黃海暖流的路徑及機制研究

趙 勝, 于 非, 刁新源, 司廣成

(1. 海洋環境科學與數值模擬國家海洋局重點實驗室, 山東 青島 266061; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島266061; 3. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島266071)

黃海暖流的路徑及機制研究

趙 勝1,2, 于 非3, 刁新源3, 司廣成3

(1. 海洋環境科學與數值模擬國家海洋局重點實驗室, 山東 青島 266061; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島266061; 3. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島266071)

利用 NASA/AVHRR反演的每日海表面溫度資料, 法國航天局 AVISO發布的海表面高度資料,中國氣象科學數據共享服務網成山頭臺站的日均風場資料, 首先對黃海海表面溫度分布進行了分析,揭示了表征黃海暖流的暖水舌存在兩個分支。然后對1981年10月～2010年5月這兩個分支發生情況進行了統計, 得出兩個分支并不是個別年份所特有的, 而是具有一定的普遍性。最后通過相關性分析,并結合黃海不同區域海表面高度的相對變化, 認為西北向分支、北向分支, 是通過風生增減水引起海表面高度局部差異來提供驅動力的, 具有補償性質。

黃海暖流分支; 海表面溫度; 海表面高度; 風場; 補償

黃海為一半封閉的陸架淺海, 東、西分別有朝鮮半島和山東半島圍繞, 北接渤海, 南鄰東海。水深由西北向東南逐漸變深, 在 34°～38°N, 124°～125°E有一東南西北走向的黃海槽, 水深在 70～100 m之間。黃海西側是比較廣闊的淺灘地形, 東側是陡峭的斜坡[1]。由于受西伯利亞和極地冷空氣的影響, 黃海區域在冬半年盛行偏北風。黃海存在一支從濟州島西南部進入, 具有高溫高鹽特性, 對黃海的水體交換和海區環境有著重要影響的海水運動, 這就是黃海暖流。鑒于黃海暖流的重要性, 國內外海洋學者對它做了大量的研究工作。對于黃海暖流的路徑, 在20世紀30年代, 宇田道隆[2]基于水文觀測和漂流瓶運移軌跡資料, 編繪了渤、黃、東海, 日本海及黑潮流域的海流分布與環流模式, 顯示黃海暖流是從濟州島西南海域對馬暖流分離出來并沿黃海槽北上。毛漢禮等[3]以高溫高鹽水舌作為黃海暖流運行方向的指標, 認為其主軸大致位于 123°E附近的黃海槽西側。20世紀80年代以后, 隨著海洋調查的發展及數值模式的應用, 又有新的發現, 樂肯堂[4]利用中美聯合調查資料分析得出黃海暖流進入南黃海后呈現出雙峰特征, 在大約 34°N附近, 表層黃海暖流可能分為兩支, 一支大約沿黃海槽位置北上, 另一只折向西北, 然后沿 123°30′E 向北運行。郭炳火[5]指出,冬季黃海暖流的流軸并非沿黃海深槽北上, 而是偏西到50 m等深線, 地形較陡的位置北上。湯毓祥[6-7]同時指出, 黃海暖流的路徑并不是固定不變的, 而是有明顯的年際變化, 有的年份路徑偏于槽的西側,有的年份則沿槽北上。于非等[8]利用2006/2007冬季航次所獲得的南黃海溫鹽資料及錨系測流資料研究發現,有一高溫高鹽水舌沿西北方向向山東半島發展, 并且在黃海槽西側底層存在一支穩定的北向流。鮑獻文[9]等利用POM模式得出黃海暖流的路徑大致由濟州島西南沿黃海槽向西北流入黃海中部, 在34°～35°N 暖流轉向北, 并沿 50 m 等深線繼續北上。對于黃海暖流的性質, Hsueh[10]認為秋、冬兩季在黃海內部的北向流是對北向風所建立起來的壓強梯度的響應, 臧家業等[11]認為黃海暖流是一支與北向季風強弱有密切關系的補償流, Lie[12]等指出黃海暖流不是一支持續穩定的流, 而是由在冬季強北風驅動下存在的間歇補償性質的流, 朱耀華等[13]用三維正壓模式研究表明, 在冬季北風的作用下, 黃海下層海流與上層海流具有相反的流向, 下層成偏北向流動表明黃海暖流屬“補償流”的特性。王輝武等[14]在研究黃海暖流的年際變化時認為黃海暖流的強弱存在 3～7 a年際變化周期, 并與冬季經向風有較好的響應關系, 其多年平均的流軸在123°E左右, 且存在3～6 a的變化周期, 明顯受冬季緯向風的影響。

