HYCOM模式對東海黑潮的氣候態模擬

白志鵬，高松，王海棠

（1. 61741部隊，北京100081；2. 國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266033；3. 青島環海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266033）

HYCOM模式對東海黑潮的氣候態模擬

白志鵬1，高松2，王海棠3

（1. 61741部隊，北京100081；2. 國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266033；3. 青島環海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266033）

使用三重嵌套的HYCOM（The HYbrid Coordinate Ocean Model）數值模式模擬氣候態東海黑潮。模式水平分辨率從大區模式的1°×1°cosθ提高到小區模式的1/8°×1/8°cosθ。對模擬結果的分析表明： (1) 高水平分辨率模式對黑潮特征量的模擬有明顯的改進。這些改進主要由兩方面的原因引起：地形分辨率的提高和改善的斜壓效應。 (2) 小區模式的模擬結果較好地再現了PN斷面的垂向結構?；痉从沉薖N斷面流速和流量的季節變化規律。夏季流速最強、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春兩季處于過渡期。(3) 模式成功地模擬出東海黑潮東側的逆流。該逆流流速穩定，夏季流速略大。 (4) 模式模擬出了PN斷面的流速雙核結構。

HYCOM模式；黑潮；PN斷面

黑潮是一支強太平洋西邊界流，它不但對東亞的區域氣候有重要的影響，而且還影響全球的氣候變化。黑潮源于北赤道流在菲律賓海域的北向分支（Nitani，1972）[1]，它由臺灣東側進入東海的東側后大致沿最大地形坡折流向東北，再流經吐噶喇海峽，沿著日本南部海岸加速向東偏轉。最后，它離開本州島流入太平洋形成黑潮延伸體[2]。中國從20世紀80年代中期開始多次對黑潮進行聯合調查研究[3-6]，揭示了黑潮的海流狀況、水文特征、垂直結構等，為探索黑潮流域洋流變化的規律奠定了基礎。劉增宏等（2004）[7]，利用衛星跟蹤表面漂流浮標所取得的漂流路徑和表層溫度資料，進一步揭示黑潮表層海流及其流路的特征（圖1B）。

近年來，對黑潮的數值研究多使用傳統的垂向單一坐標模式（如：POM模式[8]、MOM2模式[9]、MICOM模式[10]、POM嵌套模式[11,12]、RIAMOM模式[13]），但由于黑潮流域海底地形陡變和強斜壓性等特點，造成z-level模式海底地形處理和sigma模式壓強梯度力計算的困難。Isopycnic模式雖然克服了上述的缺點，但在淺海海域該模式存在垂向分層處理的困難。為了克服這些問題，本文嘗試采用 HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 混合垂向坐標海洋模式模擬黑潮流系，檢驗模式對東海黑潮的模擬能力，以期對黑潮的流路和垂向結構等有進一步的認識和了解。

圖1 1953年到1984年GEK數據集的東海黑潮平均海表流場和Argos浮標的漂移軌跡A) 1953年到1984年 GEK數據集的東海黑潮平均海表流場[2]B) Argos浮標的漂移軌跡[7]）Fig. 1 Surface mean currents in the East China Sea derived from GEK data from 1953 to 1984 and Trajectories of Argos drifters A) Surface mean currents in the East China Sea derived from GEK data from 1953 to 1984[2];B) Trajectories of Argos drifters [7]

1 HYCOM模式簡介及設置

HYCOM 數值模式是一個全球海洋環流模式，它的最大特點是采用由等深（z-level）坐標、sigma(terrain-following coordinate) 坐標和等密度 (isopycnic coordinate) 坐標相結合的垂向混合坐標，即在開闊的海域采用等密度坐標，在近岸海域采用sigma坐標，而在混合層和層結不穩定的海域采用等深坐標。它的另一個特點是模式嵌入了多種湍混合模塊以供選擇，如K-T方案、KPP方案等。近年來，該模式被廣泛地用于大洋和區域海洋的研究[14-17]。

本文通過三重嵌套技術將水平計算分辨率從大區模式的 1°×1°cosθ（ 是緯度）提高到中區模式的1/4°×1/4°cosθ，再到小區模式的 1/8°×1/8°cosθ。各區域的計算范圍為：大區為 20°S－62°N，100°E－65°W；中區為 11°S－63°N，100°E－10°W；小區為 23.5°N－44°N，118°E－150°E（圖 2a）。

模式地形基于ETOP05數據經過平滑處理得到。圖2B、圖2C、圖2D是小區計算區域內，三個模式使用的地形。三個模式地形主要的不同表現在東海陸架區域和一些海山的形狀。大區模式地形與真實地形相比過于平滑，中區和小區模式地形有了很大的改善，相比較而言小區模式地形最接近真實地形。兩者的區別主要體現在100 m到2 000 m等深線處。

