基于20 a卫星高度计数据的黑潮变异特征

赵新华， 杨俊钢， 崔 伟（国家海洋局第一海洋研究所， 山东 青岛 266061）



基于20 a卫星高度计数据的黑潮变异特征

赵新华， 杨俊钢， 崔 伟
（国家海洋局第一海洋研究所， 山东 青岛 266061）

黑潮作为一支典型的西边界流， 其路径变化特征及其相关的物理现象对于渔业和航海有着不可忽视的影响。本文基于改进的特征线方法， 利用1992～2012年的高度计绝对动力地形数据提取了整个黑潮流区逐月的黑潮主轴和边界位置， 并对沿轴速度、主流宽度、表层水体输运以及路径标准差等黑潮特征量进行了分析研究。结果表明， 黑潮整体的沿轴速度在夏秋季较大， 最大值可达0.95 m/s， 而在冬季的速度较小； 黑潮主流宽度在10、11月份达到最大值； 黑潮表层水体输运在夏季最大， 春秋两季次之， 冬季最小。沿黑潮流路分区域对黑潮特征进行分析， 结果表明， 越往黑潮下游， 其沿轴速度、主流宽度和表层水体输运越大， 同时沿轴速度和表层水体输运量最大值出现的时间也越晚， 黑潮主轴位置相对于其多年平均的偏离程度越大， 且随时间波动也越强烈。

高度计； 黑潮； 主轴

［Foundation： the National High Technology Research and Development Program， No. 2013AA122803； ESA-MOST Dragon Cooperation 3 Program， No.ID.10466］

黑潮是沿着北太平洋西部边缘向北流动的一支强西边界海流， 与大西洋的湾流齐名， 它具有高盐高温、流速强、流量大、厚度大等特征。与湾流相似， 黑潮也是一支斜压性很强的海流， 同样处于准地转平衡之中。黑潮从低纬度地区向中高纬度地区进行巨大的能量和物质输送， 从而对东亚区域乃至全球的海洋环境与气候带来重要的影响［1-2］。

对黑潮的路径及其特征量变异的研究一直以来都是国内外学者研究的热点问题［3-4］。过去采用的现场观测数据由于空间覆盖率有限， 无法准确地反映出黑潮路径整体的时空变化特征。随着卫星测高技术不断发展， 长时间序列和高分辨率的海洋遥感数据得到了广泛应用， 一些学者也将其应用于黑潮主轴的研究［5-6］。Ambe等［7］利用高度计和浮标数据首先提出了特征线法来确定黑潮主轴， 此后不断有学者利用该方法对黑潮流轴进行分析研究［8-11］。刘广平等［8］利用该方法探究了热带气旋过境期间吕宋海峡黑潮主轴的变化， 于龙等［9］采用漂流浮标资料利用该方法提取了黑潮15 m层流路的时空变化。此外， Liu等［12］基于高度计数据进一步对东海黑潮路径变化进行了分析研究。

目前对于黑潮主轴的研究主要集中在东海黑潮和日本以南区域中尺度涡旋较少的区域， 由于整个黑潮流域尤其是黑潮延伸区附近存在大量中尺度涡旋， 采用特征线法在黑潮延伸区内提取的黑潮主轴位置容易陷入中尺度涡旋的影响区域内， 从而无法准确提取出该区域内黑潮的主轴和边界位置。对于黑潮流路的整体性研究更能反映出黑潮真实的变化情况， 从而加深我们对于黑潮的进一步认识。本文利用20 a的高度计数据， 基于改进的特征线方法， 提取整个黑潮流域内（22°～40°N， 120°～160°E）黑潮的主轴和边界位置， 并对黑潮主流沿轴速度、宽度和表层水体输运等特征量及其变化进行研究。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文主要采用的高度计数据是法国国家空间研究中心（CNES）的卫星海洋存档数据中心（AVISO）提供的绝对动力地形（ADT）资料， 该资料是由T/P及其后继卫星Janson-1/2， ERS-1/2和ENVISAT的观测数据融合得到的产品， 并进行了仪器误差、海况误差和潮汐干扰等影响因素的校正。本文采用的数据时间是1992年10月～2012年12月， 数据时间间隔为7 d，空间分辨率为0.25°×0.25°。进而根据地转平衡关系，得到研究区域内的地转流速数据。

