東海黑潮水交換區的定義及其時空分布規律研究

宋軍，郭俊如，牟林，李靜，4，劉玉龍，李希彬（.國家海洋信息中心，天津　3007；2.國家海洋局海洋減災中心，北京　0094；3.中國海洋大學教育部物理海洋學重點實驗室，山東　青島　26600；4.上海海洋大學海洋科學學院，上海　20306；.國家海洋局天津海洋環境監測中心站，天津　30047；6.國家海洋向遙感與應用研究重點實驗室，北京　0008）

東海黑潮水交換區的定義及其時空分布規律研究

宋軍1，3，郭俊如2，6，牟林1，李靜1，4，劉玉龍1，李希彬5
（1.國家海洋信息中心，天津300171；2.國家海洋局海洋減災中心，北京100194；3.中國海洋大學教育部物理海洋學重點實驗室，山東青島266100；4.上海海洋大學海洋科學學院，上海201306；5.國家海洋局天津海洋環境監測中心站，天津300457；6.國家海洋向遙感與應用研究重點實驗室，北京100081）

將譜混合模型（Spectral Mixture Model，SMM）方法應用到黑潮水與東中國海陸架水之間的水交換中。在此基礎上，定義了東海黑潮流系與東中國海大陸架之間的水交換區，并進一步對該帶狀交換區的空間分布和時間變化規律進行研究。首次得到該交換區面積隨時間的變化與東海黑潮流系穿越東中國海大陸架200 m等深線的向岸體積通量的變化呈現出-0.78的顯著的負相關關系。另外，研究結果還揭示出，來自太平洋的季節內信號有可能穿越黑潮主軸進入東中國海海域。

東中國海；黑潮；譜聚類；譜混合模型；水交換

陸架海及淺海中的水交換問題是海洋科學研究中最基礎而又重要的研究課題之一，根據其依賴于所研究問題的目的性和對所研究海區環流動力結構的理解程度，針對不同的問題，其所適用的水交換模型復雜多樣。東中國海廣義上一般是渤海、黃海和東海的總稱，是中國最大的陸架海，具有獨特的地理環境和復雜的環流結構。隨著海洋觀測方法與計算機數值模擬技術的快速發展，近年來對東中國海的調查資料與相關研究不斷增多。

東中國海的海流主要由外海流系和沿岸流系兩大流系構成，這兩大流系的相互作用構成了東中國海地區主要的環流系統結構。其中，攜帶高溫高鹽大洋水的東海黑潮流系是東海主要的外海流系，其主要包括黑潮以及相關的臺灣暖流、對馬暖流和黃海暖流。黑潮是位于西太平洋的世界上最主要的西邊界流之一，其源自北赤道流于菲律賓海岸處的分叉（Nitani et al，1972；Guo et al，2003），然后繼續沿東中國海大陸架陸坡順著東北方向流去。期間，它首先流經臺灣島東部，并時常會以流套的形式先入侵到南中國海并部分流經臺灣海峽（James et al，1999；Guo et al，2003；王啟，2003；Andres et al，2008）。

黑潮流系對局部氣候的變化以及太平洋亞熱帶環流的物質輸送情況（Guo et al，2003；Ma et al，2009）具有一定的影響作用。在東中國海海域，黑潮同樣可以引發東中國海環流復雜的季節性變化和年際性變化 （Mizuno et al，1983；Yanagi et al，1993），所以了解黑潮流系與東中國海之間的相互作用，對于局部的氣候預測以及中國沿海生態、經濟的健康維持具有重要意義。

正是由于黑潮較大的影響意義，對于黑潮水與東中國海陸架水之間的水交換問題一直是一個研究熱點。對于該問題的研究，離不開對東中國海黑潮時空分布特點的深入了解。在過去幾十年里，已經得到了很多有關黑潮的變化規律以及黑潮所攜帶的高溫高鹽水與其所途經的陸架水之間相互影響和作用過程的重要結論（Guan et al，1980；Chern et al，1990；Chen et al，1995；喬方利等，1998；Wong et al，2000；Matsuno et al，2009）。例如，Lin等（2005）通過分析1999年的一次觀測調查結果，估計了冬季穿越臺灣海峽的北向體積通量，其結果指出此體積通量一般小于2 Sv（1 Sv≡106 m3s-1）。還有一些觀測和研究則著重于臺灣島東北部的海域，這些研究從多個不同的方面揭示了黑潮與東中國海的水交換情況（Chern et al，1990；Chen et al，1995；James et al，1999；Wong et al， 2000；Johns et al，2001；Morimoto et al，2009）。例如，Tang等（1993）揭示了各種因素對黑潮在臺灣島東北部向東中國海陸架海域入侵的影響，其中局地風很難對該入侵過程造成影響。后來，Chuang等（1994）觀測到在臺灣島東北部的季風季節，出現了短時期黑潮入侵東中國海增強的現象。

