基于ARGO數據的北太平洋西邊界流分析＊

陳凱諾 邵利民

（1.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018）

基于ARGO數據的北太平洋西邊界流分析＊

陳凱諾1邵利民2

（1.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018）

論文將分布不均勻的ARGO溫鹽數據空間平均和線性插值，用溫度和鹽度求出地轉流流速，分析結果表明：北太平洋的北赤道流（NEC）在菲律賓沿岸大約12°N的表層分叉，分為北向的黑潮（Kuroshio）和南向的棉蘭老流（MC）；在21°N的黑潮下面出現了呂宋潛流（LUC），呂宋潛流沿呂宋島沿岸向南流動，流速增強但是深度變淺。黑潮的流速大，最大可達0.8m／s，流幅寬度約為三個經度，由南向北輸送。從年平均看，夏季黑潮流量最大。但是每年四季流量的大小都有所不同。

北太平洋；西邊界流；流場；流量；地轉平衡

Class NumberP722

1 引言

ARGO計劃通俗稱“ARGO全球海洋觀測網”，是一個全球性的由美國和其他國家的觀測試點項目，在1998年推出，在全球海洋的每300公里放一個衛星跟蹤浮標，使得全球海洋被這些跟蹤浮標覆蓋。旨在快速、準確、廣泛收集全球海洋上層海水溫度、鹽度分布數據，以提高氣象預報和海洋預報的準確度。北太平洋對全球氣候變化起著重要的作用，它可以與外界進行物質以及熱量的交換［1，5～7］。

太平洋低緯度西邊界環流系統結構的復雜程度在全球大洋是獨一無二的：上層有雙流環結構和復雜的波－渦－流相互作用，下層有反向的潛流，上下層還存在著非常強的混合等非線性相互作用［2］。因此開展太平洋低緯度西邊界環流的系統研究，必將推進大洋環流理論的發展［3］。因此，對北太平洋的西邊界流的研究分析具有非常重要的科學意義。本文在前人研究的基礎之上，主要利用了ARGO浮標資料，對于北太平洋西邊界流的特點進行了分析研究。ARGO計劃在2006年之前對于北太平洋的觀測和研究都是小范圍和短時間的，而2006年～2013年開展的是大范圍長期地觀測。本文采用高分辨率，大范圍，長期的現場觀測來進行北太平洋西邊界流的分析，分析北太平洋西邊界流的流幅寬度、速度和流量年季變化，討論北太平洋西邊界流在何處最強及原因。

2 數據及其處理

本文運用的ARGO數據是從2006年～2013年，緯向范圍120°E～160°E，經向范圍0°N～30°N，完全可以把北太平洋西邊界流的區域涵蓋進去，由于ARGO覆蓋的空間很不均勻，先把ARGO數據進行空間平均，水平分辨率為0.5°×0.5°整合出來一個均勻格點分布的數據，垂直方向上每20m平均一次，這樣就把ARGO數據整合為空間分布均勻的數據。在除去陸地范圍的海域內進行插值，得到溫鹽數據，取500m為零速度參考面，進而計算地轉流速度。由經向和緯向的地轉流速度，可以得到合成速度矢量場。進而分析表層和深層的流場形勢。

3 西北太平洋西邊界流的流速和流幅寬度

3.1 地轉流計算

為了計算地轉流，需要計算海洋內部同一深度上的水平壓強梯度。由于海水密度很大，深度的微小變化會導致壓力很大變化，深度誤差造成的壓力誤差遠遠大于地轉流引起的壓力變化。因此，與大氣中直接通過測量同高度上的壓力差來求地轉流不同，海洋中用水文資料求地轉流是通過計算等壓面相對于同一等重力勢面的傾斜來實現的。

并有

其中α＝α（S，t，p）為比容（Specific Volume），Φ為重力勢。對式（2）在x方向進行求導，有：

和

式（4）便給出了等壓面上的位勢梯度與地轉流的關系。要求等壓面上的位勢梯度對式（2）在兩個等壓面（P1等壓面與P2等壓面）之間進行垂向積分。得到兩個等壓面之間的重力勢差：