1 資料概述

本文利用美國NASA極軌衛星中的高級甚高分辨率輻射計(AVHRR)反演的全球海表面溫度數據,時間間隔為1 d, 空間分辨率為1/4°×1/4°, 對其進行7 d時間間隔的平均, 主要分析了 2009年 10月～2010年5月黃海暖水舌的路徑變化。并對黃海暖水舌進入黃海后的路徑進行了劃分, 在 34°～36°N 的黃海范圍內, 以 122.5°E經線為分界, 在 122.5°E以西指向西北方向的暖水定義為黃海暖流的西北向分支, 處于122.5°E以東向北延伸的暖水定義為北向分支。風場資料是由中國氣象科學數據共享服務網提供的成山頭臺站日平均風場資料, 時間范圍為2009年8月～2010年 5月。衛星高度計數據是法國空間局AVISO提供, 融合了 TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2, Envisat等多顆衛星觀測, 已網格化的海表面高度資料, 數據的時間間隔為 7 d, 空間分辨率為(1/4)°×(1/4)°, 時間范圍為 2009 年 8 月 5 日～2010 年 3月31日, 該數據進行了包括儀器誤差、環境干擾、海波影響、潮汐影響等因素的校正。

2 2009年10月～2010年5月海表面溫度分析

以海表面溫度(SST)為指標的黃海暖流水與黃海暖流在位置上是有區別的[13], 但海洋學者研究表明用暖流水作為黃海暖流運行路徑的一個定性指標具有一定的合理性[8,11,15-16]。鑒于此, 下面用NASA的AVHRR反演的每日海表面溫度, 并做7 d時間間隔的平均, 來分析黃海暖流的路徑。

圖1 a展示了2009年10月15～21日海表面溫度的平均情況, 這時可看到在黃海槽附近有一暖水舌, 說明黃海暖流已經開始出現, 由于其溫度與局地海水的溫度相差不大, 并不能確定這時黃海暖流的范圍, 隨著局地海水的降溫和黃海暖流的發展,其流路也逐漸清晰, 到了11月上旬, 可清晰地看到兩個分支, 一支沿西北方向向近岸發展(西北向分支), 一支沿124.5°黃海槽附近向北發展(北向分支)。

圖1 2009年10月15～21日, 11月5～11日SST分布圖Fig. 1 Spatial distributions of SST during Oct.15～21, 2009 and Nov.05～11, 2009

隨著偏北風增強和海水繼續降溫, 黃海暖流北向分支繼續向北發展, 大約沿124.5°E經線進入北黃海, 西北向分支流路更加清晰, 其前鋒可到達沿岸水域(圖2 a)。北向分支路徑逐步向西移動, 直到12月17～23日, 如圖2 b所示, 北向分支開始沿黃海槽西側北上。同時, 在山東半島東北側, 明顯已有渤海沿岸冷水存在的跡象。

