HYCOM模式對(duì)東海黑潮的氣候態(tài)模擬

白志鵬，高松，王海棠

（1. 61741部隊(duì)，北京100081；2. 國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266033；3. 青島環(huán)海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266033）

HYCOM模式對(duì)東海黑潮的氣候態(tài)模擬

白志鵬1，高松2，王海棠3

（1. 61741部隊(duì)，北京100081；2. 國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266033；3. 青島環(huán)海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266033）

使用三重嵌套的HYCOM（The HYbrid Coordinate Ocean Model）數(shù)值模式模擬氣候態(tài)東海黑潮。模式水平分辨率從大區(qū)模式的1°×1°cosθ提高到小區(qū)模式的1/8°×1/8°cosθ。對(duì)模擬結(jié)果的分析表明： (1) 高水平分辨率模式對(duì)黑潮特征量的模擬有明顯的改進(jìn)。這些改進(jìn)主要由兩方面的原因引起：地形分辨率的提高和改善的斜壓效應(yīng)。 (2) 小區(qū)模式的模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了PN斷面的垂向結(jié)構(gòu)?；痉从沉薖N斷面流速和流量的季節(jié)變化規(guī)律。夏季流速最強(qiáng)、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春兩季處于過渡期。(3) 模式成功地模擬出東海黑潮東側(cè)的逆流。該逆流流速穩(wěn)定，夏季流速略大。 (4) 模式模擬出了PN斷面的流速雙核結(jié)構(gòu)。

HYCOM模式；黑潮；PN斷面

黑潮是一支強(qiáng)太平洋西邊界流，它不但對(duì)東亞的區(qū)域氣候有重要的影響，而且還影響全球的氣候變化。黑潮源于北赤道流在菲律賓海域的北向分支（Nitani，1972）[1]，它由臺(tái)灣東側(cè)進(jìn)入東海的東側(cè)后大致沿最大地形坡折流向東北，再流經(jīng)吐噶喇海峽，沿著日本南部海岸加速向東偏轉(zhuǎn)。最后，它離開本州島流入太平洋形成黑潮延伸體[2]。中國(guó)從20世紀(jì)80年代中期開始多次對(duì)黑潮進(jìn)行聯(lián)合調(diào)查研究[3-6]，揭示了黑潮的海流狀況、水文特征、垂直結(jié)構(gòu)等，為探索黑潮流域洋流變化的規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。劉增宏等（2004）[7]，利用衛(wèi)星跟蹤表面漂流浮標(biāo)所取得的漂流路徑和表層溫度資料，進(jìn)一步揭示黑潮表層海流及其流路的特征（圖1B）。

近年來，對(duì)黑潮的數(shù)值研究多使用傳統(tǒng)的垂向單一坐標(biāo)模式（如：POM模式[8]、MOM2模式[9]、MICOM模式[10]、POM嵌套模式[11,12]、RIAMOM模式[13]），但由于黑潮流域海底地形陡變和強(qiáng)斜壓性等特點(diǎn)，造成z-level模式海底地形處理和sigma模式壓強(qiáng)梯度力計(jì)算的困難。Isopycnic模式雖然克服了上述的缺點(diǎn)，但在淺海海域該模式存在垂向分層處理的困難。為了克服這些問題，本文嘗試采用 HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 混合垂向坐標(biāo)海洋模式模擬黑潮流系，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)東海黑潮的模擬能力，以期對(duì)黑潮的流路和垂向結(jié)構(gòu)等有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解。

圖1 1953年到1984年GEK數(shù)據(jù)集的東海黑潮平均海表流場(chǎng)和Argos浮標(biāo)的漂移軌跡A) 1953年到1984年 GEK數(shù)據(jù)集的東海黑潮平均海表流場(chǎng)[2]B) Argos浮標(biāo)的漂移軌跡[7]）Fig. 1 Surface mean currents in the East China Sea derived from GEK data from 1953 to 1984 and Trajectories of Argos drifters A) Surface mean currents in the East China Sea derived from GEK data from 1953 to 1984[2];B) Trajectories of Argos drifters [7]

1 HYCOM模式簡(jiǎn)介及設(shè)置

HYCOM 數(shù)值模式是一個(gè)全球海洋環(huán)流模式，它的最大特點(diǎn)是采用由等深（z-level）坐標(biāo)、sigma(terrain-following coordinate) 坐標(biāo)和等密度 (isopycnic coordinate) 坐標(biāo)相結(jié)合的垂向混合坐標(biāo)，即在開闊的海域采用等密度坐標(biāo)，在近岸海域采用sigma坐標(biāo)，而在混合層和層結(jié)不穩(wěn)定的海域采用等深坐標(biāo)。它的另一個(gè)特點(diǎn)是模式嵌入了多種湍混合模塊以供選擇，如K-T方案、KPP方案等。近年來，該模式被廣泛地用于大洋和區(qū)域海洋的研究[14-17]。

