深处海温约为6.0℃.数值模式计算的海温同样在近日本海岸以南200 km处，等海温线向下凸起，但海温水平梯度略比实测情况弱，原因在于本文模式水深最大仅1 000 m，未能充分反映实际水深空间变化.在1 000 km处，海表面海温为23.0℃.在2 000 km处，海表面海温为28.2℃，温跃层位于80～320 m，800 m深处海温约为7.0℃，比实测的略高.图7为模式计算结果减去实测数据后的误差分析图，从图中可以看到在日本岛以南300 km外，海表温度模拟误差在1°以内，而近日本岛附近，由于模式最大水深取为1 000 m，水深未能反映出该处水深的剧烈变化，因而斜压效应不强.而在300 km以外，模拟的平均误差在0.8°左右.造成这种误差的原因可能是由于水深1 000 m的限制、初始温度场给出具有误差以及模式计算时间还不够长导致了模式未能很好模拟出断面垂向温度分布.在2 200 km处模式模拟的温度有向下凸起的现象，有可能是由于边界效应所引起的.

2008年8月沿断面4（见图8），观测资料表明在1 200 km以内，海温在28.0～29.0℃.在1 300～2 300 km处，海表面海温在26.0～28.5℃.数值模式计算的在1 200 km以内的海温在28.0～28.8℃，与实测资料接近.在1 300～2 300 km处，海表面海温在26.2～28.2℃，比实测资料略低.800 m水深处海温比实测资料高约0.5℃.图9为模式计算结果减去实测数据后的误差分析图，海表温度误差在0.5°左右.对整个断面而言模拟的平均误差约为1°左右.模式总体温度分布趋势上模拟较为相似.

图9 2008年8月沿断面4模式计算海温和观测海温之间误差分布Fig.9 The error distribution between the model calculated sea temperature and observed one along section 4 in August 2008

数值模拟模拟的海温剖面分布与实测资料比较，在分布势态基本一致，量值上也较为相近.表明模式能正确模拟海洋海温和混合层厚度，可用于海气耦合模式中的研究.

2 结果分析

在侧边界通量、海表面风应力、热通量、蒸发和降水等作用下，数值模式模拟了气候态各月西北太平洋环流和海温.大洋环流主要由海表面的风应力和由海温、盐度水平差异产生的水平压强驱动力驱动，前者是动力学的，产生风生环流，仅限于海洋的上层和中层，随水深的增加流速减小；后者是热力学的，产生热盐环流，存在于海洋的整个深度上.受太平洋信风作用，赤道太平洋海域水位呈东西向分布，从东向西看高水位线在北侧，低纬度海域水位较低（见图10）.在14°N～21°N之间水位升高.在东海陆架坡和日本列岛南侧水位沿等深线分布，存在很大的水位梯度.从表层流场分布看（见图11），大洋环流为大尺度准地转平衡的流动，大致沿等水位线流动，等水位线密集的海域海流流速很大.模式再现了低纬度海区表层自东向西流动的北赤道流，在遇到菲列宾岛屿后，一部分沿岸向南流动，一部分沿岸向北流动，形成著名的强西边界流黑潮.黑潮流经巴士海峡，一部分流入南海，大部分沿台湾东侧北上.黑潮流径台湾岛后，由于台湾东侧海岸的突然消失，部分黑潮水向东海陆架入侵，是冬季东海陆架台湾暖流形成的主要原因.黑潮主轴流入东海后沿东海陆架坡向东北流动，主流流出吐葛拉海峡，沿日本列岛南侧向东北流动，最后流出西北太平洋；部分黑潮水在日本九州以西海域向北流动，经对马海峡流入日本海，形成对马暖流.在日本海朝鲜东海岸模拟出了沿岸向南流动的海流.黄海受北风的作用，出现南向的西朝鲜沿岸流和苏北沿岸流，在济州岛西侧出现逆风北上的黄海暖流.东海陆架环流为北上的台湾暖流和沿岸南下的沿岸流.以上结果与以往的观测和模拟结果相似［4，14，15］.大洋环流季节性变化没有陆架和浅海环流季节变化明显，夏季北赤道流、黑潮和台湾暖流等流态分布与冬季相似，限于篇幅，夏季西北太平洋水位、流场不再给出.

