基于ARGO数据的北太平洋西边界流分析＊

陈凯诺 邵利民

（1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018）（2.海军大连舰艇学院军事海洋系 大连 116018）

基于ARGO数据的北太平洋西边界流分析＊

陈凯诺1邵利民2

（1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018）（2.海军大连舰艇学院军事海洋系 大连 116018）

论文将分布不均匀的ARGO温盐数据空间平均和线性插值，用温度和盐度求出地转流流速，分析结果表明：北太平洋的北赤道流（NEC）在菲律宾沿岸大约12°N的表层分叉，分为北向的黑潮（Kuroshio）和南向的棉兰老流（MC）；在21°N的黑潮下面出现了吕宋潜流（LUC），吕宋潜流沿吕宋岛沿岸向南流动，流速增强但是深度变浅。黑潮的流速大，最大可达0.8m／s，流幅宽度约为三个经度，由南向北输送。从年平均看，夏季黑潮流量最大。但是每年四季流量的大小都有所不同。

北太平洋；西边界流；流场；流量；地转平衡

Class NumberP722

1 引言

ARGO计划通俗称“ARGO全球海洋观测网”，是一个全球性的由美国和其他国家的观测试点项目，在1998年推出，在全球海洋的每300公里放一个卫星跟踪浮标，使得全球海洋被这些跟踪浮标覆盖。旨在快速、准确、广泛收集全球海洋上层海水温度、盐度分布数据，以提高气象预报和海洋预报的准确度。北太平洋对全球气候变化起着重要的作用，它可以与外界进行物质以及热量的交换［1，5～7］。

太平洋低纬度西边界环流系统结构的复杂程度在全球大洋是独一无二的：上层有双流环结构和复杂的波－涡－流相互作用，下层有反向的潜流，上下层还存在着非常强的混合等非线性相互作用［2］。因此开展太平洋低纬度西边界环流的系统研究，必将推进大洋环流理论的发展［3］。因此，对北太平洋的西边界流的研究分析具有非常重要的科学意义。本文在前人研究的基础之上，主要利用了ARGO浮标资料，对于北太平洋西边界流的特点进行了分析研究。ARGO计划在2006年之前对于北太平洋的观测和研究都是小范围和短时间的，而2006年～2013年开展的是大范围长期地观测。本文采用高分辨率，大范围，长期的现场观测来进行北太平洋西边界流的分析，分析北太平洋西边界流的流幅宽度、速度和流量年季变化，讨论北太平洋西边界流在何处最强及原因。

2 数据及其处理

本文运用的ARGO数据是从2006年～2013年，纬向范围120°E～160°E，经向范围0°N～30°N，完全可以把北太平洋西边界流的区域涵盖进去，由于ARGO覆盖的空间很不均匀，先把ARGO数据进行空间平均，水平分辨率为0.5°×0.5°整合出来一个均匀格点分布的数据，垂直方向上每20m平均一次，这样就把ARGO数据整合为空间分布均匀的数据。在除去陆地范围的海域内进行插值，得到温盐数据，取500m为零速度参考面，进而计算地转流速度。由经向和纬向的地转流速度，可以得到合成速度矢量场。进而分析表层和深层的流场形势。

3 西北太平洋西边界流的流速和流幅宽度

3.1 地转流计算

为了计算地转流，需要计算海洋内部同一深度上的水平压强梯度。由于海水密度很大，深度的微小变化会导致压力很大变化，深度误差造成的压力误差远远大于地转流引起的压力变化。因此，与大气中直接通过测量同高度上的压力差来求地转流不同，海洋中用水文资料求地转流是通过计算等压面相对于同一等重力势面的倾斜来实现的。

并有

其中α＝α（S，t，p）为比容（Specific Volume），Φ为重力势。对式（2）在x方向进行求导，有：

和

式（4）便给出了等压面上的位势梯度与地转流的关系。要求等压面上的位势梯度对式（2）在两个等压面（P1等压面与P2等压面）之间进行垂向积分。得到两个等压面之间的重力势差：

