北太平洋低緯西邊界流系特征變化研究

戴玉玲，包畯，李家黨

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214400）

1 引言

北太平洋低緯西部邊界流非常復雜，它同時連接著熱帶環流系統（北赤道流-棉蘭老流-北赤道逆流）和副熱帶環流系統（北赤道流-黑潮-黑潮衍生體），在世界大洋經向質量、熱量和鹽量的輸運中起著重要作用。關于北太平洋低緯西邊界流系的研究工作，自20世紀30年代就已開始。隨著觀測手段的不斷更進，對該片海域的國際聯合調查及國內大型海洋調查計劃越來越多，并取得了大量的數據，這些資料為研究北太平洋低緯西邊界流系的環流結構提供了很好的依據。同時，由于計算機技術的快速發展及成熟應用，更多的海洋數值計算模式應用于北太平洋低緯西邊界流系結構特征及變化規律的研究。目前，對北太平洋低緯西邊界流系的組成及結構已基本形成較一致的觀點，認為北太平洋低緯西邊界流系主要由北赤道流（NEC）、黑潮（KC）和棉蘭老流（MC）組成（部分學者認為包括北赤道逆流（NECC））。本文參考周慧[1]、康霖[2]等的命名方法，將位于赤道以北0°—25°N，經度125°—135°E太平洋海域內的北赤道流、黑潮、棉蘭老流合稱為北太平洋低緯西邊界流系，記作NEC-KC-MC。

北太平洋低緯西邊界流系中的黑潮和棉蘭老流都出自同源——北赤道流。北赤道流位于赤道以北10°—20°N之間，是太平洋中一支相對穩定的由信風引起的自東向西的風生漂流，在其到達太平洋西海岸后，由于受地形阻隔的影響產生分叉，生成向北流動的黑潮和向南流動的棉蘭老流。這兩支海流因為流速很大、且高溫高鹽，能夠給所流經的海域帶來很大的動能、熱量和鹽量，從而對海水能量、熱量和質量都有極大的影響，尤其對改變局部海域的氣候有著極其重要的作用[3-4]。北赤道流作為黑潮和棉蘭老的源流，它的強度和分叉位置直接決定了黑潮和棉蘭老流的強弱，進而直接影響著低緯和高緯海域質量、熱量的運輸，從而對整個西邊界流域乃至整個太平洋地區海氣系統產生重要影響[5]。此外，北太平洋低緯度西邊界流是全球海溫最高的區域，是全球最大的熱源地，整個海表海溫的異常通過復雜的海氣相互作用將有可能會導致全球大氣環流的變化，從而導致EL Ni?o事件的發生。由此可見，對北太平洋低緯度西邊界流，特別是對其季節和年際變化規律進行研究，對海洋氣象甚至全球氣候研究均具有科學意義[6]。

本文研究所采用的數據資料取自美國國家環境預報中心（NCEP）全球海洋潛標觀測系統再分析資料，統計時間為1983—2012年各月平均數據，數據分辨率為1°（經度）×0.3°（緯度）。

2 北太平洋低緯西邊界流表層分布特征

圖1a為本文所采用的NCEP再分析資料得出的北太平洋低緯西邊界流表層多年（1983—2012年）平均流場，其結果與Tommy等利用高分辨海洋環流模式(OGCM)模擬得到的西北太平洋表層平均流場分布情況（見圖1b）基本一致。在年平均時間尺度上，北赤道流（NEC）主要位于8°—20°N之間，年平均流速為20—30 cm/s。NEC流速最強勁處位于10°—14°N之間，年平均流速可達30 cm/s，最大流速高達40 cm/s以上。當NEC流至太平洋西邊界菲律賓沿岸12°—3°N時，由于受地形的影響產生分叉，產生北向的黑潮（KC）和南向的棉蘭老流（MC）。KC沿呂宋島一路向北，沿臺灣島東側流經東海時，由于和臺灣東北部大陸坡折區存在碰撞[8]，方向轉向東北運動，并沿大陸架邊緣與大陸毗連區到達29°N，129°E附近后轉向東運動。經計算，剛分出的KC流速較小，在呂宋島東部年平均流速30—40 cm/s，到達呂宋島東北部后年平均流速增至50 cm/s，到達臺灣島東側后年平均流速高達70 cm/s，最大流速可達90 cm/s以上。MC與KC相似，剛分叉出的MC由于還未完全成型，流速較小，僅為40 cm/s,到達棉蘭老東側（7°—8°N）后流速急劇增大，表層年平均流速高達80—90 cm/s,最高可達110 cm/s以上，這與Qu[9]通過CAS調查計劃觀測得到的結論一致，Qu認為上層結構MC在8°N附近才得到充分發展，流速變大超過80 cm/s，并隨著深度的減小MC寬度變窄。在NEC-KC-MC流系以南太平洋4°—12°N之間，存在著一支流向與NEC相反的海流，即為北赤道逆流，北赤道逆流的流速大于NEC，年平均流速達30—40 cm/s，最大可達50 cm/s以上。北赤道逆流（NECC）以南（0°—3°N）存在南赤道流的蹤影，它的流動方向與NEC相同，自東向西流動，表層年平均流速與NEC接近，為20—30 cm/s。

