北太平洋北部的風能輸入門戶

張宇，崔超然，楊倩，管玉平

(1.中國科學院南海海洋研究所 熱帶海洋環境國家重點實驗室，廣東 廣州 510301；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458；4.中國科學院大學 海洋學院，北京 100049)

1 引言

海洋中機械能的重要來源之一是風應力的輸入，風應力通過對海流做功和增強海表面波向海洋輸送能量[1-4]。近年來，國內外許多學者進行了大量風向海洋能量輸入的相關研究工作，認識到風對海洋的機械能輸入對于維持大尺度表層環流和驅動深層海洋有重要作用[1,4-6]。維持深海環流所需的機械能約為2.1 TW(1 TW=1×1012W)，其中由潮汐提供的約為0.9 TW，剩下的大部分則是由海表風場提供，作用于海面的風應力驅動了表面波和表層流[7]。輸入全球海洋表面波中的風能約57～78.6 TW，大約33～36 TW 耗損在上層海洋的波破碎中，剩余的大部分能量耗散在海灘過程中[3,8-9]。風向海洋表層流的能量輸入可以分為輸入至表層地轉流和表層非地轉流兩個部分。表層非地轉流主要是指埃克曼流[4,10]，輸入的能量主要用于維持埃克曼螺旋，往往被耗散在海洋上層；而向表層地轉流輸入的能量則可以通過埃克曼泵壓/吸的作用轉化為重力位能，進而通過動位能轉換影響深層海洋運動[4,11]。

以往的研究主要估算了風輸入到全球海洋中的能量。基于美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）風應力資料的研究表明，在1997?2002 年間風向世界大洋表面波輸入的平均風能約為60 TW[2]。這一結果與MASNUM (Marine Science Numerical Modeling)模式模擬出的2005 年的結果（57 TW）基本一致[8]，而基于ERS-2 散射計資料得到的結果為78.6 TW，則相對較高[9]。相對于向表面波輸入的能量，向表層地轉流和表層非地轉流輸入的能量則往往小1～2 個量級?；贜CEP/NCAR風場數據和TOPEX/Poseidon 衛星高度計數據的研究表明，向表層流輸入的能量約為1.16 TW，其中約0.87 TW 是通過表層地轉流輸入的[7,12]。當考慮海表流速對海表風應力的影響時，計算得到的風能輸入結果減少了約20%～35%[13]。此外，數據的時間分辨率對結果也有一定的影響，例如Zhai 和Wunsch[14]分析6 小時風場數據算得的輸入地轉流能量值比使用月平均風場提高了約70%。

從Huang 等[7]和Wang 和Huang[3]的研究中可以看出，全球范圍內風能輸入并非均勻分布，存在著明顯區域性風能輸入的高值區，我們將其稱之為風能輸入的門戶區域。這些門戶區域得到了廣泛的研究，首先以南半球咆哮西風帶驅動的南極繞極流區最強[15-16]，其次是赤道信風作用的太平洋區域[10]，最后到各大洋盆的中高緯度區域，其中以南印度洋、北太平洋和北大西洋較為顯著。北大西洋是全球深層環流的發源地，外部機械能的輸入對驅動深層環流的形成非常重要，因而也備受關注[14,17]。但是南印度洋和北太平洋中高緯度地區則往往被人們所忽略。

與南印度洋相比，北太平洋中高緯度地區不僅風向表面波的輸入較強，而且風向表層地轉流以及?？寺鼘虞斎氲哪芰烤诛@著地區別于相鄰海域。由此可見，北太平洋中高緯度地區風能輸入可以維持該海域的各種運動。首先，海表風場驅動了北太平洋表層的副熱帶流渦和副極地流渦。然后，由通風溫躍層理論可知，在冬季北半球中高緯度地區溫躍層抬升并露頭，受到風場的直接作用，驅動的海水沿著等熵面向南輸運。所以風輸入到該區域的能量還是該海域深層運動的主要能量來源之一。因此，對該區域的風能輸入的研究對于進一步認識北太平洋環流場的動力機制有著重要的意義。

本文旨在利用SODA3.4.2 資料（2000?2016 年）分析北太平洋北部（25°～55°N，110°E～110°W）的風能輸入情況，及其門戶區域輸入能量的季節性變化特征和年際變化趨勢。如前文所述，作用于海面的風應力驅動了表面波和表層流，其中輸入到表層流中的一部分（風輸入到地轉流中的能量）可以向深海傳播。因此，本文分別計算了風向表面波、表層地轉流和表層非地轉流中的能量輸入。

