南海上层环流和热结构特征的季节性时空演变数值模拟分析

许 婷

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456;2.天津大学 环境科学与工程学院, 天津300072)

南海上层环流和热结构特征的季节性时空演变数值模拟分析

许 婷1,2

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456;2.天津大学 环境科学与工程学院, 天津300072)

文章基于POM模式模拟了南海上层环流和热结构季节性变化特征，并且在此基础上初步探讨了南海环流和热结构的主要影响因素。研究结果表明：季风是控制南海上层环流季节性变化的决定性因素，冬、夏季是南海季风盛行期，环流特征也较为典型，而春、秋季节是季风转换期，上层环流出现多涡结构。南海热结构分布最直接影响因素是太阳辐射的季节性变化和地理纬度，并且存在季风和洋流影响所产生的热结构变化。除此之外，南海复杂地形和岸线也会间接影响南海环流形态和热结构分布。

上层环流；热结构；南海；POM模式；数值模拟

南海属于面积较大、水深较深的陆缘海，海底地形十分复杂，平均水深超过1 000 m，最深处近6 000 m。南海处于东南亚季风核心区域，不同季节其风向变化明显，属典型的季风性气候[1]，局地性海-气相互作用现象十分显著[2]。南海四周多被半岛和岛屿包围，地理环境较为封闭，强季风作用下形成的局地强迫作用是南海上层环流的主要驱动力[3]。

我国关于南海环流和热结构方面的研究开始于20世纪60年代，当时研究手段多以海洋调查获取观测资料为主，相继开展的多次南海大规模海洋调查活动获取的风资料、海流资料等为开展南海海域研究提供了宝贵的基础数据资料，但由于南海面积广阔、自然环境、海底地形、海流状况等十分复杂，因此现场调查工作开展起来比较困难，且获取的实测资料十分有限，此阶段研究并未取得重大突破。直到20世纪80年代末期，随着海洋观测技术手段的明显进步、卫星遥感等技术的引入，尤其是开始采用数值模拟手段进行研究，南海环流和热结构研究才迎来了崭新的阶段。

经过国内外海洋学者数十年坚持不懈的努力，南海环流和热结构方面的研究已经取得了不少研究成果，例如1989年，曾庆存[4]基于二维全流方程模式，模拟了南海各月平均表层流，研究结果表明风生海流受海岸及海底地形约束产生的补偿流是促成南海暖流的主要因素；1994年，Xie[5]采用非线性约化重力海洋模式研究了南海表层水温年循环过程和物理机制，发现热力强迫作用和海面动力强迫作用是维持南海表层水温年循环的两大主要动力因素。2006年，兰健等[6]通过分析南海温跃层时空分布变化规律，揭示了南海温跃层的产生与南海环流运动和多涡结构有密切关系。2016年，韩玉康等人[7]结合高度计和SODA再分析资料，利用改进的挪威版HYCOM海洋模式对南海的中尺度涡现象开展了数值模拟研究，揭示了南海中尺度涡的结构特征、能量以及与背景场的相互作用。

然而，在众多的前人数值模拟研究成果中，鲜有文献报道全面考虑南海海面高度、海面热通量、季风、温度场、盐度场、流等多因素条件模拟分析南海上层环流和热结构特征随季节不同其时空演变规律的变化情况，这也正是本文研究目的所在。

1 数据资料与模型配置

POM海洋模式是由美国普林斯顿大学Blumberg和Mellor提出的三维斜压原始方程模式[8]，在世界上许多陆架海的广泛应用过程中显示了其优越性[9-11]，为避免赘述，本文略去了模式方程和差分格式介绍(详见文献[8])。

1.1计算域与网格剖分

图1 南海计算域水深地形Fig.1 Topography of the South China Sea

南海计算域选取模拟范围为99°E～135°E，1°S～32°N，包含了整个南海以及西太平洋的一部分。模型的西边界设置在岸界上，可以避免人为设置开边界引起的计算误差。东边界延伸在西太平洋，主要是为了更好地模拟黑潮，因为南海受黑潮影响较大，黑潮模拟的好坏直接影响到南海环流的模拟精度。

