黑潮源区次表层的低频季节内变化*

马 芊，林霄沛**

(1.中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心, 山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

北赤道流(North Equatorial Current,NEC)在到达菲律宾海岸时，形成南北两个方向的分叉，分别是向南方向的棉兰老流(Mindanao Current,MC)和向北方向的黑潮(Kuroshio, KC)。棉兰老流的主要部分流入苏拉威西海补充印尼贯穿流，剩下的直接进入北赤道逆流(North Equatorial Countercurrent, NECC)。黑潮途径吕宋海峡，一小部分进入中国南海，大部分沿台湾东岸向北流动进入东海，之后沿东海大陆架外缘朝东北大陆架移动，从吐噶喇海峡流出东海, 最终在35°N 附近离岸东流, 成为黑潮延伸体[1]。与此同时，在温跃层以下也存在与两支海表流相反的流动(见图1),分别是棉兰老流下方北向的棉兰老潜流(Mindanao Undercurrent, MUC)和黑潮下方南向的吕宋潜流(Luzon Undercurrent, LUC)。这两支潜流的存在对温跃层以下海水的热盐传递、模态水的生成均有重要作用。NEC分叉点的位置变化对KC, MC, LUC和MUC的流量变化有很大影响，Qu等多个学者的研究表明，NEC海表的分叉点位置在13.3°N～17.2°N范围内移动，且存在明显的季节性变化，夏季偏南，冬季偏北[2-5],且高频变化受当地季风影响较大[3-4]，低频变化则受厄尔尼诺事件和大洋中西向Rossby波的影响。而下层流动情况与上层不同，随着深度增加，分叉点的位置逐渐北移[5-6]，但是海表的地转流动和分叉点的变化可以由卫星高度计、风场数据进行估算，对于深层的分叉点以及LUC、MUC的研究受观测历史较短，观测技术所限，目前研究较少[7]。

(五角星处为ADCP投放点位置。The star marked the location of ADCP.)

LUC最早由Hu等利用70个分布在吕宋岛和棉兰老岛附近的盐度温度深度剖面测量仪(Conductivity-Temperature-Depth System, CTD)发现，同时发现MUC和LUC均存在复杂的多核结构[8]，在此之后对LUC的研究多为数值模式的结果分析。Gao等利用全球环流模式追踪算子认为LUC有41%的水来源于黑潮延伸体附近冬季混合层模态水和亚热带北部环流的水相混合[9]。2010年国际组织气候变率及可预测性计划/世界气候研究计划(Climate Variability and Predictability/World Climate ResearchProgramme, CLIVAR/WCRP)首次在吕宋岛附近布放次表层潜标和声学多普勒测流计(ADCP)对黑潮上游的次表层流动进行长达两年的观测[10-11]。Hu等利用这次观测数据，发现吕宋潜流并非一直存在，且强度存在明显的季节性，冬季强于夏季，夏季强于春季，有着明显的70～80 d的变化周期，且可能与西向传播的中尺度涡有关[12]。在此研究基础上，Wang等结合ADCP观测数据和数值模式数据，通过对涡动能(Eddy Kinetic Energy)的追踪和分析，认为LUC 80 d的变化周期与海表黑潮一致，是由黑潮分叉点处的中尺度涡旋沿岸移动产生的[13]。而Duan的研究表明，在ADCP对次表层流动的观测过程中，700 m处流轴的变动会对潜标产生较大影响，观测中深层流动的季节内变化可能是涡旋与背景流叠加后的表现[11]。

从涡旋的角度研究次表层流动有过很多先例，结合实测数据和模式数据从EKE的角度追踪次表层流动的来源是目前比较可行的研究方法。在对MUC的研究中，Zhang等认为MC和MUC为同一位置的上下层流动，且都存在多核结构和明显的季节性内化。不同于MC的季节内变化由局地涡旋引起，MUC季节内变化主要来源于同纬度西向移动的次表层涡旋[14-16]。Qu和Firing则认为影响其流动的来源是南太平洋尼尼戈群岛的次表层涡旋沿新几内亚沿岸由南向北的传播[17-18]，而Wang等认为MUC的变化由南、北以及同纬度东西向三个途径的涡旋共同作用影响，其中南北向传播的涡旋贡献更大[19]。对MUC的涡旋研究方法为LUC的研究提供了很多借鉴。

