POM模式在日本南部黑潮路徑變異研究中的應用

鄒廣安(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 河南大學, 河南 開封475004)

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POM模式在日本南部黑潮路徑變異研究中的應用

鄒廣安1, 2, 3
(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 河南大學, 河南 開封475004)

日本南部黑潮路徑變異對北太平洋地區的氣候和環境具有顯著的影響, 對黑潮路徑變異的研究具有重要的意義。本文利用POM (Princeton Ocean Model)數值模式模擬了日本南部黑潮的路徑變異情況, 分析了黑潮大彎曲路徑形成的可能機制。研究結果表明, 當黑潮處于非大彎曲路徑時, 相對位勢渦度的平均值呈現遞減趨勢, 說明日本南部低位勢渦度水在不斷積累, 這樣會使得四國再循環流的強度增強, 迫使黑潮保持平直路徑, 同時, 近岸黑潮垂直流速剪切增大, 斜壓不穩定性的作用也逐漸增大;當黑潮從非大彎曲路徑向大彎曲路徑過渡時, 再循環流強度的減弱會導致黑潮的流速剪切減小。根據海表高度異常場以及海洋上層流場信息發現, 近岸黑潮附近的氣旋渦會隨著再循環流區域反氣旋渦的東側向南運動, 最終導致黑潮大彎曲的發生。分析渦流的能量, 結果顯示, 黑潮大彎曲路徑的形成與斜壓不穩定性密切相關。

黑潮路徑變異; POM (Princeton Ocean Model); 斜壓不穩定性

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41230420]

黑潮(Kuroshio Current)是北太平洋副熱帶環流系統中非常著名的一支西邊界流, 又稱日本暖流,是世界上第二大暖流, 僅次于墨西哥灣暖流。黑潮因其水色深藍, 遠看似黑色而得名。一般認為, 黑潮的起源主要是由北赤道暖流在菲律賓群島東部向北分叉形成的, 向南的一支稱為棉蘭老流。黑潮主軸沿著巴士海峽的東側北上, 經臺灣東部進入中國東海,從吐噶喇海峽北部流出東海, 進入日本南部的北太平洋海域。黑潮具有高溫、高鹽、流速快、流量大等特點, 其從低緯向中高緯輸送了大量的熱量, 對流經區域乃至全球的氣候起著重要的作用。研究發現, 黑潮流經日本南部海域時會出現兩種典型的路徑形態[1]: 大彎曲路徑(LM)和非大彎曲路徑(NLM)。這兩種路徑形態和位置的變化是否發生大彎曲, 對北太平洋地區的氣候、漁業、航海安全以及海洋資源等都具有顯著的影響[2-3]。此外, 日本南部的黑潮路徑變異對我國東部沿岸以及長江流域的降水也有較大的影響[4-5]。因此, 弄清黑潮路徑變異的原因和機制, 對黑潮路徑變異進行預測具有重要的意義。

前人對于黑潮大彎曲路徑形成的原因給出了多種可能的機制解釋。Kawabe[6]利用簡單的動力學模式研究發現, 日本九州島東南部的黑潮小彎曲對于下游黑潮路徑有明顯的影響。Akitomo等[7]采用兩層海洋模式進行研究, 認為日本九州島東南部渦的增強有利于黑潮從平直路徑向大彎曲路徑轉換。Qiu等[8]利用兩層原始方程模式進行研究, 認為日本南部黑潮路徑變異取決于黑潮內部的自持震蕩系統。Usui 等[9]利用高分辨率的大洋環流(OGCM)模式研究了2004年發生的典型黑潮大彎曲事件, 認為日本九州島南部的黑潮觸發小彎曲是黑潮大彎曲形成的重要原因。Miyazawa等[10]研究認為2004年黑潮大彎曲是由于臺灣以東強的反氣旋渦引起九州島南部形成觸發小彎曲, 進而形成黑潮大彎曲。Tsujino等[11]認為日本四國再循環流區域的渦的相互作用是黑潮大彎曲路徑形成的主要原因。

目前, 由于海洋觀測資料有限, 人們對于黑潮大彎曲的形成原因和機制沒有統一的認識, 高分辨率的大洋環流模式(OGCM)為研究黑潮路徑變異現象提供了很大的便利和可能性。目前, 采用POM(Princeton Ocean Model)模式對黑潮的研究工作相對較少。Kagimoto[12]利用POM模式模擬了黑潮的季節變化。Miyazawa等[13]利用POM模式對黑潮路徑變異進行了集合預報研究。Waseda等[14]采用修訂的POM模式研究了渦的相互作用對黑潮的影響。但是, 這些工作并沒有利用POM模式將黑潮的自持系統和渦的相互作用結合起來, 也沒有從渦流能量分析角度來考察黑潮的路徑變異情況。本文采用POM模式模擬了日本南部黑潮的路徑變異過程, 進一步分析和討論了黑潮大彎曲形成的可能機制和原因。

