北太平洋低緯度西邊界流(NMK)的時空特征

康霖，王凡，陳永利

（1.中國科學院海洋研究所海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東青島266071；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

北太平洋低緯度西邊界流(NMK)的時空特征

康霖1,2，王凡1，陳永利1

（1.中國科學院海洋研究所海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東青島266071；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

利用高分辨率的長時間序列海洋模式資料OFES（OGCM for the Earth Simulator），對北太平洋低緯度西邊界流的時空分布特征及其與ENSO循環(huán)的聯(lián)系進行了初步分析。結果表明：北太平洋低緯度西邊界流具有明顯的季節(jié)和年際變化特征。在季節(jié)尺度上，整個NMK系統(tǒng)都表現(xiàn)為春強秋弱，而在年際尺度上，NEC和KC主要為2—7年的ENSO周期；MC主要表現(xiàn)為準兩年周期振蕩。另外，整個NMK系統(tǒng)與ENSO循環(huán)密切相關，當El Ni?o發(fā)生時，NMK系統(tǒng)流量增大，流系加強，而當La Ni?a發(fā)生時，NMK系統(tǒng)流量減小，流系變?nèi)酢Ｕ麄€過程大約為6—10個季節(jié)，是一個準ENSO過程。

OFES海洋模式；NMK系統(tǒng)；ENSO循環(huán)；

1 引言

北太平洋西邊界流系主要包括北赤道流、棉蘭老流、黑潮以及一些渦旋。北赤道流（NEC）位于8°—20°N范圍內(nèi)，它橫跨整個東西太平洋，是一支穩(wěn)定的由信風引起的風生漂流，自東向西流動，它是由風和浮力通量驅動的淺層環(huán)流（McCreary et al.1994）。在其到達菲律賓沿岸后，由于地形的影響，北赤道流發(fā)生分叉形成兩支經(jīng)向西邊界流：分別是向北流動的黑潮（KC）和向南流動的棉蘭老流（MC），這兩支西邊界流最終都轉向東運動，分別形成黑潮延伸體和北赤道逆流（NECC）（見圖1）。通常意義上，將由北赤道流（NEC）、棉蘭老流（MC）和黑潮（KC）所組成的系統(tǒng)稱為NMK系統(tǒng)。

關于北太平洋低緯度西邊界流的研究工作，自上世紀30年代開始，一些學者就開始注意到了，其中，Schott（1939）第一個給出了太平洋北赤道流在菲律賓以東分叉，形成向北的黑潮和棉蘭老流。而Wyrtki（1961）則利用船舶資料研究了西太平洋及東南亞海域海流，對太平洋低緯度西邊界流做了定性的描述，并命名為棉蘭老流，他同時在Takahashi（1959）動力地形的基礎上，又命名了棉蘭老渦旋（ME）和哈馬黑拉渦旋（HE）。隨后許多學者（Masuzawa1 1969,Nitani 1972），對太平洋低緯度西邊界流又做了許多研究工作。同時，在上世紀60—70年代，也有許多學者通過KC聯(lián)合調(diào)查（Cooperative Study of the Kuroshio）對該區(qū)域也進行大量的實際調(diào)研工作，取得了許多至今仍然非常有學術價值的成果。而從80年代至今，隨著觀測手段的不斷更新和觀測方法的改進，對該海域的現(xiàn)場觀測計劃越來越多，其中包括了熱帶海洋與全球大氣（TOGA），熱帶大氣海洋（TAO），世界大洋環(huán)流實驗（WOCE），美-澳西太平洋環(huán)流聯(lián)合調(diào)查（USA-Australia WEPOCS），中-美赤道西太平洋海氣相互作用聯(lián)合調(diào)查研究（PRC/USA），中國科學院熱帶氣候研究（JAPACS），氣候變化預測（CLIVAR），中國科學院海洋研究所主持的北太平洋海洋環(huán)流與實驗（NOPCE）等，取得了大量寶貴的資料。使得對該海域的研究工作取得了巨大的進展，新幾內(nèi)亞沿岸潛流和棉蘭老潛流就是在這個時期發(fā)現(xiàn)的。同時，許多學者（Lukas et al.1996； Yaremchuk et al.2004； Qiu et al.1996；Metzger et al.1996）等利用線性和非線性約化重力模式成功的模擬了低緯度西邊界流的季節(jié)以及年際變化，并探討了西邊界流系的動力機制及其與ENSO的關系，最近，關于西邊界流系的長時間尺度變化，包括年代際的變化也逐漸成為該海域的一個研究新熱點（Qiu et al.2010），總之，關于這個重要海域的一系列研究，使得人們對熱帶西太平洋流系的認識日益深刻。

