鄒逸航

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 引言

中國(guó)東海(以下簡(jiǎn)稱東海)是西太平洋的一個(gè)邊緣海，東海陡峭的陸坡是阻礙東海陸架水與黑潮水的跨陸架物質(zhì)交換的天然屏障，但由于各種動(dòng)力因素影響，在實(shí)際觀測(cè)中黑潮水與陸架水之間存在較強(qiáng)烈的水交換現(xiàn)象[1,2]，其中我國(guó)臺(tái)灣東北部(以下簡(jiǎn)稱臺(tái)灣東北部)是進(jìn)行物質(zhì)交換的主要場(chǎng)所而受到最多關(guān)注[3]。以往的研究表明在臺(tái)灣東北部影響黑潮入侵的動(dòng)力因素眾多[4]，導(dǎo)致黑潮的向岸入侵過(guò)程也具有多尺度的復(fù)雜變化，因而有著重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

Liu C et al.[5]計(jì)算得到黑潮體積輸運(yùn)量和跨陸架水通量都存在100 d、1 a和準(zhǔn)4 a周期信號(hào)，其中準(zhǔn)4 a周期信號(hào)顯示了黑潮輸運(yùn)量與ENSO之間的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。Ding et al.[6]計(jì)算22 年平均的黑潮跨陸架水交換時(shí)，認(rèn)為總跨陸架凈水通量的年際變化具有2 a、4 a等周期，顯著強(qiáng)于季節(jié)變化，并認(rèn)為年際變化特征與黑潮流量的變化有關(guān)。

現(xiàn)階段對(duì)于黑潮入侵的相關(guān)研究仍存在一些值得探討的問(wèn)題：臺(tái)灣東北部黑潮入侵除季節(jié)尺度外，其他時(shí)間尺度上的具體特征或周期規(guī)律并不十分明確。結(jié)合上述研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，本文將嘗試對(duì)臺(tái)灣東北部黑潮入侵過(guò)程的年際尺度特征進(jìn)行總結(jié)，即分別對(duì)時(shí)間序列及對(duì)應(yīng)流場(chǎng)變化進(jìn)行研究。

2 數(shù)據(jù)資料

本文選擇使用的海表面流場(chǎng)數(shù)據(jù)資料為網(wǎng)格化的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)資料，來(lái)自于法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心提供的AVISO (Archiving, Validation, and Inter- pretation of Satellite Oceanographic Data) 數(shù)據(jù)集(https://www.aviso.altimetry.fr/en/my-aviso. html)。

流場(chǎng)數(shù)據(jù)資料為絕對(duì)地轉(zhuǎn)速度延時(shí)數(shù)據(jù)，是根據(jù)地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系，利用絕對(duì)動(dòng)力高度(Absolute dynamic topography，簡(jiǎn)稱ADT)延時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)9點(diǎn)插值方法反演出的海表面流場(chǎng)。ADT是大地水準(zhǔn)面以上的海面高度，是海表面異常與平均動(dòng)力高度之和，其數(shù)據(jù)庫(kù)起始時(shí)間為1993年1月，投影到笛卡爾坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 d，空間分辨率為1°/4×1°/4。本文采用的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度為1993年1月1日至2016年12月31日共計(jì)24年(8760d)。值得注意的是，通過(guò)ADT反演海表面流場(chǎng)的過(guò)程，是根據(jù)地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系得到的，因此該海表面流場(chǎng)只代表了海水運(yùn)動(dòng)的地轉(zhuǎn)部分。

3 臺(tái)灣東北部黑潮入侵流場(chǎng)和入侵量

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的處理，得到我國(guó)臺(tái)灣及鄰近海域的24年氣候態(tài)流-渦場(chǎng)，以及相應(yīng)的流場(chǎng)方差橢圓-渦度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖(圖1)。從氣候態(tài)流-渦場(chǎng)來(lái)看，黑潮主干在流出臺(tái)灣島東部進(jìn)入東海時(shí)，在臺(tái)灣東北部的陸架坡折處(約25.75°N)與緯向的東海陸架相撞而分叉，主干沿陸坡流向東北，而另一小部分黑潮水跨越200 m等深線入侵東海陸架區(qū)域，隨后轉(zhuǎn)向東，在大致經(jīng)向的陸架坡折處(約124.5°E)再次跨越200 m等深線回歸黑潮主干。這與Isobe et al.[7]利用JODC記錄的GEK和ADCP多年觀測(cè)數(shù)據(jù)所繪制的氣候態(tài)流場(chǎng)是相吻合的。相對(duì)應(yīng)的氣候態(tài)渦度場(chǎng)顯示，黑潮在臺(tái)灣東北部的陸坡附近存在一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的正渦度，位置與以往研究中指出的黑潮入侵點(diǎn)相吻合。