把比容写成如下两部分之和：

其中α（35，0，p）为海水在盐度为35，温度为0℃，任意压强时的海水比容，第二项δ为比容异常。把式（6）代入式（5）。有：

即

其中（Φ1－Φ2）std为两个等压面之间（Pl等压面与P2等压面）的标准位势差为重力势异常，并且后者远远小于前者，约为前者的0.1%。

考虑相距Lm的两个站位A和B，两个等压面之间（P1等压面与P2等压面）的重力势异常之差为ΔΦB－ΔΦA。为简单起见，假设下面的等压面为参考面，因此等压面和等重力势面重合，并且在这层上地转流速为零。所以上面等压面（P2等压面）的倾斜为由于站位A和B的两个等压面之间的标准重力势差相等，可知上面等压面处的地转流速为

流速的方向垂直于站位A和B的连线，并指向纸面内（在北半球）。一个有效的拇指法则可以判断流速的方向，即：在北半球沿着流的流动方向看去，暖的、轻的水在右侧。

为了减小Argo探测路径不均匀的影响，由Matlab软件处理得到的ARGO数据首先在垂向进行了20m平滑。由于ARGO覆盖不均匀，采用插值法将平滑后的剖面在经向（纬向）断面插值到0.50纬度（经度）的水平网格上，这样做的目的是为了使得分布零散的ARGO温度盐度值得到经过网格平均后的温盐数据，进而用Matlab软件计算地转流大小。在这个过程中，由于地转流的计算是两个面之间的相对速度而并非绝对速度，所以零流速参考面的选取很重要，直接影响地转流速结果。在本文中，参考面全部选取海平面以下500m的剖面，该处上下速度方向正好相反，有180°的方向切变，因此该处速度近似为零。

3.2 北太平洋西边界流的流速和流幅宽度

热带太平洋的北赤道流（NEC）向西流至菲律宾边界流在世界大洋的质量、热量和盐量输送以及全球群岛东岸海域后，受地形的阻挡作用发生分叉，在气候变化中都起着决定性的作用。因此，对北太平洋黑潮和棉兰老流两支下游支流构成的西边界流的输运变化和动力学机制及其作用的研究有着重要的科学意义。表层的北赤道流在北纬12° N分叉，黑潮向北流动，棉兰老流向南流动，黑潮横跨三个经度，流速大小高达0.8m／s以上。而棉兰老流流速比黑潮小很多，约为0.2m／s，但是流幅比黑潮宽一些。

4 北太平洋西边界流的流量及其季节变化

计算流量方法：先计算24°N，21°N，18°N，15° N，12°N从2006年～2013年的平均经向速度，再用平均经向速度乘以600m截面所占的体积即可。

图2 12°N，15°N，18°N，21°N，24°N各个断面处的流量矢量

12°N～24°N每隔3°取一个断面，计算它们上600m的流量，分别为－10.6Sv，15.2Sv，28.9Sv，49.1Sv，25.6Sv。棉兰老流的流量明显比黑潮的流量小。发现21°N的年平均流量最大，与此同时该处的黑潮也最强。这与前面所分析的黑潮与棉兰老流流速大小相符合，流速相差4倍，流量也是4倍。

分析21°N黑潮最强的原因：

1）黑潮是由科氏参量随纬度的改变，大洋西边界和惯性的存在，以及海水密度和海洋深度的变化等引起。其中主要是由于科氏参量，亦即在相同的海流速度情况下的科氏力随纬度增加而加大其行星涡度所致。在大洋中高纬地带的海面上，因顺时针方向风应力涡度作用，生成顺时针方向的风生海流，此时海洋对该环流产生逆时针方向的摩擦涡度。如在大洋东、西边界处的海洋速度相同，则在大洋西边界处自南向北的海流，将获得因科氏力随纬度增加而加大所生顺时针方向的行星涡度。21° N处黑潮流幅窄，流速大，西向强化最强。

