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台湾西南部海域流—涡结构及其演变规律研究

南峰  
【摘要】:黑潮通过吕宋海峡在台湾西南部海域入侵南海,因其携带西太平洋水进入南海且最大流速可达1m/s以上,对南海北部温盐结构、环流、涡旋等有重大影响。因此黑潮入侵南海一直是南海研究的关键问题。由于航次观测空间和时间上都不能保证连续性,而数值模式结果又无法得到充分验证以保证其准确性,因此黑潮通过何种途径(黑潮南海分支、黑潮流套和黑潮跨越吕宋海峡)入侵南海一直存在争议。如何建立一个客观的指标来判断和区分黑潮何时以何种流径入侵南海是认识和解决黑潮入侵问题的关键之所在,也是理论上解释黑潮入侵南海动力机制的基础。台湾西南部海域是中尺度涡高发区,虽然前人对冬季从黑潮中脱离出来的反气旋涡有一定认识,但对其他季节涡旋产生特征、运动规律、产生的具体机制尚不清楚,是否与黑潮流径变化有关需要进一步证明。此外,黑潮入侵南海的年代际变化以及台湾西南部海域中尺度涡产生概率的年代际变化为何也尚不清楚。本文综合利用历史上和近年来在吕宋海峡海域的航次观测资料、Argo浮标资料、卫星观测资料和数值模式结果,系统地研究了台湾西南部海域的流-涡结构及其演变规律。揭示了黑潮入侵南海流径的变化规律;提出了黑潮流径变化是台湾西南部中尺度涡产生主要机制的观点;证实了在过去20年中黑潮入侵南海有逐渐减弱和台湾西南部中尺度涡产生概率有逐渐减小的变化趋势。本文取得的主要创新成果如下: (1)黑潮主要通过巴林塘海峡向东北方向进入南海,有三种主要流径:黑潮南海分支、黑潮流套和黑潮跨越吕宋海峡并不入侵南海。利用海面高度计资料,首次建立了黑潮入侵南海三种流径的判定指标,并把三种流径分别命名为Leaking流径、Looping流径和Leaping流径,即3L模型。Leaking流径特征为黑潮在经过吕宋海峡时有一分支进入南海,温盐资料分析得出该分支向西可越过120°E最远时甚至可达112°E,在纬向上最远向南可越过18°N;Looping流径特征为黑潮通过巴林塘海峡后向西进入南海,然后大部分黑潮水在台湾岛南部折回,在台湾西南部形成黑潮流套,还有少部分黑潮水进入南海内部;Leaping流径特征为黑潮通过巴林塘海峡后向西进入南海,基本不越过120°E然后折回,这种情况下通过吕宋海峡的黑潮通量最小,甚至有南海水流向西太平洋。三种流径可以由一种流径在几个周内就向另一种转变。由于卫星资料只能反映表面流特征,把该指标应用到HYCOM模式输出结果,可反映表层及以下三种流径流场特征。利用模式结果对三种流径产生的动力机制做了初步分析。 (2)利用卫星海面高度计资料和W参数法判定台湾西南部海域中尺度涡,统计分析了台湾西南部海域从1992年10月到2009年10月间中尺度的产生、运动规律。该海域冬季主要为反气旋涡,这与以前关于冬季反气旋涡容易从黑潮流套中脱离出来的观点基本一致。与前人观点不同的是夏季台湾西南部主要被气旋涡占据,而过去17年中总的气旋涡个数是反气旋涡个数的1.5倍,这为我们首次发现。平均而言,该区域产生的反气旋涡比气旋涡要强,具有更大的涡动能,能携带更多的能量。冬季产生的反气旋涡产生后一直沿南海北部陆坡边缘向西运动,最远的可越过东沙群岛,而夏季产生的气旋涡产生后不容易向西运动,个别向西运动的也没有越过东沙群岛。涡旋在运动过程中不断与背景流和周围涡旋相互作用,增加了涡旋运动规律的复杂性。 (3)由于地形效应,冬季台湾西南部海域存在强负风应力旋度,因此前人认为负的风应力旋度是冬季反气旋涡产生的主要机制。然而夏季台湾西南部没有较强的正的风应力旋度,却被气旋涡所占据。通过分析得到风应力旋度与中尺度涡产生的相关性很低,而背景流涡度变化与中尺度涡产生的相关性较高。在分析冬夏季黑潮流径变化和中尺度涡产生的关系后,我们提出台湾西南部黑潮流径变化导致涡旋产生的概念模型:冬季,黑潮以Looping流径为主,反气旋涡容易从黑潮流套中产生,在黑潮流套的周围容易诱生气旋涡,反气旋涡是从黑潮中脱离出来的,因此可获得较大动能。由于冬季南海北部背景流主要为气旋式环流,反气旋涡产生后更容易向西传播。夏季,黑潮以Leaping流径为主,在吕宋岛北部存在一支从南海流出并加入黑潮的流,在该流和黑潮主轴的左侧容易诱生气旋式涡旋,这是夏季台湾西南部容易产生气旋涡的主要机制。在我们提出的背景流致涡旋产生的概念模型中,我们强调背景流的作用是涡旋产生的主要机制,风的作用是次要的,然而风应力旋度可改变背景流,并且季风对黑潮流径的变化也是至关重要的,所以除了风的直接作用外,季风对涡旋产生的间接作用也是不可忽视的。 (4)利用搜集的过去20年中的WOD温盐资料、Argo浮标资料和航次观测资料,通过判断次表层水最大盐度值和中层水最小盐度值得出在过去20年中黑潮水入侵南海有逐渐减弱的趋势,卫星高度计资料和ROMS数值模式结果也都证实了此观点。与此对应,台湾西南部年平均的黑潮Leaping路径出现概率有增大的趋势,而中尺度涡出现的概率有逐渐减小的趋势。过去20年中吕宋海峡两侧海面高度差也有逐渐减小的趋势,是导致黑潮入侵南海的减弱的主要原因。根据上面提出的流致涡旋产生的概念模型,黑潮入侵南海减弱会导致台湾西南部背景流强度变弱,从而中尺度涡产生的概率也会减小。 总之,本文综合利用吕宋海峡海域目前可获得的各种资料,系统地讨论了台湾西南部海域流-涡结构及其演变规律,首次给出了判定黑潮入侵南海不同流径的客观指标,统计分析了台湾西南部中尺度涡产生及变化规律,提出了黑潮流径变化是台湾西南部中尺度涡产生主要机制的观点,发现台湾西南部黑潮入侵南海和中尺度涡产生有年代际变化趋势。以上工作会极大有助于以后深入研究黑潮入侵南海变化及其动力学机制、南海中尺度涡产生动力学机制、涡流相互作用理论、涡涡相互作用理论、西边界流理论等。


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