從流場(chǎng)流速方差橢圓和渦度標(biāo)準(zhǔn)差的分布來(lái)看，黑潮主軸附近流速方差橢圓長(zhǎng)軸大、短軸小，表明黑潮主軸流速變化較大，而流向穩(wěn)定；在我國(guó)臺(tái)灣東部(以下簡(jiǎn)稱臺(tái)灣東部)黑潮以東海域，流速方差橢圓的長(zhǎng)、短軸都較大，表明該區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，流速與方向多變，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臏u度標(biāo)準(zhǔn)差分布來(lái)看，說(shuō)明該區(qū)域普遍存在復(fù)雜的渦旋運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象；在臺(tái)灣東北部黑潮入侵的海域，流速方差橢圓呈旋轉(zhuǎn)分布，結(jié)合渦度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期存在一個(gè)直徑約100 km左右的中尺度旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，這應(yīng)該與黑潮入侵陸架涌升導(dǎo)致的上升流有關(guān)。

選取EOF分析的范圍時(shí)，充分考慮到流場(chǎng)內(nèi)形態(tài)變化、黑潮流量變化、黑潮入侵量變化之間的密切關(guān)系，以及可能引起黑潮流量或入侵量顯著變化的各種動(dòng)力因素，最終選擇區(qū)域范圍為121.6°～123.9°E, 24.1°～26.4°N(如圖1框內(nèi)的區(qū)域)，這樣既能全面刻畫黑潮在通過(guò)臺(tái)灣東北部過(guò)程中主干流速、流量的變化情況，又能確定臺(tái)灣東北部黑潮入侵東海陸架的變化情況，是本文擬解決問(wèn)題指向的核心區(qū)域。

圖中(a)藍(lán)色箭頭代表流速，顏色代表渦度，單位：×10-5/s，綠色直線代表斷面AB、BC，黃褐色曲線代表200 m等深線，帶圓圈的黃色方框內(nèi)的區(qū)域是為EOF分析所選取的區(qū)域，數(shù)字表示過(guò)斷面AB、BC流量；(b)顏色和黑色等值線及所標(biāo)注的數(shù)字表示渦度標(biāo)準(zhǔn)差，單位：×10-5/s，藍(lán)色橢圓表示流速的方差橢圓

圖1 (a)基于衛(wèi)星高度計(jì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的海表面多年平均流場(chǎng)；(b)多年海表面流場(chǎng)的流速方差橢圓及渦度標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)

為了研究黑潮入侵的多尺度變化特征，首先需要確定黑潮長(zhǎng)期的入侵量變化，選取兩個(gè)斷面的流量差來(lái)表征黑潮的入侵量。如圖1a所示，斷面AB(沿24.375°緯線，經(jīng)度范圍121.75°E ～123.625°E)、BC(沿123.625°E經(jīng)線，緯度范圍24.375°N～25.75°N)與200 m等深線(即東海陸架邊緣，可作為黑潮入侵東海陸架的邊界線)圍成的封閉區(qū)域，是黑潮與東海陸架水進(jìn)行水交換的重要關(guān)口。文中將斷面AB、BC的流量差近似代替黑潮海表面入侵量，得到一條24年的海表面流量差(黑潮入侵量)時(shí)間序列(圖2a)，斷面流量(差)計(jì)算公式如下：

ΔQ=QAB-QBC.

(1)

QAB、QBC、△Q分別表示過(guò)斷面AB、BC的流量和兩斷面流量差，代表斷面AB上流場(chǎng)的經(jīng)向平均速度分量，代表斷面BC上流場(chǎng)的緯向平均速度分量，LAB、LBC表示斷面AB、BC長(zhǎng)度，H為深度，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)反應(yīng)的是黑潮表層的流場(chǎng)，本文也只對(duì)黑潮的表層入侵量進(jìn)行研究，因此水深取H=1m。為方便對(duì)比，文中流量(差)單位統(tǒng)一為×104m3/s。本文據(jù)此估算了氣候態(tài)流場(chǎng)中過(guò)斷面AB、BC的海表面氣候態(tài)流量分別為6.85×104 m3/s、4.13×104m3/s，及海表面斷面流量差(氣候態(tài)的黑潮表層平均入侵量)為2.72×104m3/s。

文中需要對(duì)原始流場(chǎng)數(shù)據(jù)和原始流量差時(shí)間序列進(jìn)行以100 d為界的低通濾波，獲得長(zhǎng)周期的流速數(shù)據(jù)分量ul、vl、和斷面流量差分量ΔQl，對(duì)流量差時(shí)間序列濾波所得到的超過(guò)100天周期分量如圖2所示。

