黑潮對呂宋海峽全日內潮生成與傳播影響的數值模擬研究?

王嘉琦, 黃曉冬,2??, 王 越, 于海慶

(1. 中國海洋大學深海多圈與地球系統前沿科學中心 物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島 266100;2. 中國海洋大學三亞海洋研究院, 海南 三亞 572025; 3.中國海洋大學海洋與大氣學院, 山東 青島 266100;4. 山東大學海洋研究院, 山東 青島 266237)

受天體引潮力的強迫,海水產生的周期性運動稱為天文潮(也被稱為正壓潮),其普遍存在于全球海洋之中。天文潮與復雜地形,例如海底山脊、海島、陸架以及陸架坡折區等區域[1-5],相互作用后會產生內潮。內潮生成需要的能量來源于天文潮;天文潮流經復雜粗糙地形使得海水產生垂向上的起伏運動,從而引起海水等密面的變化,激發內潮生成,進而在穩定層化的海水中傳播。內潮在全球海洋中分布廣泛,是大尺度天文潮向小尺度混合傳遞能量的重要紐帶之一[6],其耗散為維持大洋經向翻轉流和深?；旌咸峁┐罅磕芰縖7-8],是影響大尺度環流和全球氣候變化的重要因素[9]。

研究內潮的變化特征中,會將內潮分解為相干與非相干兩部分[10-12]。內潮相干部分與源地正壓潮有著很好的時間對應關系,兩者相位保持一致,可預測性較強。隨著傳播距離的增加,由于受黑潮、中尺度渦和大尺度環流等海洋中的多尺度動力過程下引起的背景層結和背景流等因素的影響,內潮的傳播速度、相位以及能量的時空分布特征會發生顯著改變,相干性減弱,非相干性部分能量顯著增加[11-13],此時源地正壓潮與內潮非相干部分相位不再一致,內潮的可預測性變差。另外,在未來進行的地表水和海洋地形(Surface water and ocean topography,SWOT)衛星任務[14]對海洋中的中尺度與亞中尺度現象進行研究中,如何從觀測數據中預估并剔除非相干內潮噪聲信號的影響是內潮研究領域目前亟需解決的問題之一。因此,研究內潮的非相干部分對于提高對內潮的預測與模擬的準確性,以及未來亞中尺度動力過程的觀測研究有著重要意義。

南海是西北太平洋最大的邊緣海,通過呂宋海峽與西太平洋相連。在呂宋海峽處東、西側存在兩個沿南北向的海脊,分別為蘭嶼海脊和恒春海脊。蘭嶼海脊相比于恒春海脊更高,更長且東側水深更淺,因此呂宋海峽地形復雜。正壓潮流在呂宋海峽的蘭嶼海脊周圍可達 1 m/s[15]。復雜地形與大的正壓潮流速度為強內潮的產生提供了良好的條件[16]。大量內潮在呂宋海峽生成后,分別向東西兩個方向傳播至太平洋和南海,為南海和西北太平洋的混合和深層環流提供了能量。強大的天文潮和獨特的雙海脊地形相互作用使呂宋海峽成為全球內潮生成的重要源地之一。

呂宋海峽是全球海域全日內潮生成最強的區域[17]。受地球旋轉的影響,全日內潮比半日內潮更易到達南海南部和西太平洋低緯區域,尤其是在南海,其影響區域要大于半日內潮[17-18]。因此研究呂宋海峽處全日內潮的特征是內潮研究領域中重要的組成部分。

呂宋海峽有豐富的海洋動力過程,其中有一支攜帶高溫高鹽水體的北向流動——黑潮。前人研究發現黑潮起源于北赤道流,攜帶著西北太平洋的高溫水向北流動[19],在經過呂宋海峽時,必然對其周圍海域的水文條件(溫度、鹽度與密度)產生影響,進而會改變內潮的時空變化特征。根據前人研究,黑潮通常被分為三種形態,分別為“黑潮流套”(loop)、“分支入侵”(leak)與“跨越態”(leap)三種形態[20]。黑潮入侵的強弱會影響呂宋海峽生成源地以及傳播路徑上的海水層結,進而影響內潮的西向能通量傳播[21]。Huang等[22]利用潛標陣列組的實測數據,發現在暖渦與冷渦期間,黑潮流套脫落成暖渦與冷渦的情況下,對半日內潮傳播方向、流速大小均發生了改變。

