多島環流理論在南海域際環流中的應用研究

連 展,方國洪,王新怡,孫寶楠

(1.中國科學院南海海洋研究所,廣東廣州510301;2.中國科學院大學,北京100039; 3.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

多島環流理論在南海域際環流中的應用研究

連 展1,2,3,方國洪1,2,3,王新怡3,孫寶楠3

(1.中國科學院南海海洋研究所,廣東廣州510301;2.中國科學院大學,北京100039; 3.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

在Wajsowicz(1993)多島環流理論的基礎上,給出了一種摩擦-地形阻力作用的參數化方案,并應用于南海域際環流動力學的研究。結果表明,不考慮阻力時理論結果在海水輸運方向上與實測一致,但在輸運量的量值上與實測差別很大;考慮了摩擦-地形阻力作用后計算所得的各通道的流量與實測結果不但在方向上完全一致,在數值上也具有一定的一致性。因而在考慮了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup環流理論的多島環流理論能夠很好解釋南海域際環流形成的主要動力機制。采用1948—2014年NCEP逐年風應力資料計算結果表明,各海峽流量均存在明顯的年際變化,其中呂宋海峽和民都洛海峽更為明顯。相關分析顯示,呂宋、民都洛和卡里馬塔海峽的流量相互之間存在較強的正相關性,而與望加錫海峽流量呈現顯著的負相關。El Ni?o正位相期間太平洋-印度洋貫穿流南海分支加強而望加錫海峽流量減弱。計算結果還表明,呂宋海峽、民都洛海峽的西、南向流量在1948—2014年期間都存在明顯的增強趨勢,而卡里馬塔海峽基本上未受影響。

島嶼環流理論;南海;域際環流

南海位于太平洋西部,是東南亞地區最大的邊緣海,其水深變化劇烈、海水流系復雜,可以通過海氣相互作用對鄰近地區的氣候產生影響[1]。南海通過呂宋海峽、臺灣海峽、民都洛海峽、巴拉巴克海峽、卡里馬塔海峽和馬六甲海峽與太平洋、東海、蘇祿海、爪哇海和印度洋等互相連通(圖1)。南海與周邊海域和大洋之間的海水交換較為頻繁,海水以域際環流的形式,在南海-太平洋、南海-印度洋等海域之間相互交換[2],并且與印尼貫穿流相連通[3-6]。其中,印尼貫穿流是南海周邊海域域際環流中最重要的一支。它由太平洋流入印度洋,是全球熱鹽輸送帶中重要的一環[4-5]。它的南海分支(也稱南海貫穿流)由呂宋海峽進入南海后主要從民都洛海峽和卡里馬塔海峽流出南海,也是南海域際環流的重要組成部分[4,6]。該分支攜帶的海水熱鹽特性與貫穿流主軸存在差異,二者可以產生顯著的相互作用[7],因此對印尼貫穿流南海分支的特性研究具有重要的科學意義。與印尼貫穿流相同,驅動海水從呂宋海峽進入南海并最終從民都洛海峽和卡里馬塔海峽流出南海的機制有許多種,其中最重要的一種可以通過“島嶼環流”理論進行解釋[8]。

島嶼環流理論最早由Godfrey[9]提出,依據該理論,如大洋之中存在一個島嶼,則通過島嶼和大洋西邊界之間通道的海水流量主要是由風應力沿環繞島嶼東側的大洋內區和島嶼西側邊界的線積分結果所決定。Wajsowicz[10]將Godfrey的理論推廣到多島的情況,并研究了摩擦的阻力效應。Pedlosky等[11]對該理論進行了驗證和推廣,考慮了水平摩擦、壓強梯度力等其他因素可能對結果造成的影響。利用島嶼環流理論,可以通過簡單的計算,在清晰的物理背景下,得到研究海峽海水流量的定量分析結果。將其應用于南海域際環流,可以有效地得到不同海峽和水道海水流量,并將南海區域置于整個太平洋海盆尺度的風場影響下,給出南海域際環流的動力機制解釋并充分揭示其長時間、大尺度的變化特征。Wajsowicz[12]將多島環流理論應用到包括南海在內的東南亞海域,但沒有考慮各通道的地形效應。Qu等[8]的研究發現,該理論可以估算出較為合理的呂宋海峽入流結果。劉欽燕等[13]和Wang等[14]的研究發現該理論估算的印尼貫穿流主流和南海分支的年際變化趨勢與數值模擬結果有較好的一致性。但是這三項研究只涉及明都洛海峽一個出流通道和單島環流理論。