圖2 (a)原始斷面流量差時(shí)間序列；(b)大于100d周期流量差時(shí)間序列

4 黑潮入侵量年際時(shí)空變化特征

為了從黑潮表層入侵量的長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)中將黑潮入侵的變化周期提取出來(lái)，采用了功率譜分析方法進(jìn)行分析。從功率譜曲線(圖3b)上可以看出黑潮入侵的長(zhǎng)周期變化具有的顯著周期包括：183d(0.5年)、225 d、365 d(1年)、876 d(2.4年)，且均已通過(guò)95%的置信檢驗(yàn)。前人在研究黑潮入侵的年際變化特征時(shí)也發(fā)現(xiàn)過(guò)相同的周期特征[8～10]。圖3a小波譜的結(jié)果表明，0.5年周期較為顯著的時(shí)間段包括1997～2004年、2010～2012年；225d周期較為顯著的時(shí)間段包括1994～1996年、2002～2004年；1年周期較為顯著的時(shí)間段包括2000～2006年、2009～2015年；2.4年周期則在2009～2013年表現(xiàn)較為明顯。2006～2008年期間的周期性相對(duì)于其他年份明顯比較弱。

圖(a)中黑色粗線代表95%的置信線，藍(lán)色虛線代表180d、360d、876d周期；(b)流量差長(zhǎng)周期部分的功率譜密度曲線，黑實(shí)線表示功率譜密度，深色虛線為95%的置信線，淺色虛線代表225天周期節(jié)點(diǎn)的位置

圖3 (a)流量差長(zhǎng)周期部分的小波譜；(b)流量差長(zhǎng)周期部分的功率譜密度曲線

從流場(chǎng)長(zhǎng)周期部分的方差橢圓和渦度標(biāo)準(zhǔn)差分布(圖4)來(lái)看：在黑潮主軸附近流速方差橢圓短軸很小，長(zhǎng)軸較大，且渦度標(biāo)準(zhǔn)差較小，說(shuō)明黑潮主軸附近的流速變化劇烈，但流向穩(wěn)定，即黑潮的流量變化大，流態(tài)穩(wěn)定，且該區(qū)域并無(wú)明顯的渦流結(jié)構(gòu)。在臺(tái)灣東北部區(qū)域(約122°～123°E，25°～26°N)的陸架坡折處，流速方差橢圓較小且近圓形，具有很大的渦度標(biāo)準(zhǔn)差，說(shuō)明該區(qū)域流速變化小，而流向變化劇烈，分布著較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)渦流結(jié)構(gòu)。臺(tái)灣東部海域(大約124°～125°E，23°～24°N范圍內(nèi))的流速方差橢圓短軸、長(zhǎng)軸都較大，其中多數(shù)方差橢圓長(zhǎng)軸垂直于黑潮主干，區(qū)域內(nèi)渦度標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明該區(qū)域流速、流向變化都十分劇烈，伴隨頻繁發(fā)生的渦旋現(xiàn)象，且多數(shù)渦旋向向黑潮的方向運(yùn)動(dòng)。臺(tái)灣東部的頻繁渦旋現(xiàn)象應(yīng)該與西北太平洋傳播而來(lái)的中尺度渦具有很多大的關(guān)系；而臺(tái)灣東北部渦旋現(xiàn)象證明了黑潮入侵東海陸架時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑、入侵位置，變化復(fù)雜。

黑色曲線及所標(biāo)注數(shù)字表示渦度標(biāo)準(zhǔn)差等值線，顏色表示渦度標(biāo)準(zhǔn)差值，渦度單位：×10-5/s，藍(lán)色橢圓表示流速的方差橢圓，黃褐色曲線表示200 m等深線，綠色帶圓圈直線為斷面AB、BC

圖4 流場(chǎng)長(zhǎng)周期部分的流速方差橢圓和渦度標(biāo)準(zhǔn)差

5 小結(jié)與討論

本文通過(guò)對(duì)臺(tái)灣東北部流場(chǎng)及黑潮流量、入侵量的長(zhǎng)周期變化部分的時(shí)空特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)黑潮入侵和流場(chǎng)時(shí)空年際變化特征：黑潮主干流速變化較大，但流向較穩(wěn)定，臺(tái)灣東北部和臺(tái)灣東部渦度時(shí)間變化很大，對(duì)應(yīng)流向變化劇烈，其中臺(tái)灣東部以東海域的流-渦場(chǎng)的長(zhǎng)周期變化應(yīng)與西北太平洋西傳的中尺度渦有關(guān)，而臺(tái)灣東北部陸坡附近流-渦場(chǎng)的長(zhǎng)周期變化應(yīng)與黑潮的向岸入侵有關(guān)。

(2)黑潮在臺(tái)灣東北部入侵過(guò)程的年際變化部分的時(shí)間尺度主要有0.5年、1年以及2.4年等。0.5年周期較為顯著的時(shí)間段包括1997～2004年、2010～2012年；1年周期較為顯著的時(shí)間段包括2000～2006年、2009～2015年；2.4年周期則在2009～2013年表現(xiàn)較為明顯。