本文同样使用CLIVAR/WCRP投放的ADCP实测数据[10]分析发现，吕宋潜流除了存在70～80 d的周期，与海表黑潮周期一致，在温跃层以下还存在一个120 d的周期，这个周期是海表黑潮所不存在的，在此之前也没有相应的研究揭示这一现象。本文结合HYCOM模式数据以及EKE追踪方法，在此基础上追踪吕宋岛附近的温盐较低频变化异常，发现吕宋岛东北向18°N～20°N的海区内存在100～200 d的涡旋活跃区域，且存在周期约4个月的涡旋在136°E附近产生，并沿纬向从东向西移动，经124°E沿深水区域向北产生弯曲和变形后，沿西南方向移动到吕宋岛沿岸，是引起LUC下层120 d变化的主要因素。

1 数据介绍

1.1 潜标观测数据

本文使用的观测数据来自CLIVAR/WCRP西北太平洋环流与气候试验(Northwestern Pacific Ocean Circulation and Climate Experiment, NPOCE)项目投放于18.02°N，122.63°E位置处的次表层潜标，具体位置如图1所示。使用75 kHz ADCP进行测量，分两次投放，第一次投放ADCP位于700 m深度，仅向上发射，深度为海表至700 m记录了2010年11月20日～2011年7月10日的流速；第二次投放ADCP位于500 m深度，有向上和向下两个方向，覆盖从2011年7月11日～2012年10月30日，两次均为每半小时采集一次，原数据消除了高频白噪音之后得到日平均数据进行使用，垂向空间分辨率为8 m。

1.2 模式数据

本文使用的模式数据为HYCOM GLBa0.08版本，该数据来源于美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory, NRL)，时间从2011年1月～2012年12月，时间分辨率为1天，空间水平分辨率为1/12(°)×1/12(°)(平均6.5 km，极地附近分辨率为3.5 km)，垂向分33层(1 000 m以浅包含0，10，20，30，50，75，00，125，150，200，250，300，400，500，600，700，800，900和1 000 m)，包含温盐(TS)、流场(UV)、海平面高度(SSH)等变量。

2 潜标观测的结果与分析

对观测点处径向流速进行11天低通滤波，除去潮汐和白噪音的影响[11]，由图2可见次表层南向流动的吕宋潜流并非一直存在，大部分时间300 m以下存在流向与黑潮相反的吕宋潜流，但是2011年3～5月以及2012年的6～7月上下层流动均一致向北，且中下层吕宋潜流流速存在明显的季节内变化，冬季强于夏季，夏季强于春秋季，这与Hu，Duan等人的研究一致[11-12]。从图2(b)可以看到，200～700 m之间的数据长度都能保持在700个左右，对200～700 m的经向流速时间序列做功率谱可以看出，上层黑潮存在90天左右的周期且该周期从上至下一直延伸到800 m深度，该周期是由黑潮区上层涡旋变化所主导的[13]，但是除此之外500～700 m深度还存在一个120天以上的变化周期，该周期不存在于海表黑潮的变化中，其产生机制不是由黑潮区表层中尺度涡所主导的，而是由温跃层以下某些可能存在的机制所产生。为了辅助验证这一结果，本文引入模式数据验证这一结果，并进一步分析次表层导致吕宋潜流变化的机制。

图2 ADCP在观测点处径向流速的时间序列(a)，ADCP测量的有效数据分布(b)和每层深度的功率谱分布(c)

3 模式数据的比较与验证

图3，4为多个模式数据在潜标观测点附近流速的比对，HYCOM数据集有两个版本，分别是GLBu和GLBa。两个版本差别在于GLBu经过了再分析处理，两个版本的径向流速均与实测一致，而CFS模式数据在2010年8月之前与实测数据相差较大，Ecco数据也与实测情况不符。通过径向流速谱分析图(见图5)可以看出，HYCOM(GLBa)版本在18°N，122.5°E处径向流速与实测情况相符，除了海表存在80～100 d的周期之外，在温跃层以下还存在120天以上的周期。再分析处理可能将吕宋潜流的这一特征淡化抹去，因此HYCOM(GLBa)数据更适合用于进一步研究吕宋潜流的变化。

