胡 放,劉亞豪,侯一筠, 4, 5

潮汐對東海陸架邊緣處水交換的影響

胡 放1, 2, 3,劉亞豪2, 3, 4, 5,侯一筠1, 2, 3, 4, 5

(1. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 2. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071, 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266237)

為探討潮汐對東海陸架邊緣處水交換通量的影響, 本文基于ROMS海洋數(shù)值模式, 對渤海、黃海、東海的潮汐、環(huán)流進(jìn)行了模擬研究。研究結(jié)果顯示, 在水平方向上, 潮汐效應(yīng)主要影響我國臺灣島東北及日本九州西南的水交換, 其中在臺灣島東北區(qū)域, 潮汐效應(yīng)通過增加黑潮分支流(KBC)的向岸及離岸速度來加強(qiáng)黑潮水的跨陸架交換。潮汐效應(yīng)對200 m等深線處跨等深線流速的影響量值約為3～5 cm/s。從垂直方向上來看, 潮汐效應(yīng)能夠影響到深度200 m處水層的深層交換。進(jìn)一步研究其作用機(jī)制, 發(fā)現(xiàn)潮汐效應(yīng)主要通過平流輸送項來影響水體交換, 而其對水體的水平及垂直擴(kuò)散項的影響較小。

東海; 潮汐; 陸架邊緣處水交換; ROMS模式

東海是位于西北太平洋的陸架邊緣海, 黑潮在流經(jīng)東海陸架邊緣處時能夠?qū)⑼夂４笱蟮哪芰?、物質(zhì)和氣候信號傳遞至中國近海。高溫、高鹽、富磷的黑潮水與低溫、低鹽、富氮的近岸水, 以及兩者混合形成的陸架混合水之間的復(fù)雜交換, 深刻影響和驅(qū)動?xùn)|海陸架區(qū)域海洋動力生態(tài)環(huán)境的時空結(jié)構(gòu)演變[1]。東海具有較強(qiáng)的潮汐和潮流[2], 它們對陸架邊緣處水交換產(chǎn)生重要影響。通過在模式中加入了潮汐參數(shù)化的底摩擦, Lee等[3]認(rèn)為潮汐會使得臺灣島東北的黑潮入侵減弱。而劉曉輝[2]基于模式研究發(fā)現(xiàn), 潮汐的存在使得臺灣島東北的黑潮入侵加強(qiáng)。Zhou等[4]雖然提出潮汐效應(yīng)傾向于加強(qiáng)跨陸架的水交換, 但未給出詳細(xì)分析。Park等[5]也通過分析錨定潛標(biāo)數(shù)據(jù)指出, 半日內(nèi)潮和近慣性波將對九州西南部的陸架邊緣處的水體交換產(chǎn)生重大影響。

前人研究側(cè)重于潮汐對黑潮入侵方面的影響。為了進(jìn)一步探究潮汐效應(yīng)對東海陸架邊緣處水交換的影響, 本文基于ROMS模式[6], 建立了高分辨率的三維氣候態(tài)環(huán)流模式。進(jìn)一步利用該模式的數(shù)值計算結(jié)果, 探討了潮汐效應(yīng)對東海陸架邊緣處水交換的影響。

1 模式配置及驗證

模式的計算區(qū)域為22°～42°N, 117°～135°E, 包括渤海、黃海、東海全境以及部分西太平洋及日本海海域。本文使用的模式水平分辨率達(dá)到1/18°, 網(wǎng)格點之間的間距最小為4.5 km, 最大間距為5.9 km。垂直方向上, 模式分為28層, 最小水深為10 m, 最大水深為5 000 m(圖1)。模式采用的水深地形數(shù)據(jù)來自英國海洋數(shù)據(jù)中心發(fā)布的海洋通用水深圖集(https://www. bodc.ac.uk/data/hosted_data_systems/gebco_gridded_bathymetry_data/), 地形數(shù)據(jù)的分辨率高達(dá)0.5′×0.5′。

海表邊界條件: 模式采用bulk強(qiáng)迫方案[7], 海表強(qiáng)迫場中的長、短波輻射, 海表氣溫, 海表大氣濕度, 水平風(fēng)場以及降水?dāng)?shù)據(jù)均來自NCEP的多年月平均數(shù)據(jù)。