图10 西北太平洋1月水位分布Fig.10 Distribution of elevation in the Northwest Pacific in January

图11 西北太平洋1月表层环流分布Fig.11 Distribution of surface current in the Northwest Pacific in January

1月太平洋低纬度海域海表温约28℃，南海24～26℃，20°N～30°N中纬度海区海表温呈纬向分布，海温在20～26℃之间（见图12）.东海陆架坡黑潮流经区域温度水平梯度较大，黄海和东海沿岸海域海温较低，在黄海南部出现明显的向西北方向伸展的暖舌，这是由黄海暖流带来的高温水.数值模式较好地模拟出了1月份西北太平洋、东海和黄海的海温分布.

3 结 语

本文建立了一个西北太平洋海洋数值模式，综合考虑了侧边界通量、海表面风应力、热通量、蒸发和降水等，模拟和分析西北太平洋环流和海温.模式验证结果表明，模式计算的海温与日本2008年西北太平洋实测温度剖面资料吻合较好，能比较真实的反应出温度的变化趋势.模式较好地模拟出了西北太平洋各月气候态环流和海温.大洋环流主要由海表面的风应力和由海温、盐度水平差异产生的水平压强驱动力驱动.受太平洋信风作用，赤道太平洋海域水位呈东西向分布，在东海陆架坡和日本列岛南侧水位沿等深线分布，存在很大的水位梯度.大洋环流为大尺度准地转平衡的流动，大致沿等水位线流动，等水位线密集的海域海流流速很大.模式再现了低纬度海区表层自东向西流动的北赤道流、强西边界流黑潮、东海的台湾暖流和对马暖流、黄海沿岸流和黄海暖流等.数值模式还较好地模拟出了西北太平洋、南海、东海和黄海的海温分布.国家气象中心已将本文建立的西北太平洋海洋数值模式与中国气象局研制发展的GRAPES大气模式完全耦合，模拟了多个台风个例，结果表明在海气耦合的情况下台风强度有了较明显改善，与实际更加符合.

本文不足之处在于，由于模式取最大水深1 000 m，在陆架坡水深急剧变化的海域模式计算海温与实测海温存在较大误差，这有待以后作进一步改进和研究.

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Simulation of circulation and sea temperature in the Northwest Pacific

SHEN Qi1， ZHU Jian-rong1， DUAN Yi-hong2， SUN Ming-hua2
（1.State Key Laboratory of Estuary and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.National Meteorological Center，Beijing 100081，China）

Based on the ECOM-si，the circulation and temperature in the Northwest Pacific were simulated.The model includes the water flux at the lateral open boundaries，sea surface wind stress，heat flux，evaporation and precipitation at sea surface and so on.The model validation shows that the simulated sea temperatures are consistent with the section data，which were measured by Japan in the Northwest Pacific in each month of 2008.The model reproduces the North Equatorial Current，which flows westward at the surface in the low latitude Pacific，Kuroshio，which is a strong western boundary current，the Taiwan Warm Current and Tsushima Warm Current，the Coastal Current and Yellow Sea Warm Current and so on.In addition，the sea temperature distribution in the Northwest Pacific as well as in the South China Sea，East China Sea and Yellow Sea is also simulated by this model.

Northwest Pacific； sea temperature； circulation； numerical simulation

P731.2

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2011.06.004

1000-5641（2011）06-0026-10

2010-12

国家重点基础研究发展计划（973）项目（2009CB421500）；中国气象局数值预报（GRAPES）发展专项

沈淇，男，硕士研究生，研究方向为河口海洋学.E-mail：shenqimath＠hotmail.com.

朱建荣，男，教授，博士生导师，研究方向为河口海洋学.E-mail：jrzhu＠sklec.ecnu.edu.cn.