1.2 分析处理方法

本文采取Ambe等［7］所使用的特征线法来确定黑潮主轴， 并在此基础上加以改进。该方法的基本步骤如图1所示： （1）根据多年观测结果在黑潮主流区内选取黑潮主轴常年经过的点作为起始点； （2）在所选取的定点处作一条与该点流向垂直且长度为x=140 km的辅助线； （3）在辅助线上每隔∆x=7 km进行插值， 计算所有插值点的流向平均值； （4）调整辅助线使其垂直于平均流向， 再在调整之后的辅助线上进行第二次插值， 主轴位置被定义在新辅助线上流速最大的点， 边界被定义为沿流速度分量大于主轴处速度的30%的区域； （5）然后沿平均流向向下游移动∆r=10 km到达下个位置， 重复步骤（2）～（4）， 得到新的主轴位置。

图1 特征线法计算黑潮主轴示意图［7］Fig. 1 Schematic diagram showing the characteristic line method used to calculate Kuroshio axis［7］

但是对于整个黑潮流域， 尤其在143°E以东的黑潮延伸区附近， 因为该区域内存在强烈的中尺度涡旋， 提取的主轴位置通常会陷入中尺度涡旋中，故使用该方法无法很好地提取出黑潮主轴位置。本文对于该方法进行了改进， 提出了基于相邻时刻提取结果剔除涡影响的黑潮主轴提取方法， 参考上一时刻的主轴位置和流向来剔除涡旋对于黑潮主轴提取的影响。具体改进方法如下：

由于黑潮延伸区主流平均宽度在150～170 km，所以首先将Ambe方法中x修改为200 km， ∆x修改为10 km， 为了除去黑潮延伸区小尺度涡旋的影响，将∆r修改为50 km。

当提取的主轴位置点数k大于20时（认为离开东海黑潮流路稳定的区域）， 求得提取到的主轴位置点与此前提取到的1～（k-2）点的所有主轴点的距离差，如果检测到最小距离差小于0.4°时则认为它陷入涡旋中， 由于黑潮随时间变化不太强烈， 我们参考上一时刻提取的主轴线， 重新计算（k-5）～（k-3）点的主轴位置， 如图2所示。

首先找到该（k-5）点的主轴位置与上一时刻的主轴点位置最近的点， 作为参考主轴点a， 在a点处作一条与该点流向垂直且长度为200 km的辅助线， 并在辅助线上每隔10 km进行插值， （k-5）点的主轴位置被重新确定为该辅助线上流速最大的点； 然后用上一时刻主轴点为（a+1）， （a+2）的位置作类似的辅助线并进行插值求得（k-4）， （k-3）的主轴位置， （k-2）的位置利用沿新的（k-3）的主轴点处的流向向下游移动50 km，到达下个位置， 重复步骤（2）～（4）得到。

图2 改进的特征线法示意图Fig. 2 Schematic diagram showing the improved characteristic line method

表层水体输运（S）定义为黑潮主流区域内流速的叠加：

其中n为黑潮主轴提取过程中落入主轴断面上黑潮主流的数据点个数， vi为第i个数据点的沿流速度， ∆r为数据点的距离间隔50 km。定义路径标准差（DS）表示黑潮偏移20a主轴位置的程度：

其中xi， yi分别为第i个主轴点的经纬度， 标准差越大， 表示黑潮主轴位置相对于其多年平均的偏离程度越大。

2 黑潮变异特征提取与分析

将计算得到的每隔7 d的地转流速数据进行月平均， 得到20 a逐月的地转流速数据。对于个别未能正确提取到黑潮主轴位置的月平均数据， 我们采用7 d数据有效提取的平均值作为该月份的提取结果， 由此提取得到20 a间每个月的黑潮主轴和边界位置， 并得到黑潮特征量的逐月结果。图3为2002年黑潮主轴和边界逐月提取结果， 其中选取130°E和144°E两个截面将黑潮分为东海、日本以南和黑潮延伸区3个子区域。