初始條件: 模式初始場中的溫、鹽數(shù)據(jù)來自WOA13(World Ocean Atlas 2013)數(shù)據(jù)集, 模式采取冷啟動方式, 即初始狀態(tài)下流場及海表高度均為0。

圖1 模式區(qū)域及水深(審圖號: GS(2016)1667)

注: 紅色實線為沿200 m等深線的網(wǎng)格點連線, 每隔10個網(wǎng)格點用紅色實心點標(biāo)注, 黑色實心點為第240個格點。右、下邊界處的粗實線為示蹤物的釋放位置

開邊界條件: 模式的四個邊界均為開邊界, 開邊界中的海表高度、三維溫度、鹽度及速度場由SODA(simple ocean data assimilation)[8]提供。模式中引入長江徑流及M2等8個分潮, 分潮數(shù)據(jù)來自TPXO 7.2模式結(jié)果[9]。模式運行20 a達(dá)到穩(wěn)定, 該結(jié)果已被Hu等[10]驗證并采用。本文同樣選取第20 a的模擬結(jié)果進(jìn)行驗證分析。

模式輸出的東海陸架主要通道的流量如圖2所示。年平均狀態(tài)下, 通過臺灣以東斷面的黑潮流量約為23.4 Sv(1 Sv=106m3?s–1), 本文模擬的黑潮流量與Lee 等[11]的模擬結(jié)果(23.46 Sv)接近。圖2顯示, 臺灣海峽、濟(jì)州海峽及對馬海峽的年平均流量分別為1.35、0.69及2.79 Sv。我們計算了跨過200 m等深線的凈通量, 年平均狀態(tài)下該流量約為1.43 Sv。模式輸出的東海陸架區(qū)域各斷面通量與前人研究基本相符[4, 12-15]。除此之外, 模式結(jié)果顯示, 年平均狀態(tài)下, 長江向東海陸架輸送淡水的量約為0.028 Sv。

圖3給出了模式模擬的東海海區(qū)M2分潮的同潮圖。由圖可知, 在臺灣島東北角, 240°及210°等遲角線皆呈現(xiàn)東北-西南指向; 而180°等遲角線先指向東南方向, 而后轉(zhuǎn)向東北。其中240°等遲角線指向濟(jì)州島方向, 而210°及180°等遲角線最終都指向日本九州方向。長江口南側(cè), 300°與270°的等遲角線分別由舟山群島指向朝鮮半島及濟(jì)州島方向。從振幅分布可以看出, 東海M2分潮的振幅在近海海區(qū)達(dá)到最大, 振幅高值區(qū)主要分布在江蘇、浙江至福建沿岸一帶。本文模擬的東海M2同潮圖與前人已有的結(jié)果基本一致[16-17]。

圖2 東海關(guān)鍵斷面的年平均流量的模擬結(jié)果(單位: Sv)

圖3 模式輸出的東海M2分潮

2 研究方法

為了準(zhǔn)確區(qū)分陸架水與黑潮水, 本文選擇在模式初始狀態(tài)下, 在區(qū)域的太平洋邊界處(臺灣島以東的南邊界及日本海以南的東邊界, 圖1粗實線標(biāo)出)從海表至海底的整個垂直剖面上釋放固定體積濃度為100%的被動示蹤物(dye), 釋放頻率為1次/d。在其他邊界上, 被動示蹤物的體積濃度被設(shè)置成0。本文研究中以被動示蹤物體積濃度代表黑潮水的體積濃度。模式運行20 a達(dá)到穩(wěn)定, 模式中被動示蹤物的體積濃度及垂向平均的流場如圖4所示。被動示蹤物的體積濃度高低體現(xiàn)了黑潮水與陸架水所占的比例: 被動示蹤物體積濃度較高的水體中黑潮水含量較高; 反之, 陸架水含量高。圖4顯示, 根據(jù)年平均值, 大量的黑潮水占據(jù)200 m等深線以深的海域, 而來自臺灣海峽的陸架水不僅向?qū)︸R海峽輸送, 同時還跨過200 m等深線離開東海陸架。詳細(xì)介紹見我們之前的研究結(jié)果[10]。

圖 4 模式輸出的垂向平均流場及被動示蹤物體積濃度水平分布

為探究潮汐效應(yīng)對陸架邊緣處水交換的影響, 我們設(shè)計了一組無潮實驗。無潮實驗的邊界水位條件中去掉潮汐。而無潮實驗中的其他參數(shù)設(shè)置、強(qiáng)迫條件及三維流場、溫、鹽及被動示蹤物釋放條件都與第一節(jié)中介紹的氣候態(tài)模式保持一致。無潮模式同樣運行20 a, 我們將輸出結(jié)果與包含潮汐強(qiáng)迫的氣候態(tài)模式進(jìn)行對比分析。