由圖3 a可見, 到1月7～13日, 黃海暖流進入黃海以后, 先向西北方向延伸, 在(123°E, 34.5°N)附近分為西北向和北向兩個分支, 而西北向分支主軸向南發生了偏移, 而且勢力有所變弱, 北向分支向東偏北向發展, 大約沿黃海槽西側50～70 m等深線流動, 而且其勢力可以到達渤海, 這時的北向分支已經發展成熟,其強盛狀態可一直持續到1月底2月初, 如圖3 b所示。在這期間西北向分支逐漸減弱, 而且黃海沿岸冷水在整個 1月份都在向南發展, 在沿岸可到達 32°N, 然后向東南延伸。朝鮮沿岸冷水也在逐步發展, 其影響范圍可沿朝鮮半島西側沿岸到36°N左右。

圖2 2009年11月26日～12月2日, 12月17～23日SST分布圖Fig.2 Spatial distributions of SST during Nov.26～Dec.02, 2009 and Dec.17～23, 2009

圖3 2010年1月7～13日, 1月28～2月3日SST分布圖Fig. 3 Spatial distributions of SST during Jan.07～13, 2010 and Jan.28～Feb.03, 2010

如圖4顯示, 到了2月份中下旬, 海表面溫度繼續降低, 西北向和北向分支基本還保持著 1月份的基本的路徑模式, 但其強度有微小的削弱。3月初,海水開始吸熱升溫, 黃海暖流進一步被削弱, 西北向分支削弱更加明顯, 北向分支也只能到達渤海海峽附近, 而且主軸開始逐漸東移。

此后, 黃海暖流的兩個分支快速消退。如圖5a所示, 到4月份中下旬, 暖水舌基本退縮到38°N以南范圍內, 其中西北向分支基本已經消亡, 北向分支沿黃海槽西側北上, 相比強盛時期主軸位置明顯東移。此時還有比較突出的特點是, 在(36°N, 122°E)、(36.5°N, 125.5°E)和(38.5°N, 124°E)出現等溫線封閉的冷水塊。到5月中旬, 如圖5 b所示, 黃海暖流在黃海的活動基本已經消失, 此時的等溫線已開始出現東西向分布特征。

圖4 2010年2月11～17日, 3月4～10日SST分布圖Fig. 4 Spatial distributions of SST during Feb.11～17, 2010 and Mar.04～10, 2010

圖5 2010年4月15～21日, 5月 13～19日SST分布圖Fig. 5 Spatial distributions of SST during Apr.15～21, 2010 and May.13～19, 2010

3 1981年10月～2010年5月黃海暖流分支統計

因為以上只是2009年10月～2010年5月期間黃海暖流分支路徑的描述, 而對于這兩個分支的存在性和并存性, 及這種情況是否只是該段時間內的個例, 還存有疑問, 為此通過對1981年10月～2010年5月共29 a的海表面溫度所反映的黃海暖流的路徑進行了統計, 結果見表1。

由表1的統計數據可以看出, 西北向分支在11月到次年的3月一直存在, 而且在統計過程中發現西北向分支大都在10月份下旬形成, 且勢力強盛, 其前鋒可以到達沿岸水域, 這種情況大都可持續到次年的1月中下旬, 然后暖水舌主軸開始慢慢向南退縮, 其方向也由西北開始向西偏轉, 勢力逐步減弱,到3月下旬開始消亡, 4月暖水舌存在的概率也只有27.6%, 5月全部消亡。北向分支, 大部分形成于 10月底～11月初, 其路徑多沿黃海槽或黃海槽東側向北發展, 而且多局限于南黃海范圍內, 然后其路徑逐漸西移, 12月中旬～1月初北向分支可沿黃海槽西側北上, 1月中旬～2月底是其強盛時期, 然后慢慢向南退縮, 到4月初活動范圍基本只在南黃海內, 隨著北向分支勢力的減弱, 其主軸也慢慢東移, 4月中旬以后, 開始變得不穩定, 常見的有下面幾種情況,第一, 在124.5°E, 34.5°E左右衍生出暖水舌, 可能向東北方向發展, 也可能沿黃海槽向北發展; 第二, 在朝鮮半島西南端海表面溫度鋒處衍生出沿岸北上的暖水舌, 以上情況也可能交替出現, 在4月底5月初消亡。