模式网格采用了正交曲线网格，一方面可以更好地拟合陆地边界，另一方面可以减少计算量。模式网格格点数为381×301，分辨率约为10 km，采用较高的分辨率有助于模拟大、中尺度海水运动，垂向分为23个等sigma层。海底地形采用了分辨率为1分的地形数据ETOPO 1(Earth′s topography and bathymetry)。模式的最小水深设置为10 m，最大水深设置为5 500 m。计算域水深地形详见图1。

1.2计算条件配置

模式首先经过了15 a的预热，具体过程为以World Ocean Atlas 2001(简称WOA 01)一月份的月平均温度场和盐度场为初始场，气候态月平均的海表强迫场和侧边界条件进行驱动，从静止开始积分，积分15年后模式状态场达到平衡态。其中，模式海表强迫场采用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，简称NCEP)的再分析资料，通过64 a(1948年～2011年)平均形成月平均的强迫场，包括风场、净的短波辐射通量、净的长波辐射通量、感热通量和潜热通量等。侧边界条件采用的SODA 2.2.4月平均再分析资料。宏波[12]对比了利用SODA、ECCO等不同的再分析资料做南海区域模式侧边界的结果，发现使用SODA资料模拟的黑潮的位置和强度效果较好，因此，本文使用SODA资料作为侧边界条件，包括侧边界的海表高度、温度、盐度和流场。在上述条件下，模式积分了15 a之后达到平衡态。

1.3模拟结果合理性检验

以spinup的结果作为真实年份模拟的初始场，SODA 2.2.4月平均再分析资料作为边界条件，NCEP日平均的风场、净的短波辐射通量、净的长波辐射通量、感热通量和潜热通量等作为大气强迫，本文进行了10 a(2001年～2010年)的模拟试验，以检验POM模式在南海的模拟性能。以10 a平均状态作为南海气候态，图2给出了POM模式模拟夏季和冬季的南海表层环流。前人的研究[13]表明，南海表层环流主要受季风的影响，其次受通过吕宋海峡入侵南海的黑潮的影响。南海夏季季风主控风向为西南向，受其作用，南部海域呈现大范围的反气旋式环流运动，而北部海域则有弱的气旋式涡旋存在。同时受局地风应力和南海地形的影响，南海表层环流整体呈气旋式环流结构，并且西边界流存在强化现象。此外，在(18°N，118°E)附近存在吕宋冷涡[14-15]。春秋两季为南海季风的转换期，其环流结构为南海夏季环流和冬季环流之间的过渡形态。本文采用POM模式模拟的南海表层环流结构与前人研究的南海大尺度环流特征[13,16]相符合。

通过与前人研究和观测对比，证实了本文采用POM模式建立的南海环流模型能够较好地模拟南海区域的环流结构，本文以该模式为基础对南海上层环流和热结构季节性时空变化开展试验研究。

2 南海上层环流和热结构的季节性时空演变

通过POM模式模拟得到的南海各月计算结果，取1月、4月、7月、10月分别代表冬季、春季、夏季、秋季4个季节。为了比较分析不同季节情况下，南海上层环流形态差异和热结构分布差异，本文给出了各季节其海表层和100 m层(文中称之为“次表层”)对应的流场图和温度场图，详见图3和图4。

2-a 夏季 2-b 冬季图2 POM模拟的南海夏季和冬季气候态的海表流场分布Fig.2 Sea surface flow field distribution simulated by POM in the South China Sea in summer and winter

2.1冬季

冬季，南海主控季风风向为东北向，受其作用，南海表层海流呈现大尺度气旋式环流运动，同时，在中南半岛东南侧海域也存在一个尺度相对较小，但形态比较清晰的气旋式涡旋，由对应的温度场图可知，该涡旋所处位置温度相对较低，属于冷涡，在越南东南侧海域也依稀可见三四个气旋式涡旋。从冬季海表层流场图还可以看出，黑潮穿过吕宋海峡时，会使得南海北部环流有所加强。从纬度来讲，南海北部海区的水温应该比南部略低，但从冬季南海海表层温度场图反应情况，南海表层海温分布较均匀，南北差异并不大，这是因为黑潮属于一支暖流，黑潮将高温海水带入南海北部海区，提高了北部海域的海水温度。从南海温度场整体分布来看，越南东南侧海域及东西两侧沿岸海域海温相对偏低，泰国湾海温相对偏高，苏禄海附近海域存在明显的高温暖水区。