1 模式設置和模擬結果

POM模式是由美國普林斯頓大學Alan Blumberg和George L. Mellor于1977年建立起來的一個基于三維斜壓原始方程海洋數值模式[15], 該模式經過多年的不斷發展和完善, 目前已經成為國內外廣泛使用的海洋數值模式之一。

模式的模擬區域設置為(30°S~60°N, 110°E~ 80°W), 覆蓋了整個北太平洋區域。模式的水平分辨率為0.2°×0.2°, 垂直方向分16層, 外模式的時間步長為20 s, 內模式的時間步長為90 s。模式采用的是ETOPO5的分辨率為1/12°×1/12°的地形數據, 模式的溫鹽資料采用的是Levitus WOA97分辨率為1/4°×1/4°的月平均氣候態溫鹽場, 模式的風應力強迫場為NCEP/NCAR再分析的月平均風應力資料(真實時間的月平均風場資料)。

完成了以上的模式基本設置后, 首先將模式積分20 a, 每10 d輸出一次結果, 我們將后10 a的模式輸出結果作為分析數據, 用來分析和檢驗POM模式對黑潮路徑變異的模擬能力。為了考察黑潮路徑隨時間的變化, Qiu等[8]采用136°~140°E黑潮流軸離岸的平均距離定義黑潮路徑指數。類似于該定義, 我們也定義了一個指數來表征黑潮路徑所處的狀態。該黑潮路徑指數定義為: 黑潮流軸在136°~141°E最南端點的緯度, 黑潮流軸用海表高度(SSH)30 cm等值線表示。由定義可知, 黑潮路徑指數值較小時, 表明黑潮流軸與日本南岸的距離越遠, 黑潮處于大彎曲路徑, 反之, 指數值較大時, 黑潮處于非大彎曲路徑。圖1給出了POM模式模擬的黑潮路徑指數的時間序列, 可以看出, 黑潮的路徑變異主要呈現年際變化特征, 這10 a間共發生了3次大彎曲事件, 每次大彎曲事件發生的強度不同, 并且黑潮在大彎曲路徑和非大彎曲路徑的維持時間也有所相同。與觀測資料對比, POM模式模擬的黑潮大彎曲路徑的維持時間相對較短, 這與其他學者用POM模式模擬的黑潮路徑情況類似[10, 13], 這也是目前許多OGCM模式都存在的模擬缺陷[9, 16-17]。

圖1 黑潮路徑指數的時間序列Fig. 1 Time series of the Kuroshio path index

為了顯示POM模式模擬的黑潮路徑的變異情況, 圖2給出了模式第17~18年的一次黑潮大彎曲路徑的發生、發展和消亡過程。由圖2可知, 模式在第17年的2月時, 黑潮處于典型的非大彎曲路徑, 在第17年的3月有個小彎曲形成(圖2b), 小彎曲逐漸發展, 到第17年的4月時形成了典型的大彎曲路徑(圖2c), 大彎曲維持了一段時間, 到第17年的8月黑潮的流軸開始形成一個渦旋(圖2e), 隨著渦旋的脫落并且西傳, 黑潮在第17年的12月又回到了典型的非大彎曲路徑(圖2h)。這一過程與Qiu等[8]采用2.5層淺水模式模擬的黑潮路徑變異過程也比較類似。該模式模擬的黑潮大彎曲的發生過程與觀測到的黑潮大彎曲發生比較一致[9]。這說明POM模式也能夠捕捉到黑潮路徑變異的基本特征, 能夠模擬黑潮路徑變異的基本動力學過程。盡管模擬的黑潮大彎曲的維持時間相對較短, 但是, 由于本文主要討論的是黑潮大彎曲路徑形成的機制, 因此, 該模式對黑潮大彎曲路徑維持時間的模擬不足不會給我們的研究造成較大影響。

2 黑潮大彎曲路徑形成的機制分析

本文對模擬的三個大彎曲事件的形成過程進行了分析, 三次大彎曲的形成過程和原因基本一致。因此, 主要以第17~18年黑潮大彎曲事件(圖2)為例給出詳細的分析和描述過程。

根據Qiu等[8]的定義, 將相對渦度定義如公式(1):

圖2 模式第17~18年發生的黑潮大彎曲事件的海表高度場序列Fig. 2 Sequence of SSH field including the Kuroshio large meander event in model year 17-18

其中, u和v分別表示緯向和經向流速, 相對渦度?表示的是四國再循環流區域(25°~35°N, 132°~140°E)內的平均值, 緯向和徑向流速是由海洋上層500 m的流場平均值來計算的。

為了表征黑潮再循環流的強度S, 根據Qiu等的定義[18], 定義了公式(2):

