馬 芊，林霄沛**

(1.中國海洋大學深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心, 山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

北赤道流(North Equatorial Current,NEC)在到達菲律賓海岸時，形成南北兩個方向的分叉，分別是向南方向的棉蘭老流(Mindanao Current,MC)和向北方向的黑潮(Kuroshio, KC)。棉蘭老流的主要部分流入蘇拉威西海補充印尼貫穿流，剩下的直接進入北赤道逆流(North Equatorial Countercurrent, NECC)。黑潮途徑呂宋海峽，一小部分進入中國南海，大部分沿臺灣東岸向北流動進入東海，之后沿東海大陸架外緣朝東北大陸架移動，從吐噶喇海峽流出東海, 最終在35°N 附近離岸東流, 成為黑潮延伸體[1]。與此同時，在溫躍層以下也存在與兩支海表流相反的流動(見圖1),分別是棉蘭老流下方北向的棉蘭老潛流(Mindanao Undercurrent, MUC)和黑潮下方南向的呂宋潛流(Luzon Undercurrent, LUC)。這兩支潛流的存在對溫躍層以下海水的熱鹽傳遞、模態(tài)水的生成均有重要作用。NEC分叉點的位置變化對KC, MC, LUC和MUC的流量變化有很大影響，Qu等多個學者的研究表明，NEC海表的分叉點位置在13.3°N～17.2°N范圍內移動，且存在明顯的季節(jié)性變化，夏季偏南，冬季偏北[2-5],且高頻變化受當?shù)丶撅L影響較大[3-4]，低頻變化則受厄爾尼諾事件和大洋中西向Rossby波的影響。而下層流動情況與上層不同，隨著深度增加，分叉點的位置逐漸北移[5-6]，但是海表的地轉流動和分叉點的變化可以由衛(wèi)星高度計、風場數(shù)據(jù)進行估算，對于深層的分叉點以及LUC、MUC的研究受觀測歷史較短，觀測技術所限，目前研究較少[7]。

(五角星處為ADCP投放點位置。The star marked the location of ADCP.)

LUC最早由Hu等利用70個分布在呂宋島和棉蘭老島附近的鹽度溫度深度剖面測量儀(Conductivity-Temperature-Depth System, CTD)發(fā)現(xiàn)，同時發(fā)現(xiàn)MUC和LUC均存在復雜的多核結構[8]，在此之后對LUC的研究多為數(shù)值模式的結果分析。Gao等利用全球環(huán)流模式追蹤算子認為LUC有41%的水來源于黑潮延伸體附近冬季混合層模態(tài)水和亞熱帶北部環(huán)流的水相混合[9]。2010年國際組織氣候變率及可預測性計劃/世界氣候研究計劃(Climate Variability and Predictability/World Climate ResearchProgramme, CLIVAR/WCRP)首次在呂宋島附近布放次表層潛標和聲學多普勒測流計(ADCP)對黑潮上游的次表層流動進行長達兩年的觀測[10-11]。Hu等利用這次觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)呂宋潛流并非一直存在，且強度存在明顯的季節(jié)性，冬季強于夏季，夏季強于春季，有著明顯的70～80 d的變化周期，且可能與西向傳播的中尺度渦有關[12]。在此研究基礎上，Wang等結合ADCP觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模式數(shù)據(jù)，通過對渦動能(Eddy Kinetic Energy)的追蹤和分析，認為LUC 80 d的變化周期與海表黑潮一致，是由黑潮分叉點處的中尺度渦旋沿岸移動產生的[13]。而Duan的研究表明，在ADCP對次表層流動的觀測過程中，700 m處流軸的變動會對潛標產生較大影響，觀測中深層流動的季節(jié)內變化可能是渦旋與背景流疊加后的表現(xiàn)[11]。

從渦旋的角度研究次表層流動有過很多先例，結合實測數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)從EKE的角度追蹤次表層流動的來源是目前比較可行的研究方法。在對MUC的研究中，Zhang等認為MC和MUC為同一位置的上下層流動，且都存在多核結構和明顯的季節(jié)性內化。不同于MC的季節(jié)內變化由局地渦旋引起，MUC季節(jié)內變化主要來源于同緯度西向移動的次表層渦旋[14-16]。Qu和Firing則認為影響其流動的來源是南太平洋尼尼戈群島的次表層渦旋沿新幾內亞沿岸由南向北的傳播[17-18]，而Wang等認為MUC的變化由南、北以及同緯度東西向三個途徑的渦旋共同作用影響，其中南北向傳播的渦旋貢獻更大[19]。對MUC的渦旋研究方法為LUC的研究提供了很多借鑒。