南海次表层流场同样存在一个大的气旋式环流系统，这说明强大的东北季风对于位于100 m层的水深区域仍有驱动作用，但次表层流速强度比表层流明显要小，这是由于海表风应力对于100 m处的水深层其作用强度减弱。从次表层流场图还可以看出，南海西部存在着自北向南的西边界流，中南半岛东南侧的气旋式冷涡依然存在，在吕宋海峡附近存在着明显的涡旋，在吕宋岛西北侧海域也存在一个明显的涡旋，从对应的温度场图可以看出，该区域处于低温冷水区，从性质上判定，该涡旋属于“冷涡”，这就是学者们经常提到的“吕宋冷涡”。

从南海次表层温度总体结构可以看出，其温度场分布规律与海表层相似，但由于位于水下100 m深的次表层其受到太阳辐射的影响作用远小于海表层，因此次表层总体海温要明显低于表层海水层。另外，南海沿岸浅水区次表层海温稍高，在吕宋岛西北侧海域存在明显的低温冷水区。

2.2春季

春季属南海季风转换期，海表多为风力较弱的偏东风。原先的大尺度气旋式环流体系已经不复存在，仅北部海域尚残存些许冬季气旋式涡旋形态，其余海域甚至开始出现与冬季完全相反的流型。

同时，在南海沿岸海域和南部海域，开始出现多个小型涡旋，广东外海存在微弱的南海暖流。结合南海海表层春季流场图和温度场图，不难发现，沿吕宋岛西北沿岸海域存在一支北上的沿岸暖流，有学者[17]将其称之为“吕宋沿岸流”。南海开始出现与冬季反向的海流，在中南半岛附近海域出现多个小型涡旋，黑潮对南海北部海域的影响明显减弱，这是因为黑潮本身流速减小，温度降低所致。春季，在广东外海开始出现南海暖流现象，这是因为冬季在强东北季风作用下呈现的大尺度气旋式环流体系掩盖了南海暖流现象，而到了风速较弱、风向不稳定的季风转换期——春季，南海暖流现象才得以显现。吕宋沿岸流开始变得杂乱。越南沿岸北部的气旋式涡旋开始衰减，离岸流也开始减弱，南部的气旋式环流也开始减弱。从南海春季表层温度场图可以看出，相比冬季，春季海温明显上升，尤其是在南海南部海域。但是，也有相对较低温的水域存在，比如：位于加里曼丹岛北部的海域其水温则相对较低。春季，黑潮入侵南海的影响逐渐减弱，南海北部海区失去了黑潮这支暖流高温海水的注入，导致南海北部海域春季海温反而比冬季偏低，这也印证了Shaw[18]的论点“黑潮南海分支始于夏末，冬季加强，终于春末”。

由南海春季次表层流场图可知，由于春季南海处于季风过渡期，风向不稳定，其流场内部结构也显得较乱。冬季情况下大型海盆尺度的气旋式环流已经开始分裂为多个涡旋。与海表层流场相似，西边界处开始出现明显的冬季反向流，并发现有西向流强化现象。吕宋冷涡也开始消失。春季流型处于冬季流型向夏季流型的转换期。次表层和表层海温相比，春季海温上升幅度不如冬季明显。在吕宋岛东北侧海域存在一个明显的高温暖水涡旋区，而其西北侧海域则属相对低温的冷水区且其覆盖面积反而有进一步扩大趋势。

2.3夏季

夏季，南海上空被西南季风所控制，但风力大小稍弱于冬季东北季风。在西南季风控制下，南海表层环流流型与冬季大致相反，整体呈现反气旋式环流。在海南岛附近出现由西向东的加强流，在海南岛沿岸存在较明显的顺时针涡旋，且处于高温区，从性质上属于“暖涡”。在南海南部也存在两个不太明显的暖涡。从南海表层流场图可以看出，夏季，南海表层海温整体呈上升趋势，但在北部海域却存在一相对低温冷水区且覆盖范围反而进一步扩大，这是由于夏季时期，黑潮暖流入侵南海北部海域并提升南海北部海域水温现象不再明显所致。南海中部和西南部海域海温整体较高。南海东北部台湾西南海区也属于水温较高的暖水区，除此之外，温度较高的暖涡区在中沙群岛、越南东南外海、菲律宾西侧也有发现。南海北部海南岛与台湾岛之间海域，海温整体都比较低。海南岛外海和南海东南部沿岸海域则均发现了小范围冷涡区。夏季南海次表层流场在西南季风影响下同表层一样，呈现出反气旋式大环流，南海环流西向强化现象依然明显。南海夏季次表层温度分布场图可以看出，南海次表层海温相比于春季，略有上升。位于海南岛外海的暖涡不仅出现在表层流场中，在次表层流场中也有出现，吕宋海峡处的高温暖水区在次表层流场中其范围有进一步扩大趋势。