图3 2002年1～12月提取的黑潮主轴和边界Fig. 3 Kuroshio axis （red lines） and boundary （black line） detected from January to December， 2002

从图3中可以看出， 基于改进的特征线法能准确地提取出整个黑潮流域内黑潮主轴和边界的位置。结果表明， 在黑潮东海区域和日本以南区域黑潮位置随时间变化较为稳定， 而在黑潮延伸区附近黑潮流路变化较为剧烈。

基于上述提取结果， 对1992～2012年黑潮的平均沿轴速度、主流宽度、表层水体输运和路径标准差进行空间算术平均， 分别获得黑潮沿轴速度、主流宽度、表层水体输运和路径标准差平均值的时间序列， 结果如图4所示。进行五次多项式拟合后， 结果表明整个黑潮区域的沿轴速度和表层水体输运变化较为一致， 从1992年开始减小， 到1996年为最小值，此后开始不断增长， 在2004～2005年左右到达最大值， 此后又开始减小， 表明整个黑潮区域的沿轴速度和表层水体输运都存在一个周期约为6 a的年际振荡。而整个黑潮区域的宽度在1996和2005年左右达到极大值， 在1992年、2002年和2011年达到极小值。黑潮路径标准差从1992年开始增加， 在1996年到达最大值， 随后变化趋势较为平缓， 在 2011年后又开始迅速减小。

进一步将黑潮整个流域分为东海、日本以南和黑潮延伸区三个子区域， 对其20 a间月平均黑潮特征量的变化进行了研究， 结果如图5所示。

从图5中可以看出， 黑潮整体的沿轴速度在夏秋季（7～9月）较大， 最大值可达到0.95 m/s； 而在冬季（12～2月）较小， 这与之前冯颖等［13］采用Argos浮标分别对于台湾东北SS、东海中央PN、日本九州与奄美群岛TT三个断面的观测结果基本一致。从各子区域来看， 日本以南区域和黑潮延伸区的沿轴速度明显大于黑潮东海区域。黑潮东海区域沿轴速度在6、7月达到最大， 而日本以南区域沿轴速度在7、8月份达到最大， 黑潮延伸区沿轴速度在9、10月份达到最大； 各区域最小值点出现的位置也是如此。结果表明沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮沿轴速度越大，同时黑潮速度极大（小）值在一年中出现的月份越晚。

黑潮整体主流宽度在10、11月份达到最大值。从各子区域来分析， 越往黑潮下游， 黑潮的主流宽度越大。其中东海黑潮部分主流宽度在夏季最小， 冬季最大， 这与Liu等［12］的结果较为一致。

图4 20 a黑潮平均沿轴速度（a）、主流宽度（b）、表面水体输运（c）和路径标准差（d）的年际变化Fig. 4 Time series of （a） along-stream velocity， （b） section width， （c） along-stream surface transport， and （d）path standard deviation of Kuroshio Current from 1992 to 2012

黑潮整体表层水体输运在夏季较大， 在冬季最小。这与黑潮夏强冬弱的一般认识是相符合的。沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮表层水体输运量越大，同时黑潮表层水体输运量最大值出现的时间越晚。

黑潮路径标准差反映了黑潮主流相对于其多年平均的偏离程度， 沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮主轴位置相对于其多年平均的偏离程度越大， 且随时间波动也越强烈。这可能是由于越往黑潮下游， 尤其是在日本以南和黑潮延伸区附近， 存在的中尺度涡旋的数量不断增多， 对于黑潮流路的影响也愈发明显。

图5 黑潮20 a月平均沿轴速度（a）、主流宽度（b）、表面水体输运（c）和路径标准差（d）的变化Fig. 5 20-year month averaged： （a） along-stream velocity，（b） section width， （c） along-stream surface transport，and （d） path standard deviation of Kuroshio