表1 黃海暖流各分支在1981年10月～2010年5月共29 a間出現次數的統計Tab. 1 The statistics of the Yellow Sea Warm Current branches occuring from October, 1981 to May, 2010

4 相關性分析及不同區塊海表面高度變化對比

為了進一步探討形成黃海暖流分支的機制,將黃海分為3個區塊, 分布如圖6所示。黃海3個區塊對應的海表面高度變化如圖7所示。為了更好地表示不同區塊海表面高度的相對變化, 將 B區塊的海表面高度分別與A, C區塊的海表面高度做差, 結果如圖8所示。然后分析了成山頭臺站所測風的經向分量分別與A, B, C區塊的海表面高度的時間演變過程,如圖9所示, 并做了相關性分析, 同時也分析了A, B,C 三區塊的海表面高度與海表面溫度的時間演變過程, 如圖10所示, 同樣進行了相關性分析。

圖6 黃海3個區塊分布Fig. 6 Three domains in the Yellow Sea

圖7 黃海3個區塊的海表面高度變化Fig. 7 Sea surface height variation in each domain of the Yellow Sea

從圖7中可以看到, 大約在9月底10月初, 3個區塊的海表面高度開始下降。對比區塊 B與沿岸區塊A海表面高度可以看到(見圖8 a), 在10月之前,區塊A的海表面高度比區塊B要高, 從10月份初開始區塊 A處的海表面高度快速下降, 并開始低于外海區塊B的海表面高度, 在2月中旬～3月中旬之間,A區塊的海表面高度高于B區塊, 3月下旬海表面高度B區塊大于A區塊。對比區塊B與區塊C海表面高度(見圖8 b), 在9月中旬之前, C區塊的海表面高度比B要高, 除了2月底到3月初外, 此后到次年3月底, B區塊處的海表面高度一直比C區塊的高。

如圖9所示, 在置信度水平超過99%的情況下,A, B, C區塊海表面高度滯后成山頭臺站經向風天數分別為：28, 49, 28 d, 相關系數分別為：0.8724,0.8504, 0.8709。

如圖10所示, 在置信度水平超過99%的情況下,A, B, C區塊海表面溫度滯后海表面高度天數分別為：3, 2, 2 d, 相關系數分別為0.8903, 0.8166, 0.9190。

圖8 BA區塊、BC區塊海表面高度差Fig. 8 SSH distinction of domain B and A and SSH distinction of domain B and C

圖9 成山頭臺站經向風與A區塊、B區塊、C區塊海表面高度的時間變化Fig. 9 Time series of meridional winds at ChengShanTou station and SSH in domain A, B and C

圖10 A區塊、B區塊、C區塊海表面高度與海表面溫度的時間變化Fig. 10 Time series of SST and SSH in domain A , B and C

由以上各區塊的海表面高度對比和相關性分析,再結合期間海表面溫度變化, 可以得到, 8月中旬黃海開始出現偏北向風, 大約在9月底10月初, 黃海的海表面高度開始下降, 這為濟州島西南的暖流水進入黃海提供了驅動力, 黃海暖流大致沿深槽西側地形坡度較大的位置進入黃海。由于局地風引起的增減水作用, 形成不同區域的海表面高度差, 進而引起進入黃海的暖流水路徑發生了變化。對于西北向分支, 在 8月中旬成山頭臺站所測得的已經是偏北向風, 而且經向風速較小, 相鄰沿岸海域的海表面高度在9月中旬開始下降, 并在10月初開始低于B區塊的海表面高度, 這與西北向分支形成過程有很好的一致性, 在2月中旬～3月中旬之間, 出現A區塊的海表面高度高于 B區塊的情況, 可能與所選區塊的位置及西北向分支主軸擺動有關。對于北向分支, B區塊在10月初海表面高度開始下降, C區塊大約在9月中旬海表面高度開始下降。10月上旬, 黃海暖流開始入侵黃海, 9月中旬B區塊海表面高度已經開始高于 C區塊海表面高度, 根據相關性分析,這個海表面高度差是由偏北風引起的, 這為黃海暖流進一步向北發展提供了驅動力, 同時由于B, C兩區塊空間距離較遠, 大約需要1個月的時間, 暖水才能發展到 C區塊所在的區域。對于黃海暖流的主軸的擺動, 這可能是由于經向風的變化所造成的。