圖2 北太平洋低緯西邊界流表層多年季節平均流場

圖2為北太平洋低緯西邊界流表層多年季節平均流場。由圖可以看出，無論是NEC，還是KC和MC，都有較強的季節變化尺度。NEC夏季（6—8月）流速大于冬季（12—次年2月）流速，春季（3—5月），秋季（9—11月）最小。夏季NEC流速最大，流幅最窄，平均流速達30—40 cm/s，最大可達50 cm/s以上，秋季流速最小，流幅最大，平均流速僅為20 cm/s。同時，由圖也可以看出NEC在位置上存在季節上的偏移，相較于冬季，夏季NEC的位置略比冬季偏北1—2個緯度。KC和MC的變化特征與NEC相似，夏季流速大，流幅窄，KC和MC夏季平均流速最大分別可達70—80 cm/s、90—100 cm/s。冬季，KC流速小，流幅變寬，平均流速為60 cm/s，最小流速僅為40 cm/s；相比較于KC，MC冬季和夏季平均流速差別較小，冬季略小于夏季，平均流速也達90 cm/s。同樣，北赤道逆流在位置上也存在季節上的變化，夏季主要位于4°—7°N，冬季主要位于3o—7°N，位置比夏季略向南移動了1個緯度，流幅比夏季略寬1個緯度；在流速上，北赤道逆流的強流區比較集中，尤其是在秋季，主要集中在3°—5°N之間，該緯度范圍內流速高達40—50 cm/s，而夏季流速分布較均勻，平均流速達40 cm/s以上，冬季流速略小于夏季，但平均流速仍達30—40 cm/s。

3 北太平洋低緯西邊界流流量月變化特征

為了積分方便，分別將NEC、KC、MC各斷面1983—2012年30年的逐月數據資料進行水平方向和垂直方向上插值，水平方向上插值到0.1°經度×0.1°緯度，垂直深度上插值到10 m一層，分別計算NEC、KC、MC、NECC各斷面上的流量，選取的積分經緯度和深度范圍見表1所示。

表1 NEC、KC、MC、NECC流量計算選取范圍[10-11]

根據表1，計算得出NEC、KC、MC，NECC各斷面的月平均流量（見圖3）。從各月流量分布來看，NEC春夏兩季的流量運輸明顯大于秋冬兩季，且在夏季的7月出現最大值57 Sv，冬季的12月出現最小值49 Sv。在春夏季節，NEC在130oE斷面的緯向流量運輸一直維持在52 Sv以上，春季的流量運輸為54.7 Sv，夏季的流量運輸最高，為56.3 Sv。值得注意的是在夏季的8月，NEC的流量運輸由7月的最高值突然降低，減小至小于春季的流量運輸，這可能是由于季節的過渡，NEC的表層出現了漩渦的原因。KC的流量變化基本穩定，上下波動較小，全年維持在23—28 Sv之間，冬季月份流量略小于夏季月份，且在12月出現了最小值，為23 Sv，夏季7月份出現了最大值，為28 Sv。這個計算結果與Yaremchuk[12]等計算得到的27.6 Sv和Atsuhiko[13]計算得到的30 Sv以下比較接近，而與Qu[9]、鞠霞[14]等計算得到的12—15 Sv的差距還較大。總的來看，大多數學者計算的KC流量在12—60 Sv之間不等，結果相差很大，一方面這與KC所處的流場環境有關，另一方面與計算所選取的參考面和計算方法有關[15]，目前對于KC的范圍和方法還未存在一個統一的標準。相較于KC，MC的流量變化具有明顯的季節變化特征，春季流量輸送最大，夏季次之，秋季流量運輸最小，春季最大流量運輸達32 Sv，秋季僅為25 Sv。MC的流量變化趨勢和NEC變化趨勢非常接近，略有差別之處在于NEC在過了夏季的7月后流量逐漸減小，而MC在5月份過后就有流量變小的趨勢，可能的原因在于呂宋島以東表層出現了漩渦[10]。NECC在流量變化上與NEC具有反相性，流量運輸的最大值出現于秋末冬初的11月份，為40 Sv，而最小值出現于冬季的2月份，僅為28 Sv，由此可見，在冬季NECC的波動較大，穩定性較差。