本文通過三重嵌套技術(shù)將水平計(jì)算分辨率從大區(qū)模式的 1°×1°cosθ（ 是緯度）提高到中區(qū)模式的1/4°×1/4°cosθ，再到小區(qū)模式的 1/8°×1/8°cosθ。各區(qū)域的計(jì)算范圍為：大區(qū)為 20°S－62°N，100°E－65°W；中區(qū)為 11°S－63°N，100°E－10°W；小區(qū)為 23.5°N－44°N，118°E－150°E（圖 2a）。

模式地形基于ETOP05數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑處理得到。圖2B、圖2C、圖2D是小區(qū)計(jì)算區(qū)域內(nèi)，三個(gè)模式使用的地形。三個(gè)模式地形主要的不同表現(xiàn)在東海陸架區(qū)域和一些海山的形狀。大區(qū)模式地形與真實(shí)地形相比過于平滑，中區(qū)和小區(qū)模式地形有了很大的改善，相比較而言小區(qū)模式地形最接近真實(shí)地形。兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在100 m到2 000 m等深線處。

在三個(gè)嵌套區(qū)域，本文采用相同的海表參考?jí)簭?qiáng)分層方案，共分 22層，各層的參考目標(biāo)位密值為：19.5, 20.24, 20.98, 21.72, 22.46, 23.20, 23.94, 24.64, 25.22, 25.70, 26.11, 26.44, 26.72, 26.95, 27.14, 27.30, 27.44,27.56, 27.66, 27.74, 27.80, 27.84。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于能保證上5層的位密值小于任何海水位密，使模式的上5層為固定的等深坐標(biāo)，確保上混合層的精度。

模式的初始場(chǎng)使用Levitus 1月份氣候態(tài)月平均溫、鹽場(chǎng)。選用KPP垂向混合子模型，KPP混合方案的參數(shù)選用與Halliwell（2004）[18]相同。模式采用COADS（分辨率為1° × 1°）海氣通量數(shù)據(jù)集。選擇非常數(shù)塊體系數(shù)公式與模式相結(jié)合[19]。

大區(qū)模式運(yùn)行25年后，輸出第21 ～ 25 a的結(jié)果作為中區(qū)模式的背景場(chǎng)。繼續(xù)運(yùn)行中區(qū)模式5 a，輸出第3 ～ 5 a結(jié)果作為小區(qū)模式的背景場(chǎng)。繼續(xù)運(yùn)行小區(qū)模式3 a，輸出小區(qū)第3 a結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 三重嵌套模式各區(qū)的計(jì)算范圍和模式地形A) 三重嵌套模式各區(qū)的計(jì)算范圍；B) 小區(qū)計(jì)算區(qū)域內(nèi)大區(qū)模式地形；C) 小區(qū)計(jì)算區(qū)域內(nèi)中區(qū)模式地形；D) 小區(qū)模式地形 (單位：m)PN 表示PN斷面的位置Fig. 2 Domain of triply nested models and Model depths (m)A) Domain of triply nested models; B) Model depths of Nest 1; C) Model depths of Nest 2; D) Model depths of Nest 3;PN denotes the observational hydrographic line in the East China Sea (known as the PN line)

2 模式水平分辨率的提高對(duì)模擬結(jié)果的影響

2.1 表層流場(chǎng)結(jié)果分析

圖3為模式年平均表層 (15 m)的流場(chǎng)分布。模式各區(qū)模擬結(jié)果相比，大區(qū)模擬的東海黑潮流速較弱、流幅也較寬；中區(qū)的結(jié)果與大區(qū)相比有了很大地改善，但是中區(qū)在琉球群島（26oN, 126oE）附近黑潮出現(xiàn)多余的分支；小區(qū)模擬的結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果最為接近，東海黑潮流軸的流速基本在100 cm/s左右。黑潮流軸在30oN附近向東偏轉(zhuǎn)，沿日本南岸和東南岸向東北方向流動(dòng)，在40oN, 142oE附近與親潮匯合，形成黑潮延伸體。由此可見，模式水平分辨率提高后，能更好地模擬黑潮流場(chǎng)。小區(qū)模式對(duì)黑潮兩種經(jīng)典流徑（圖4）的成功模擬，進(jìn)一步為本結(jié)論提供佐證，從圖3中可以看出本模擬的黑潮流徑與圖4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果[20]十分相似。