圖1 北太平洋西邊界流系結構（摘自Tomczak and Godfrey,2001)

2 模式和數(shù)據(jù)

本文采用的數(shù)據(jù)為日本地球模擬器模擬計算得到的長時間序列的渦解高精度海洋模式（OGCM for the Earth Simulator,簡稱OFES）。該模式基于GFDL/NOAA（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration）的 MOM3（Modular Ocean Model）模式，并改進為并行計算。模式的計算區(qū)域為75°S—75°N，幾乎覆蓋除北極海域的全球區(qū)域。模式的水平空間分辨率為0.1°，垂直方向上分為54層，每層的深度參考真實海洋的溫躍層厚度而隨海洋深度增加而逐漸變大，從表層的5 m水深厚度到最底層的330 m水深厚度，最大水深為6065 m。模式的地形采用南安普頓海洋中心OCCAM計劃測得的1/30°的地形測量數(shù)據(jù)（由GFDL/NOAA提供），并采用partial cell方法將地形平滑的與真實地形非常相近。動量方程中的水平湍流擴散項采用雙調(diào)和算子以抑制水平網(wǎng)格尺度的誤差。垂直混合采用KPP邊界層混合方案。月平均風應力采用1950—1999年的NCEP/NCAR的再分析數(shù)據(jù)，表面熱通量也是利用NCEP/NCAR的再分析數(shù)據(jù)的月平均輸出結果，并采用Rosati and Miyakoda的公式計算得到，溫鹽資料采用World Ocean Atlas 1998（WOA 98）的結果。

3 北太平洋低緯度西邊界流（NMK）的時空特征

3.1NEC斷面

一般意義上，以130°E、18°N、8°N 3個斷面分別表征NEC，KC，MC。下面我們利用這3個斷面來討論它們的垂直分布情況。

圖2給出了OFES資料在130°E斷面處的氣候年平均的緯向流場分布。從緯向流場的分布可以看到，西向的NEC在8°—18°N的范圍內(nèi)，出現(xiàn)了雙核的結構，中心點分別在9°N和13°N處，最高流速分別達到了30 cm/s和20 cm/s，這與Qu等（1998）利用實測資料所得的結果基本一致。在13°N處的高速流核與氣候式流場是一致的。NEC的主體結構達到了400 m深度，流速結構隨著深度的增加而向北偏移。在NEC以下，10°—15°N范圍內(nèi)，出現(xiàn)與NEC反向的NEUC，兩個流核中心分別在500 m、12°N和900 m、14°N處，最大流速達到5 cm/s。SCC位于18°—20°N處，流幅較窄，流核中心位于表層19°N左右，最大平均流速為10 cm/s。

通過以上分析可以看出，130°E斷面緯向流速結構的最顯著特點是：NEC以及NEC下方的NEUC，都不是單純的單支海流，而是存在兩支或多支現(xiàn)象；流速帶狀結構非常明顯，東西向流相互交錯間隔出現(xiàn)。這也驗證了孫湘平（2000）利用137°E斷面的實測資料分析出的結果。

圖2 130°E斷面年平均流場分布

3.2 KC斷面

圖3給出了OFES資料在18°N斷面處的氣候年平均的經(jīng)向流場分布。從經(jīng)向流場分布可以看到，北向的KC集中在西邊界122.3°—125°E的范圍內(nèi)，深度達到600 m，流速核心位于表層122.5°E處，最大流速可達80 cm/s。在KC下方，出現(xiàn)與KC反向的LUC。

3.3MC斷面

圖3 18°N斷面氣候態(tài)年平均流場分布

圖4 8°N斷面氣候態(tài)年平均流場分布

圖4給出了OFES資料在8°N斷面處的氣候年平均的經(jīng)向流場分布。從經(jīng)向流場分布可以看到，南向的MC集中在西邊界126.5°—130°E的范圍內(nèi)，主體深度在700 m以上，流核中心位于126.8°E處，最大流速可達120 cm/s以上。在MC下方，出現(xiàn)與MC反向的MUC，流核中心位于大概深度為400 m、129.5°E處，最大流速在5 cm/s左右。

