东海黑潮水交换区的定义及其时空分布规律研究

宋军，郭俊如，牟林，李静，4，刘玉龙，李希彬（.国家海洋信息中心，天津　3007；2.国家海洋局海洋减灾中心，北京　0094；3.中国海洋大学教育部物理海洋学重点实验室，山东　青岛　26600；4.上海海洋大学海洋科学学院，上海　20306；.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津　30047；6.国家海洋向遥感与应用研究重点实验室，北京　0008）

东海黑潮水交换区的定义及其时空分布规律研究

宋军1，3，郭俊如2，6，牟林1，李静1，4，刘玉龙1，李希彬5
（1.国家海洋信息中心，天津300171；2.国家海洋局海洋减灾中心，北京100194；3.中国海洋大学教育部物理海洋学重点实验室，山东青岛266100；4.上海海洋大学海洋科学学院，上海201306；5.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津300457；6.国家海洋向遥感与应用研究重点实验室，北京100081）

将谱混合模型（Spectral Mixture Model，SMM）方法应用到黑潮水与东中国海陆架水之间的水交换中。在此基础上，定义了东海黑潮流系与东中国海大陆架之间的水交换区，并进一步对该带状交换区的空间分布和时间变化规律进行研究。首次得到该交换区面积随时间的变化与东海黑潮流系穿越东中国海大陆架200 m等深线的向岸体积通量的变化呈现出-0.78的显著的负相关关系。另外，研究结果还揭示出，来自太平洋的季节内信号有可能穿越黑潮主轴进入东中国海海域。

东中国海；黑潮；谱聚类；谱混合模型；水交换

陆架海及浅海中的水交换问题是海洋科学研究中最基础而又重要的研究课题之一，根据其依赖于所研究问题的目的性和对所研究海区环流动力结构的理解程度，针对不同的问题，其所适用的水交换模型复杂多样。东中国海广义上一般是渤海、黄海和东海的总称，是中国最大的陆架海，具有独特的地理环境和复杂的环流结构。随着海洋观测方法与计算机数值模拟技术的快速发展，近年来对东中国海的调查资料与相关研究不断增多。

东中国海的海流主要由外海流系和沿岸流系两大流系构成，这两大流系的相互作用构成了东中国海地区主要的环流系统结构。其中，携带高温高盐大洋水的东海黑潮流系是东海主要的外海流系，其主要包括黑潮以及相关的台湾暖流、对马暖流和黄海暖流。黑潮是位于西太平洋的世界上最主要的西边界流之一，其源自北赤道流于菲律宾海岸处的分叉（Nitani et al，1972；Guo et al，2003），然后继续沿东中国海大陆架陆坡顺着东北方向流去。期间，它首先流经台湾岛东部，并时常会以流套的形式先入侵到南中国海并部分流经台湾海峡（James et al，1999；Guo et al，2003；王启，2003；Andres et al，2008）。

黑潮流系对局部气候的变化以及太平洋亚热带环流的物质输送情况（Guo et al，2003；Ma et al，2009）具有一定的影响作用。在东中国海海域，黑潮同样可以引发东中国海环流复杂的季节性变化和年际性变化 （Mizuno et al，1983；Yanagi et al，1993），所以了解黑潮流系与东中国海之间的相互作用，对于局部的气候预测以及中国沿海生态、经济的健康维持具有重要意义。

正是由于黑潮较大的影响意义，对于黑潮水与东中国海陆架水之间的水交换问题一直是一个研究热点。对于该问题的研究，离不开对东中国海黑潮时空分布特点的深入了解。在过去几十年里，已经得到了很多有关黑潮的变化规律以及黑潮所携带的高温高盐水与其所途经的陆架水之间相互影响和作用过程的重要结论（Guan et al，1980；Chern et al，1990；Chen et al，1995；乔方利等，1998；Wong et al，2000；Matsuno et al，2009）。例如，Lin等（2005）通过分析1999年的一次观测调查结果，估计了冬季穿越台湾海峡的北向体积通量，其结果指出此体积通量一般小于2 Sv（1 Sv≡106 m3s-1）。还有一些观测和研究则着重于台湾岛东北部的海域，这些研究从多个不同的方面揭示了黑潮与东中国海的水交换情况（Chern et al，1990；Chen et al，1995；James et al，1999；Wong et al， 2000；Johns et al，2001；Morimoto et al，2009）。例如，Tang等（1993）揭示了各种因素对黑潮在台湾岛东北部向东中国海陆架海域入侵的影响，其中局地风很难对该入侵过程造成影响。后来，Chuang等（1994）观测到在台湾岛东北部的季风季节，出现了短时期黑潮入侵东中国海增强的现象。

