黑潮對呂宋海峽全日內(nèi)潮生成與傳播影響的數(shù)值模擬研究?

王嘉琦, 黃曉冬,2??, 王 越, 于海慶

(1. 中國海洋大學(xué)深海多圈與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心 物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島 266100;2. 中國海洋大學(xué)三亞海洋研究院, 海南 三亞 572025; 3.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100;4. 山東大學(xué)海洋研究院, 山東 青島 266237)

受天體引潮力的強迫,海水產(chǎn)生的周期性運動稱為天文潮(也被稱為正壓潮),其普遍存在于全球海洋之中。天文潮與復(fù)雜地形,例如海底山脊、海島、陸架以及陸架坡折區(qū)等區(qū)域[1-5],相互作用后會產(chǎn)生內(nèi)潮。內(nèi)潮生成需要的能量來源于天文潮;天文潮流經(jīng)復(fù)雜粗糙地形使得海水產(chǎn)生垂向上的起伏運動,從而引起海水等密面的變化,激發(fā)內(nèi)潮生成,進(jìn)而在穩(wěn)定層化的海水中傳播。內(nèi)潮在全球海洋中分布廣泛,是大尺度天文潮向小尺度混合傳遞能量的重要紐帶之一[6],其耗散為維持大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流和深?；旌咸峁┐罅磕芰縖7-8],是影響大尺度環(huán)流和全球氣候變化的重要因素[9]。

研究內(nèi)潮的變化特征中,會將內(nèi)潮分解為相干與非相干兩部分[10-12]。內(nèi)潮相干部分與源地正壓潮有著很好的時間對應(yīng)關(guān)系,兩者相位保持一致,可預(yù)測性較強。隨著傳播距離的增加,由于受黑潮、中尺度渦和大尺度環(huán)流等海洋中的多尺度動力過程下引起的背景層結(jié)和背景流等因素的影響,內(nèi)潮的傳播速度、相位以及能量的時空分布特征會發(fā)生顯著改變,相干性減弱,非相干性部分能量顯著增加[11-13],此時源地正壓潮與內(nèi)潮非相干部分相位不再一致,內(nèi)潮的可預(yù)測性變差。另外,在未來進(jìn)行的地表水和海洋地形(Surface water and ocean topography,SWOT)衛(wèi)星任務(wù)[14]對海洋中的中尺度與亞中尺度現(xiàn)象進(jìn)行研究中,如何從觀測數(shù)據(jù)中預(yù)估并剔除非相干內(nèi)潮噪聲信號的影響是內(nèi)潮研究領(lǐng)域目前亟需解決的問題之一。因此,研究內(nèi)潮的非相干部分對于提高對內(nèi)潮的預(yù)測與模擬的準(zhǔn)確性,以及未來亞中尺度動力過程的觀測研究有著重要意義。

南海是西北太平洋最大的邊緣海,通過呂宋海峽與西太平洋相連。在呂宋海峽處東、西側(cè)存在兩個沿南北向的海脊,分別為蘭嶼海脊和恒春海脊。蘭嶼海脊相比于恒春海脊更高,更長且東側(cè)水深更淺,因此呂宋海峽地形復(fù)雜。正壓潮流在呂宋海峽的蘭嶼海脊周圍可達(dá) 1 m/s[15]。復(fù)雜地形與大的正壓潮流速度為強內(nèi)潮的產(chǎn)生提供了良好的條件[16]。大量內(nèi)潮在呂宋海峽生成后,分別向東西兩個方向傳播至太平洋和南海,為南海和西北太平洋的混合和深層環(huán)流提供了能量。強大的天文潮和獨特的雙海脊地形相互作用使呂宋海峽成為全球內(nèi)潮生成的重要源地之一。

呂宋海峽是全球海域全日內(nèi)潮生成最強的區(qū)域[17]。受地球旋轉(zhuǎn)的影響,全日內(nèi)潮比半日內(nèi)潮更易到達(dá)南海南部和西太平洋低緯區(qū)域,尤其是在南海,其影響區(qū)域要大于半日內(nèi)潮[17-18]。因此研究呂宋海峽處全日內(nèi)潮的特征是內(nèi)潮研究領(lǐng)域中重要的組成部分。