后來一些研究進一步的對黑潮主軸的位置及其變化規律做了深入研究。Guan（1980）定義了黑潮的核心在水平方向上表現為黑潮表面流速場0.4 m/s等值線所包含的區域。該定義被應用和發展為確定黑潮位置的條件，一般用黑潮核心區域垂直于黑潮流向斷面的中點位置作為黑潮的位置（Andres et al，2008）。通過使用錨定測流浮標和多普勒聲學流速剖面儀自1994年9月到1996年5月的海洋調查觀測，Johns等（2001）估算出黑潮在臺灣島東側斷面的平均體積通量為 21.5 Sv。Teague等（2003）給出了東中國海水平方向上體積通量、熱量通量以及鹽度通量的分布狀況，并指出穿過臺灣海峽與對馬海峽的平均體積通量分別為0.14和3.17 Sv。基于1/18度高分辨率的嵌套海洋數值模型，Guo等（2006）分析了東中國海的海流系統以及幾個主要斷面的體積輸送情況。相對于Teague等（2003）的結果，Guo等（2006）關于臺灣海峽平均海水體積輸送的結果要大的多，為1.71 Sv。Lee等（2007）利用應用力學研究所研制和發展的海洋模型，揭示了東中國海海域黑潮流系的時間和空間分布特征，并進一步基于RIAMOM進行了拉格朗日粒子追蹤的數值試驗，闡明了黑潮在東中國海大陸架向岸水體輸送中的地位。Ma等（2009）利用最新的Argos表層漂流浮標觀測數據與TOPEX/Poseidon高度計數據，對東中國海表層流場的變化規律和分布結構進行了詳盡地分析。研究揭示了不同部分的黑潮具有各不相同的主要變化周期，這可能是由太平洋Rossby波向西傳播情況的影響（Wei et al，2004）以及鋒面的不穩定性（Jia et al，2005）造成的。

對于之前所做的相關研究中，多以穿越東中國海大陸架陸坡的海水體積輸送來考量黑潮水與東中國海陸架水的水交換情況，但由于東海黑潮向岸的水體積輸送可能會經由對馬海峽流出而并未參與水交換過程，至少其參與的程度在此研究方法下無法給出定量的考量，所以該參量并不能嚴格、清晰地區分東海黑潮的橫向運動和水交換過程。

后來，一些學者基于水團分析方法以及通過同位素示蹤物試驗，從不同的方面調查和研究了黑潮水與東中國海陸架水的水交換過程（Chen et al，1995；Jan et al，2006；Lan et al，2009；Li et al，2006；Takikawa et al，2008；Zuo et al，2006）。通過氧同位素的示蹤試驗，Kim等（2005）揭示了對馬海流的兩個來源，一個源于黑潮水，另一個則源于臺灣海峽。結合東中國海的海流系統，這些研究為研究黑潮水與東中國海陸架水的交換過程帶入了很多啟發性的觀點。

以上研究，仍然很難估計出黑潮與東中國海大陸架之間水交換區的面積、強弱及其變化規律。鑒于此，本文從水團分析的角度，引入最新發展的譜混合模型（Spectral Mixture Model，SMM）方法（宋軍，2010），對黑潮與東中國海之間的水交換區進行分析研究。不同于傳統的聚類分析，譜混合模型是建立在譜聚類進出上的，同時科學地計算出隸屬度函數。然后引入參數α和β，創造任意兩個聚類最大限度的交集集合R和S，并最終確定R和S的交集為水交換區。其中參數α和β決定了混合區的空間位置和范圍，其中α表示數據點隸屬于不同聚類權重的差值，α越大說明該數據點越偏離某一聚類；β則用于排除兩水團的外邊緣區域帶來的誤差（宋軍，2010）。因此，譜混合模型是一個更一般和有效的方法。本文中討論的交換區或者混合區的概念其實應該被更科學的稱作‘信息過渡帶’（Information Transition Zone），引為相對于實際的物質輸運過程，其更注重于歐拉場觀點下水的性質特征的變化。然而，由于向岸的水體積輸送顯然將很多水體帶入了混合區之內，所以這一概念也不可避免的體現了某種程度的物質交換過程。