4 NMK系統(tǒng)的流量變化規(guī)律

為了方便計算，我們分別將3個斷面1957—2006年逐月的OFES資料分別在水平方向和垂直方向上進行線性插值，水平方向上插值到0.1°×0.1°，垂直深度上插值到5 m一層，分別計算了NEC、KC、MC的流量變化情況，流量計算的范圍分別是，NEC取8°—18°N，500 m以上西向流，KC取122°—130°E，500 m以上的北向流，MC取126°—130°E，500 m以上的南向流進行計算，并且對計算后的流量進行了去傾處理。

4.1 季節(jié)變化

NEC、KC、MC在130°E、18°N、8°N 3個斷面處流量異常值變化的季節(jié)分布見圖5，就季節(jié)變化而言，NEC表現(xiàn)為雙峰型分布，分別是5月份和7月份，最大值出現(xiàn)在5月份，最小值出現(xiàn)在12月份。而KC，MC則表現(xiàn)出單峰型分布，KC的最大正異常值出現(xiàn)在7月份，最小值出現(xiàn)在12月份，而MC的最大正異常值出現(xiàn)在5月份，最小值出現(xiàn)在10月份。同時要注意到，KC的流量在5月份也出現(xiàn)了減小的趨勢，這可能與呂宋島以東的中尺度渦活動有關，具體原因還需要進一步分析?？傮w來看，NMK系統(tǒng)的流量異常具有很明顯的季節(jié)性特征，在季節(jié)性時間尺度上，NEC，KC流量同向變化，春季流量增大，冬季流量減??；而對KC，除冬季外，其輸運與MC反向，這與于非等（2000）棉蘭老流與黑潮在季節(jié)變化中存在反向關系的結論是一致的。其最大的正異常出現(xiàn)在7月份，最小值出現(xiàn)在12月份，總體上存在春強秋弱的規(guī)律。

4.2 年際變化

圖5 NEC、KC、MC 流量的季節(jié)異常變化（單位：Sv）

圖6 NMK逐月流量異常值（單位：Sv）

圖6和為NEC、KC、MC的流量1957—2006年去除傾向后逐月的年際變化曲線。從圖上可以看出，NEC、KC、MC的流量不僅存在著明顯的季節(jié)變化，也存在明顯的年際變化。流量極值的變化在強的年際信號El Ni?o/La Ni?a期間尤其明顯。在La Ni?a年，NEC、KC和MC都出現(xiàn)了流量的極小值，而在El Ni?o年期間NEC、KC和MC都出現(xiàn)了流量的極大值。一般流量在El Ni?o年成熟期流量增加，而極小值出現(xiàn)在El Ni?o發(fā)生的次年。由此可見，NMK系統(tǒng)的流量具有較強的年際變化信號，且與ENSO暖、冷事件的發(fā)生密切相關，當El Ni?o發(fā)生時，NMK系統(tǒng)流量增大，流系加強；而當La Ni?a發(fā)生時，NMK系統(tǒng)流量較小，流系減弱。同時，我們還可以發(fā)現(xiàn)，在ENSO的不同位相時，NMK系統(tǒng)的流量變化幅度大小并一樣，在El Ni?o年期間，流量的變化幅度較大，而在El Ni?o年期間，流量的變化幅度則相對較小。表明ENSO暖位相對NMK系統(tǒng)的影響大于ENSO冷位相。

表1 ENSO不同位相期間NMK系統(tǒng)的流量變化值

我們還利用小數(shù)譜對NMK系統(tǒng)的周期變化進行了分析（見圖7）。結果表明，北太平洋低緯度西邊界流NMK流量的周期變化主要表現(xiàn)為3—6個月的季節(jié)內(nèi)振蕩和兩年、2—7年左右ENSO尺度周期振蕩。其中NEC流量還具有10年以上周期的年代際變化。在年際尺度上，KC的周期變化頻譜較寬，最長可以達到7年左右，而NEC主要為2—5年的ENSO周期；與此不同的是，MC主要表現(xiàn)為準兩年周期振蕩，可能與受熱帶低緯度大氣QBO的影響有關。這與前人的研究結果是一致的（Lukas,1988;Qu et al,1998）?？偟膩碚f，對應NMK系統(tǒng)而言，基本上具有2—7年的準ENSO周期，其中KC的周期最長可達7年，而MC的周期最短，一般在2—5年之間，NEC除了具有ENSO尺度的周期外，還具有10年以上的長期年代際周期。