把比容寫成如下兩部分之和：

其中α（35，0，p）為海水在鹽度為35，溫度為0℃，任意壓強時的海水比容，第二項δ為比容異常。把式（6）代入式（5）。有：

即

其中（Φ1－Φ2）std為兩個等壓面之間（Pl等壓面與P2等壓面）的標準位勢差為重力勢異常，并且后者遠遠小于前者，約為前者的0.1%。

考慮相距Lm的兩個站位A和B，兩個等壓面之間（P1等壓面與P2等壓面）的重力勢異常之差為ΔΦB－ΔΦA。為簡單起見，假設下面的等壓面為參考面，因此等壓面和等重力勢面重合，并且在這層上地轉流速為零。所以上面等壓面（P2等壓面）的傾斜為由于站位A和B的兩個等壓面之間的標準重力勢差相等，可知上面等壓面處的地轉流速為

流速的方向垂直于站位A和B的連線，并指向紙面內（在北半球）。一個有效的拇指法則可以判斷流速的方向，即：在北半球沿著流的流動方向看去，暖的、輕的水在右側。

為了減小Argo探測路徑不均勻的影響，由Matlab軟件處理得到的ARGO數據首先在垂向進行了20m平滑。由于ARGO覆蓋不均勻，采用插值法將平滑后的剖面在經向（緯向）斷面插值到0.50緯度（經度）的水平網格上，這樣做的目的是為了使得分布零散的ARGO溫度鹽度值得到經過網格平均后的溫鹽數據，進而用Matlab軟件計算地轉流大小。在這個過程中，由于地轉流的計算是兩個面之間的相對速度而并非絕對速度，所以零流速參考面的選取很重要，直接影響地轉流速結果。在本文中，參考面全部選取海平面以下500m的剖面，該處上下速度方向正好相反，有180°的方向切變，因此該處速度近似為零。

3.2 北太平洋西邊界流的流速和流幅寬度

熱帶太平洋的北赤道流（NEC）向西流至菲律賓邊界流在世界大洋的質量、熱量和鹽量輸送以及全球群島東岸海域后，受地形的阻擋作用發生分叉，在氣候變化中都起著決定性的作用。因此，對北太平洋黑潮和棉蘭老流兩支下游支流構成的西邊界流的輸運變化和動力學機制及其作用的研究有著重要的科學意義。表層的北赤道流在北緯12° N分叉，黑潮向北流動，棉蘭老流向南流動，黑潮橫跨三個經度，流速大小高達0.8m／s以上。而棉蘭老流流速比黑潮小很多，約為0.2m／s，但是流幅比黑潮寬一些。

4 北太平洋西邊界流的流量及其季節變化

計算流量方法：先計算24°N，21°N，18°N，15° N，12°N從2006年～2013年的平均經向速度，再用平均經向速度乘以600m截面所占的體積即可。

圖2 12°N，15°N，18°N，21°N，24°N各個斷面處的流量矢量

12°N～24°N每隔3°取一個斷面，計算它們上600m的流量，分別為－10.6Sv，15.2Sv，28.9Sv，49.1Sv，25.6Sv。棉蘭老流的流量明顯比黑潮的流量小。發現21°N的年平均流量最大，與此同時該處的黑潮也最強。這與前面所分析的黑潮與棉蘭老流流速大小相符合，流速相差4倍，流量也是4倍。

分析21°N黑潮最強的原因：

1）黑潮是由科氏參量隨緯度的改變，大洋西邊界和慣性的存在，以及海水密度和海洋深度的變化等引起。其中主要是由于科氏參量，亦即在相同的海流速度情況下的科氏力隨緯度增加而加大其行星渦度所致。在大洋中高緯地帶的海面上，因順時針方向風應力渦度作用，生成順時針方向的風生海流，此時海洋對該環流產生逆時針方向的摩擦渦度。如在大洋東、西邊界處的海洋速度相同，則在大洋西邊界處自南向北的海流，將獲得因科氏力隨緯度增加而加大所生順時針方向的行星渦度。21° N處黑潮流幅窄，流速大，西向強化最強。

