一个耦合模式下北赤道流分叉的初步研究

孟庆佳，王 凡，刘 娜

（1.中国科学院海洋研究所中国科学院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 100039；3.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

一个耦合模式下北赤道流分叉的初步研究

孟庆佳1,2，王 凡1，刘 娜3

（1.中国科学院海洋研究所中国科学院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 100039；3.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

利用一个全球海洋-大气耦合模式，对北赤道流分叉的季节、年际变化特征进行了初步研究。模式结果表明北赤道流的分叉纬度，在表层大约是15.2°N，随深度而向北移动，在1000 m深度大约为20°N。北赤道流分叉在春、夏季节偏南，而秋、冬季节偏北，可能主要与局地的Ekman抽吸有关。北赤道流分叉的年际变化周期表现有准2年、3～4年和10年左右，其中3～4年ENSO周期最为显著。该耦合模式对于北赤道流分叉的变化特征的模拟结果与已有的观测结果大体一致，可以用于从海气相互作用的角度来深入研究北赤道流分叉的长期变化机制，以及对气候变化的影响。

海气耦合模式；NEC分叉；季节变化；年际变化

1 引言

太平洋中的北赤道流（North Equatorial Current,NEC）位于赤道以北10°～20°N之间，是一支由信风引起的自东向西的风生漂流。在其到达菲律宾沿岸后，由于地形阻隔，NEC发生分叉并形成两支经向西边界流：向北的黑潮和向南的棉兰老流（Mindanao Current,MC），这两支西边界流最终都转向东运动，分别形成黑潮延伸体和北赤道逆流（见图1）。NEC分叉的位置是衡量NEC在黑潮和棉兰老流之间流量变化的重要指标，它是控制北太平洋西边界区质量、热量和盐量的经向输送的一个关键海洋过程，并对气候变化产生重要影响，是气候系统中不可忽视的重要分量。同时，它在副热带海洋流涡和热带海洋流涡的水体交换中发挥重要作用，在很大程度上决定着海盆尺度的大洋环流结构，在大洋环流动力学上具有非常重要的意义和地位。

自20世纪80年代以来，关于NEC分叉的研究得到了越来越多的国内外海洋学家的关注。目前确定NEC分叉位置的方法主要有流函数法、经向流速法和Lagrange轨迹法等方法（周慧等[1]，何映晖等[2]），但由于流场的不确定性、数据的不均匀性和方法的不一致性，造成结果均有所差异，需要更多的观测资料和更深入的研究加以验证。

最初，人们关于NEC分叉的研究主要还是基于一次或几次的观测资料对NEC分叉进行估算。Nitani[3]根据1934～1968年间几个航次获得的水文资料研究认为，NEC分叉大约在11°～14.5°N之间，而且分叉位置随水深增加而向北移动。Toole等[4]利用1987年9月与1988年4月的中美联合调查的水文资料，得出其分叉纬度在13°N附近。随着观测资料的增加，以及模式的运用，上世纪90年代开始，许多研究开始关注分叉纬度的季节与年际变化规律。Qiu和Lukas[5]运用非线性约化重力模式，认为NEC分叉纬度2月份最偏南，10月份最偏北。Qu和Lukas[6]通过大量历史温盐数据建立的气候态分析得出近表层（100 m）分叉平均在14.2°N，6月份最偏南，11月份最偏北，认为东亚季风是引起NEC分叉纬度发生季节性变化的最直接强迫。Kim等[7]用JAMSTEC的数值模拟的结果得出，在表层，分叉纬度5月份最偏南，9月份最偏北。Wang和Hu[8]利用高时空分辨率的卫星高度计资料研究表明，表层NEC分叉平均在13.4°N，6月份发生在最南端（12.9°N），12月份发生在最北端（14.1°N）。对于NEC分叉的季节性变化，国内外学者根据历史观测和数值模拟结果基本上遵循这样的规律，即NEC分叉纬度在春、夏季偏南，而在秋、冬季偏北。不同的观测和数值模式得到的结果存在差异见表1。

图1 北太平洋西边界流系（摘自Nitani,1972）

关于NEC分叉的年际变化研究，主要是利用卫星资料和数值模拟结果进行分析。Qiu和Lukas[5]提出NEC分叉在El Niño发生后的第一年最偏北，La Niña年最偏南。Kim等[7]的研究结果表明NEC分叉在El Niño年偏北，La Niña年偏南，并且与El Nino Southern Oscillation（ENSO）密 切 相 关 。Wang和Hu[8]指出表层NEC分叉在El Niño期间偏北，而在La Niña期间偏南。