2）21°N处风应力旋度最大，Sverdrup平衡给出了经向流速和风应力的关系，是大洋环流中非常重要的理论，风应力旋度越大，经向流速越大，质量通量越大。

3）向西传播的Rossby波导致海水的上下起伏震荡，影响质量疏运［4］。

4）棉兰老冷涡的强弱影响了海水的运动路径。涡旋越强，海流速度越慢。所以21°N处受不到太多棉兰老冷涡的影响［8～9］。

又如图3所示，北太平洋西边界流的流量随四季变化每年情况都不一样，但是年平均情况来看，夏季最大，约为29.0Sv；秋季其次，约为27.5Sv，春季最小，约为22.8Sv。每年流量情况都不相同的原因是由于厄尔尼诺年和拉尼娜年，海水流动异常导致的［10］。

图3 2006年～2013年北太平洋西边界流流量的季节变化及8年平均的季节变化

5 结语

本文基于2006年～2013年的ARGO浮标资料，近似认为北太平洋西边界流为地转流，对北太平洋西边界流的流速，流量进行了分析，得出以下结论：

1）表层的北赤道流在北纬12°N分叉，黑潮向北流动，棉兰老流向南流动，黑潮横跨三个经度，流速大小高达0.8m／s以上。

2）北太平洋西边界流的流量随四季变化每年情况都不一样，但是年平均情况来看，夏季最大，约为29.0Sv；秋季其次，约为27.5Sv，春季最小，约为22.8Sv。

［1］谢玲玲.西北太平洋环流及其与南海水交换研究［D］.青岛：中国海洋大学，2009.

［2］鞠霞.北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究［D］.青岛：中国海洋大学，2009.

［3］周慧.北太平洋西边界流系的某些特征及变化规律研究［D］.青岛：中国海洋大学，2006.

［4］蔡榕硕，齐庆华，张启龙.北太平洋西边界流的低频变化特征［J］.海洋学报（中文版），2013，35（1）：9－14.

［5］Fine，R.A..R.Lukas.F.M.Bingham.M.J.V Varner and R.H.Gammon.The western equatorial Pacific：A vrater mass crassroad［J］.J.Geophs.Res.，1994，99（12）：25063－25080.

［6］Kaneko.I，Y Takatsuki，H.Kamiya.Circulation of intermediate and deep waters in the Philippine Sea［J］.J Oceanogr，2001，57：397－420.

［7］McCreary.J.P.，P.Lu.On the interaction between the subtropical and the equatorial oceans：The subtropical cell［J］.J.Phys.Oceanogr.，1994，24：466－497.

［8］Qu.T..G.Meyers.and J.S.Godfrey.and D.Hu.Upper ocean dynamics and its role in maintaining the annual mean western Pacific warm pool in a global G CM，Int.J.Climatol.，1997，17：711－724.

［9］Lukas，R.Interannual fluctuation of the Mindanao Current inferred from sea level［J］.J.Geophs.Res，1988，93：6744－6748.

［10］陈永利，赵永平，王凡，等.ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流［J］.海洋学报（中文版），2013，35（6）：9－20.

Analysis of the Western BoundaryCurrent in North Pacific Based on ARGO Data

CHEN Kainuo1SHAO Limin2
（1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）（2.Department of Military Oceanography，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

In this paper，the uneven distribution of ARGO thermohaline data are average on space and linear interpolated.The geostrophic flow can be calculated by temperature and salinity data.During the period of observations，the North Equatorial Current（NEC）splits at about 12°N near the sea surface，including the northward Kuroshio and the southward Mindanao Current（MC）.The Luzon Undercurrent（LUC），emerging below the Kuroshio from about 21°N.It intensifies southward while its depth becomes deeper.The speed of the Kuroshio is very high，which can reach 0.8m／s.Its Flow width is about three longitudes.The Kuroshio transfers from the south to the north.On average annual summer stream flow is the largest.But the size of the flow of the four seasons is different every year.

north pacific，western boundary current，fluid flow，quantity of flow，geotropic balance

P722DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.006

2015年5月4日，

2015年6月27日

陈凯诺，男，硕士研究生，研究方向：海雾的数值模拟及可见光在其中的衰减特性。