此外， 为了进一步分析黑潮沿轴速度与主流宽度、表层水体输运的相关性， 计算了整个黑潮区域的沿轴速度与主流宽度、表层水体输运的超前滞后相关系数， 结果如图6所示。

图6 黑潮沿轴速度与主流宽度、表层水体输运的相关系数Fig. 6 Correlation coefficient of along-stream velocity with section width and along-stream surface transport

由图6可以看出， 随着黑潮沿轴速度的增加， 黑潮的主流宽度同相位减小， 而表层水体输运量在同相位增加。这与Liu等［12］对于东海黑潮的研究结果有所不同。

3 结论

本文基于改进的特征线提取黑潮主轴的方法，利用20 a的高度计绝对动力地形数据提取了整个黑潮流区的黑潮主轴和主流边界， 并对黑潮沿轴速度、主流宽度、表层水体输运以及路径标准差等特征量进行了分析研究。提取结果表明， 对于整个黑潮流区，尤其是在黑潮延伸区附近， 改进的特征线法能很好地提取出黑潮主轴和边界的位置， 并能有效提取黑潮的沿轴速度、主流宽度、表层水体输运以及路径标准差等特征量。

黑潮整体的沿轴速度在夏秋季（7～9月）速度较大，最大值可达0.95 m/s， 而在冬季（12～2月）的速度较小。整体主流宽度在10、11月份达到最大值。黑潮整体表层水体输运在夏季较大， 在冬季最小。沿黑潮流路分区域对于黑潮特征进行分析， 结果表明越往黑潮下游， 黑潮的沿轴速度、主流宽度和表层水体输运越大， 同时沿轴速度和表层水体输运量最大值出现的时间也越晚， 黑潮主轴位置相对于其多年平均的偏离程度越大， 且随时间波动也越强烈。这可能是由于越往黑潮下游， 尤其是在日本以南和黑潮延伸区附近， 存在的中尺度涡旋的数量不断增多， 对于黑潮流路的影响也越发明显。

进一步对黑潮沿轴速度与主流宽度、表层水体输运的相关系数分析表明， 随着黑潮沿轴速度的增加， 黑潮的主流宽度同相位减小， 而表层水体输运量在同相位增加。

致谢： 感谢法国国家空间研究中心（CNES）的卫星海洋存档数据中心（AVISO）提供的高度计融合数据。

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（本文编辑： 李晓燕）

Variability of Kuroshio based on 20-year altimeter data

ZHAO Xin-hua， YANG Jun-gang， CUI Wei
（First Institute of Oceanography， State Oceanic Administration， Qingdao 266061， China）

Jan.， 8， 2015

altimeter； Kuroshio； current axis

Based on 20-year （1991–2012） Absolute Dynamic Topography derived satellite altimetry data， the location of the axis and boundary of the Kuroshio Current are derived using the improved characteristic line method. In addition， the variability of the along-stream velocity， section width， along-stream surface transport， and path standard deviation of the Kuroshio Current are studied. The results show that the along-stream velocity of the Kuroshio increases from a minimum value during winter to a maximum of 0.95 m/s in summer and autumn， and a larger mainstream width occurs in October and November. The mean surface along-stream transport has a maximum value in summer； there is reduced transport in spring and autumn， and it is at a minimum in winter. Based on a study of different regions along the current， it was found that along-stream velocity， section width， and along-stream surface transport increase along the current， while the time when the maximum value of the along-stream velocity and surface transport occur is late. The location of the axis of the Kuroshio Current departs from the annual mean path further along the current， and fluctuations become stronger with time.

P731

A

1000-3096（2016）01-0132-06

10.11759/hykx20150108002

2015-01-08；

2015-05-11

国家863计划项目（2013AA122803）； 中欧合作龙计划项目（ID.10466）

赵新华（1990-）， 男， 山东青岛人， 硕士研究生， 主要从事物理海洋与海洋遥感方面研究， 电话： 0532-88966694， E-mail： wdnzxhh@163.com；杨俊钢， 通信作者， 副研究员， 主要从事高度计数据海洋应用研究， 电话：0532-88966694， E-mail： yangjg@fio.org.cn