其中, t表示時間, A表示四國再循環流區域(25°~ 35°N, 132°~140°E)內SSH>0.2 m的區域, h表示海表面高度。

此外, 我們將近岸黑潮的垂直流速剪切κ定義為公式(3):

通過上述定義公式(1)~公式(3)進行計算, 圖3給出了黑潮大彎曲及大彎曲事件發生前半年的相對渦度平均、四國再循環流的強度和近岸黑潮垂直流速剪切的時間序列。由圖可見, 當黑潮處于非大彎曲路徑時, 相對渦度的平均值出現了明顯的遞減趨勢(圖3a), 也就是說, 低位勢渦度水在不斷積累, 這樣會引起黑潮再循環流的強度增強(圖3b), 迫使黑潮保持平直路徑沿著日本南岸向東流, 此外, 四國再循環流的增強會導致黑潮的近岸流速剪切增大(圖3c)。當黑潮從非大彎曲路徑向大彎曲路徑過渡時,日本南部再循環流的強度減小, 黑潮的流速剪切也隨著減小, 由于正壓或斜壓不穩定性的作用使得能量向渦動能轉化, 最終形成大彎曲事件, 這與Qiu等用簡單的兩層海洋模式得出的結論[8]一致。

圖3 相對渦度平均(a)、黑潮再循環流強度(b)和近岸黑潮流速剪切(c)的時間序列Fig. 3 Time series of the average relative vorticity (a), the strength of the Shikoku recirculation gyre (b), and the vertical shear of the alongshore Kuroshio (c)

為了考察渦漩對黑潮的影響, 圖4給出了黑潮大彎曲發生過程中海表高度異常(SSHA)場的信號情況(用背景場的值減去氣候態平均場的值), 可以看出, 在黑潮大彎曲形成過程中, 日本九州島東南部的冷異常信號向東傳播(圖4a, 圖4b), 并且冷異常在四國再循環流區域的強度逐漸增大(圖4c), 由于黑潮對日本南岸的流速剪切減小, 冷異常信號會向南運動, 最終在黑潮流軸的彎曲處附近形成一個大的氣旋渦(圖4d), 這個氣旋渦對黑潮大彎曲的形成具有重要的影響。

圖4 海表高度異常以及黑潮流軸(黑色實線)Fig. 4 SSH anomaly and the Kuroshio axes (black solid line)

此外, 我們給出了黑潮大彎曲發生前一個月的海洋上層500 m平均水平流速場和海表高度場, 如圖5所示, 可以看出, 在黑潮再循環流區域內有一個反氣旋渦([135°E, 32°N]附近), 而在黑潮流軸北部([137.5°E, 33.5°N]附近)有一個氣旋渦存在, 當黑潮的近岸流速剪切減小時, 再循環流區域反氣旋渦的東側向南運動, 同時會攜帶著氣旋渦向南運動, 最終導致黑潮大彎曲的形成。

采用渦流的能量分析來考察正壓或者斜壓不穩定性對黑潮大彎曲的影響, 根據Tsujino等[11]提出的將背景流場分成平均場(前一個時間段的月平均值)和渦度場(當前時間段的月平均值與前一時間段月平均值的差), 將平均動能(MKE)向渦動能(EKE)的正壓(barotropic, BT)轉化率RBT定義如下:

圖5 海表高度場(單位: m)和海洋上層500m的平均流速場(單位: m/s)Fig. 5 SSH field (unit: m) and mean velocity field (unit: m/s) at the upper 500 m

其中, ρ0表示Boussinesq近似下的海水密度,()表示平均場中的緯向(經向)流速, u′( v′ )表示渦度場中的緯向(經向)擾動流速, 平均流速和擾動流速都采用的是上層300 m的平均值, 該定義表明了正壓不穩定性的作用。

將平均位能(MPE)向渦位能(EPE)的斜壓(baroclinic, BC)轉化率RBC定義為:

其中, g表示重力加速度, u′=(u′ , v′ ,0)表示擾動流速場,和δρ′分別平均場和渦度場密度,表示背景密度場在密度z處的垂向變化率, ▽表示水平梯度算子。

另外, 考慮到渦浮力通量項δρ′u′的旋轉分量在平均場和渦度場的轉換中作用不大[11], 因此, 采用斜壓轉化率方程中渦浮力通量項的散度(div)分量來計算動力斜壓轉換率RdynBC, 考慮動力過程對能量轉化的影響:

上述的渦能量轉化率公式的詳細推導以及具體計算過程可參閱文獻[11]。

圖6 300 m深度黑潮大彎曲發生過程中的能量轉化率(單位: 　×10-3　kg /(m· s3))以及海表面高度(單位: m)Fig. 6 Energy conversion rates (unit: 　×10-3　kg /(m· s3)) at 300 m