2.2 PN斷面各要素年平均結(jié)果分析

PN斷面是東海的著名斷面，本文取PN斷面的年平均流速、位溫、位密的模式結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著模式分辨率的提高，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更加接近。PN斷面年平均的模式結(jié)果見圖5。如圖5所示，三個(gè)模式都模擬出了較強(qiáng)的流核，大約位于陸架上方水深100 m處。從圖5中可以看出，黑潮流核強(qiáng)度和位置以及垂向結(jié)構(gòu)都對(duì)模式水平分辨率非常敏感。黑潮流核速度從大區(qū)的25 cm/s加強(qiáng)到小區(qū)的80 cm/s，這主要是由陸架坡度分辨率的提高和增強(qiáng)的斜壓效應(yīng)引起的。

圖3 模式年平均表層 (15 m)各區(qū)流場(chǎng)分布Fig. 3 Model surface (15 m) annual mean currents. The chart is in turn： Nest 1, Nest 2, Nest 3

由于三個(gè)模式使用相同的海表風(fēng)場(chǎng)和海表熱通量數(shù)據(jù)集，因此各模式的PN斷面水體通量基本保持一致，凈流量約27 Sv，這與袁耀初和劉勇剛等的研究結(jié)果[5,6,21,22,24-28]是一致的。陸架坡度分辨率從大區(qū)到小區(qū)不斷提高，對(duì)應(yīng)的PN斷面的面積逐漸減小，刻畫的陸坡更接近真實(shí)情況。在水體通量保持不變的前提下，PN斷面的流速逐漸增強(qiáng)。而增強(qiáng)的斜壓效應(yīng)對(duì)模式結(jié)果的影響主要表現(xiàn)為，流核的流速逐漸增強(qiáng)，流核以下的流速迅速減小，小區(qū)結(jié)果在海槽底部甚至出現(xiàn)負(fù)值（西南向流）。這一現(xiàn)象可以通過“熱成風(fēng)關(guān)系”解釋。由于在小區(qū)模式中流核周圍等溫線和等密線的梯度明顯加大，產(chǎn)生更強(qiáng)的斜壓效應(yīng)，使流核的流速明顯增強(qiáng)。為了滿足水體通量的平衡，流核以外的流速必然減小。

此外，中區(qū)模式和小區(qū)模式模擬出了黑潮東側(cè)存在逆流，深度可達(dá)海槽底部，小區(qū)模式平均流速約為20 cm/s。這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[5,6]的水文調(diào)查資料分析結(jié)果基本相符。劉勇剛等[5,6]利用1992－1994年每年4個(gè)航次的資料得出的分析結(jié)果顯示：黑潮以東及黑潮以下都存在逆流，最大流速約在15 ～ 40 cm/s之間。陳紅霞等[23]也得出過類似的結(jié)果，但逆流流速較小，最大值約為15 cm/s。

3 PN斷面季節(jié)變化分析

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)東海黑潮作了大量科學(xué)調(diào)查研究，以東海PN斷面（圖2）為例，研究計(jì)算了1985－1998年黑潮PN斷面流量的年變化與季節(jié)變化[5,6,21,22,24-28]。 這些計(jì)算結(jié)果表明, 黑潮流量的多年統(tǒng)計(jì)季節(jié)平均值在夏季時(shí)最大, 秋季最小，多年平均值為27.0 Sv。圖6為小區(qū)冬、春、夏、秋四季的PN斷面的流速。從圖6中可以看出，模式模擬的PN斷面流速和流量夏季最大，分別為100 cm/s和29 Sv；秋季最小分別為80 cm/s和21.68 Sv；春、冬兩季介于兩者之間。這與上述文獻(xiàn)的結(jié)果相一致。

圖4 黑潮流徑實(shí)測(cè)值與模擬值比較A) 1959年1月到1960年3月實(shí)測(cè)結(jié)果分析的黑潮流徑 (Shoji，1972); B) 模擬的黑潮“大彎曲”路徑 (t=322 d); C) 模擬的黑潮無彎曲路徑 (t=138 d)Fig. 4 Map of the Kuroshio path A) Patterns of the observed Kuroshio paths from January 1959 to March 1960; B) The model large-meander path of the Kuroshio (t=322 d);C) The model no-large-meander path of the Kuroshio (t=138 d)