2 數據和方法

2.1 SODA 資料介紹

SODA（Simple Ocean Data Assimilation）海洋數據集是美國馬里蘭大學在20 世紀90 年代初采用全球簡單海洋資料同化系統開發的一種資料分析數據，為海洋氣候研究提供了一套與大氣再分析資料類似的海洋再分析資料。該系統在運行過程中同化了大量的觀測資料，是目前使用非常廣泛的一種海洋同化資料，在很多海洋研究中都得到了應用和認可[18-21]。隨著同化技術的發展和觀測資料的更新，SODA 資料已經發展出多個版本，本文采用了最新的SODA3.4.2 版（https://www.atmos.umd.edu/～ocean/）。該數據的水平空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為月平均，垂向分為非等距的40 層。本文選用的數據時間為2000年1 月至2016 年12 月，數據包括水平速度、垂直速度、鹽度、現場溫度、緯向風應力和經向風應力。

太平洋年代際振蕩（PDO）指數是基于北太平洋月平均的海表溫度的主成分定義的，數據網址：http://research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest.txt。采 用的厄爾尼諾?南方濤動（ENSO）指數是多元ENSO 指數，由來自熱帶太平洋的5 個變量計算所得，數據網址：https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/multivariate-enso-index。

2.2 風向表面波能量輸入的計算公式

參考文獻[2]，風向表面波的能量輸入公式為

式中，τ為風應力大?。沪補表示空氣密度，取值1.2 kg/m3；A是計算區域面積。

2.3 風向表面流和地轉流能量輸入的計算公式

參考文獻[22]，風向表面流的能量輸入Ws公式為

式中，us和vs為表面流速；taux和tauy分別為緯向和經向風應力；A為海域面積。

當流速取表層地轉流Vg時，即為風向表層地轉流的能量輸入。地轉流計算公式為

3 風應力和表層流的分布特征和變化趨勢

根據上述的計算公式，不難看出，風能輸入的強弱與風應力和表層流息息相關，因此這里先給出了風應力和表層流及其變化趨勢的季節性空間分布特征，分別如圖1 和圖2 所示。因中緯度西風帶位置的偏移，研究區域內的風場總體上呈現出顯著的夏弱冬強的季節性趨勢。風應力高值區位置的季節性特征尤為明顯，其中，春秋以副極地流渦東部區域為主，夏季以大洋東邊界最強，冬季則以黑潮延伸體最強。而表層流場則不存在明顯的季節性特征。就風應力和流場在17 年內的變化趨勢而言，前者以大尺度的區域變化為主，而后者則因為表層流場包含著大量的中尺度信號而以中尺度的區域變化為主。

圖1 風應力（a?d）及其大小變化趨勢（e?h）的季節性空間分布Fig.1 Seasonal spatial distributions of wind stress (a?d) and their trends (e?h)

圖2 表層流流速（a?d）及其流速變化趨勢（e?h）的季節性空間分布Fig.2 Seasonal spatial distributions of surface currents velocity (a?d) and their trends (e?h)

4 風向表面波的能量輸入

北太平洋北部風向表面波輸入的能量具有明顯的季節性分布的變化特征。如圖3a 至圖3d 所示，研究區域內4 個季節風能輸入門戶的空間位置和能量大小都存在著非常顯著的差異。這里我們人為定義風能輸入的局部高值區為門戶區域，如圖3 中黑線框所示，根據填色的深淺可大致確定春、夏、秋、冬各季節的門戶區域地理范圍分別為（40°～51°N，140°W～

圖3 風向表面波輸入的能量（a?d）及其變化趨勢（e?h）的季節性空間分布Fig.3 Seasonal spatial distributions of wind energy input to surface wave (a?d) and their trends (e?h)