图3 ADCP观测数据(a)与CFS(b),ECCO(c)数据的比较Fig.3 Data comparison of ADCP(a), CFS(b) and Ecco(c)

图4 ADCP观测数据(a)与HYCOM模式GLBu(b)和GLBa(c)的比较Fig.4 Data comparison of ADCP(a)，HYCOM(GLBa)(b) and HYCOM(GLBu)(c)

图5 HYCOM数据在18°N,122.5°E处位置径向流速的功率谱Fig.5 Power spectrum of (a) HYCOM (GLBa) and (b) HYCOM(GLBu)at 18°N,122.5°E

为了进一步辅助验证ADCP观测数据的结果，本文对HYCOM数据的经向流速进行分层的功率谱分析、红噪声置信检测以及小波分析。图6可以看出，不同层的经向流动存在巨大差异，200和300 m的流动与500～900 m的流动存在很大不同，500～700 m的经向流动在150天左右存在较大峰值，这个峰值是上层流动所不存在的。而图7中的小波分析结果也同样显示，200 m深度只有100天以内的周期存在，而500 m深度的流动同时存在两个分隔开的周期，一个是与海表一致的60天左右周期，另一个是100～180 d的周期。虽然由于模式误差，峰值依旧是150天,与观测数据的120天有一些差异，但是仍然体现了上层流动与次表层流动的明显差异。

4 模式数据的分析结果

4.1 EKE的计算方法介绍和不同尺度下的EKE分布情况

图6 HYCOM(GLBa)经向流速在不同深度的功率谱(蓝线)和95%红噪声置信(红线)分布Fig.6 The power spectrum(blue line) and 95% red noise confidence distribution (red line)of HYCOM (GLBa) meridional velocity at depth of 200,300,500,700,800 and 900 m

图7 HYCOM(GLBa)经向流速在不同深度的小波分析结果Fig.7 Wavelet analysis results of meridional velocity at the difference depth

图8和9分别为200天高通滤波和100～200 d带通滤波之后的结果。从图8的EKE分布来看，300 m以浅的EKE分布和500 m以深的EKE分布存在很大差异。300 m以浅的涡旋活跃区域主要存在于吕宋岛以北的吕宋海峡附近以及吕宋岛东北方向123°E～126°E的区域，吕宋岛以北涡旋活跃主要是因为黑潮经过吕宋海峡的地形产生，而吕宋岛东北方向由于黑潮回流产生复杂多变的流动。而500 m以下则不同，涡旋活跃区域集中在吕宋岛西岸沿岸和观测点附近。然而，经过不同频段的滤波之后，EKE的分布也有所不同，尤其是100～200 d的带通滤波，在吕宋岛西岸沿岸涡旋活动没有图8中那么显著，这表明，即使在吕宋岛沿岸存在非常活跃的次表层涡旋，但是这些涡旋多为周期在100天以下的较高频活动的信号，而非100天以上时间尺度的活动。而图9(c)显示，在500 m深度，18°～20°纬度带上存在东西向较强的EKE活跃范围，且一直延伸到140°E。因此，本文将着眼于100～200 d带通滤波的结果，从吕宋岛东北向的纬度带上寻找是否有100天以上周期的涡旋存在。

图8 四个不同水平面200天高通滤波后的EKE分布Fig.8 EKE of the area around Luzon Island after 200 d high pass filtering in the different level

图9 四个不同平面100～200天带通滤波后的EKE分布Fig.9 The same picture as Fig 8 but after 100～200 d bandpass filtering

4.2 吕宋岛东北向温盐和流速变量的变化特征

为了去除尺度在50 km以内的高频亚中尺度涡旋干扰，本文在对模式数据进行时间带通滤波的基础上，再次进行了空间滤波，空间滤波尺度为6个网格点(约55 km)。根据图10，11的经向流速和温度异常来看，存在一个变化周期约4个月的冷暖交替涡旋结构，该冷(暖)异常从东边约140°E的位置出现，并逐渐向观测点(18°N,122.5°E)的位置移动。以图11中红色方框范围内的暖异常为例，该暖异常于2011年5～6月在140°E的位置产生，经过6～7个月之后在2011年1月到达122.5°E的位置，且与图10中经向流速形成的涡旋结构对应。