2.4秋季

秋季和春季一样，处于季风转换时期，风向不如冬夏季稳定且风力也较弱，整体流场结构不如冬夏季典型。从南海秋季表层流场图可知，随着南海西南季风的迅速撤退，南海反气旋式环流也开始减弱解体。虽然在南海北部海域仍然残存反气旋式环流，但和夏季相比，范围缩小，强度减弱。在加里曼丹岛西部沿岸的中部海域开始出现一个相对低温的反气旋式“冷涡”。在越南东海岸，海流呈西向漂流。伴随着越南离岸流的逐渐减弱消失，南海西边界流开始重新显现并逐渐加强。泰国湾的反气旋式环流开始消失，并重新被气旋式环流控制。南海南部存在冷涡。从南海表层温度场分布图可以看出，秋季，南海表层海温整体降低，温度梯度减小。同时，黑潮暖流开始重新入侵南海北部海区并起到明显的“加温”作用，显著提高了北部海域的水温。与此相反，在南海西边界流冷水的影响下，南部海域水温有进一步下降。

同表层流场一样，秋季南海次表层流场北部海域的反气旋式环流开始减弱并解体，气旋式大环流开始显现，但不如冬季明显。南海环流西向强化现象也变得强烈。从秋季南海次表层温度场分布图可以看出，秋季南海的次表层温差依然较小，除了吕宋海峡附近海温相对较高外，其余海域水温整体较低，在次表层，南海北部海域依然受到黑潮暖流入侵影响，但温度升高幅度不如表层明显些。

3-a冬季海表层流场图和温度场图 3-b春季海表层流场图和温度场图

3-c夏季海表层流场图和温度场图 3-d秋季海表层流场图和温度场图

4-a冬季次表层流场图和温度场图 4-b春季次表层流场图和温度场图

4-c夏季次表层流场图和温度场图 4-d秋季次表层流场图和温度场图

3 南海上层环流和热结构的影响因素分析

前面采用POM模式较好地模拟了南海的上层环流和热结构情况，但由于南海海域广阔、岸线较长、地形复杂、气候多变等，导致南海环流形式和热结构也是非常复杂多变的，根据本文数值模拟结果，并通过分析总结前人的研究成果[2,19]，对南海上层环流和热结构影响因素作初步探讨。

3.1季风影响

南海四周多被半岛和岛屿所包围，处于半封闭环境之中，加之东南亚强季风气候影响，局地强迫作用成为南海表层海流运动的最直接驱动力。南海环流特征在冬季和夏季时期比较典型，冬季环流运动呈典型的气旋式，夏季与之相反，呈反气旋式，这是因为冬季主控季风风向为东北向，夏季则为西南季风，二者风向恰好相反。春、秋两季处于季风过渡期，风向不稳定，风力较弱，因此，春季和秋季期间，南海环流流型处于冬、夏季过渡流型，且环流特征不如冬夏季典型。季风不但能直接影响南海上层海流运动，而且风场能够在很大程度上改变海洋上层水温分布，同时也是出现局地冷暖中心的主要原因之一，因此许多研究学者认为，风场是南海环流中最重要的影响因素。

3.2太阳辐射影响

太阳辐射的季节性变化是决定南海水温分布季节性变化的最主要原因。南海南部海域接近赤道附近，该区域太阳辐射季节性变化不如位于北纬度带的海域那么明显，从而使得南北海域产生一定的温度差，导致压力梯度产生，在科氏力的共同影响下，形成密度流。除此之外，太阳辐射还会间接影响盐度分布和海水密度。因此，太阳辐射也是直接影响南海环流和热结构的重要因素。