呂宋海峽有豐富的海洋動力過程,其中有一支攜帶高溫高鹽水體的北向流動——黑潮。前人研究發(fā)現(xiàn)黑潮起源于北赤道流,攜帶著西北太平洋的高溫水向北流動[19],在經(jīng)過呂宋海峽時,必然對其周圍海域的水文條件(溫度、鹽度與密度)產(chǎn)生影響,進(jìn)而會改變內(nèi)潮的時空變化特征。根據(jù)前人研究,黑潮通常被分為三種形態(tài),分別為“黑潮流套”(loop)、“分支入侵”(leak)與“跨越態(tài)”(leap)三種形態(tài)[20]。黑潮入侵的強弱會影響呂宋海峽生成源地以及傳播路徑上的海水層結(jié),進(jìn)而影響內(nèi)潮的西向能通量傳播[21]。Huang等[22]利用潛標(biāo)陣列組的實測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在暖渦與冷渦期間,黑潮流套脫落成暖渦與冷渦的情況下,對半日內(nèi)潮傳播方向、流速大小均發(fā)生了改變。

黑潮入侵南海會對呂宋海峽內(nèi)潮產(chǎn)生折射作用[23]。Jan等[24]利用三維模式結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑潮入侵會減小全日內(nèi)潮西向傳播能通量,卻能增大半日內(nèi)潮西向傳播能通量;而Ma 等[21]用模式與觀測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑潮入侵會使全日內(nèi)潮的生成增加,但半日內(nèi)潮的生成變化不大,此結(jié)論與Jan等[24]的結(jié)論正好相反。Xu 等[25]利用中國海多尺度海洋環(huán)流模型(China Sea multi-scale ocean modeling system,CMOMS)模式數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下全日內(nèi)潮能量生成顯著強于黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下全日內(nèi)潮能量生成。因此,在呂宋海峽處黑潮在對內(nèi)潮的生成與傳播過程中,前人所得到的結(jié)論并不一致。

根據(jù)上文所討論的內(nèi)容,呂宋海峽處有著豐富而強烈的多尺度動力過程——黑潮和內(nèi)潮,不同形態(tài)下的黑潮會對全日內(nèi)潮的生成與傳播產(chǎn)生顯著影響。但前人在呂宋海峽處黑潮對內(nèi)潮的生成與能通量傳播影響中所得到的結(jié)論并不一致。對于南海內(nèi)潮的非相干性研究大多沒有探究在不同黑潮形態(tài)下的變化。因此,本文將討論在不同黑潮形態(tài)下,呂宋海峽處全日非相干內(nèi)潮的生成與傳播變化。

1 模式數(shù)據(jù)與處理方法

1.1 模式介紹

為探究黑潮對呂宋海峽處全日內(nèi)潮生成與傳播的影響,基于有限體積海岸海洋模式(FVCOM)構(gòu)建一套覆蓋呂宋海峽區(qū)域的環(huán)流-潮汐耦合模型。本模型的經(jīng)緯度范圍為:105°E—130°E,5°N—30°N,而本文研究選取的經(jīng)緯度范圍為117°E—123°E,16°N—23°N(見圖1)。所選取的范圍囊括了黑潮流經(jīng)重點的區(qū)域和內(nèi)潮生成的源地。

(紅實線表示開邊界。The red lines represents open boundary.)

王昭允等[26]對本模型中的網(wǎng)格設(shè)置介紹、初始場數(shù)據(jù)來源以及開邊界強迫均做了詳細(xì)的介紹,在此不做贅述。該模型在垂向上共設(shè)計了 41 個 sigma層,在本文所關(guān)注的呂宋海峽區(qū)域網(wǎng)格分辨率為4 km。尤其是在模式網(wǎng)格設(shè)置中對呂宋海峽進(jìn)行了加密網(wǎng)格處理,增加在呂宋海峽區(qū)域更多位置的模擬。

模型輸出結(jié)果包括三維溫度、鹽度、環(huán)流、流速及海平面高度等,時間分辨率為每小時,空間分辨率為(1/12)°×(1/12)°。該模型計算的時間長度為 2015 年 6 月 1 日—2016 年 9 月 1日,本文采用模型 2015 年 9月 1 日—2016 年 9 月 1 日的一年數(shù)據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究。

1.2 模式驗證

將模式數(shù)據(jù)中的兩大全日正壓分潮(O1、K1)與正壓潮TPXO 7.2數(shù)據(jù)結(jié)果對比,圖2中表明兩者振幅的大小與相位的變化趨勢較一致。此外將模式數(shù)據(jù)表層背景流流速與AVISO高度計地轉(zhuǎn)流流速對比(見圖3),選取在不同形態(tài)黑潮時期,將環(huán)流-潮汐耦合模型表層背景流流速進(jìn)行月平均,分別得到在12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,在3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下與在6月黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下的表層背景流流速并與AVISO高度計地轉(zhuǎn)流流速對比,發(fā)現(xiàn)在不同形態(tài)黑潮時期,模式數(shù)據(jù)表層背景流與AVISO高度計地轉(zhuǎn)流流速兩者較相似。