在三個嵌套區域，本文采用相同的海表參考壓強分層方案，共分 22層，各層的參考目標位密值為：19.5, 20.24, 20.98, 21.72, 22.46, 23.20, 23.94, 24.64, 25.22, 25.70, 26.11, 26.44, 26.72, 26.95, 27.14, 27.30, 27.44,27.56, 27.66, 27.74, 27.80, 27.84。這樣設計的優點在于能保證上5層的位密值小于任何海水位密，使模式的上5層為固定的等深坐標，確保上混合層的精度。

模式的初始場使用Levitus 1月份氣候態月平均溫、鹽場。選用KPP垂向混合子模型，KPP混合方案的參數選用與Halliwell（2004）[18]相同。模式采用COADS（分辨率為1° × 1°）海氣通量數據集。選擇非常數塊體系數公式與模式相結合[19]。

大區模式運行25年后，輸出第21 ～ 25 a的結果作為中區模式的背景場。繼續運行中區模式5 a，輸出第3 ～ 5 a結果作為小區模式的背景場。繼續運行小區模式3 a，輸出小區第3 a結果進行分析。

圖2 三重嵌套模式各區的計算范圍和模式地形A) 三重嵌套模式各區的計算范圍；B) 小區計算區域內大區模式地形；C) 小區計算區域內中區模式地形；D) 小區模式地形 (單位：m)PN 表示PN斷面的位置Fig. 2 Domain of triply nested models and Model depths (m)A) Domain of triply nested models; B) Model depths of Nest 1; C) Model depths of Nest 2; D) Model depths of Nest 3;PN denotes the observational hydrographic line in the East China Sea (known as the PN line)

2 模式水平分辨率的提高對模擬結果的影響

2.1 表層流場結果分析

圖3為模式年平均表層 (15 m)的流場分布。模式各區模擬結果相比，大區模擬的東海黑潮流速較弱、流幅也較寬；中區的結果與大區相比有了很大地改善，但是中區在琉球群島（26oN, 126oE）附近黑潮出現多余的分支；小區模擬的結果與觀測結果最為接近，東海黑潮流軸的流速基本在100 cm/s左右。黑潮流軸在30oN附近向東偏轉，沿日本南岸和東南岸向東北方向流動，在40oN, 142oE附近與親潮匯合，形成黑潮延伸體。由此可見，模式水平分辨率提高后，能更好地模擬黑潮流場。小區模式對黑潮兩種經典流徑（圖4）的成功模擬，進一步為本結論提供佐證，從圖3中可以看出本模擬的黑潮流徑與圖4實測數據的分析結果[20]十分相似。

2.2 PN斷面各要素年平均結果分析

PN斷面是東海的著名斷面，本文取PN斷面的年平均流速、位溫、位密的模式結果進行分析，發現隨著模式分辨率的提高，模擬結果與實測結果更加接近。PN斷面年平均的模式結果見圖5。如圖5所示，三個模式都模擬出了較強的流核，大約位于陸架上方水深100 m處。從圖5中可以看出，黑潮流核強度和位置以及垂向結構都對模式水平分辨率非常敏感。黑潮流核速度從大區的25 cm/s加強到小區的80 cm/s，這主要是由陸架坡度分辨率的提高和增強的斜壓效應引起的。

圖3 模式年平均表層 (15 m)各區流場分布Fig. 3 Model surface (15 m) annual mean currents. The chart is in turn： Nest 1, Nest 2, Nest 3

由于三個模式使用相同的海表風場和海表熱通量數據集，因此各模式的PN斷面水體通量基本保持一致，凈流量約27 Sv，這與袁耀初和劉勇剛等的研究結果[5,6,21,22,24-28]是一致的。陸架坡度分辨率從大區到小區不斷提高，對應的PN斷面的面積逐漸減小，刻畫的陸坡更接近真實情況。在水體通量保持不變的前提下，PN斷面的流速逐漸增強。而增強的斜壓效應對模式結果的影響主要表現為，流核的流速逐漸增強，流核以下的流速迅速減小，小區結果在海槽底部甚至出現負值（西南向流）。這一現象可以通過“熱成風關系”解釋。由于在小區模式中流核周圍等溫線和等密線的梯度明顯加大，產生更強的斜壓效應，使流核的流速明顯增強。為了滿足水體通量的平衡，流核以外的流速必然減小。

此外，中區模式和小區模式模擬出了黑潮東側存在逆流，深度可達海槽底部，小區模式平均流速約為20 cm/s。這一現象與文獻[5,6]的水文調查資料分析結果基本相符。劉勇剛等[5,6]利用1992－1994年每年4個航次的資料得出的分析結果顯示：黑潮以東及黑潮以下都存在逆流，最大流速約在15 ～ 40 cm/s之間。陳紅霞等[23]也得出過類似的結果，但逆流流速較小，最大值約為15 cm/s。