本文同樣使用CLIVAR/WCRP投放的ADCP實測數(shù)據(jù)[10]分析發(fā)現(xiàn)，呂宋潛流除了存在70～80 d的周期，與海表黑潮周期一致，在溫躍層以下還存在一個120 d的周期，這個周期是海表黑潮所不存在的，在此之前也沒有相應的研究揭示這一現(xiàn)象。本文結合HYCOM模式數(shù)據(jù)以及EKE追蹤方法，在此基礎上追蹤呂宋島附近的溫鹽較低頻變化異常，發(fā)現(xiàn)呂宋島東北向18°N～20°N的海區(qū)內存在100～200 d的渦旋活躍區(qū)域，且存在周期約4個月的渦旋在136°E附近產生，并沿緯向從東向西移動，經(jīng)124°E沿深水區(qū)域向北產生彎曲和變形后，沿西南方向移動到呂宋島沿岸，是引起LUC下層120 d變化的主要因素。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 潛標觀測數(shù)據(jù)

本文使用的觀測數(shù)據(jù)來自CLIVAR/WCRP西北太平洋環(huán)流與氣候試驗(Northwestern Pacific Ocean Circulation and Climate Experiment, NPOCE)項目投放于18.02°N，122.63°E位置處的次表層潛標，具體位置如圖1所示。使用75 kHz ADCP進行測量，分兩次投放，第一次投放ADCP位于700 m深度，僅向上發(fā)射，深度為海表至700 m記錄了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，有向上和向下兩個方向，覆蓋從2011年7月11日～2012年10月30日，兩次均為每半小時采集一次，原數(shù)據(jù)消除了高頻白噪音之后得到日平均數(shù)據(jù)進行使用，垂向空間分辨率為8 m。

1.2 模式數(shù)據(jù)

本文使用的模式數(shù)據(jù)為HYCOM GLBa0.08版本，該數(shù)據(jù)來源于美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory, NRL)，時間從2011年1月～2012年12月，時間分辨率為1天，空間水平分辨率為1/12(°)×1/12(°)(平均6.5 km，極地附近分辨率為3.5 km)，垂向分33層(1 000 m以淺包含0，10，20，30，50，75，00，125，150，200，250，300，400，500，600，700，800，900和1 000 m)，包含溫鹽(TS)、流場(UV)、海平面高度(SSH)等變量。

2 潛標觀測的結果與分析

對觀測點處徑向流速進行11天低通濾波，除去潮汐和白噪音的影響[11]，由圖2可見次表層南向流動的呂宋潛流并非一直存在，大部分時間300 m以下存在流向與黑潮相反的呂宋潛流，但是2011年3～5月以及2012年的6～7月上下層流動均一致向北，且中下層呂宋潛流流速存在明顯的季節(jié)內變化，冬季強于夏季，夏季強于春秋季，這與Hu，Duan等人的研究一致[11-12]。從圖2(b)可以看到，200～700 m之間的數(shù)據(jù)長度都能保持在700個左右，對200～700 m的經(jīng)向流速時間序列做功率譜可以看出，上層黑潮存在90天左右的周期且該周期從上至下一直延伸到800 m深度，該周期是由黑潮區(qū)上層渦旋變化所主導的[13]，但是除此之外500～700 m深度還存在一個120天以上的變化周期，該周期不存在于海表黑潮的變化中，其產生機制不是由黑潮區(qū)表層中尺度渦所主導的，而是由溫躍層以下某些可能存在的機制所產生。為了輔助驗證這一結果，本文引入模式數(shù)據(jù)驗證這一結果，并進一步分析次表層導致呂宋潛流變化的機制。

圖2 ADCP在觀測點處徑向流速的時間序列(a)，ADCP測量的有效數(shù)據(jù)分布(b)和每層深度的功率譜分布(c)

3 模式數(shù)據(jù)的比較與驗證

圖3，4為多個模式數(shù)據(jù)在潛標觀測點附近流速的比對，HYCOM數(shù)據(jù)集有兩個版本，分別是GLBu和GLBa。兩個版本差別在于GLBu經(jīng)過了再分析處理，兩個版本的徑向流速均與實測一致，而CFS模式數(shù)據(jù)在2010年8月之前與實測數(shù)據(jù)相差較大，Ecco數(shù)據(jù)也與實測情況不符。通過徑向流速譜分析圖(見圖5)可以看出，HYCOM(GLBa)版本在18°N，122.5°E處徑向流速與實測情況相符，除了海表存在80～100 d的周期之外，在溫躍層以下還存在120天以上的周期。再分析處理可能將呂宋潛流的這一特征淡化抹去，因此HYCOM(GLBa)數(shù)據(jù)更適合用于進一步研究呂宋潛流的變化。