180°）、（30°～45°N，120°～132°W）、（42°～54°N，160°E～140°W）、（32°～45°N，155°E～160°W）。春季，門戶區域位于副極地流渦的東部海域，單位面積上的平均風能輸入約為0.12 W/m2；夏季，大洋內區的風能輸入持續減弱，而在東邊界海區，逐漸形成了以40°N 為中心的局部的風能輸入門戶區域，單位面積上的平均風能輸入約為0.2 W/m2；秋季，此時夏季形成的門戶區域迅速消失，在整個副極地流渦內形成了新的門戶區域，與春季類似，但范圍和強度均稍有增加；冬季，是一年之中風能輸入最強的季節，門戶區域也由秋季的副極地流渦轉移至黑潮延伸區附近。門戶區域內，單位面積上的平均風能輸入可以達到0.35 W/m2。

圖3e 至圖3h 為2000?2016 年之間各個季節的風能輸入變化趨勢的空間分布，即風能輸入在這17 年間增加或減少的量值。首先，就整個研究海域而言，春、秋、冬3 季風能輸入變化比較顯著，夏季則變化不大，主要是因為風能輸入在夏季最弱。而就各個季節的風能輸入的門戶區域而言，也略有不同：春、夏兩季的風能輸入都顯著增加，秋季變化不大，但冬季則呈東部增強，西部減弱的特征，其分界點大約在173°W。也就是說風能高值中心逐漸向東移動。對比圖1 和圖3 可知，風向表面波的能量輸入的分布特征和變化趨勢大體上與風應力一致。

5 風向表層流的能量輸入

表層流可以分解為表層地轉流和表層非地轉流兩部分。表層地轉流可以通過海表高度算出，見公式（3），因此可以分別算出風向表層流和表層地轉流輸入的能量，而風向表層非地轉流輸入的能量則為兩者之差。其中，風向表層地轉流輸入的能量可以通過?？寺梦?壓產生的重力勢能的變化，經動位能的轉化向深海傳遞[7]；而輸入到非地轉流中的能量通過?？寺鼘又械拇瓜蛲牧骱纳H僅用于維持?？寺菪齕4,10]。下文分別給出了風向表層地轉流和表層非地轉流的能量輸入的空間分布及變化趨勢。

與風向表面波能量輸入大體相同的是，風向表層地轉流和非地轉流的能量輸入的空間分布也具有顯著的季節性分布特征，但是四季門戶區域的范圍則略有不同，春、夏、秋、冬各季節的門戶區域地理范圍分別為（35°～51°N，150°E～140°W）、（30°～45°N，120°～

圖4 風向表層地轉流（a?d）和表層非地轉流（e?h）能量輸入的季節性空間分布Fig.4 Seasonal spatial distributions of wind energy input to surface geostrophic current (a?d）and ageostrophic current (e?h)

132°W）、（40°～52°N，160°E～140°W）、（32°～45°N，145°E～160°W）。通過對比圖4 和圖3 可以看出，三者之間的季節性門戶區域整體上保持一致，均呈現為冬季最強，其他季節較弱；夏季的門戶區域位于大洋東邊界等特征。同時也有一些值得注意的差別，從量級上看，風向表層非地轉流的能量輸入小于向地轉流的能量輸入，而且兩者遠小于風向表面波的能量輸入；從風所做功的性質上看，風向表層地轉流的能量輸入在大洋西邊界以及阿拉斯加沿岸海域均為負值，即風場在這些區域內需要對流場做負功，尤其以秋季最為顯著，單位面積上的風所做負功最高可以達到0.02～0.04 W/m2；從細節上看，黑線框所示的風能輸入門戶內的核心位置也有所不同，例如冬季風向表層地轉流的能量輸入的核心位置相對于風向表面波能量輸入的核心位置偏西，而且呈現出自西向東逐漸減弱的趨勢。

與風向表面波能量輸入顯著不同的是風向表層地轉流和非地轉流的能量輸入在同樣的17 年內的變化趨勢。如圖5 所示，變化趨勢的分布呈現出了一種自西向東的帶狀特征，而且增強和減弱的區域交替存在。這種帶狀趨勢的經向寬度約為200～300 km，為明顯的中尺度的特征。由式（1）可知，風向表面波能量輸入的變化主要由風應力的變化引起；而由式（2）可知，風向表層地轉流或表層非地轉流能量輸入的變化則同時由海表風應力以及表層地轉流速或非地轉流速控制。風場中包含的信號以大尺度為主，而地轉流場中不僅包含大尺度信號，還包含了很強的中尺度信號，如渦旋、黑潮大彎曲等。而且這種中尺度過程具有比大尺度過程更高的變化頻率。所以我們可以看到，風向表層地轉流或表層非地轉流能量輸入的空間分布呈大尺度（＞1 000 km）特征，是由風場決定的；而它們的變化趨勢呈中尺度（200～300 km）特征，則是由流場主導的。