(李 燕 編輯)

圖1 南海及鄰近海域地理形勢圖Fig.1 Topography of the South China Sea and adjacent seas

鑒于以往在應用島嶼環流理論研究南海域際環流時,采用了過于簡單的積分路徑設計,無法充分考慮南海及周邊海域復雜的島鏈影響,得到的結果往往過于理想化;同時南海幾個關鍵海水通道如臺灣海峽、卡里馬塔海峽等水深非常淺,直接應用原始的繞島環流理論因為忽略了摩擦和地形效應,所得結果與實際情況差別也較大[13],本文將應用多島嶼環流理論于南海域際環流,并將考慮地形變淺和水道變窄導致的阻力效應,對南海域際環流通過各通道的流量作出估計,并研究其年際變化特征。

1 方法和資料

1.1 無阻力情況下多島環流理論在南海的應用

為了方便研究南海域際環流,我們將南海東側的大小島嶼進行了歸并,選取了具有代表性的臺灣島、菲律賓群島、加里曼丹島(含巴拉望島,下同)和新幾內亞島-澳大利亞大陸(以下簡稱新-澳大陸)各作為單一的島嶼(圖2),以研究通過以上島嶼之間或島嶼與大陸之間水道的海水流量。

圖2 積分路徑示意圖Fig.2 Diagram for the paths of integration

圖2 中Ψe為美洲大陸沿岸流函數值,本文取0 Sv(1 Sv=106m3/s)。Ψw為亞洲大陸沿岸流函數值。由于位于美洲大陸和亞洲大陸之間的白令海峽平均流量大約為0.8 Sv,流向北[15],因此本文取Ψ2=0.8 Sv。根據原始島嶼環流理論,環繞臺灣島的流函數為

通過臺灣海峽的海水流量(向北和向東為正,下同)為

環繞菲律賓群島的流函數為

通過呂宋海峽的海水流量為

環繞新-澳大陸的流函數為

根據多島環流理論,環繞加里曼丹島的流函數為

因而,通過民都洛海峽的海水流量為

通過望加錫海峽(含望加錫島以東的馬魯古海及以南海域,下同)的海水流量為

通過卡里馬塔海峽的海水流量為

上列各式中ρ0為海水密度;f為Coriolis參數;→τ為風應力;→l為沿積分路徑方向的微分向量。

1.2 摩擦-地形阻力的參數化方案及應用

根據Wajsowicz[10]文章中的表述,若采用Stommel阻力關系,則通過某海峽的海水輸運量T和原始繞島理論得到的對應結果T存在以下關系:

式中,r=(rN'-yS')/(yN-yS);yN-yS為島嶼西側南、北兩端距離;yN'-yS'為島嶼西側需考慮阻力一段的長度。δ=W/δS,δS=AS/(βsinθ),其中W為島嶼西側水道特征寬度,AS為Stommel摩擦系數,θ為海峽軸與東西方向的夾角。對于島嶼西側,sinθ≈1,此時δS=As/β,即為Stommel模式中的西邊界流特征寬度[9]。

Wajsowicz[10]認為,海峽如果變淺,阻力也相應增大,但是在她的研究[10]中,沒有給出阻力與水深之間的具體關系式。為此,我們在δ的參數化中,增加了一項水深因子,取

式中,H為海峽的特征深度;H0為大洋無流面的特征深度。上式表明,若海峽水深越淺、寬度越窄,則δ越小,由式(10)確定的T/~T比值也越小。

這樣,考慮了地形和摩擦阻力后,臺灣海峽海水流量和環繞臺灣島的流函數分別為

卡里馬塔海峽海水流量和環繞加里曼丹島的流函數分別為

民都洛海峽的海水流量和環繞菲律賓群島的流函數分別為

望加錫海峽的海水流量和環繞新-澳大陸的流函數分別為

而呂宋海峽的海水流量則為

具體應用中,對式(11),我們均取H0=1 000 m,δs=100 km,H和W及式(10)中的r和μ因海峽而異,具體取值及對應的δ,μ值見下表:

表1 不同海峽各參數的取值Table 1 Parameters of different straits

1.3 風應力資料

本文選用了NCEP再分析資料的海面上10 m處風場數據集,它的空間分辨率為1°52'30″×1°52'30″,時間覆蓋范圍為1948-01—2014-12,時間分辨率為逐月。該數據集提供的為風速和風向數據,我們通過轉換公式將其轉換為風應力。公式中

在沿給定的路徑積分時,首先利用空間插值的方法,得到積分路徑上的風應力,然后依照上面給出的方法,得到各個島嶼海岸處多年平均流函數和各海峽的海水多年平均流量及其年際變化結果。

2 結果分析

2.1 各海峽多年平均流量

利用1948—2014多年平均的風應力場我們計算了在穩定態下各島嶼的流函數和各海峽的流量。作為參照,我們首先在表2列出了前人依據不同方法給出的通過各海峽年平均流量的估計值(以下簡稱其為實際結果),以用于檢驗本研究所得結果的合理性。表3為忽略了摩擦-地形阻力的計算結果。由表可以看出,不考慮阻力得到的結果在海水輸運方向上與實際結果一致,但在輸運量的量值上與實際結果差別很大。例如計算得到的臺灣海峽流量達到20 Sv以上;再如從太平洋方向通過南海及周邊海域進入印度洋的域際環流中,計算得到的最主要通道為卡里馬塔海峽(T4),而通過望加錫海峽的流量(T3)卻小很多。在實際海洋中,卡里馬塔海峽水深較淺,相對于水深較深的望加錫海峽,摩擦-地形阻力將會極大地阻礙海水通過此海峽,因此將其作為該貫穿流的主流通道顯然是不合理的,與實際的量值也差別很大。當原始島嶼環流理論被應用于簡單地島嶼模型中時,如果我們更多地關注計算得到的定性結果,該理論可以滿足研究要求。而在本研究中,我們考慮了較為復雜的多島效應,試圖研究海水在其中不同通道流量的區別與聯系,計算結果顯示,不考慮阻力的島嶼環流理論在此種情境并不適用。

表2 通過觀測或者數值模式等方法得到的各海峽流量Table 2 Transport through each strait based on observation or numerical simulation

續表

表3 忽略摩擦-地形阻力的計算結果Table 3 Transport estimated with the traditional multi-island rule

按照式(12)～式(16)考慮了摩擦-地形阻力作用后計算所得的各個島嶼的流函數和各通道的流量見表4。由表可以看到,計算結果與實際結果在方向上完全一致,在數值上也具有一定的一致性。由此可見,在考慮了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup環流理論的多島環流理論能夠很好地解釋南海域際環流形成的主要動力機制。

表4 考慮了摩擦-地形阻力后的計算結果Table 4 Transport estimated with the improved multi-island rule

2.2 各海峽流量的年際變化和長期變化趨勢

2.2.1 各海峽流量的年際變化特征

Rossby波從美洲海岸至東南亞和澳大利亞海岸來回大約需要1 a多的時間[8]。這個時間尺度小于年際變化尺度,因此對于年際變化,我們可以近似地應用穩定態的島嶼環流理論[10]。

選取1948—2014年的逐年平均風應力資料計算了各海峽海水流量的年際變化情況,結果見圖3。由圖可以看出,各海峽流量均存在較為明顯的年際變化。在一些特殊年份,有的海峽的海水輸運值可能嚴重偏離多年平均值。為了衡量各海峽海水輸運值的穩定性,我們分別計算了其標準差和變異系數(變異系數定義為該時間序列標準差與其平均值之比),見表5。表中顯示民都洛海峽具有最明顯的年際變化,變異系數可達33%以上,其次則為呂宋海峽。臺灣海峽、卡里馬塔雖然絕對輸運量較小,但是其年際變異系數和輸運量最大的望加錫海峽相當。同時,為了對比驗證基于島嶼環流理論所得結果,我們應用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)資料[32]進行了相同的分析,所得結果同見表5。兩種方法得到的結果基本特點比較類似,可見呂宋海峽和民都洛海峽兩處年際變化更為顯著這一現象的真實性較強,并且可以應用島嶼環流理論來解釋其產生原因。

圖3 各海峽1948—2014年海水輸運量的變化Fig.3 Variations of transport through each strait in 1948—2014