圖5 PN斷面年平均的模式結(jié)果依次為：上圖為大區(qū)（NEST 1）流速（vec）（A1）、位溫（T）（A2）、位密（r）（A3）；中圖為中區(qū)（NEST 2）流速（B1）、位溫（B2）、位密（B3）；下圖為小區(qū)（NEST 3）流速（C1）、位溫（C2）、位密（C3）。流速負(fù)值被填充為陰影。模式的輸運(yùn)量被標(biāo)在流速圖中（VT-net 是凈輸運(yùn)量、VT-pos是正輸運(yùn)量、VT-neg是負(fù)輸運(yùn)量）Fig. 5 Vertical distribution of annual model results at PN line ： The chart is in turn ： NEST 1 velocity (vec) (A1), potential temperature (T) (A2), and potential density (r) (A3); NEST 2 velocity, potential temperature, and potential density (B1, B2, B3) ; NEST 3 velocity, potential temperature, and potential density(C1, C2, C3)Regions with negative values of alongshelf velocity are shaded; model calculated volume transports are shown in chart of velocity . (VT-pos and VT-neg are volume transports calculated whit positive and negative alongshelf velocity , respectively ; VT-net represents a sum of VT-pos and VT-neg)

圖6 小區(qū)PN斷面的流速分布：依次為冬 (A)、春 (B)、夏 (C) 和秋 (D)陰影為負(fù)值。流量值在圖的左邊模式的輸運(yùn)量被標(biāo)在流速圖中（VT-net 是凈輸運(yùn)量、VT-pos是正輸運(yùn)量、VT-neg是負(fù)輸運(yùn)量）Fig. 6 Vertical velocity distribution of NEST3 model results at PN line： winter (A), spring (B), summer (C), autumn (D). Regions with negative values of alongshelf velocity are shaded; model calculated volume transports are shown in chart of velocity. (VT-pos and VT-neg are volume transports calculated whit positive and negative alongshelf velocity, respectively; VT-net represents a sum of VT-pos and VT-neg)

圖7 小區(qū)PN斷面的位溫 (T)、位密分布 (r) ：A－D依次為冬、春、夏和秋位溫分布。E－H依次為冬、春、夏和秋位密分布Fig. 7 Vertical distribution of potential temperature (T), and potential density (r) of NEST3 model results at PN line： A～D is potential temperature of winter,spring, summer, autumn；E～H is potential density of winter, spring, summer and autumn

圖7為小區(qū)PN斷面的位溫、位密分布。從圖7中可以看出，冬、春兩季的位溫、位密在PN斷面上層水平梯度大，垂向梯度小，黑潮流核處（約126°E）的位溫約為20℃，而在123°E位溫僅為8℃左右。夏季位溫的分布與冬、春兩季相反,在 PN斷面上層位溫垂向梯度很強(qiáng)，水平梯度較弱,位溫從表層的 29℃迅速下降到200 m處的18℃左右。位密分布也有相似的特征。這樣的分布特征主要由東海的氣候特征決定。以位溫分布為例，冬季東海受亞洲大陸高壓影響，以偏北風(fēng)為主，平均風(fēng)速可達(dá)9 ～ 10 m/s，這使得上層海水充分混合。黑潮從赤道地區(qū)帶來的高溫海水沿著東海大陸坡流動(dòng)，導(dǎo)致等密度面向大陸架上方傾斜，形成了黑潮次表層水向大陸架上方涌升的現(xiàn)象，同時(shí)黑潮流幅向西側(cè)擴(kuò)展。夏季，海表熱輻射增強(qiáng)，局地溫度升高，全海區(qū)水溫大致為26℃ ～ 29℃，與黑潮主流溫度基本相同。

因此，PN斷面的溫度水平梯度很小。同時(shí)，夏季以較弱的偏南風(fēng)為主，平均風(fēng)速僅有5 ～ 6 m/s，東海上層海水層結(jié)穩(wěn)定，致使垂向梯度明顯，黑潮流軸穩(wěn)定，流幅較窄。春、秋兩季是過渡時(shí)期，上層海水介于冬季強(qiáng)混合和夏季強(qiáng)層結(jié)之間。

4 PN斷面雙核結(jié)構(gòu)分析

從袁耀初（1991）[29]發(fā)現(xiàn)黑潮PN斷面有兩個(gè)流核結(jié)構(gòu)以來，許多國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)PN斷面的流核結(jié)構(gòu)做了大量的研究，結(jié)果表面PN斷面存在單核、雙核結(jié)構(gòu)[3,5,6,23]。