圖2 模式數(shù)據(jù)中的兩大全日正壓分潮(O1、K1)與TPXO 7.2的正壓潮同潮圖

綜上所述,該FVCOM模式可以很好地模擬出南海北部與呂宋海峽區(qū)域的背景流和正壓潮,也對我們進(jìn)一步利用模式數(shù)據(jù)開展研究奠定了很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 處理方法

將模式數(shù)據(jù)中的溫度、流速進(jìn)行垂向5 m一層的線性插值,計算得到正壓流與斜壓流。參考文獻(xiàn)[27-29]的計算方法,將斜壓流進(jìn)行濾波分析(使用頻帶范圍為[0.85 1.20]cpd)得到全日內(nèi)潮信號作為總項,對全日內(nèi)潮信號進(jìn)行調(diào)和分析得到全日內(nèi)潮相干部分,總項(全日內(nèi)潮信號)剔除全日內(nèi)潮相干部分后所得的差值則為全日內(nèi)潮非相干部分,即:

Ui=U-Uc,

(1)

(2)

(3)

式中:U代表正壓流速;u′表示斜壓流速;p′代表擾動壓強;下標(biāo)i表示內(nèi)潮的非相干部分;下標(biāo)c表示內(nèi)潮的相干部分。

(4)

本文在計算全日內(nèi)潮能通量與能量生成非相干部分中包括了交叉項與完全非相干項,將交叉項包括在全日內(nèi)潮非相干部分中是因為交叉項與完全非相干項均受背景流的影響,所以將其合起來考慮。

為衡量全日非相干內(nèi)潮在內(nèi)潮能量生成與能通量中的比例情況,可以用內(nèi)潮的非相干系數(shù)R來表示其占比情況。

(5)

式中:X表示全日內(nèi)潮的生成量或能通量;Xc表示全日相干內(nèi)潮的生成量或能通量。R越大,代表全日非相干內(nèi)潮的占比越大,內(nèi)潮非相干性越顯著。

Huang等[22]推導(dǎo)出考慮了地球旋轉(zhuǎn)效應(yīng)優(yōu)化的T-G方程:

[f2(U-cp)-k2(U-cp)3]Φ″-f2U′Φ′+

[k4(U-cp)3+k2U″(U-cp)2-k2N2(U-cp)]Φ=0

Φ(0)=Φ(-H)=0。

(6)

為內(nèi)波傳播的相速度。基于Huang等[22]附錄A的計算方法,本文根據(jù)特征值求解方法對優(yōu)化的T-G 方程進(jìn)行數(shù)值求解,最終獲得內(nèi)潮標(biāo)準(zhǔn)化下的傳播相速度。

(7)

2 研究結(jié)果與分析

黑潮通常被分為三種形態(tài),分別為“黑潮流套”(loop)、“分支入侵”(leak)與“跨越態(tài)”(leap)[24]。本文將模式數(shù)據(jù)中的原始流速進(jìn)行低通濾波,得到背景流流速,再將背景流流速進(jìn)行月平均,得到月平均變化的背景流形態(tài):黑潮以“黑潮流套”形態(tài)入侵南海的月份對應(yīng)2015年10、11和12月,2016年4和5月;黑潮“跨越態(tài)”形態(tài)對應(yīng)的月份為2015年9月,2016年6月;黑潮以“分支入侵”形態(tài)入侵南海的月份對應(yīng)為2016年1、2和3月。通過對比每個月的背景流形態(tài),選取與黑潮三種典型形態(tài)相一致所對應(yīng)的月份,得到2015年12月、2016年3月與6月的背景流(見圖4)。

基于模式數(shù)據(jù)選取呂宋海峽區(qū)域的全日正壓潮緯向流速,將其空間平均得到呂宋海峽區(qū)域的全日正壓潮緯向流速的變化。在冬季12月與夏季6月的全日正壓緯向潮流速較強,緯向流速最大可達(dá)0.025 m/s,而春季3月的全日正壓潮流較弱,緯向流速最大僅有0.02 m/s。從圖5看出呂宋海峽處全日正壓潮緯向流速有明顯的季節(jié)變化,對于不同季節(jié)的內(nèi)潮變化,正壓潮流對內(nèi)潮的影響遠(yuǎn)強于黑潮對內(nèi)潮的影響。