表5 不同海峽海水輸運標準差和變異系數Table 5 The standard deviations and variable coefficients in each straits

為了研究不同海峽的海水流量年際變化的相互關系,我們分別計算了不同海峽多年海水流量的相關系數(表6)。由表6中可見南海域際環流存在一個明顯的特點:望加錫海峽海水流量除與臺灣海峽流量因距離較遠而相關性甚弱外,與其余所有海峽流量變化均呈負相關。這一現象在一些高精度數值模式中也可以發現[14,33],劉欽燕等[13]和Wang等[14]認為引起該現象的原因可能是由于太平洋風場變化帶來的北赤道流分叉點位置移動。呂宋海峽作為進入南海最主要的通道,其流量與民都洛海峽流量存在非常高的正相關關系,與卡里馬塔海峽流量相關系數略小,但仍然超過0.7,顯示呂宋海峽與這兩個海峽的年際變化具有密切的相關性。卡里馬塔海峽流量和民都洛海峽相關系數也較高。臺灣海峽作為唯一一個向北流動的海流出口,與其他海峽海水輸運的相關性并不非常顯著。

表6 不同海峽海水輸運年際變化相關系數Table 6 Correlation coefficients of between the transport of the straits

南海域際環流作為溝通兩個大洋的重要渠道,可能受太平洋和印度洋多種大尺度海洋氣象現象的影響。我們選取了多種海洋和氣象指數,計算了其余不同海峽海水輸運年際變化的相關系數(表7)。這些指數分別為NIN~O3.4指數(代表典型El Ni?o事件),NIN~O1+2指數(代表東太平洋型El Ni?o事件),EMI(El Ni?o Modoki Index,代表中太平洋型El Ni?o事件),DMI(Dipole Mode Index,即印度洋偶極子指數),PDO(Pacific Decadal Oscillation Index,即太平洋年代際振蕩指數)和SOI(Southern Oscillation Index,即南方濤動指數)。本分析顯示了與上一分析方法類似的結果,即呂宋海峽、民都洛海峽和卡里馬塔海峽與各類系數的相關性接近。同時,望加錫海峽海水輸運值的相關性與以上3個海峽的相反。臺灣海峽海水輸運則與所有海洋現象的相關性均不顯著。NIN~O3.4指數與各海峽的相關系數最高,顯示了相對于其他海洋現象,典型的ENSO事件這一大尺度海洋現象與南海域際環流的聯系最為密切。在此事件發生時,可能導致呂宋、民都洛和卡里馬塔海峽向西和向南流量的增強,而相應地印尼貫穿流的主要通道——望加錫海峽處的南向流量會減弱。

表7 不同海峽輸運量與各類太平洋、印度洋海洋指數的相關系數Table 7 Correlation coefficients between transport through straits and indices in the Pacific and Indian Oceans

為了進一步分析不同海峽流量變化與相關性最高的NIN~O3.4指數之間的關系,我們給出了不同海峽輸運量和NIN~O3.4指數隨時間變化情況的對比圖(圖4)。為更清楚地展示它們之間的相互關系,所有數據均經過3 a滑動平均;為了重點關注其相對變化特征,所有數據均經過標準化,公式為

圖4 各海峽流量與NIO3.4指數對比圖Fig.4 Comparison between the transport through each strait and NIO3.4 index

2.2.2 各海峽流量長期變化趨勢:

本文選用的風應力資料時間范圍為1948-01—2014-12共67 a,適用于長期變化趨勢的分析。我們應用線性回歸的方法,得到了各海峽海水輸運量的線性變化趨勢。各海峽2014年相對于1948年海水輸運量的變化值及其與多年平均值的比例見表8。由表可見呂宋海峽和民都洛海峽在研究覆蓋的時間范圍內,出現了明顯的西向和南向流量增強趨勢,民都洛海峽2014年的南向流量相對于1948年甚至增加了將近1/2。這個結果顯示呂宋海峽增加的西向入流主要是由于民都洛海峽向南流量的增強,而幾乎沒有受到離它們較遠的卡里馬塔海峽的影響。相對于呂宋海峽和民都洛海峽,望加錫海峽和臺灣海峽海水輸運的變化趨勢則要小得多,望加錫海峽南向海水輸運呈現緩慢的增強趨勢,臺灣海峽的北向流在1948—2014年期間總體上只是略有減小,但在15 a左右有顯著減弱趨勢。