综上所述，自上世纪80年代以来，对NEC分叉的研究，取得了许多重要的研究成果。国内外海洋学家利用历史观测资料、卫星资料和海洋模式数据等对NEC分叉纬度的季节和年际变化进行了大量的研究。但以上数值工作都利用海洋模式的模拟进行分析，本文利用一个全球海洋-大气耦合模式，对自然变化条件下NEC分叉的低频变异进行了研究，同时评估耦合模式对NEC分叉长期变化研究的可行性，为下一步的工作奠定基础。

2 模式和数据

本文采用德国莱布尼茨海洋研究所的海洋-大气耦合模式Kiel Climate Model（KCM）。KCM由大气环流模式、海洋-海冰环流模式以及耦合器组成。其大气环流模式是汉堡大气环流模式ECHAM5（Roeckner等[9]），海洋-海冰环流模式是NEMO（Madec等[10];Madec[11]），模式耦合器为OASIS3（Valcke[12]）。

Park等[13]详细描述过KCM的模拟情况。图2是关于KCM模式运行的简单示意图，通过OASIS3的耦合，NEMO从ECHAM5接收海表面热通量、淡水通量和风应力。海表面温度、海洋表层流场、海冰碎片、海冰温度、海冰厚度和雪的厚度通过耦合器的耦合从NEMO传递到ECHAM5。这些物理场用于计算大气中的热通量、淡水通量和动能通量海洋和大气间的耦合频率是每天一次。模式中的大气部分采用T31的高斯网格（3.75°×3.75°的水平分辨率，垂直方向有19层）。海洋的水平分辨率基于Mercator网格，在赤道附近经向分辨率加密为0.5°，平均分辨率为1.3°，全球为182×149的网格分布，海洋垂向分31层。

表1 前人对NEC分叉点位置季节性变化的研究结果

图2KCM运行示意图

图3 多年平均的距离菲律宾沿岸4个经度范围内的经向平均速度

本研究所用的模拟主要是20世纪的控制实验模拟（20C）。模式首先采用Levitus等[14]的气候态数据，经过多年（大约500年）耦合模拟运行达到稳定后，继续运行4500年，最后我们只选用最后稳定的1000年结果（即模式时间是3500～4499），并且将模式的海洋数据在水平方向线性插值为2°×0.5°的分辨率以便于计算。

3 NEC分叉的季节变化

本文通过经向流速对NEC分叉定义，将距离菲律宾海岸4个经度范围内经向速度为零的位置定义为NEC的分叉。根据上述定义，我们对该海域的多年平均的经向速度进行了计算。图3是距离菲律宾海岸4个经度范围内的气候态经向速度分布。图中黑线即为NEC分叉，其北边的红线为黑潮，南边的蓝线为棉兰老流（下同）。从图中可以明显的看到NEC分叉随深度增加而向极地方向移动，这与前面学者的研究一致。NEC的分叉纬度，在表层大约是15.2°N，随深度而向北移动，在1000 m深度大约为20°N。Qu和Lukas[6]利用多年水文数据建立起来的NEC分叉的气候态变化，从表层的14°N随深度向北移动，在800～1000 m处，分叉位于20°N以北。相比较于观测数据，KCM的结果在表层向北偏差1°N左右，这可能是由于KCM的误差，输出的NEC比观测要北移一些。

图4 1～12月多年平均的距离菲律宾沿岸4个经度范围内的经向平均速度

用上述方法，我们计算了1～12月离菲律宾海岸4个经度范围内0～500 m深度的气候态经向速度分布见图4。NEC分叉具有明显的季节循环，在上层海洋中，季节循环显著，而在海洋深处，季节循环信号减弱，NEC分叉随深度滞后。从图中可以明显的看到，海洋表层（5 m）的NEC分叉在4月份达到最南端，大约是13.6°N，而在8月份达到最北端，大约是17.9°N，这与Kim等[7]的结果相似，但存在一个月的偏差。从水深75～512 m，分叉最南端都发生在5月，而最北端大都在10、11月。在水深500 m处，分叉在5月份到达最南端，为17.9°N左右，而在11月份时分叉最靠北，在20.1°N左右。季节振荡幅度随深度增加逐渐减小，在表层可以达到4°左右，而到了500 m处，减小到2°左右。