圖5 全日正壓潮緯向流速

2.1 黑潮對全日內(nèi)潮能量生成的影響

在呂宋海峽區(qū)域,分別在其東、西、南和北側(cè)選取122.5°E、120°E,18.5°N—22°N的斷面,探究在不同黑潮形態(tài)下,全日內(nèi)潮的能量生成與其非相干部分能量生成占比。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)、春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)、夏季6月黑潮“跨越態(tài)”形態(tài)下,全日內(nèi)潮與其非相干部分能量生成的結(jié)果如圖6所示。

全日內(nèi)潮能量生成與其非相干部分能量生成在呂宋海峽的東脊與西脊處較大。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,在呂宋海峽處全日內(nèi)潮能量生成為16.30 GW,非相干部分能量生成為2.70 GW,非相干部分能量生成占比達(dá)16.6%;在春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,全日內(nèi)潮能量生成為11.46 GW,非相干部分能量生成的為-1.05 GW,非相干部分能量生成占比達(dá)9.2%;在夏季6月黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下,全日內(nèi)潮能量生成為13.04 GW,非相干部分能量生成為1.84 GW,非相干部分能量生成占比達(dá)14.1%。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,呂宋海峽處全日內(nèi)潮能量生成最大,而在春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,呂宋海峽處全日內(nèi)潮能量生成最小。

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,全日內(nèi)潮非相干部分能量生成的占比強于在黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)與黑潮的“分支入侵”形態(tài)下的全日內(nèi)潮能量生成與其非相干部分的占比。

2.2 黑潮對全日內(nèi)潮能通量的影響

從圖7可知,在不同黑潮形態(tài)下,全日內(nèi)潮能通量在呂宋海峽處分別向東、向西傳播。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,呂宋海峽西側(cè)斷面處全日內(nèi)潮能通量向西傳播3.58 GW,其非相干部分能通量為0.78 GW,非相干部分占比達(dá)21.7%,呂宋海峽東側(cè)斷面處全日內(nèi)潮能通量向東傳播2.01 GW;在春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,呂宋海峽西側(cè)斷面處全日內(nèi)潮能通量向西傳播2.41 GW,其非相干部分能通量為-0.41 GW(向呂宋海峽內(nèi)傳播,方向向東),非相干部分占比達(dá)17.0%,呂宋海峽東側(cè)斷面處全日內(nèi)潮能通量向東傳播1.23 GW;在夏季6月黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下,呂宋海峽西側(cè)斷面處全日內(nèi)潮能通量向西3.22 GW,其非相干部分能通量為0.60 GW,非相干部分占比達(dá)18.6%,呂宋海峽東側(cè)斷面處全日內(nèi)潮能通量向東傳播1.87 GW(見圖7)。

在不同黑潮形態(tài)下,全日內(nèi)潮能通量的非相干性發(fā)生顯著變化。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下全日非相干內(nèi)潮能通量的占比達(dá)21.7%,其占比強于黑潮的“分支入侵”與“跨越態(tài)”形態(tài)下全日內(nèi)潮非相干部分能通量的占比。在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,全日內(nèi)潮非相干性顯著強于春季3月黑潮的“分支入侵”與夏季6月黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下的全日內(nèi)潮非相干性。其中,春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,在呂宋海峽西側(cè)斷面處全日內(nèi)潮非相干部分的能通量傳播方向變?yōu)橄驏|傳播,全日內(nèi)潮非相干部分能通量顯著減小。全日內(nèi)潮非相干部分能通量減弱的原因是由于全日內(nèi)潮非相干部分的能量生成顯著減少,在春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,全日非相干內(nèi)潮能量生成僅為-1.05 GW(見圖6)。

2.3 全日內(nèi)潮傳播速度變化率

根據(jù)Huang等[23]計算傳播速度的方程,計算在三種黑潮形態(tài)下,呂宋海峽區(qū)域處的傳播速度。

在呂宋海峽區(qū)域,黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,傳播速度的變化率最大,可達(dá)0.5;而在黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,傳播速度在呂宋海峽較小,傳播速度的變化率僅為0.2,逐漸向西傳播速度減小,在呂宋海峽西側(cè)傳播變化率可達(dá)0,表明在黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,呂宋海峽西側(cè)的傳播速度顯著減少。在黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下,呂宋海峽區(qū)域的傳播速度變化率為0.3,而后逐漸向西傳播速度變化率為0.1(見圖8)。