1　模型結果與分析

圖1　氣候態平均情況下于27°N的垂向溫度剖面（a）和鹽度剖面（b）（圖中黑色粗實線標識的水深位置為100 m）

本文引用譜混合模型，對來自ROMS模型的溫度和鹽度結果（宋軍，2010）進行分析，并定義和研究了東海黑潮水與東中國海陸架水之間的交換區。由于本次研究是以溫度和鹽度兩個參數來研究和定義該交換區的，所以有必要對該地區溫度和鹽度的垂直分布情況做下了解。圖1是沿27°N緯線方向上年平均溫度和鹽度的垂直剖面圖。從圖1中可以看出，由于黑潮水在100 m水深處的溫度和鹽度值都與東中國海陸架水有著明顯的差異，所以我們決定使用這一水深層的溫鹽水平結構來初步研究和定義上述交換區。為盡量避免臺灣海峽流與對馬海峽流的影響，將分析研究區域在緯度上限制在25°N到31°N之間。同時使用黑潮主軸作為研究區域的東邊界。同樣使用了40 cm/s的表層等流速線所包裹的黑潮主流區作為黑潮在水平方向上的流速核心（Guan，1980），并且與Andres等（2008）的定義類似，使用了黑潮流速核心內的最大流速點作為黑潮的主軸位置。

圖2　使用譜混合模型對東中國海在100 m深度的水交換區所做的分析結果（圖2a和圖2b分別顯示了該水交換區域在冬季和夏季的分布結構；相應地，圖2c和圖2d是前兩者對應的T-S點聚圖，其中相同的顏色對應著左圖中相同范圍的數據點集）

圖2顯示了譜混合模型對我們數據的應用結果，其中的黑色粗實線代表黑潮的主軸位置。研究結果指出該交換區表現為沿東海大陸架陸坡的帶狀分布特征（圖2中的綠色區域）。相對于冬季的分布結構，夏季在西南段和中間段，該交換區更靠近黑潮主軸的位置，這主要是由夏季季風驅使東海大陸架水向外海輸出造成的。另一個明顯的季節性差異來源于臺灣島西北側的海域，這主要是黑潮水經由臺灣海峽直接侵入東中國海的結果，不過這一影響在冬季會明顯減弱。另外，該水交換區東北段的面積最廣闊，且季節性擺動也最明顯。該段所呈現出的明顯的季節性變化很可能是由對馬海峽流的季節性變化造成的。冬季，該段水交換區的水平結構明顯表現為沿黑潮的主軸方向，而在夏季則出現了向朝鮮島一側的彎轉。從T-S圖中可以看出，夏季溫度和鹽度的分布比冬季范圍更廣泛，尤其對東中國海陸架水更是如此。東中國海陸架水具有非常明顯的季節性溫度變化，特別是距離黑潮較遠的海域，而且這些海域通常是較冷的水常出現的地方。

將交換區的范圍（圖2中的綠色區域）以面積的形式計算出來，得到其隨時間的變化曲線（請參見圖3a中的粗曲線）。由曲線可知，該交換區的面積具有非常明顯的季節變化，其通常在1月份達到最小值并時常在9月份會出現一次第二小值。面積的最大值通常出現在4月份到7月份，同時在11月份也會有第二次峰值的出現。本次研究對該交換帶的面積與前一篇文章中討論過的幾個斷面的海水體積輸送的關系做了進一步的分析。研究發現，穿越東中國海大陸架200 m等深線斷面的海水體積輸送與此水交換帶的面積呈現非常高的負相關關系，其相關系數為-0.78（圖3）。這一顯著的相關性關系一方面可能是由于較強的向岸水通量限制了黑潮與東中國海陸架水交換區的范圍；另一方面是兩者都較大的受到了黑潮主軸位置變化的影響，當黑潮較強時，其帶入了具有相對于周圍水環境差異性更大的溫度和鹽度的水，但同時又會偏離東海大陸架更遠以造成穿越大陸架海水體積輸送的減少。圖3b是對東中國海水交換區的面積隨時間的變化曲線所做的自譜分析結果。該圖清楚地顯示出黑潮與東中國海陸架水交換區面積的時間變化具有一年、半年和3-4個月3個較顯著的變化周期。在誤差為5%以內的條件下，圖中置信區間的下限為0.23，所以這幾個變化周期都有著較高的可信度。其中3-4個月的周期很可能是受太平洋傳來的Rossby波的影響，但也可能是東海黑潮流系相互作用和調整過程所導致的。