通過三個能量轉化公式的計算, 圖6給出了黑潮大彎曲發生過程中上層300 m處的正壓能量轉化率(第一行)、斜壓能量轉化率(第二行)和動力斜壓能量轉化率(第三行)情況, 垂直深度之所以選取300 m,該深度的渦能量轉化率比較大, 標準差也較大。從圖中可以發現, 渦度能量分布的主要區域位于黑潮流軸及其流軸附近, 這可能是由于黑潮流軸的流速較大的原因。此外, 斜壓和動力斜壓能量轉化率的信息要比正壓能量轉化率的信息量大, 表明黑潮大彎曲發生過程中斜壓不穩定性起著主要的作用。同時, 我們計算了黑潮大彎曲事件發生及其發生前半年時間的能量轉化率在日本四國再循環流區域(25°~35°N, 132°~140°E)內絕對值的平均值, 如圖7所示, 我們發現斜壓轉化率的值要大于正壓轉化率的值, 并且, 隨著近岸流速剪切的增大(圖3c), 斜壓不穩定的值也在增大。也就是說,斜壓不穩定在黑潮大彎曲發生過程中的作用要比正壓不穩定性的作用大, 是引發黑潮大彎曲事件的重要因素。

圖7 3種能量轉化率在區域(25°~35°N, 132°~140°E)內絕對值的平均值的時間序列(單位: ×10–8　kg /(m· s3))Fig. 7 Time series of the mean absolute value of three conversion rates over the region (25°–35°N, 132°–140°E) (unit: × 10–8　kg /(m· s3)).

3 結論

本文基于前人對日本南部黑潮大彎曲現象的研究結果, 利用POM模式成功模擬了黑潮路徑變異情況, 并且分析了黑潮大彎曲形成的可能原因和機制。結果表明, 黑潮的自身動力過程以及南部再循環區域渦的作用能夠促使黑潮發生大彎曲事件。日本南部低位渦水的不斷積累, 引起黑潮再循環流的強度增強, 使得黑潮保持平直路徑, 增強的再循環流會導致黑潮的近岸流速剪切增大, 從而, 斜壓不穩定性的作用也在逐漸增大; 當黑潮從非大彎曲路徑向大彎曲路徑開始過渡時, 日本南部再循環流的強度減小, 黑潮的流速剪切也隨著減小, 黑潮流軸附近的上層氣旋渦會隨著再循環流區域反氣旋渦的東側向南運動, 導致黑潮大彎曲的形成。利用渦度能量分析理論進一步驗證了黑潮大彎曲的發生與斜壓不穩定性密切相關。鑒于該模式能夠很好地模擬黑潮大彎曲事件, 接下來將采用該模式來進行數值預報研究, 考慮目標觀測效果對黑潮大彎曲路徑預報的影響。

致謝: 本文的研究工作得到了中國科學院海洋研究所穆穆院士的悉心指導, 在此表示衷心的感謝！

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(本文編輯: 李曉燕)

Application of the POM model to study the path variations of Kuroshio currents in southern Japan seas

ZOU Guang-an1, 2, 3
(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Henan University, Kaifeng 475004, China)

Mar., 31, 2015

Kuroshio path variations; POM model; Baroclinic instability

Path variations of the Kuroshio currents in the southern Japan seas have a significant impact on the climate and environment. In this study, we used the Princeton Ocean Model (POM) to simulate the Kuroshio path variations south of Japan, and analyzed the formation mechanism of the Kuroshio large meander events. The results show a decreasing trend of the average relative vorticity when the Kuroshio is taken as the non-large path, indicating an accumulation of the low potential vorticity (PV) south of Japan which intensified the strength of the Shikoku recirculation gyre, thereby forcing the Kuroshio into its straight path. Meanwhile, the vertical velocity shear of the alongshore Kuroshio was increasing, and the impact of the baroclinic instability was also gradually increasing. During the transition period from the Kuroshio non-large meander to the large meander, a sudden release of velocity shear corresponded well to the weakening of the Shikoku recirculation gyre. According to the sea surface height (SSH) anomaly fields and the mean velocity field in the upper ocean, we found that the cyclonic eddy around the offshore Kuroshio moved southward, carried by a southward flow in the eastern part of the anticyclonic eddy in the region of the Shikoku recirculation gyre. This led to the eventual development of the Kuroshio large meander. The results of our eddy energetic analysis indicate that the formation of the Kuroshio large meander is closely associated with baroclinic instability.

P731.21

A

1000-3096(2016)02-0151-08

10.11759/hykx20150127001

2015-01-27;

2015-03-31

國家自然科學基金(41230420)

鄒廣安(1985-), 男, 陜西安康人, 博士研究生, 主要從事西邊界流的數值模擬和預報研究, 電話: 15736863632, E-mail: zouguangan00@163.com