但是我们也同时观察到，图10和11中的温度异常和流速异常并非严格从东向西传递的，尤其是在大洋内部区域，136°E附近和124°E附近盐度和流速异常的色带发生扭曲变形，为了进一步验证是否有次表层涡旋结构从140°E的位置传递过来，还是从离太平洋西岸更近的位置传播，作者对图11红框内的单个涡旋进行追踪。

图10 18°N～20°N纬向平均的经向流速异常哈默图Fig.10 Longitude-time distribution of zonal mean meridional velocity anomaly between 18°N～20°N

图11 18°N～20°N纬向平均的温度异常哈默图Fig.11 The same as Fig.10 but zonal mean temperatureanomaly

4.3 涡旋结构的追踪和分析

本文选取图11中红框区域内的暖异常变化进行追踪。图11显示该涡旋在140°E位置产生，经过6～7个月时间到达菲律宾沿岸，即所选取的时间如表1所示。图12、13显示了涡旋在138°E，18°N附近产生，并向西边界运动的过程，红框内为本文所追踪的暖异常和流速异常。从图12(b)和(c)可以看出，在到达136°E时，涡旋面积似乎在一个月内(2011年7月15日～8月20日)有所扩张，涡旋经向流轴变成了之前的两倍，但是从图12(b)和(c)可知，这里出现两个南北向流动的结构，即这里可能新产生了一个涡旋，而140°E产生的涡旋到达136°E之后无法继续向西传播，而是由136°E位置产生的新的涡旋继续向西运动。而从图12和13的最后两个时刻来看，涡旋沿东西方向运动到124°E，20°N以后产生了变形，逐渐由东西向涡旋结构向西南-东北方向拉伸，并且最终向西南方向运动到达吕宋岛沿岸。

表1 追踪涡旋所选取的日期Table 1 Date of the flow field chosen in Fig. 12 and Fig. 13

((a)～(f)的时间见表1。Time of the subgraphs is showed in Table 1.)

((a)～(f)的时间见表1。Time of the subgraphs is showed in Table 1.)

4.4 吕宋岛以东海底地形的变化

为了进一步寻找涡旋活动在136°E和124°E终止传播和发生扭曲变形的原因，本文根据Etopo地形数据画出研究区域内海底地形的变化(见图14)。从图中可以看到，在134°E～136°E位置存在一系列从南向北浅水小岛组成的浅水链，而在124°E～126°E，16°N～18°N位置，也存在3 000 m以浅的深度异常，这导致涡旋运动到136°N时，由于地形阻隔原因无法继续向西传播，而到达124°E时，涡旋由于β效应，会向北绕过浅水区域而后沿20°N，124°E向西南向的深水带一直运动到吕宋岛沿岸，这是吕宋潜流在次表层产生100 d以上周期的原因。

图14 120°E～140°E，16°N～24°N的海水深度Fig.14 Water depth of 120°E～140°E，16°N～24°N

5 总结与讨论

本文根据ADCP观测到的吕宋岛附近流速在温跃层以下存在100天以上周期的异常变化，分析该变化的特征和形成机制。基于更长时间和空间范围的Hycom模式数据，通过时间空间滤波和EKE的计算，发现尽管吕宋岛沿岸存在大量涡旋活动，但是其涡旋产生周期远小于100 d，而更低频的流速和温度异常出现在吕宋岛东北方向18°N～20°N的海区内。通过进一步的追踪可以发现，由于地形阻隔作用，周期约4个月，水平半径为100～200 km的中尺度涡旋产生于136°E，18°N～20°N的区域内，而非140°E的位置，然后以平均8.3 km/d,即6.68 cm/s的速度向西运动，该速度低于Rossby波的第一斜压态传播速度。在到达124°E后，向北绕过浅水海域并向西南向运动至吕宋岛沿岸。

本文目前仅根据EKE分布和温度流速异常，探索到与吕宋潜流次表层变化周期一致的涡旋结构，找到引起吕宋潜流次表层变化的可能机制。下一步工作将进一步探索这些次表层涡旋产生的来源和传播机制，并通过更多细化的统计正反气旋涡旋研究其变化规律和对次表层流动的实际影响，以及对上层黑潮可能产生的影响。