5 結論

2009年10月初, 黃海開始有暖流水入侵的跡象,其后黃海暖流出現了兩個分支, 其中西北向分支是一支向近岸發展沿西北方向的暖流水, 10月份就已經存在, 并逐步發展, 到1月底開始慢慢向東南消退,大約在3月底4月初消亡, 期間由于黃海沿岸冷水及西北向分支自身勢力的減弱, 其暖水舌主軸慢慢南退縮; 北向分支, 初期大約沿 124.5°經線向北流動,而且其暖流水可進入北黃海, 然后逐漸西移, 在12月中下旬, 成為一支在123°E, 35°N附近衍生出來,沿50～70 m等深線北上的暖流水, 隨后逐步加強穩定, 1, 2月是其強盛期, 直到2月下旬開始減弱, 其主軸也開始逐漸東移, 到5月中上旬消失。

由對1981年10月～2010年5月共29 a的海表面溫度的統計結果來看, 黃海暖流兩個分支的存在并不是個別年份的特例, 而是具有普遍性。西北向分支, 在所統計的時間里發生率有100%, 而且10月份就已經存在, 勢力強盛, 隨著時間的發展, 慢慢向東南衰退, 并且其主軸也逐步向南偏移, 大部分約在3月底消亡。北向分支, 10月份就已經發生, 概率可達 75.86%, 而且大都沿黃海槽或黃海槽東側北上,到了11月份發生率可達100%, 暖流水主軸也慢慢向西偏移, 1, 2月份是其強盛期, 大都沿黃海槽西側北上, 隨后主軸東移, 大部分在4月底5月初消亡。

通過對成山頭臺站經向風、黃海各區塊海表面高度和海表面溫度的相關性分析, 還有對黃海各區塊相對海表面高度的對比可以看出, 在2009年10月～2010年 5月, 北向季風造成黃海北部和山東半島南岸沿岸水域海表面高度的下降, 從而形成由南向北下傾的海平面高度梯度, 這為黃海暖流進入黃海后形成西北分支和北向分支提供了驅動力, 具有補償性質。

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The path and mechanism of the Yellow Sea Warm Current

ZHAO Sheng1,2, YU Fei3, DIAO Xin-yuan3, SI Guang-cheng3
(1. Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling, State Oceanic Administration, Qingdao 266061,China; 2. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 3. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Mar., 7, 2011

the Yellow Sea Warm Current branches; sea surface temperature; sea surface height; wind; compensation

Based the daily sea surface temperature data (SST) of NASA/AVHRR, sea surface height (SSH) data from AVISO, and the wind data of Chengshantou station from China Meteorological Data Sharing Service System,we identified two warm water tongue branches appear when the Yellow Sea Warm Current (YSWC) intruded into the Yellow Sea according to the analysis of SST distribution. Furthermore, the statistical results revealed that these two branches were present from 1981 to 2010, but not a temporal phenomenon. The correlation analysis and the variation of local SSH of the Yellow Sea indicate the Yellow Sea Warm Current northwest and north branch which are driven by relative local SSH change caused by regional wind.

P731.21 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3096(2011)11-0073-08

2011-03-07;

2011-07-28

我國近海物理海洋與海洋氣象研究(908-01-BC12); 中國科學院重要方向性項目(KZCX2-YW-BR-215); 國家自然科學基金項目(40776019)

趙勝(1985-), 男, 山東濟南人, 碩士研究生, 主要從事物理海洋學研究, 電話：15908944933, E-mail：lcdx200420105067@163.com

劉珊珊)