后来一些研究进一步的对黑潮主轴的位置及其变化规律做了深入研究。Guan（1980）定义了黑潮的核心在水平方向上表现为黑潮表面流速场0.4 m/s等值线所包含的区域。该定义被应用和发展为确定黑潮位置的条件，一般用黑潮核心区域垂直于黑潮流向断面的中点位置作为黑潮的位置（Andres et al，2008）。通过使用锚定测流浮标和多普勒声学流速剖面仪自1994年9月到1996年5月的海洋调查观测，Johns等（2001）估算出黑潮在台湾岛东侧断面的平均体积通量为 21.5 Sv。Teague等（2003）给出了东中国海水平方向上体积通量、热量通量以及盐度通量的分布状况，并指出穿过台湾海峡与对马海峡的平均体积通量分别为0.14和3.17 Sv。基于1/18度高分辨率的嵌套海洋数值模型，Guo等（2006）分析了东中国海的海流系统以及几个主要断面的体积输送情况。相对于Teague等（2003）的结果，Guo等（2006）关于台湾海峡平均海水体积输送的结果要大的多，为1.71 Sv。Lee等（2007）利用应用力学研究所研制和发展的海洋模型，揭示了东中国海海域黑潮流系的时间和空间分布特征，并进一步基于RIAMOM进行了拉格朗日粒子追踪的数值试验，阐明了黑潮在东中国海大陆架向岸水体输送中的地位。Ma等（2009）利用最新的Argos表层漂流浮标观测数据与TOPEX/Poseidon高度计数据，对东中国海表层流场的变化规律和分布结构进行了详尽地分析。研究揭示了不同部分的黑潮具有各不相同的主要变化周期，这可能是由太平洋Rossby波向西传播情况的影响（Wei et al，2004）以及锋面的不稳定性（Jia et al，2005）造成的。

对于之前所做的相关研究中，多以穿越东中国海大陆架陆坡的海水体积输送来考量黑潮水与东中国海陆架水的水交换情况，但由于东海黑潮向岸的水体积输送可能会经由对马海峡流出而并未参与水交换过程，至少其参与的程度在此研究方法下无法给出定量的考量，所以该参量并不能严格、清晰地区分东海黑潮的横向运动和水交换过程。

后来，一些学者基于水团分析方法以及通过同位素示踪物试验，从不同的方面调查和研究了黑潮水与东中国海陆架水的水交换过程（Chen et al，1995；Jan et al，2006；Lan et al，2009；Li et al，2006；Takikawa et al，2008；Zuo et al，2006）。通过氧同位素的示踪试验，Kim等（2005）揭示了对马海流的两个来源，一个源于黑潮水，另一个则源于台湾海峡。结合东中国海的海流系统，这些研究为研究黑潮水与东中国海陆架水的交换过程带入了很多启发性的观点。

以上研究，仍然很难估计出黑潮与东中国海大陆架之间水交换区的面积、强弱及其变化规律。鉴于此，本文从水团分析的角度，引入最新发展的谱混合模型（Spectral Mixture Model，SMM）方法（宋军，2010），对黑潮与东中国海之间的水交换区进行分析研究。不同于传统的聚类分析，谱混合模型是建立在谱聚类进出上的，同时科学地计算出隶属度函数。然后引入参数α和β，创造任意两个聚类最大限度的交集集合R和S，并最终确定R和S的交集为水交换区。其中参数α和β决定了混合区的空间位置和范围，其中α表示数据点隶属于不同聚类权重的差值，α越大说明该数据点越偏离某一聚类；β则用于排除两水团的外边缘区域带来的误差（宋军，2010）。因此，谱混合模型是一个更一般和有效的方法。本文中讨论的交换区或者混合区的概念其实应该被更科学的称作‘信息过渡带’（Information Transition Zone），引为相对于实际的物质输运过程，其更注重于欧拉场观点下水的性质特征的变化。然而，由于向岸的水体积输送显然将很多水体带入了混合区之内，所以这一概念也不可避免的体现了某种程度的物质交换过程。