从NEC分叉的季节循环上可以看出，分叉位置在春、夏季节偏南，而秋、冬季节偏北。虽然不同作者（Qiu and Lukas[5]；Qu and Lukas[6]；Kim等[7]；Wang and Hu[8]）所得出的分叉最靠南（北）时的具体月份有所差异（见表1），但总体上都有春、夏季节偏南，秋、冬季节偏北的季节特征，我们与前人的结果近似一致。

NEC分叉的季节循环受东亚季风影响显著，图5和6分别是850 hPa风场和表层流场相对于年平均在春季和秋季的分布。从图中可以明显的看出，春季东亚夏季风开始时，在分叉海域产生反气旋式的大气和海洋环流异常，在西边界附近该环流的北向流异常引起NEC分叉发生于较低纬度（见图5a、图6a）。在秋季东亚冬季风开始时，分叉海域产生气旋式大气和海洋环流异常，在西边界附近该环流的南向流异常使得NEC分叉位于较高纬度（见图5b和6b）。这和Qu和Lukas[5]的结论一致，他们指出NEC分叉的季节变化可能主要与局地的Ekman抽吸有关，东亚季风是引起NEC纬度发生季节性变化的最直接强迫。

综上可知，在季节尺度内，NEC分叉位置春、夏季节偏南，秋、冬季节偏北，东亚季风是引起NEC纬度发生季节性变化的最直接强迫。

4 NEC分叉的年际变化

图5 KCM模拟的850 hPa风场相对于全年平均的异常

图6 KCM模拟的表层流场相对于全年平均的异常

图7 海洋上层5 m（a）、106 m（b）和512（c）深度平均的NEC分叉年际变化（经过5个季节的低通滤波）

NEC分叉除了具有季节特征外，还具有年际变化特征。利用同样的资料和方法，我们计算了NEC分叉的年际变化时间序列。图7是通过5个季节的低通滤波的海洋表层（5 m）、近表层（106 m）和中层（512 m）NEC分叉的年际变化序列。从图中可以明显看出，NEC分叉具有显著的年际变化和年代际变化特征，在海洋表层、近表层和中层的变化规律相。谱分析结果表明在海洋各层中，NEC分叉的年际周期信号强，周期表现有准2年、3～7年和10年左右，总体上以2～7年ENSO周期为显著，但在海洋表层准2年周期更加显著，而在海洋中层，10年左右的周期。

5 结论

本文基于KCM耦合模式长时间序列数据，将距离菲律宾海岸4个经度范围内经向速度为零的位置定义为NEC的分叉纬度。利用此方法，计算了NEC分叉的多年气候态分布，并且研究了自然变化条件下NEC分叉的季节变化和年际变化规律。

NEC的分叉纬度，在表层大约是15.2°N，随深度而向北移动，在1000 m深度大约为20°N。相比较于观测数据，KCM的结果在表层向北偏差1°N，这是由于KCM模式输出的NEC比观测要北移一些，是KCM模式误差所造成的。

NEC分叉具有明显的季节循环和年际变化。NEC分叉纬度在春、夏季节偏南，而秋、冬季节偏北。NEC分叉纬度的季节变化主要与东亚季风有关。NEC分叉的年际变化周期表现有准2年、3～4年和10年。

通过上述分析可以得知，对于NEC分叉具体位置的确定，KCM的模拟与观测相比存在着误差，但对于NEC分叉的垂向变化、季节变化和年际变化特征的研究，KCM模拟的整体结果与已有的观察结果大体一致。下一步我们将利用耦合模式的特点，从海气相互作用的角度结合全球变暖背景，分析研究NEC分叉的长期变化趋势机制以及与ENSO循环的关系，为分析海洋与东亚气候变化的关联提供新思路。

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P731

A

1003-0239（2011）01-0001-07

2010-11-08

国家自然科学基金(40890152)；中国科学院知识创新项目(KZCX2-YW-Q11-02;KZCX1-YW-12)；中国科学院海洋环流与波动重点实验室开放基金(KLOCAW1102)

孟庆佳（1983-），男，博士研究生，主要从事海气相互作用和气候变化等研究。E-mail:mengqingjia@ms.qdio.ac.cn