3 潮汐對陸架邊緣處水交換的影響

潮汐實驗結(jié)果顯示(圖5(a)), 由于200 m等深線所處位置緊鄰黑潮主軸, 陸架邊緣處黑潮水體積濃度較高, 120 m至底層幾乎都被富含被動示蹤物(體積濃度高于95%)的水體占據(jù)。在120 m以淺的海洋上層, 在臺灣島東北(網(wǎng)格點15—70), 被動示蹤物體積濃度大于95%。在陸架中部(網(wǎng)格點1—15, 75—105及130—150)及九州西南(網(wǎng)格點160—350)上層, 被動示蹤物體積濃度小于95%, 這體現(xiàn)了陸架水向陸架邊緣的離岸輸送。特別是在九州西南, 被動示蹤物體積濃度達(dá)到最低, 且呈現(xiàn)層化分布的狀態(tài)。這表明九州西南為陸架水離岸輸送的主要區(qū)域。無潮實驗的結(jié)果與圖5(a)相似。而圖5(b)顯示, 潮汐主要影響九州西南的被動示蹤物體積濃度分布, 上層(<80 m)被動示蹤物體積濃度有所增加, 下層(>80 m)被動示蹤物體積濃度有所減少。

圖5 年平均狀態(tài)下被動示蹤物體積濃度沿200 m等深線剖面

注: 網(wǎng)格點位置如圖1中紅線所示

年平均狀態(tài)下, 潮汐實驗輸出的流速剖面(圖6(a))顯示, 200 m等深線沿線的向岸及離岸速度交替出現(xiàn)。在臺灣島東北, 網(wǎng)格點5—80內(nèi)對應(yīng)的是黑潮分支流(Kuroshio branch current, KBC)。KBC攜帶了大量黑潮水(dye體積濃度接近100%), 由網(wǎng)格點15—40處跨過200 m等深線進(jìn)入外陸架區(qū), 這部分向岸流的最大流速可達(dá)50 cm/s。其中部分黑潮水由網(wǎng)格點40—80處回流出東海陸架區(qū), 這部分離岸流的最大流速約為30 cm/s。另外一部分黑潮水被臺灣島東北入侵分支(Kuroshio branch current northeast of Taiwan Island, KBCNT)輸送到陸架內(nèi)區(qū)[14]。在九州西南(網(wǎng)格點180—350), 離岸流與向岸流的流速相對較低, 水交換的強(qiáng)度低于臺灣島東北及陸架中部。向岸流出現(xiàn)在下層, 而離岸流則幾乎都在上層。

圖6 跨斷面流速沿200 m等深線剖面

圖6(b)為潮汐實驗與無潮實驗輸出的斷面流速的差值。在臺灣島東北處, 斷面流速之差在向岸流海區(qū)(網(wǎng)格點15—40)表現(xiàn)為正, 而在離岸流海區(qū)(網(wǎng)格點40—80)表現(xiàn)為負(fù)。這表明潮汐效應(yīng)能夠分別加強(qiáng)臺灣島東北的向岸流(網(wǎng)格點0—40)及離岸流(網(wǎng)格點40—80)。而在九州西南處情況相對復(fù)雜。斷面流速之差在網(wǎng)格點190—240表現(xiàn)為正, 在網(wǎng)格點260—350表現(xiàn)為負(fù)。這表明在潮汐效應(yīng)作用下, 網(wǎng)格點190—240的離岸流及網(wǎng)格點260—300處的向岸流都是減弱的。而對于網(wǎng)格點300—350處, 潮汐效應(yīng)的影響傾向于加強(qiáng)該海區(qū)的離岸輸送。垂直方向上, 潮汐效應(yīng)對水交換的影響能夠達(dá)到200 m附近的水層。圖6(c)顯示潮汐效應(yīng)對臺灣東北及九州西南的水交換的影響較大, 潮汐效應(yīng)對跨200 m等深線的流速影響的量值在3～5 cm/s。

為了探究潮汐效應(yīng)對陸架邊緣處水交換的影響機(jī)制, 我們借助被動示蹤物輸運擴(kuò)散方程進(jìn)行分析:

基于日平均的模式數(shù)據(jù), 我們對式(1)中各項進(jìn)行分析。被示蹤物體積濃度的局地變化項(圖7(a))反映了陸架邊緣處黑潮水的交換強(qiáng)度。以九州西南為例(網(wǎng)格點280), 潮汐實驗中被動示蹤物體積濃度的局地變化項具有明顯的周期性波動, 其功率譜密度(圖8(a))顯示該局地變化項的變化周期為15 d左右, 正好與大小潮周期一致。潮汐實驗中方程中平流項(圖7(b))的時間序列同樣具有明顯的大小潮周期, 而擴(kuò)散項時間序列則無明顯周期。這表明, 潮汐效應(yīng)主要通過影響被動示蹤物的平流輸送項來影響水交換, 而潮汐效應(yīng)對水平及垂直擴(kuò)散項的影響較小。

圖7 網(wǎng)格點240處(位置見圖1)式(1)中局地變化項、平流項及擴(kuò)散項的時間序列

注: 黑色實線為潮汐實驗結(jié)果, 紅色實線為無潮實驗結(jié)果

4 結(jié)論

通過對有潮實驗與無潮實驗?zāi)Ｊ接嬎愕玫降慕Y(jié)果進(jìn)行對比分析, 得到如下主要結(jié)論:

1) 水平方向上, 潮汐效應(yīng)主要影響臺灣島東北及九州西南的水交換。在臺灣島東北, 潮汐效應(yīng)通過增加黑潮分支流(KBC)的向岸及離岸速度來加強(qiáng)黑潮水的跨陸架交換。垂直方向上, 潮汐效應(yīng)能夠影響到200 m水層的深層交換。

2) 潮汐效應(yīng)對200 m等深線處跨等深線流速的影響量值約為3～5 cm/s。

圖8 網(wǎng)格點240處, 潮汐實驗中被動示蹤物體積濃度的局地變化項與平流項的功率譜

3) 潮汐效應(yīng)主要通過平流輸送項來影響水體交換, 而潮汐效應(yīng)對水體水平及垂直擴(kuò)散項的影響較小。

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Tidal effect on water exchange across the East China Sea shelf break

HU Fang1, 2, 3, LIU Ya-hao2, 3, 4, 5, HOU Yi-jun1, 2, 3, 4, 5

(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Key Laboratory of Ocean Circulation and Fluctuation, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 5. Laboratory for Ocean and Climate Dynamics, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China)

A successful simulation of tides and currents in the Bohai Sea, Yellow Sea, and East China Sea was developed based on the regional ocean modeling system (ROMS) in high horizontal resolution. The tidal effect on the water exchange at the East China Sea shelf break is discussed. According to the simulation results, in the horizontal direction, the tidal effect mainly affects the water exchange in northeast Taiwan and southwest Kyushu. In northeast Taiwan, the tidal effect enhances the exchange of Kuroshio across the shelf break by increasing the onshore and offshore velocities of the Kuroshio branch current (KBC). In the vertical direction, the tidal effect can affect the deep exchange of the 200 m water layer. The influence of the tidal effect on the velocities across the 200 m isobath is approximately 3–5 cm/s. The tidal effect mainly affects the water exchange through an advection term and slightly affects the horizontal and vertical diffusion terms.

East China Sea; tide; shelf break water exchange; ROMS model

Jun. 18, 2020

P722.6

A

1000-3096(2022)12-0001-07

10.11759/hykx20200618002

2020-06-18;

2022-11-23

國家自然科學(xué)基金項目(42176014, 41630967, 41776020);“全球變化與海氣相互作用”專項項目(GASI-IPOVAI-01-06); 國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目(41421005); 國家自然科學(xué)基金-山東省聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目(U1606402)

[National Natural Science Foundation of China, Nos. 42176014, 41630967, 41776020; National Program on Global Change and Air-Sea Interaction, No. GASI-IPOVAI-01-06; NSFC Innovative Group Grant Project, No. 41421005; NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers Grant, No. U1606402]

胡放(1991—), 男, 山東青島人, 博士研究生, 研究方向: 近海環(huán)流, E-mail: hufangd@hotmail.com; 劉亞豪(1984—),通信作者, 碩士生導(dǎo)師, 副研究員, E-mail: yhliu@qdio.ac.cn

(本文編輯: 叢培秀)