3 PN斷面季節變化分析

近年來，國內外學者對東海黑潮作了大量科學調查研究，以東海PN斷面（圖2）為例，研究計算了1985－1998年黑潮PN斷面流量的年變化與季節變化[5,6,21,22,24-28]。 這些計算結果表明, 黑潮流量的多年統計季節平均值在夏季時最大, 秋季最小，多年平均值為27.0 Sv。圖6為小區冬、春、夏、秋四季的PN斷面的流速。從圖6中可以看出，模式模擬的PN斷面流速和流量夏季最大，分別為100 cm/s和29 Sv；秋季最小分別為80 cm/s和21.68 Sv；春、冬兩季介于兩者之間。這與上述文獻的結果相一致。

圖4 黑潮流徑實測值與模擬值比較A) 1959年1月到1960年3月實測結果分析的黑潮流徑 (Shoji，1972); B) 模擬的黑潮“大彎曲”路徑 (t=322 d); C) 模擬的黑潮無彎曲路徑 (t=138 d)Fig. 4 Map of the Kuroshio path A) Patterns of the observed Kuroshio paths from January 1959 to March 1960; B) The model large-meander path of the Kuroshio (t=322 d);C) The model no-large-meander path of the Kuroshio (t=138 d)

圖5 PN斷面年平均的模式結果依次為：上圖為大區（NEST 1）流速（vec）（A1）、位溫（T）（A2）、位密（r）（A3）；中圖為中區（NEST 2）流速（B1）、位溫（B2）、位密（B3）；下圖為小區（NEST 3）流速（C1）、位溫（C2）、位密（C3）。流速負值被填充為陰影。模式的輸運量被標在流速圖中（VT-net 是凈輸運量、VT-pos是正輸運量、VT-neg是負輸運量）Fig. 5 Vertical distribution of annual model results at PN line ： The chart is in turn ： NEST 1 velocity (vec) (A1), potential temperature (T) (A2), and potential density (r) (A3); NEST 2 velocity, potential temperature, and potential density (B1, B2, B3) ; NEST 3 velocity, potential temperature, and potential density(C1, C2, C3)Regions with negative values of alongshelf velocity are shaded; model calculated volume transports are shown in chart of velocity . (VT-pos and VT-neg are volume transports calculated whit positive and negative alongshelf velocity , respectively ; VT-net represents a sum of VT-pos and VT-neg)

圖6 小區PN斷面的流速分布：依次為冬 (A)、春 (B)、夏 (C) 和秋 (D)陰影為負值。流量值在圖的左邊模式的輸運量被標在流速圖中（VT-net 是凈輸運量、VT-pos是正輸運量、VT-neg是負輸運量）Fig. 6 Vertical velocity distribution of NEST3 model results at PN line： winter (A), spring (B), summer (C), autumn (D). Regions with negative values of alongshelf velocity are shaded; model calculated volume transports are shown in chart of velocity. (VT-pos and VT-neg are volume transports calculated whit positive and negative alongshelf velocity, respectively; VT-net represents a sum of VT-pos and VT-neg)

圖7 小區PN斷面的位溫 (T)、位密分布 (r) ：A－D依次為冬、春、夏和秋位溫分布。E－H依次為冬、春、夏和秋位密分布Fig. 7 Vertical distribution of potential temperature (T), and potential density (r) of NEST3 model results at PN line： A～D is potential temperature of winter,spring, summer, autumn；E～H is potential density of winter, spring, summer and autumn

圖7為小區PN斷面的位溫、位密分布。從圖7中可以看出，冬、春兩季的位溫、位密在PN斷面上層水平梯度大，垂向梯度小，黑潮流核處（約126°E）的位溫約為20℃，而在123°E位溫僅為8℃左右。夏季位溫的分布與冬、春兩季相反,在 PN斷面上層位溫垂向梯度很強，水平梯度較弱,位溫從表層的 29℃迅速下降到200 m處的18℃左右。位密分布也有相似的特征。這樣的分布特征主要由東海的氣候特征決定。以位溫分布為例，冬季東海受亞洲大陸高壓影響，以偏北風為主，平均風速可達9 ～ 10 m/s，這使得上層海水充分混合。黑潮從赤道地區帶來的高溫海水沿著東海大陸坡流動，導致等密度面向大陸架上方傾斜，形成了黑潮次表層水向大陸架上方涌升的現象，同時黑潮流幅向西側擴展。夏季，海表熱輻射增強，局地溫度升高，全海區水溫大致為26℃ ～ 29℃，與黑潮主流溫度基本相同。