圖3 ADCP觀測數(shù)據(jù)(a)與CFS(b),ECCO(c)數(shù)據(jù)的比較Fig.3 Data comparison of ADCP(a), CFS(b) and Ecco(c)

圖4 ADCP觀測數(shù)據(jù)(a)與HYCOM模式GLBu(b)和GLBa(c)的比較Fig.4 Data comparison of ADCP(a)，HYCOM(GLBa)(b) and HYCOM(GLBu)(c)

圖5 HYCOM數(shù)據(jù)在18°N,122.5°E處位置徑向流速的功率譜Fig.5 Power spectrum of (a) HYCOM (GLBa) and (b) HYCOM(GLBu)at 18°N,122.5°E

為了進一步輔助驗證ADCP觀測數(shù)據(jù)的結果，本文對HYCOM數(shù)據(jù)的經(jīng)向流速進行分層的功率譜分析、紅噪聲置信檢測以及小波分析。圖6可以看出，不同層的經(jīng)向流動存在巨大差異，200和300 m的流動與500～900 m的流動存在很大不同，500～700 m的經(jīng)向流動在150天左右存在較大峰值，這個峰值是上層流動所不存在的。而圖7中的小波分析結果也同樣顯示，200 m深度只有100天以內的周期存在，而500 m深度的流動同時存在兩個分隔開的周期，一個是與海表一致的60天左右周期，另一個是100～180 d的周期。雖然由于模式誤差，峰值依舊是150天,與觀測數(shù)據(jù)的120天有一些差異，但是仍然體現(xiàn)了上層流動與次表層流動的明顯差異。

4 模式數(shù)據(jù)的分析結果

4.1 EKE的計算方法介紹和不同尺度下的EKE分布情況

圖6 HYCOM(GLBa)經(jīng)向流速在不同深度的功率譜(藍線)和95%紅噪聲置信(紅線)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

圖7 HYCOM(GLBa)經(jīng)向流速在不同深度的小波分析結果Fig.7 Wavelet analysis results of meridional velocity at the difference depth

圖8和9分別為200天高通濾波和100～200 d帶通濾波之后的結果。從圖8的EKE分布來看，300 m以淺的EKE分布和500 m以深的EKE分布存在很大差異。300 m以淺的渦旋活躍區(qū)域主要存在于呂宋島以北的呂宋海峽附近以及呂宋島東北方向123°E～126°E的區(qū)域，呂宋島以北渦旋活躍主要是因為黑潮經(jīng)過呂宋海峽的地形產生，而呂宋島東北方向由于黑潮回流產生復雜多變的流動。而500 m以下則不同，渦旋活躍區(qū)域集中在呂宋島西岸沿岸和觀測點附近。然而，經(jīng)過不同頻段的濾波之后，EKE的分布也有所不同，尤其是100～200 d的帶通濾波，在呂宋島西岸沿岸渦旋活動沒有圖8中那么顯著，這表明，即使在呂宋島沿岸存在非?；钴S的次表層渦旋，但是這些渦旋多為周期在100天以下的較高頻活動的信號，而非100天以上時間尺度的活動。而圖9(c)顯示，在500 m深度，18°～20°緯度帶上存在東西向較強的EKE活躍范圍，且一直延伸到140°E。因此，本文將著眼于100～200 d帶通濾波的結果，從呂宋島東北向的緯度帶上尋找是否有100天以上周期的渦旋存在。

圖8 四個不同水平面200天高通濾波后的EKE分布Fig.8 EKE of the area around Luzon Island after 200 d high pass filtering in the different level

圖9 四個不同平面100～200天帶通濾波后的EKE分布Fig.9 The same picture as Fig 8 but after 100～200 d bandpass filtering

4.2 呂宋島東北向溫鹽和流速變量的變化特征

為了去除尺度在50 km以內的高頻亞中尺度渦旋干擾，本文在對模式數(shù)據(jù)進行時間帶通濾波的基礎上，再次進行了空間濾波，空間濾波尺度為6個網(wǎng)格點(約55 km)。根據(jù)圖10，11的經(jīng)向流速和溫度異常來看，存在一個變化周期約4個月的冷暖交替渦旋結構，該冷(暖)異常從東邊約140°E的位置出現(xiàn)，并逐漸向觀測點(18°N,122.5°E)的位置移動。以圖11中紅色方框范圍內的暖異常為例，該暖異常于2011年5～6月在140°E的位置產生，經(jīng)過6～7個月之后在2011年1月到達122.5°E的位置，且與圖10中經(jīng)向流速形成的渦旋結構對應。