為了進一步說明NMK系統(tǒng)與ENSO循環(huán)的關系，我們對NMK系統(tǒng)的流量異常值做了2—7年的低通濾波（見圖8），并對NMK系統(tǒng)與ENSO指數(shù)進行了帶通濾波后季節(jié)平均超前滯后相關分析（見圖9）?？梢钥闯觯琋MK系統(tǒng)的流量之間在ENSO時間尺度上具有很好的同位相變化關系。同時，NEC，KC在滯后Ni?o指數(shù)4—6個季節(jié)時達到最大正相關，在落后Ni?o指數(shù)1—2個季節(jié)時達到最好的負相關。而MC的流量與之并無明顯的相關性。這說明，在ENSO暖位相形成過程中，NMK系統(tǒng)的流量是一種逐漸增大的趨勢，而在ENSO冷位相過程中，情況則正好相反。

圖7 NMK系統(tǒng)的小數(shù)譜分析周期圖

圖8 NMK系統(tǒng)2—7年低通濾波后流量異常對比圖（單位：Sv）

圖9 NMK系統(tǒng)經(jīng)2—7年帶通濾波后與Ni?o 3.4指數(shù)的超前（負），滯后（正）相關分析

5 結論

本文基于OFES模式數(shù)據(jù)對北太平洋低緯度西邊界流的時空規(guī)律及其與ENSO循環(huán)的聯(lián)系進行了統(tǒng)計分析，結果表明：

（1）在130°斷面上，西向的NEC主要集中在8°—18°N的范圍內(nèi)，主體結果一般在500 m以上，具有雙核結構，帶狀結構明顯。其流速和流幅具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，夏季流幅較窄，流速較大，秋季流幅較寬，流速較小。在18°N斷面上，KC主要集中在122°—124°E的范圍內(nèi)，主體結構一般在600 m以上。冬季流幅較寬，流速較小，最小流速出現(xiàn)在12月。夏季流速較大。最大流速出現(xiàn)在7月份。而在8°斷面上，MC主要集中在西邊界126°—130°E的范圍內(nèi)，主體結構可以達到700 m的深度。其最大流速一般出現(xiàn)在春夏季節(jié)，而秋季流速則較??；

（2）NMK系統(tǒng)的流量具有明顯的季節(jié)和年際特征。周期主要包括為3—6個月的季節(jié)內(nèi)振蕩和2年、2—7年左右ENSO尺度周期振蕩。在季節(jié)尺度上，整個NMK系統(tǒng)都表現(xiàn)為春強秋弱，而在年際尺度上，KC的周期變化頻譜較寬，NEC和KC主要為2—7年的ENSO周期；MC主要表現(xiàn)為準兩年周期振蕩。另外，整個NMK系統(tǒng)與ENSO循環(huán)密切相關，當El Ni?o發(fā)生時，NMK系統(tǒng)流量增大，流系加強，而當La Ni?a發(fā)生時，NMK系統(tǒng)流量減小，流系變?nèi)酰珽NSO對NEC和KC的流量變化影響較大，而對MC影響則相對較小。NMK系統(tǒng)對于ENSO事件的響應時間大約在落后4—6個季度時達到最大正相關，而在超前1—3個季節(jié)時達到最顯著負相關，表明NMK系統(tǒng)與ENSO循環(huán)密切聯(lián)系。而整個反饋過程約為6—10個季節(jié)。

下一步我們將會進一步結合觀測資料，對我們得到的結果進行驗證，分析在更長時間尺度上（年代際）的NMK系統(tǒng)變化規(guī)律，為北太平洋低緯度西邊界流的研究提供新的思路。

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Characteristics of temporal and spatial distribution of North Pacific low-lalitude Western Boundary Currents

KANG Lin1,2，WANG Fan1，CHEN Yong-li1

(1.Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave Studies,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071China;Graduate University of Chinese Academy of Science,Beijing 100049 China)

Characteristics of temporal and spatial distribution of North Pacific low-lalitude Western Boundary Currents and its relationship with ENSO cycles are analyzed with OFES Ocean Model.The whole system has strong seasonoal and interannual variability signal.On the seasonal timescales,the whole system is stronger in spring and weaker in autumn.On the interannual timescale,NEC and KC exhibit ENSO period with 2—7 years while MC is dominated by a quasi-biennial oscillation.The NMK system has a bigger net transport during El Ni?o years,and during La Ni?a years the transport is much smaller.The whole period is about 6—10 seasons,about a quasi-ENSO cycles.

OFES ocean model;NMK system;ENSO cycle

P731

A

1003-0239（2011）03-0032-08

2011-04-19

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2007CB4118021）；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目（KZCX2-YW-Q11-02）

康霖（1983-），男，博士研究生，主要從事海氣相互作用和氣候變化研究。E-mail:kanglingucas@yahoo.com.cn