因此，PN斷面的溫度水平梯度很小。同時，夏季以較弱的偏南風為主，平均風速僅有5 ～ 6 m/s，東海上層海水層結穩定，致使垂向梯度明顯，黑潮流軸穩定，流幅較窄。春、秋兩季是過渡時期，上層海水介于冬季強混合和夏季強層結之間。

4 PN斷面雙核結構分析

從袁耀初（1991）[29]發現黑潮PN斷面有兩個流核結構以來，許多國內學者對PN斷面的流核結構做了大量的研究，結果表面PN斷面存在單核、雙核結構[3,5,6,23]。

本文通過對模擬結果的分析比較發現，模擬的流速結果在PN斷面主要分為兩類：單核和雙核結構。如圖8 A、圖8 B、圖8 C分別為小區運行第3 a的t = 196 d，t = 016 d和t = 250 d時模擬的PN斷面流速分布，圖8 A為典型的單核結構，圖8 B、圖8 C為雙核結構。圖8 A中流核位于陸坡上（126.5 °E），流核深度約為100 m，形狀為不規則的橢圓形，流核西側流速變化相對強烈，東側流速變化相對緩慢，這體現了大洋環流的西邊界強化特征。圖8 B中最明顯的特征是有兩個流速為正值的流核，兩個流核也都位于陸坡之上，流核間的距離約為 50 km并呈平行排列，且主軸的西側流速變化比東側強烈，西側流核深約30 m，流速約65 cm/s，東側流核深約100 m，流速約80 m/s。圖8 C為模式模擬的另一種雙核結構，與圖8 B相比，兩個流核呈斜線上下排列，上部流核深約40 m，下部流核深約150 m，流速分別約為120 cm/s和105 cm/s。本文的圖8 A、圖8 B和圖8 C的流核結構均與文獻[6]根據水文資料分析的結果（圖8 D、圖8 E和圖8 F）基本一致或十分相似，但圖8F的流速較大。

5 結論與展望

使用三重嵌套的HYCOM數值模式模擬氣候態東海黑潮的模擬得出如下結論：

a）高水平分辨率模式對黑潮特征量的模擬有明顯的改進。這些改進主要由兩方面的原因引起：地形分辨率的提高和改善的斜壓效應。

b）小區模式的模擬結果較好地再現了PN斷面的垂向結構。結果基本反映了PN斷面流速和流量的季節變化規律：夏季流速最強、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春兩季處于過渡期。

c）模式成功地模擬出東海黑潮東側的逆流（該逆流流速穩定，夏季流速略大）和PN斷面的流速雙核結構。

模式雖然較好地模擬了東海黑潮的時空特征和PN斷面的垂向結構，但對PN斷面流速雙核結構的成因沒有給出滿意的解釋，需要對其進行深入的研究，并在此基礎上探討東海黑潮多流核結構的成因，以及東海黑潮流量、流徑的變化與黑潮大彎曲之間的聯系。

圖8 PN斷面流核結構A 模式單核結構；B, C模式雙核結構；D觀測單核結構；E, F觀測雙核結構。（E, D, F 引自文獻[22]）Fig. 8 Current core structure of PN line(A) Model signal core ; (B, C) Model double core; (D) Model signal core[22]; (E, F) Observation double core[22]

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A HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) for simulating the climatological Kuroshio in the East China Sea

BAI Zhi-peng1, GAO Song2, WANG Hai-tang3

(1. 61741 Troops of PLA, Beijing 100081, China;2. North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China;3. Qingdao Huanhai Marine Engineering Prospecting Institute, Qingdao 266033, China)

A triply nested HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) was used to simulate the climatological Kuroshio in the East China Sea. The model resolution increases from 1°×1° costo 1/8°×1/8° cos . The following conclusions can be deduced from the numerical results： (1) The higher-resolution model can improve the simulation results of Kuroshio, which is mostly caused by better representation of topography and baroclinicity; (2) The higher-resolution model results reproduce the water vertical structure of PN section, and generally reflect seasonal variation rule of current velocity and current flux at PN section. In summer, current velocity is the strongest and current flux is the largest, while in autumn, current velocity is the weakest and current flux is the lowest, and the values in winter and spring are between those of summer and autumn; (3) The model successfully simulates the countercurrent in the east of Kuroshio, which is steady and comparatively larger in summer; (4) The model simulates the double core structure of Kuroshio at PN section.

HYCOM; Kuroshio; PN section

P731.27

A

1001-6932 (2010)02-0121-09

2008-12-12；

2009-06-04

白志鵬（1982－），男，天津人，助理工程師，碩士，主要從事海洋環流方面研究。電子郵箱：looeybai@hotmail.com