6 各季節門戶區域的年際變化

將每個季節的門戶區域作為研究區域，計算了風能輸入各個分量的年平均和區域平均的年際變化（圖6）。春、秋兩個季節門戶的變化趨勢比較相近，而與夏季門戶和冬季門戶相差較大。但是有時也表現出相同的極值特征，如2010 年均呈極大值。本文計算了風能輸入與太平洋的主要氣候模態（PDO 和ENSO）之間的相關性，見表1。春秋季節門戶內，風能輸入的3 個分量與PDO 或ENSO 指數的相關度均較低。但是夏季門戶內，3 個分量與PDO 指數和ENSO 指數均呈較大的負相關；而在冬季門戶內，3 個分量與PDO 指數均呈較大的正相關，與ENSO 指數的相關度則偏小。由此可見冬季門戶內風能輸入受到PDO 的影響更強烈。

7 結論與討論

圖5 風向表層地轉流（a?d）和表層非地轉流（e?h）的能量輸入的變化趨勢Fig.5 Trends of the wind energy input to surface geostrophic current (a?d) and ageostrophic current (e?h)

圖6 2000?2016 年各季節門戶區域內風向表面波（a）、表層地轉流（b）、表層非地轉流（c）能量輸入的年際變化及該時間段內PDO 指數和ENSO 指數的變化趨勢（d）Fig.6 Wind energy input to surface wave (a),surface geostrophic currents (b),surface ageostrophic currents (c) of each seasonal gateway in 2000 to 2016,and the PDO index and ENSO index (d)

本文用SODA3.4.2 資料分析了2000?2016 年間北太平洋北部的風能輸入的情況，主要計算了風向表面波、表層地轉流和表層非地轉流輸入的能量，考察了風能輸入門戶區域的季節性分布特征以及年際變化趨勢。結果表明，北太平洋北部風向表面波、表層地轉流和非地轉流能量輸入的門戶基本一致，均呈顯著的季節性分布。冬季最強，門戶區域位于黑潮延伸體；夏季最弱，門戶區域位于大洋東邊界；春、秋介于兩者之間，門戶區域位于副極地流渦區域。在2000?2016 年間，風向表面波能量輸入的變化趨勢的空間分布由風場變化主導，呈大尺度（＞1 000 km）特征；而風向表層地轉流和非地轉流能量輸入的變化趨勢則由中尺度信號強的流場變化主導，呈中尺度（200～300 km）特征。進入21 世紀以來，秋冬季風能輸入明顯減弱，春季增加，夏季無顯著變化。

表1 各個季節門戶內風能輸入與PDO 指數以及ENSO 指數的相關系數Table 1 Correlation between wind energy input and PDO index and ENSO index in each seasonal gateway

就北太平洋北部而言，風能輸入具有明顯的季節性變化特征，主要是由于受到東亞季風和阿留申低壓的影響，該區域內的表層風場冬強夏弱。輸入到表面波中的能量遠大于輸入到表層流中的能量，前者絕大部分在海洋上層通過海浪破碎、湍流內波等作用下逐步耗散掉，而后者（主要是其中輸入表層地轉流的能量）則通過埃克曼泵吸的作用，向深層傳遞。作為北太平洋風能輸入的主要門戶，風應力向黑潮延伸區的地轉流輸入能量，增加了該地區內的重力位能，一方面加劇了中尺度渦的形成，另一方面誘導了中高緯度海水的潛沉作用，促進了北太平洋南北方向的水體交換。輸入到表層地轉流中的能量呈現出顯著的下降趨勢則與近年來觀測到的海表風場減弱息息相關。總而言之，本文的研究補充了前人對于北太平洋風能輸入門戶研究的不足，系統地計算了風向表面波、表層地轉流及表層非地轉流輸入的能量。但是仍有一些問題有待進一步探究。例如，向該區域內輸入的能量在海洋中是如何分配和耗散的？風輸入到表層地轉流中能量有多少可以向深層傳遞？此外數據的局限性也在一定程度上對結果產生影響，尤其是風能輸入與PDO 或ENSO 之間的相關性。相信在未來的研究中，隨著觀測和模式的發展，我們可以得出更加準確的結果。