1　模型结果与分析

图1　气候态平均情况下于27°N的垂向温度剖面（a）和盐度剖面（b）（图中黑色粗实线标识的水深位置为100 m）

本文引用谱混合模型，对来自ROMS模型的温度和盐度结果（宋军，2010）进行分析，并定义和研究了东海黑潮水与东中国海陆架水之间的交换区。由于本次研究是以温度和盐度两个参数来研究和定义该交换区的，所以有必要对该地区温度和盐度的垂直分布情况做下了解。图1是沿27°N纬线方向上年平均温度和盐度的垂直剖面图。从图1中可以看出，由于黑潮水在100 m水深处的温度和盐度值都与东中国海陆架水有着明显的差异，所以我们决定使用这一水深层的温盐水平结构来初步研究和定义上述交换区。为尽量避免台湾海峡流与对马海峡流的影响，将分析研究区域在纬度上限制在25°N到31°N之间。同时使用黑潮主轴作为研究区域的东边界。同样使用了40 cm/s的表层等流速线所包裹的黑潮主流区作为黑潮在水平方向上的流速核心（Guan，1980），并且与Andres等（2008）的定义类似，使用了黑潮流速核心内的最大流速点作为黑潮的主轴位置。

图2　使用谱混合模型对东中国海在100 m深度的水交换区所做的分析结果（图2a和图2b分别显示了该水交换区域在冬季和夏季的分布结构；相应地，图2c和图2d是前两者对应的T-S点聚图，其中相同的颜色对应着左图中相同范围的数据点集）

图2显示了谱混合模型对我们数据的应用结果，其中的黑色粗实线代表黑潮的主轴位置。研究结果指出该交换区表现为沿东海大陆架陆坡的带状分布特征（图2中的绿色区域）。相对于冬季的分布结构，夏季在西南段和中间段，该交换区更靠近黑潮主轴的位置，这主要是由夏季季风驱使东海大陆架水向外海输出造成的。另一个明显的季节性差异来源于台湾岛西北侧的海域，这主要是黑潮水经由台湾海峡直接侵入东中国海的结果，不过这一影响在冬季会明显减弱。另外，该水交换区东北段的面积最广阔，且季节性摆动也最明显。该段所呈现出的明显的季节性变化很可能是由对马海峡流的季节性变化造成的。冬季，该段水交换区的水平结构明显表现为沿黑潮的主轴方向，而在夏季则出现了向朝鲜岛一侧的弯转。从T-S图中可以看出，夏季温度和盐度的分布比冬季范围更广泛，尤其对东中国海陆架水更是如此。东中国海陆架水具有非常明显的季节性温度变化，特别是距离黑潮较远的海域，而且这些海域通常是较冷的水常出现的地方。

将交换区的范围（图2中的绿色区域）以面积的形式计算出来，得到其随时间的变化曲线（请参见图3a中的粗曲线）。由曲线可知，该交换区的面积具有非常明显的季节变化，其通常在1月份达到最小值并时常在9月份会出现一次第二小值。面积的最大值通常出现在4月份到7月份，同时在11月份也会有第二次峰值的出现。本次研究对该交换带的面积与前一篇文章中讨论过的几个断面的海水体积输送的关系做了进一步的分析。研究发现，穿越东中国海大陆架200 m等深线断面的海水体积输送与此水交换带的面积呈现非常高的负相关关系，其相关系数为-0.78（图3）。这一显著的相关性关系一方面可能是由于较强的向岸水通量限制了黑潮与东中国海陆架水交换区的范围；另一方面是两者都较大的受到了黑潮主轴位置变化的影响，当黑潮较强时，其带入了具有相对于周围水环境差异性更大的温度和盐度的水，但同时又会偏离东海大陆架更远以造成穿越大陆架海水体积输送的减少。图3b是对东中国海水交换区的面积随时间的变化曲线所做的自谱分析结果。该图清楚地显示出黑潮与东中国海陆架水交换区面积的时间变化具有一年、半年和3-4个月3个较显著的变化周期。在误差为5%以内的条件下，图中置信区间的下限为0.23，所以这几个变化周期都有着较高的可信度。其中3-4个月的周期很可能是受太平洋传来的Rossby波的影响，但也可能是东海黑潮流系相互作用和调整过程所导致的。