圖8 三種不同的黑潮形態(tài)下全日內(nèi)潮傳播速度的變化率

在呂宋海峽,冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,全日內(nèi)潮非相干性的占比最大。具體表現(xiàn)在全日內(nèi)潮非相干性能量生成最大,其傳播速度變化率最大。由于傳播速度會影響全日內(nèi)潮的位相,從而會影響全日內(nèi)潮的非相干性,導(dǎo)致在呂宋海峽內(nèi)非相干性最強。而在黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,全日內(nèi)潮非相干性的占比最小,全日內(nèi)潮非相干性能量生成最小,其傳播速度變化率最小,由于傳播速度會影響全日內(nèi)潮的位相,從而會影響全日內(nèi)潮的非相干性,導(dǎo)致在呂宋海峽內(nèi)非相干性最弱。

3 總結(jié)與展望

本文基于數(shù)值模型的結(jié)果,對呂宋海峽區(qū)域三種不同形態(tài)黑潮對全日內(nèi)潮生成與傳播影響展開了研究。得到的主要結(jié)果如下:

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,全日內(nèi)潮能量生成為16.30 GW,非相干部分能量生成為2.70 GW,非相干部分能量生成占比達(dá)16.6%;能通量西向傳播3.58 GW,全日非相干內(nèi)潮能通量為0.78 GW,非相干部分占比達(dá)21.7%,能通量東向傳播2.01 GW。

在春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,全日內(nèi)潮能量生成為11.46 GW,非相干部分能量生成的為-1.05 GW,非相干部分能量生成占比達(dá)9.2%。能通量西向傳播2.41 GW,全日內(nèi)潮非相干部分的能通量為0.41 GW(向呂宋海峽內(nèi)傳播,方向向東),非相干部分占比達(dá)17.0%,東向傳播1.23 GW。

在夏季6月黑潮的“跨越態(tài)”形態(tài)下,全日內(nèi)潮能量生成為13.04 GW,非相干部分能量生成為1.84 GW,非相干部分能量生成占比達(dá)14.1%;能通量西向傳播3.22 GW,其中非相干部分為0.60 GW,非相干部分占比達(dá)18.6%,東向傳播1.87 GW。

通過對三種不同黑潮形態(tài)下全日內(nèi)潮及其非相干部分的能量生成進(jìn)行對比,我們發(fā)現(xiàn):受冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)影響,全日內(nèi)潮與全日非相干內(nèi)潮的能量生成最大,其非相干部分的占比也最大,強于“分支入侵”形態(tài)與“跨越態(tài)”形態(tài)下全日內(nèi)潮的能量生成與占比。

在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下,全日內(nèi)潮傳播速度變化率最大,由于傳播速度會影響全日內(nèi)潮的位相,從而會影響全日內(nèi)潮的非相干性,使得在呂宋海峽處全日內(nèi)潮非相干性增強。此外,在冬季12月黑潮的“黑潮流套”形態(tài)下全日內(nèi)潮能量生成最大,使得全日內(nèi)潮非相干部分西傳能通量增強,加強了呂宋海峽處全日非相干內(nèi)潮的變化。而在春季3月黑潮的“分支入侵”形態(tài)下,全日內(nèi)潮傳播速度變化率最小,由于傳播速度會影響全日內(nèi)潮的位相,使得全日內(nèi)潮的非相干性減弱。此外,全日內(nèi)潮非相干性能量生成最小(為負(fù)值),全日內(nèi)潮西傳能通量減少,減弱了呂宋海峽處全日非相干內(nèi)潮的變化。綜上,全日內(nèi)潮非相干部分能量通量隨黑潮流態(tài)的變化,一方面與呂宋海峽波速變化有關(guān),另一方面與內(nèi)潮的能量生成有關(guān)。

因此,通過模式結(jié)果發(fā)現(xiàn)在三種黑潮形態(tài)下,呂宋海峽區(qū)域的全日內(nèi)潮生成與傳播的時空分布特征存在明顯差異,不同形態(tài)的黑潮會產(chǎn)生不同動力過程,使得全日內(nèi)潮的非相干性產(chǎn)生重要變化。這為更深入了解黑潮對呂宋海峽全日內(nèi)潮的影響打下一定的基礎(chǔ)。此外,背景流與內(nèi)潮之間的非線性相互作用過程也會影響全日內(nèi)潮的非相干性,在接下來的研究中可以進(jìn)一步探究在呂宋海峽區(qū)域不同形態(tài)黑潮與全日內(nèi)潮的非線性相互作用過程,如何影響全日內(nèi)潮的非相干性變化。