3.3洋流影响

除了上面阐述的季风影响和太阳辐射影响之外，洋流也会直接影响南海环流和热结构分布，许多学者通过现场观测手段和数模试验手段均证实了黑潮入侵南海能够明显改变南海北部海区的环流形式和热结构，对北部海区影响较大，对中南部海区影响较小。黑潮入侵现象开始于夏末秋初，终止于春末，冬季最强，因此，南海北部海域在冬季时期受黑潮影响最显著。此外，南海暖流也会影响南海的热结构分布。南海除了大的气旋式环流和反气旋式环流体系外，还包含若干个中、小尺度涡旋，在南海复杂地形和自然环境影响下，在局地风场的影响下，南海的多涡现象也是被广大学者所共识的，这些冷、暖涡旋也在一定程度上影响着南海环流形态和热结构分布。

3.4地形影响

南海地形条件十分复杂，在大尺度的环流体系背景下，同时还会发育诸多中小尺度的涡旋形态，这都与南海复杂的海底地形有重要关系，与此同时，复杂的地形条件通过摩擦作用影响，还会反过来抑制这些中小尺度涡旋的过度发展。南海海域复杂的边界条件和地形特征使得南海海流呈现多样化结构。有研究表明，对于南海这种半封闭海盆，如果南海地形平坦光滑，则涡旋会明显减少，且流场也会变得相对简单。

4 结论

本文基于POM模式模拟了南海上层环流和热结构季节性变化特征，并且在此基础上初步探讨了南海环流和热结构的主要影响因素，得出主要结论如下：

(1)季风是南海上层环流的最直接强迫，冬季和夏季季风风向稳定且风力较强，因此，南海环流特征也比较显著，冬季在东北强季风作用下南海环流呈现大尺度的气旋式环流运动，夏季在西南季风作用下则呈现大尺度的反气旋式环流运动，二者季风风向相反，环流形态也恰好相反。春、秋季节是南海季风转换期，风向有交替，且风力不强，因此南海上层环流呈现多个涡旋小体系。除此之外，黑潮、南海暖流等势力较强的洋流也会对南海上层环流产生重要影响。

(2)南海的热结构分布最直接的影响就是太阳辐射的季节性变化，空间上与所处纬度带有关。但在不同季节，会存在季风和洋流影响所产生的不同热结构，例如：黑潮对南海冬季北部环流热结构会产生重要影响，使得北部海温明显提高。

(3)南海次表层流场总体来说与表层相似，不同的是，次表层海温低于表层且季节性差异不如表层那么明显，黑潮暖流入侵现象在次表层也有显现，但也不如表层显著。

(4)复杂地形不会对南海上层环流产生直接影响，但能够在一定程度上影响南海的温度、盐度的结构分布，产生密度流，对流场和热结构产生间接影响，复杂地形在催生诸多中小尺度涡旋发育的同时又抑制它们过度发展。

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Numerical simulation analysis on seasonal spatial-temporal evolution of upper-layer circulation and thermal-structure in the South China Sea

XUTing1,2

(1.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China； 2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

In this paper, the seasonal spatial-temporal evolution of upper-layer circulation and thermal-structure in the South China Sea were simulated based on the POM model. A primary discussion was carried out on the major influencing factors of circulation and thermal-structure in the South China Sea. Monsoon is the decisive factor to control the seasonal variation of upper-layer circulation in the South China Sea. South China Sea monsoon prevails in both winter and summer with typical circulation characteristics. But spring and autumn are the monsoon conversion period when multi-vortex structures appear in the upper-layer circulation. The most direct influencing factors of thermal-structure in the South China Sea include seasonal variation of solar radiation and geographical latitude, and there exist thermal structural variation influenced by monsoon and ocean current. The complex terrain and shorelines in the South China Sea will also indirectly influence the circulation form and thermal-structure distribution in the South China Sea.

upper-layer circulation; thermal structure; the South China Sea; POM model; numerical simulation

P 732

：A

：1005-8443(2017)04-0344-07

2017-01-11；

：2017-03-22

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(TKS150210)；国家自然科学基金资助项目(51509023)；国家重点研发计划课题(课题编号：No.2016YFC0402605和课题编号：No.2016YFC0402603)；水利工程仿真与安全国家重点实验室开放基金资助项目(HESS1401)；国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室开放基金资助项目(SCS1606)

许婷(1985-)，女，山东省菏泽人，副研究员，博士研究生，主要从事海岸河口水动力泥沙及水环境数值模拟研究。

Biography：XU Ting(1985-),female, associate professor.