图3　　（a）为东中国海水交换区的面积随时间的变化（粗线）以及穿越东中国海大陆架200m等深线的水通量的变化（f200）经过以下坐标变换后的曲线：f200×104+2×104。*标识了各年水交换区面积的平均值。（b）对东中国海水交换区的面积随时间的变化曲线所做的自谱分析结果。其在误差小于5%的前提下，置信区间的下限在0.23左右。

2　结论

（1）本文通过谱混合模型定义了黑潮水与东中国海陆架水之间的交换区。该交换区表现为沿东海大陆架陆坡呈带状分布。相对于冬季，该交换区在夏季的西南段和中间段更靠近黑潮主轴的位置。

（2）水交换区在东北段面积最广阔，且季节性摆动也最明显。冬季，该段水交换区的水平结构明显表现为沿黑潮的主轴方向，而在夏季则出现了向朝鲜岛一侧的弯转。由T-S图看出，夏季温度和盐度的分布范围比冬季更广泛，尤其对东中国海陆架水更是如此。东中国海陆架水具有非常明显的季节性温度变化，特别是距离黑潮较远的海域，而且这些海域通常是较冷的水常出现的地方。

（3）水交换区的面积具有非常明显的季节变化，其通常在1月份达到最小值并时常在9月份会出现一次第二小值。面积的最大值通常出现在4月份到7月份，同时在11月份也会有第二次峰值的出现。而且研究还发现，穿越东中国海大陆架200 m等深线断面的海水体积输送与此水交换带的面积呈现非常高的负相关关系，其相关系数为-0.78。对该水交换区面积随时间的变化曲线进行自谱分析，得到该交换区面积的时间变化具有一年、半年和3-4个月3个较显著的变化周期，而且可信度较高。

（4）由于本文指出穿越东中国海大陆架陆坡的海水体积输送与交换区的面积呈现出了非常显著的负相关关系，所以可以猜测黑潮向东中国海大陆架的入侵很可能压缩了交换区的范围。在对交换区面积变化的时间序列做谱分析时，除了存在年际变化的信号外，还发现了显著的6个月和3~4个月的周期信号峰值。这些周期可能受来自太平洋的季节内信号对黑潮水与东中国海陆架水水交换过程的影响。

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（本文编辑：袁泽轶）

Definition of the water exchange area between the Kuroshio and the East China Sea and study of its spatio-temporal distribution regularity

SONG Jun1,3,GUO Jun-ru2,6,MU Lin1,LI Jing1，4,LIU Yu-long1,LI Xi-bin5
（1.The National Marine DataandInformation Service,Tianjin 300171,China;2.National MarineHazardMitigation Service,SOA,Beijing 100194,China;3.Key Laboratory of Physical Oceanography,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao266100,China; 4.College of Marine Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;5.TianjinMarine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center,Tianjin 300451,China;6.KeyLaboratoryof Ocean Remote and Application,Beijing 100081,China）

The Spectral Mixture Model(SMM)is adopted to determine the exchange area between the Kuroshio and the shelf water of the East China Sea in this study.And the spatial distribution and temporal variation laws are studied further. There is a significant negative correlation of-0.78 between the area of the exchange zone and the Kuroshio onshore transport across 200 m isobath in the East China Sea.In addition to the annual and semi-annual signals,the intra-seasonal signal of Pacific may also induce Kuroshio intrusions and exchange events in the East China Sea.

East China Sea;Kuroshio;spectral clustering;spectral mixture model;water exchange

郭俊如，电子邮箱：874623647@qq.com。

P71

A

1001-6932（2016）03-0252-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.002

2015-07-06；

2015-08-10

国家自然科学基金（41206013；41430963；41376014；41206004）；国家海洋局空间海洋遥感与应用研究重点实验室开放基金重点课题（201601003）；教育部物理海洋重点实验室开放基金（SongTun）；国家建设高水平大学公派研究生项目（留金出 [2008] 3019； [2012]2013）；海洋公益性行业科研专项（201205018）；国家海洋局青年科学基金重点项目（2012202；2013203；2012223）；国家科技支撑计划项目（2014BAB12B02）；天津市科技支撑计划项目（14ZCZDSF00012）。

宋军（1983-），男，博士，主要从事近海动力学、业务化海洋学方面的研究。