但是我們也同時觀察到，圖10和11中的溫度異常和流速異常并非嚴格從東向西傳遞的，尤其是在大洋內部區(qū)域，136°E附近和124°E附近鹽度和流速異常的色帶發(fā)生扭曲變形，為了進一步驗證是否有次表層渦旋結構從140°E的位置傳遞過來，還是從離太平洋西岸更近的位置傳播，作者對圖11紅框內的單個渦旋進行追蹤。

圖10 18°N～20°N緯向平均的經(jīng)向流速異常哈默圖Fig.10 Longitude-time distribution of zonal mean meridional velocity anomaly between 18°N～20°N

圖11 18°N～20°N緯向平均的溫度異常哈默圖Fig.11 The same as Fig.10 but zonal mean temperatureanomaly

4.3 渦旋結構的追蹤和分析

本文選取圖11中紅框區(qū)域內的暖異常變化進行追蹤。圖11顯示該渦旋在140°E位置產生，經(jīng)過6～7個月時間到達菲律賓沿岸，即所選取的時間如表1所示。圖12、13顯示了渦旋在138°E，18°N附近產生，并向西邊界運動的過程，紅框內為本文所追蹤的暖異常和流速異常。從圖12(b)和(c)可以看出，在到達136°E時，渦旋面積似乎在一個月內(2011年7月15日～8月20日)有所擴張，渦旋經(jīng)向流軸變成了之前的兩倍，但是從圖12(b)和(c)可知，這里出現(xiàn)兩個南北向流動的結構，即這里可能新產生了一個渦旋，而140°E產生的渦旋到達136°E之后無法繼續(xù)向西傳播，而是由136°E位置產生的新的渦旋繼續(xù)向西運動。而從圖12和13的最后兩個時刻來看，渦旋沿東西方向運動到124°E，20°N以后產生了變形，逐漸由東西向渦旋結構向西南-東北方向拉伸，并且最終向西南方向運動到達呂宋島沿岸。

表1 追蹤渦旋所選取的日期Table 1 Date of the flow field chosen in Fig. 12 and Fig. 13

((a)～(f)的時間見表1。Time of the subgraphs is showed in Table 1.)

((a)～(f)的時間見表1。Time of the subgraphs is showed in Table 1.)

4.4 呂宋島以東海底地形的變化

為了進一步尋找渦旋活動在136°E和124°E終止傳播和發(fā)生扭曲變形的原因，本文根據(jù)Etopo地形數(shù)據(jù)畫出研究區(qū)域內海底地形的變化(見圖14)。從圖中可以看到，在134°E～136°E位置存在一系列從南向北淺水小島組成的淺水鏈，而在124°E～126°E，16°N～18°N位置，也存在3 000 m以淺的深度異常，這導致渦旋運動到136°N時，由于地形阻隔原因無法繼續(xù)向西傳播，而到達124°E時，渦旋由于β效應，會向北繞過淺水區(qū)域而后沿20°N，124°E向西南向的深水帶一直運動到呂宋島沿岸，這是呂宋潛流在次表層產生100 d以上周期的原因。

圖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 總結與討論

本文根據(jù)ADCP觀測到的呂宋島附近流速在溫躍層以下存在100天以上周期的異常變化，分析該變化的特征和形成機制?；诟L時間和空間范圍的Hycom模式數(shù)據(jù)，通過時間空間濾波和EKE的計算，發(fā)現(xiàn)盡管呂宋島沿岸存在大量渦旋活動，但是其渦旋產生周期遠小于100 d，而更低頻的流速和溫度異常出現(xiàn)在呂宋島東北方向18°N～20°N的海區(qū)內。通過進一步的追蹤可以發(fā)現(xiàn)，由于地形阻隔作用，周期約4個月，水平半徑為100～200 km的中尺度渦旋產生于136°E，18°N～20°N的區(qū)域內，而非140°E的位置，然后以平均8.3 km/d,即6.68 cm/s的速度向西運動，該速度低于Rossby波的第一斜壓態(tài)傳播速度。在到達124°E后，向北繞過淺水海域并向西南向運動至呂宋島沿岸。

本文目前僅根據(jù)EKE分布和溫度流速異常，探索到與呂宋潛流次表層變化周期一致的渦旋結構，找到引起呂宋潛流次表層變化的可能機制。下一步工作將進一步探索這些次表層渦旋產生的來源和傳播機制，并通過更多細化的統(tǒng)計正反氣旋渦旋研究其變化規(guī)律和對次表層流動的實際影響，以及對上層黑潮可能產生的影響。