圖3 NEC、KC、MC、NECC各斷面月平均流量

由圖3還可以看出，KC和MC的流量總和變化趨勢和NEC的變化趨勢接近，但數值上略大于NEC的流量運輸。一方面可證明KC和MC為NEC分叉后的主要支流，因此KC和MC的流量總和與NEC流量接近，且變化趨勢一致；另一方面，由于在流量計算過程中積分選取的經緯度及深度范圍所致，KC和MC的流量總和與NEC流量存在偏差。另外，在NEC流量計算過程中發現，在NEC南邊界中，緯向存在正方向的流速，這是由于NEC中混有部分反向的赤道逆流，在NEC流量計算中，這部分流量與NEC流量進行了部分抵消，這也是KC和MC流量總和略大于NEC流量的原因之一。

4 北太平洋低緯西邊界流相關性分析

由表2可以看出，NEC、KC和MC夏季多年平均流量大于冬季多年平均流量，NECC冬季多年平均流量略大于夏季多年平均流量。從流量的穩定性來看，除MC外，NEC、KC和NECC的夏季流量的穩定性均強于冬季流量。4支海流中，MC流量的穩定性最好，NECC的穩定性最差，尤其冬季，NECC的流量起伏波動大，表現的非常不穩定。從季節指數[16][I=（Ms-Mw）/]來看，NEC的季節變化最明顯，其次是MC，NECC的季節變化最不明顯，這是由于NEC主要受東北信風的驅動，對季節變化的響應強烈；而NECC處于赤道無風帶，對季節變化的響應較弱，但這不是NECC流量不穩定的唯一原因，目前還沒有統一的研究結果，有的學者認為和NECC的形成原因有關，有的則認為要從波動理論來解釋這一現象。

表2 北太平洋低緯西邊界流相關性分析表

從各海流與NEC的相關性分析，無論是KC還是MC，它們與NEC的相關系數的均大于0.5，說明總的來說，NEC的流量同時控制著KC、MC的流量變化，且KC、MC與NEC為正相關，即當NEC流量增加時，KC和MC的流量都增加，而當NEC流量減小時，KC和MC的流量也都隨之減小。這與康霖博士[17]通過研究NEC與KC、MC的流量變化在季節時間尺度和年際時間尺度上的流量異常變化現象得出的KC、MC的流量變化與NEC具有同相變化關系的結論相一致。比較KC、MC與NEC的相關性，MC與NEC的相關系數大于KC，即MC的流量受NEC的影響較KC大。用同樣的方法計算MC與KC的相關系數為0.16，可見，MC與KC雖然同為NEC的主要支流，但兩者之間的關系并非為負相關，而是正相關，且相關系數很低，因此得出結論：同作為NEC的兩條支流，MC的流量并不因為KC流量的增大而變小，且KC流量與MC流量兩者之間既有關聯，又互相獨立。相較于MC，KC與NEC的相關系數略低，這與Qiu和Lukas[18]的研究結果相一致，說明KC流量在受NEC流量變化影響的同時還受其他因素的制約，如呂宋海峽東部的漩渦，日本島南部的暖渦及KC北側的副熱帶逆流等等，這些因素對KC流量的影響均是不容忽視的。NECC與NEC有很大的負相關性，即當NEC流量增加時，NECC流量減小；而當NEC流量減小時，NECC的流量反而變大。這與高立寶等[19]利用投放的漂流浮標觀測資料（2005—2008年）并結合ADCP和Argo浮標資料分析得出的NEC與NECC兩者流量具有季節方向變化特征的結論相一致，而與孫湘平[20]利用1967—1995年日本氣象廳海洋氣象觀測資料得出的NEC與NECC兩者流量具有相同季節變化的結論相反。一方面可能的原因是兩者所使用的觀測資料不同造成的差異，且后者所使用的資料僅限于冬、夏二季；另一方面可能的原因是NECC海流的主要來源并非NEC，可能是與之變化反向的南赤道流，具體原因還需進一步分析。

5 結論

本文研究了北太平洋低緯西邊流系表層分布特征及流量月變化特征，并探討了各海流之間的相關性，得出以下結論：

（1）北太平洋低緯西邊界流系主要由NEC、KC、MC及NECC構成，在位置變化上表現出夏季北移，冬季南移的特征；在流速變化上均表現出夏季強盛，冬季減弱的季節變化特征；

（2）從流量運輸情況看，NEC、KC和MC的春夏季節流量運輸均大于秋冬季節的流量運輸，而NECC則相反；

（3）從各海流與NEC的相關性分析上看，NEC與KC、MC為正相關，與NECC為負相關，NEC的流量變化控制著KC、MC的流量變化。

本文對北太平洋低緯西邊界流系的研究重點主要集中于對NEC、KC、MC組成的NEC-KC-MC流系，而對NECC僅做了初步分析；另外，由于本文主要從整體趨勢研究各流系的分布及時空變化特征，所采用的數據資料分辨率有限，如需對各流系的變化機理及影響因素做進一步分析，還需增加分辨率更高的數據資料以及其他諸如風場、衛星高度計、溫鹽場等資料。

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