2）21°N處風應力旋度最大，Sverdrup平衡給出了經向流速和風應力的關系，是大洋環流中非常重要的理論，風應力旋度越大，經向流速越大，質量通量越大。

3）向西傳播的Rossby波導致海水的上下起伏震蕩，影響質量疏運［4］。

4）棉蘭老冷渦的強弱影響了海水的運動路徑。渦旋越強，海流速度越慢。所以21°N處受不到太多棉蘭老冷渦的影響［8～9］。

又如圖3所示，北太平洋西邊界流的流量隨四季變化每年情況都不一樣，但是年平均情況來看，夏季最大，約為29.0Sv；秋季其次，約為27.5Sv，春季最小，約為22.8Sv。每年流量情況都不相同的原因是由于厄爾尼諾年和拉尼娜年，海水流動異常導致的［10］。

圖3 2006年～2013年北太平洋西邊界流流量的季節變化及8年平均的季節變化

5 結語

本文基于2006年～2013年的ARGO浮標資料，近似認為北太平洋西邊界流為地轉流，對北太平洋西邊界流的流速，流量進行了分析，得出以下結論：

1）表層的北赤道流在北緯12°N分叉，黑潮向北流動，棉蘭老流向南流動，黑潮橫跨三個經度，流速大小高達0.8m／s以上。

2）北太平洋西邊界流的流量隨四季變化每年情況都不一樣，但是年平均情況來看，夏季最大，約為29.0Sv；秋季其次，約為27.5Sv，春季最小，約為22.8Sv。

［1］謝玲玲.西北太平洋環流及其與南海水交換研究［D］.青島：中國海洋大學，2009.

［2］鞠霞.北太平洋西邊界流系源區的流場及熱通量研究［D］.青島：中國海洋大學，2009.

［3］周慧.北太平洋西邊界流系的某些特征及變化規律研究［D］.青島：中國海洋大學，2006.

［4］蔡榕碩，齊慶華，張啟龍.北太平洋西邊界流的低頻變化特征［J］.海洋學報（中文版），2013，35（1）：9－14.

［5］Fine，R.A..R.Lukas.F.M.Bingham.M.J.V Varner and R.H.Gammon.The western equatorial Pacific：A vrater mass crassroad［J］.J.Geophs.Res.，1994，99（12）：25063－25080.

［6］Kaneko.I，Y Takatsuki，H.Kamiya.Circulation of intermediate and deep waters in the Philippine Sea［J］.J Oceanogr，2001，57：397－420.

［7］McCreary.J.P.，P.Lu.On the interaction between the subtropical and the equatorial oceans：The subtropical cell［J］.J.Phys.Oceanogr.，1994，24：466－497.

［8］Qu.T..G.Meyers.and J.S.Godfrey.and D.Hu.Upper ocean dynamics and its role in maintaining the annual mean western Pacific warm pool in a global G CM，Int.J.Climatol.，1997，17：711－724.

［9］Lukas，R.Interannual fluctuation of the Mindanao Current inferred from sea level［J］.J.Geophs.Res，1988，93：6744－6748.

［10］陳永利，趙永平，王凡，等.ENSO循環相聯系的北太平洋低緯度異常西邊界流［J］.海洋學報（中文版），2013，35（6）：9－20.

Analysis of the Western BoundaryCurrent in North Pacific Based on ARGO Data

CHEN Kainuo1SHAO Limin2
（1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）（2.Department of Military Oceanography，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

In this paper，the uneven distribution of ARGO thermohaline data are average on space and linear interpolated.The geostrophic flow can be calculated by temperature and salinity data.During the period of observations，the North Equatorial Current（NEC）splits at about 12°N near the sea surface，including the northward Kuroshio and the southward Mindanao Current（MC）.The Luzon Undercurrent（LUC），emerging below the Kuroshio from about 21°N.It intensifies southward while its depth becomes deeper.The speed of the Kuroshio is very high，which can reach 0.8m／s.Its Flow width is about three longitudes.The Kuroshio transfers from the south to the north.On average annual summer stream flow is the largest.But the size of the flow of the four seasons is different every year.

north pacific，western boundary current，fluid flow，quantity of flow，geotropic balance

P722DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.006

2015年5月4日，

2015年6月27日

陳凱諾，男，碩士研究生，研究方向：海霧的數值模擬及可見光在其中的衰減特性。