黑潮入侵南海會對呂宋海峽內潮產生折射作用[23]。Jan等[24]利用三維模式結果發現黑潮入侵會減小全日內潮西向傳播能通量,卻能增大半日內潮西向傳播能通量;而Ma 等[21]用模式與觀測的結果發現黑潮入侵會使全日內潮的生成增加,但半日內潮的生成變化不大,此結論與Jan等[24]的結論正好相反。Xu 等[25]利用中國海多尺度海洋環流模型(China Sea multi-scale ocean modeling system,CMOMS)模式數據發現在黑潮的“跨越態”形態下全日內潮能量生成顯著強于黑潮的“黑潮流套”形態下全日內潮能量生成。因此,在呂宋海峽處黑潮在對內潮的生成與傳播過程中,前人所得到的結論并不一致。

根據上文所討論的內容,呂宋海峽處有著豐富而強烈的多尺度動力過程——黑潮和內潮,不同形態下的黑潮會對全日內潮的生成與傳播產生顯著影響。但前人在呂宋海峽處黑潮對內潮的生成與能通量傳播影響中所得到的結論并不一致。對于南海內潮的非相干性研究大多沒有探究在不同黑潮形態下的變化。因此,本文將討論在不同黑潮形態下,呂宋海峽處全日非相干內潮的生成與傳播變化。

1 模式數據與處理方法

1.1 模式介紹

為探究黑潮對呂宋海峽處全日內潮生成與傳播的影響,基于有限體積海岸海洋模式(FVCOM)構建一套覆蓋呂宋海峽區域的環流-潮汐耦合模型。本模型的經緯度范圍為:105°E—130°E,5°N—30°N,而本文研究選取的經緯度范圍為117°E—123°E,16°N—23°N(見圖1)。所選取的范圍囊括了黑潮流經重點的區域和內潮生成的源地。

(紅實線表示開邊界。The red lines represents open boundary.)

王昭允等[26]對本模型中的網格設置介紹、初始場數據來源以及開邊界強迫均做了詳細的介紹,在此不做贅述。該模型在垂向上共設計了 41 個 sigma層,在本文所關注的呂宋海峽區域網格分辨率為4 km。尤其是在模式網格設置中對呂宋海峽進行了加密網格處理,增加在呂宋海峽區域更多位置的模擬。

模型輸出結果包括三維溫度、鹽度、環流、流速及海平面高度等,時間分辨率為每小時,空間分辨率為(1/12)°×(1/12)°。該模型計算的時間長度為 2015 年 6 月 1 日—2016 年 9 月 1日,本文采用模型 2015 年 9月 1 日—2016 年 9 月 1 日的一年數據模擬結果進行分析研究。

1.2 模式驗證

將模式數據中的兩大全日正壓分潮(O1、K1)與正壓潮TPXO 7.2數據結果對比,圖2中表明兩者振幅的大小與相位的變化趨勢較一致。此外將模式數據表層背景流流速與AVISO高度計地轉流流速對比(見圖3),選取在不同形態黑潮時期,將環流-潮汐耦合模型表層背景流流速進行月平均,分別得到在12月黑潮的“黑潮流套”形態下,在3月黑潮的“分支入侵”形態下與在6月黑潮的“跨越態”形態下的表層背景流流速并與AVISO高度計地轉流流速對比,發現在不同形態黑潮時期,模式數據表層背景流與AVISO高度計地轉流流速兩者較相似。

圖2 模式數據中的兩大全日正壓分潮(O1、K1)與TPXO 7.2的正壓潮同潮圖

綜上所述,該FVCOM模式可以很好地模擬出南海北部與呂宋海峽區域的背景流和正壓潮,也對我們進一步利用模式數據開展研究奠定了很好的數據基礎。

1.3 處理方法

將模式數據中的溫度、流速進行垂向5 m一層的線性插值,計算得到正壓流與斜壓流。參考文獻[27-29]的計算方法,將斜壓流進行濾波分析(使用頻帶范圍為[0.85 1.20]cpd)得到全日內潮信號作為總項,對全日內潮信號進行調和分析得到全日內潮相干部分,總項(全日內潮信號)剔除全日內潮相干部分后所得的差值則為全日內潮非相干部分,即:

Ui=U-Uc,

(1)

(2)

(3)

式中:U代表正壓流速;u′表示斜壓流速;p′代表擾動壓強;下標i表示內潮的非相干部分;下標c表示內潮的相干部分。

(4)

本文在計算全日內潮能通量與能量生成非相干部分中包括了交叉項與完全非相干項,將交叉項包括在全日內潮非相干部分中是因為交叉項與完全非相干項均受背景流的影響,所以將其合起來考慮。

為衡量全日非相干內潮在內潮能量生成與能通量中的比例情況,可以用內潮的非相干系數R來表示其占比情況。

(5)

式中:X表示全日內潮的生成量或能通量;Xc表示全日相干內潮的生成量或能通量。R越大,代表全日非相干內潮的占比越大,內潮非相干性越顯著。

Huang等[22]推導出考慮了地球旋轉效應優化的T-G方程:

[f2(U-cp)-k2(U-cp)3]Φ″-f2U′Φ′+

[k4(U-cp)3+k2U″(U-cp)2-k2N2(U-cp)]Φ=0

Φ(0)=Φ(-H)=0。

(6)

為內波傳播的相速度?；贖uang等[22]附錄A的計算方法,本文根據特征值求解方法對優化的T-G 方程進行數值求解,最終獲得內潮標準化下的傳播相速度。

(7)

2 研究結果與分析

黑潮通常被分為三種形態,分別為“黑潮流套”(loop)、“分支入侵”(leak)與“跨越態”(leap)[24]。本文將模式數據中的原始流速進行低通濾波,得到背景流流速,再將背景流流速進行月平均,得到月平均變化的背景流形態:黑潮以“黑潮流套”形態入侵南海的月份對應2015年10、11和12月,2016年4和5月;黑潮“跨越態”形態對應的月份為2015年9月,2016年6月;黑潮以“分支入侵”形態入侵南海的月份對應為2016年1、2和3月。通過對比每個月的背景流形態,選取與黑潮三種典型形態相一致所對應的月份,得到2015年12月、2016年3月與6月的背景流(見圖4)。

基于模式數據選取呂宋海峽區域的全日正壓潮緯向流速,將其空間平均得到呂宋海峽區域的全日正壓潮緯向流速的變化。在冬季12月與夏季6月的全日正壓緯向潮流速較強,緯向流速最大可達0.025 m/s,而春季3月的全日正壓潮流較弱,緯向流速最大僅有0.02 m/s。從圖5看出呂宋海峽處全日正壓潮緯向流速有明顯的季節變化,對于不同季節的內潮變化,正壓潮流對內潮的影響遠強于黑潮對內潮的影響。

圖5 全日正壓潮緯向流速

2.1 黑潮對全日內潮能量生成的影響

在呂宋海峽區域,分別在其東、西、南和北側選取122.5°E、120°E,18.5°N—22°N的斷面,探究在不同黑潮形態下,全日內潮的能量生成與其非相干部分能量生成占比。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態、春季3月黑潮的“分支入侵”形態、夏季6月黑潮“跨越態”形態下,全日內潮與其非相干部分能量生成的結果如圖6所示。

全日內潮能量生成與其非相干部分能量生成在呂宋海峽的東脊與西脊處較大。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,在呂宋海峽處全日內潮能量生成為16.30 GW,非相干部分能量生成為2.70 GW,非相干部分能量生成占比達16.6%;在春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,全日內潮能量生成為11.46 GW,非相干部分能量生成的為-1.05 GW,非相干部分能量生成占比達9.2%;在夏季6月黑潮的“跨越態”形態下,全日內潮能量生成為13.04 GW,非相干部分能量生成為1.84 GW,非相干部分能量生成占比達14.1%。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,呂宋海峽處全日內潮能量生成最大,而在春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,呂宋海峽處全日內潮能量生成最小。

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,全日內潮非相干部分能量生成的占比強于在黑潮的“跨越態”形態與黑潮的“分支入侵”形態下的全日內潮能量生成與其非相干部分的占比。

2.2 黑潮對全日內潮能通量的影響

從圖7可知,在不同黑潮形態下,全日內潮能通量在呂宋海峽處分別向東、向西傳播。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,呂宋海峽西側斷面處全日內潮能通量向西傳播3.58 GW,其非相干部分能通量為0.78 GW,非相干部分占比達21.7%,呂宋海峽東側斷面處全日內潮能通量向東傳播2.01 GW;在春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,呂宋海峽西側斷面處全日內潮能通量向西傳播2.41 GW,其非相干部分能通量為-0.41 GW(向呂宋海峽內傳播,方向向東),非相干部分占比達17.0%,呂宋海峽東側斷面處全日內潮能通量向東傳播1.23 GW;在夏季6月黑潮的“跨越態”形態下,呂宋海峽西側斷面處全日內潮能通量向西3.22 GW,其非相干部分能通量為0.60 GW,非相干部分占比達18.6%,呂宋海峽東側斷面處全日內潮能通量向東傳播1.87 GW(見圖7)。

在不同黑潮形態下,全日內潮能通量的非相干性發生顯著變化。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下全日非相干內潮能通量的占比達21.7%,其占比強于黑潮的“分支入侵”與“跨越態”形態下全日內潮非相干部分能通量的占比。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,全日內潮非相干性顯著強于春季3月黑潮的“分支入侵”與夏季6月黑潮的“跨越態”形態下的全日內潮非相干性。其中,春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,在呂宋海峽西側斷面處全日內潮非相干部分的能通量傳播方向變為向東傳播,全日內潮非相干部分能通量顯著減小。全日內潮非相干部分能通量減弱的原因是由于全日內潮非相干部分的能量生成顯著減少,在春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,全日非相干內潮能量生成僅為-1.05 GW(見圖6)。