圖3　　（a）為東中國海水交換區的面積隨時間的變化（粗線）以及穿越東中國海大陸架200m等深線的水通量的變化（f200）經過以下坐標變換后的曲線：f200×104+2×104。*標識了各年水交換區面積的平均值。（b）對東中國海水交換區的面積隨時間的變化曲線所做的自譜分析結果。其在誤差小于5%的前提下，置信區間的下限在0.23左右。

2　結論

（1）本文通過譜混合模型定義了黑潮水與東中國海陸架水之間的交換區。該交換區表現為沿東海大陸架陸坡呈帶狀分布。相對于冬季，該交換區在夏季的西南段和中間段更靠近黑潮主軸的位置。

（2）水交換區在東北段面積最廣闊，且季節性擺動也最明顯。冬季，該段水交換區的水平結構明顯表現為沿黑潮的主軸方向，而在夏季則出現了向朝鮮島一側的彎轉。由T-S圖看出，夏季溫度和鹽度的分布范圍比冬季更廣泛，尤其對東中國海陸架水更是如此。東中國海陸架水具有非常明顯的季節性溫度變化，特別是距離黑潮較遠的海域，而且這些海域通常是較冷的水常出現的地方。

（3）水交換區的面積具有非常明顯的季節變化，其通常在1月份達到最小值并時常在9月份會出現一次第二小值。面積的最大值通常出現在4月份到7月份，同時在11月份也會有第二次峰值的出現。而且研究還發現，穿越東中國海大陸架200 m等深線斷面的海水體積輸送與此水交換帶的面積呈現非常高的負相關關系，其相關系數為-0.78。對該水交換區面積隨時間的變化曲線進行自譜分析，得到該交換區面積的時間變化具有一年、半年和3-4個月3個較顯著的變化周期，而且可信度較高。

（4）由于本文指出穿越東中國海大陸架陸坡的海水體積輸送與交換區的面積呈現出了非常顯著的負相關關系，所以可以猜測黑潮向東中國海大陸架的入侵很可能壓縮了交換區的范圍。在對交換區面積變化的時間序列做譜分析時，除了存在年際變化的信號外，還發現了顯著的6個月和3~4個月的周期信號峰值。這些周期可能受來自太平洋的季節內信號對黑潮水與東中國海陸架水水交換過程的影響。

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（本文編輯：袁澤軼）

Definition of the water exchange area between the Kuroshio and the East China Sea and study of its spatio-temporal distribution regularity

SONG Jun1,3,GUO Jun-ru2,6,MU Lin1,LI Jing1，4,LIU Yu-long1,LI Xi-bin5
（1.The National Marine DataandInformation Service,Tianjin 300171,China;2.National MarineHazardMitigation Service,SOA,Beijing 100194,China;3.Key Laboratory of Physical Oceanography,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao266100,China; 4.College of Marine Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;5.TianjinMarine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center,Tianjin 300451,China;6.KeyLaboratoryof Ocean Remote and Application,Beijing 100081,China）

The Spectral Mixture Model(SMM)is adopted to determine the exchange area between the Kuroshio and the shelf water of the East China Sea in this study.And the spatial distribution and temporal variation laws are studied further. There is a significant negative correlation of-0.78 between the area of the exchange zone and the Kuroshio onshore transport across 200 m isobath in the East China Sea.In addition to the annual and semi-annual signals,the intra-seasonal signal of Pacific may also induce Kuroshio intrusions and exchange events in the East China Sea.

East China Sea;Kuroshio;spectral clustering;spectral mixture model;water exchange

郭俊如，電子郵箱：874623647@qq.com。

P71

A

1001-6932（2016）03-0252-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.002

2015-07-06；

2015-08-10

國家自然科學基金（41206013；41430963；41376014；41206004）；國家海洋局空間海洋遙感與應用研究重點實驗室開放基金重點課題（201601003）；教育部物理海洋重點實驗室開放基金（SongTun）；國家建設高水平大學公派研究生項目（留金出 [2008] 3019； [2012]2013）；海洋公益性行業科研專項（201205018）；國家海洋局青年科學基金重點項目（2012202；2013203；2012223）；國家科技支撐計劃項目（2014BAB12B02）；天津市科技支撐計劃項目（14ZCZDSF00012）。

宋軍（1983-），男，博士，主要從事近海動力學、業務化海洋學方面的研究。