本文通過對(duì)模擬結(jié)果的分析比較發(fā)現(xiàn)，模擬的流速結(jié)果在PN斷面主要分為兩類：?jiǎn)魏撕碗p核結(jié)構(gòu)。如圖8 A、圖8 B、圖8 C分別為小區(qū)運(yùn)行第3 a的t = 196 d，t = 016 d和t = 250 d時(shí)模擬的PN斷面流速分布，圖8 A為典型的單核結(jié)構(gòu)，圖8 B、圖8 C為雙核結(jié)構(gòu)。圖8 A中流核位于陸坡上（126.5 °E），流核深度約為100 m，形狀為不規(guī)則的橢圓形，流核西側(cè)流速變化相對(duì)強(qiáng)烈，東側(cè)流速變化相對(duì)緩慢，這體現(xiàn)了大洋環(huán)流的西邊界強(qiáng)化特征。圖8 B中最明顯的特征是有兩個(gè)流速為正值的流核，兩個(gè)流核也都位于陸坡之上，流核間的距離約為 50 km并呈平行排列，且主軸的西側(cè)流速變化比東側(cè)強(qiáng)烈，西側(cè)流核深約30 m，流速約65 cm/s，東側(cè)流核深約100 m，流速約80 m/s。圖8 C為模式模擬的另一種雙核結(jié)構(gòu)，與圖8 B相比，兩個(gè)流核呈斜線上下排列，上部流核深約40 m，下部流核深約150 m，流速分別約為120 cm/s和105 cm/s。本文的圖8 A、圖8 B和圖8 C的流核結(jié)構(gòu)均與文獻(xiàn)[6]根據(jù)水文資料分析的結(jié)果（圖8 D、圖8 E和圖8 F）基本一致或十分相似，但圖8F的流速較大。

5 結(jié)論與展望

使用三重嵌套的HYCOM數(shù)值模式模擬氣候態(tài)東海黑潮的模擬得出如下結(jié)論：

a）高水平分辨率模式對(duì)黑潮特征量的模擬有明顯的改進(jìn)。這些改進(jìn)主要由兩方面的原因引起：地形分辨率的提高和改善的斜壓效應(yīng)。

b）小區(qū)模式的模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了PN斷面的垂向結(jié)構(gòu)。結(jié)果基本反映了PN斷面流速和流量的季節(jié)變化規(guī)律：夏季流速最強(qiáng)、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春兩季處于過渡期。

c）模式成功地模擬出東海黑潮東側(cè)的逆流（該逆流流速穩(wěn)定，夏季流速略大）和PN斷面的流速雙核結(jié)構(gòu)。

模式雖然較好地模擬了東海黑潮的時(shí)空特征和PN斷面的垂向結(jié)構(gòu)，但對(duì)PN斷面流速雙核結(jié)構(gòu)的成因沒有給出滿意的解釋，需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究，并在此基礎(chǔ)上探討東海黑潮多流核結(jié)構(gòu)的成因，以及東海黑潮流量、流徑的變化與黑潮大彎曲之間的聯(lián)系。

圖8 PN斷面流核結(jié)構(gòu)A 模式單核結(jié)構(gòu)；B, C模式雙核結(jié)構(gòu)；D觀測(cè)單核結(jié)構(gòu)；E, F觀測(cè)雙核結(jié)構(gòu)。（E, D, F 引自文獻(xiàn)[22]）Fig. 8 Current core structure of PN line(A) Model signal core ; (B, C) Model double core; (D) Model signal core[22]; (E, F) Observation double core[22]

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A HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) for simulating the climatological Kuroshio in the East China Sea

BAI Zhi-peng1, GAO Song2, WANG Hai-tang3

(1. 61741 Troops of PLA, Beijing 100081, China;2. North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China;3. Qingdao Huanhai Marine Engineering Prospecting Institute, Qingdao 266033, China)

A triply nested HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) was used to simulate the climatological Kuroshio in the East China Sea. The model resolution increases from 1°×1° costo 1/8°×1/8° cos . The following conclusions can be deduced from the numerical results： (1) The higher-resolution model can improve the simulation results of Kuroshio, which is mostly caused by better representation of topography and baroclinicity; (2) The higher-resolution model results reproduce the water vertical structure of PN section, and generally reflect seasonal variation rule of current velocity and current flux at PN section. In summer, current velocity is the strongest and current flux is the largest, while in autumn, current velocity is the weakest and current flux is the lowest, and the values in winter and spring are between those of summer and autumn; (3) The model successfully simulates the countercurrent in the east of Kuroshio, which is steady and comparatively larger in summer; (4) The model simulates the double core structure of Kuroshio at PN section.

HYCOM; Kuroshio; PN section

P731.27

A

1001-6932 (2010)02-0121-09

2008-12-12；

2009-06-04

白志鵬（1982－），男，天津人，助理工程師，碩士，主要從事海洋環(huán)流方面研究。電子郵箱：looeybai@hotmail.com