2.3 全日內潮傳播速度變化率

根據Huang等[23]計算傳播速度的方程,計算在三種黑潮形態下,呂宋海峽區域處的傳播速度。

在呂宋海峽區域,黑潮的“黑潮流套”形態下,傳播速度的變化率最大,可達0.5;而在黑潮的“分支入侵”形態下,傳播速度在呂宋海峽較小,傳播速度的變化率僅為0.2,逐漸向西傳播速度減小,在呂宋海峽西側傳播變化率可達0,表明在黑潮的“分支入侵”形態下,呂宋海峽西側的傳播速度顯著減少。在黑潮的“跨越態”形態下,呂宋海峽區域的傳播速度變化率為0.3,而后逐漸向西傳播速度變化率為0.1(見圖8)。

圖8 三種不同的黑潮形態下全日內潮傳播速度的變化率

在呂宋海峽,冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,全日內潮非相干性的占比最大。具體表現在全日內潮非相干性能量生成最大,其傳播速度變化率最大。由于傳播速度會影響全日內潮的位相,從而會影響全日內潮的非相干性,導致在呂宋海峽內非相干性最強。而在黑潮的“分支入侵”形態下,全日內潮非相干性的占比最小,全日內潮非相干性能量生成最小,其傳播速度變化率最小,由于傳播速度會影響全日內潮的位相,從而會影響全日內潮的非相干性,導致在呂宋海峽內非相干性最弱。

3 總結與展望

本文基于數值模型的結果,對呂宋海峽區域三種不同形態黑潮對全日內潮生成與傳播影響展開了研究。得到的主要結果如下:

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,全日內潮能量生成為16.30 GW,非相干部分能量生成為2.70 GW,非相干部分能量生成占比達16.6%;能通量西向傳播3.58 GW,全日非相干內潮能通量為0.78 GW,非相干部分占比達21.7%,能通量東向傳播2.01 GW。

在春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,全日內潮能量生成為11.46 GW,非相干部分能量生成的為-1.05 GW,非相干部分能量生成占比達9.2%。能通量西向傳播2.41 GW,全日內潮非相干部分的能通量為0.41 GW(向呂宋海峽內傳播,方向向東),非相干部分占比達17.0%,東向傳播1.23 GW。

在夏季6月黑潮的“跨越態”形態下,全日內潮能量生成為13.04 GW,非相干部分能量生成為1.84 GW,非相干部分能量生成占比達14.1%;能通量西向傳播3.22 GW,其中非相干部分為0.60 GW,非相干部分占比達18.6%,東向傳播1.87 GW。

通過對三種不同黑潮形態下全日內潮及其非相干部分的能量生成進行對比,我們發現:受冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態影響,全日內潮與全日非相干內潮的能量生成最大,其非相干部分的占比也最大,強于“分支入侵”形態與“跨越態”形態下全日內潮的能量生成與占比。

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下,全日內潮傳播速度變化率最大,由于傳播速度會影響全日內潮的位相,從而會影響全日內潮的非相干性,使得在呂宋海峽處全日內潮非相干性增強。此外,在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態下全日內潮能量生成最大,使得全日內潮非相干部分西傳能通量增強,加強了呂宋海峽處全日非相干內潮的變化。而在春季3月黑潮的“分支入侵”形態下,全日內潮傳播速度變化率最小,由于傳播速度會影響全日內潮的位相,使得全日內潮的非相干性減弱。此外,全日內潮非相干性能量生成最小(為負值),全日內潮西傳能通量減少,減弱了呂宋海峽處全日非相干內潮的變化。綜上,全日內潮非相干部分能量通量隨黑潮流態的變化,一方面與呂宋海峽波速變化有關,另一方面與內潮的能量生成有關。

因此,通過模式結果發現在三種黑潮形態下,呂宋海峽區域的全日內潮生成與傳播的時空分布特征存在明顯差異,不同形態的黑潮會產生不同動力過程,使得全日內潮的非相干性產生重要變化。這為更深入了解黑潮對呂宋海峽全日內潮的影響打下一定的基礎。此外,背景流與內潮之間的非線性相互作用過程也會影響全日內潮的非相干性,在接下來的研究中可以進一步探究在呂宋海峽區域不同形態黑潮與全日內潮的非線性相互作用過程,如何影響全日內潮的非相干性變化。