表8 相對于1948年,各海峽2014年海水輸運量的變化值和其與多年平均值比例Table 8 Change in transport through the straits between 1948 and 2014

3 結 語

本文在Wajsowicz[10]多島環流理論的基礎上,給出了一種摩擦-地形阻力作用的參數化方案,并利用NCEP再分析風場資料將理論應用于南海域際環流研究,得到的主要結論如下:

1)不考慮阻力得到的理論結果在海水輸運方向上與實測一致,但在輸運量的量值上與實測差別很大。

2)考慮了摩擦-地形阻力作用后計算所得的各通道的流量與實測結果不但在方向上完全一致,在數值上也具有一定的一致性。由此可見,在考慮了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup環流理論的多島環流理論能夠很好解釋南海域際環流形成的主要動力機制。

3)采用1948—2014年NCEP逐年資料計算結果表明,各海峽海水輸運值均存在明顯的年際變化,其中呂宋海峽和民都洛海峽更為明顯。通過相關分析我們發現呂宋海峽、民都洛海峽和卡里馬塔海峽的流量之間具有較強的正相關性,其共同組成了太平洋-印度洋貫穿流南海分支。而這些海峽的流量與望加錫海峽流量呈現顯著的負相關。太平洋-印度洋貫穿流南海分支及望加錫貫穿流與臺灣海峽流量相關性微弱。El Ni?o過程與印尼貫穿流南海分支及望加錫海峽流量都具有顯著的相關性:El Ni?o正位相期間前者加強而后者減弱。

4)呂宋海峽、民都洛海峽的西、南向流在長期變化方面都存在明顯的增強趨勢,并且這種顯著變化主要局限于以上兩個海峽中,卡里馬塔海峽基本未受影響。

南海域際環流的各出流通道水淺且地形復雜,本文采用的多島環流理論和給出的摩擦-地形阻力參數化方案應用于本海區時有很大的經驗性和局限性,但是基本上能夠解釋南海域際環流的主要驅動機制。

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Application of Multi-island Rule to the Study of the Inter-ocean Circulation of the South China Sea

LIAN Zhan1,2,3,FANG Guo-hong1,2,3,WANG Xin-yi3,SUN Bao-nan3
(1.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China; 3.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao,266061,China)

The multi-island rule developed by Wajsowicz(1993)is improved with parameterization of geometry-topography friction effect,and applied to the dynamical study of the inter-ocean circulation of the South China Sea(SCS).It shows that the directionof transport through inter-ocean passages of the SCS estimated from the traditional multi-island rule agrees with observations,but the magnitude of the transport differs remarkably from the observation.However,when the geometry-topography friction effect is considered,both the direction and magnitudeof transport agree well with the observations,suggesting that the improved multi-island rule is capable of capturing the major characteristics of the inter-ocean circulation of the SCS.Calculations based onwind stresses from NCEP reanalysis from 1948 to 2014 indicate that the transport through inter-ocean passages have significant interannual variations,in particular the transport through the Luzon and Mindoro Straits.Correlation analysis shows that the transport through the Luzon, Mindoro,and Karimata Straits are positively correlated to each other,but negatively correlated with that through the Makassar Strait.Analysis further shows that,during the El Ni?o positive phases,the SCS branch of the Pacific-Indian Ocean through flow is strengthened,and the Makassar Strait transport is accordingly weakened.The westward transport through the Luzon Strait transport and the southward transport through the Mindoro Strait demonstrates an increasing trend during 1948—2014,while that through the Karimata Strait is rather stable.

island rule theory;South China Sea;inter-ocean circulation

P731

:A

:1671-6647(2017)01-0020-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.003

2015-12-31

國家自然科學基金資助項目——南海北部溫躍層季節內變化特征及其成因研究(41506037);國家重點基礎研究發展計劃項目——南海環流和海峽水交換對海氣相互作用的影響(2011CB403502);國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目——海洋環境動力學和數值模擬(U1406404)

連 展(1982-),男,山東青島人,助理研究員,碩士,主要從事大洋環流和海洋數值模擬方面研究.E-mail:lianzhan@fio.org.cn

Received:December 31,2015