（物理海洋学专业论文）北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究.pdf

北太平洋两边界流系源区的流场及热通量研究 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 摘要 利用国家8 6 3 项目2 0 0 5 年秋季在菲律宾外海的c t d 观测数据( 7 5 。一1 8 。n ， 1 3 0 。e 以西至菲律宾沿岸) ，对北太平洋西边界流系源区的水团进行了划分，计 算了地转流场，系统地分析了该海域的环流特征，还对这里的热通量做了初步分 析。 菲律宾外海2 0 0 0 m 以浅主要有4 个水团：北太平洋热带表层水( n p t s w ) 、北 太平洋次表层水( n p s s w ) 、北太平洋中层水( n p i w ) 和南极中层水( 从1 w ) ，各 个水团都是海域北部比南部深。n p s s w 以高盐为显著特征，最高盐度达3 5 4 4 ， 形成于外洋，由北赤道流( n e c ) 输送至研究海域；n p l w 以低盐为主要特征，核 心盐度小于3 4 2 0 ，是全球大洋中盐度最低的中层水团，源自亚北极地区，亦由 n e c 携入西边界，并在西边界分叉：a a i w 主要分布在1 2 。n 以南，大多在n p l w 下方和东侧，核心盐度在3 4 4 3 4 5 之间，它源自南太平洋亚极地，跨越赤道后 一部分沿岸向北运动，形成了流入本次研究海域的棉兰老潜流( m u c ) 。 n e c 分布在8 。一1 8 。n 之间，表层流速超过3 0 c m s ，随着向北的推进，n e c 的分布深度越来越大，这是位涡守恒的结果。副热带逆流( s t c c ) 在n e c 北侧， 1 8 。一2 0 。n 之间，表层流速也是3 0 c m s 左右。北赤道逆流( n e c c ) 分布在2 。 一8 。n ，表层流速最大达7 0 c m s 。黑潮( k c ) 从n e c 分出后，越向北越强，在1 8 。n 表层流速大于8 1 c m s ，垂向上可达1 3 0 0 m 深，离岸1 0 0 k m 左右，右侧存在多 个涡旋。棉兰老流( m c ) 从1 2 。一7 5 。n 的流动中，越往南越强，在7 5 。n 岸 边可超过1 9 0 c m s ，流幅很窄。n e c 、k c 、m c 下方均存在逆流或潜流，后两者称 为吕宋潜流( l u c ) 和m u c 。l u c 在k c 靠岸一侧下方，距海表3 0 0 m 以下，流幅不 超过5 0 k m ，最大流速为5 c m s 。m u c 在m c 下面、2 0 0 m 以深，厚度在1 0 0 0 m 以上， 具有多核的特点，核心流速从5 c m s 一2 0 c m s 不等。n e c 在西边界的分叉点从表 层的1 3 。n 左右变化到7 0 0 m 的1 8 。n ，整个深度平均位置在1 5 。n 附近。其随 深度北偏是位涡守恒的结果。对上述各支海流的流量做了计算，系统地绘出了菲 北太甲洋两边界流系源区的流场及热通量研究 律宾外海的环流图，其中n e c 流量为5 8 7 s v ，k c 为1 5 s v ，m c 为2 7 9 5 s v 。各断 面的流量结果证明，取1 5 0 0 d b 为零参考面时，这个准封闭海域基本满足质量守 恒。从分层的水体输运分析中还得出5 0 0 m 以下，该海域东南部存在着一个反气 旋涡的结论，m u c 很有可能就是这个反气旋涡的西支。 对热通量的研究用的是直接计算的方法，结果是，该海域净向外输送1 4 5 1 0 6 g w 左右的热量，热量输送与体积输送方向一致，且铅直向环流输送的热量 数量占优，水平向环流热输送量可以忽略。同时，该海域也向大气放热，不过海 洋内部热输送量远远大于海气间的净热通量。总的热支出使该海域水温降低速率 为一o 7 5 月，而且得到了同期s s t 数据变化的验证。另外，还计算了各个断面 以及各支海流的热量输送大小，较系统地给出了边界流源区的热量输运示意图。 垂向上，按水团计算，热量输运主要由温度高于5 的表层水、次表层水和中层 水完成；按深度分层，海域内的净热量输送主要在上5 0 0 m 完成。 关键词：西边界流系；水团；环流；热通量 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 t h es t u d yo f cir c uia tio na n dh e a tf iu x int h es o u r c e r e g io no fn o r t hp a cificw e s t e r nb o u n d a r yc u rr e n ts y s t e m a b s t r a c t b 邪e do nt i l ec t do b s e a t i o nd a t ao 行t 1 1 ec o 硒to fp h j l i p p i r l e s ( 7 5 。一18 。n ， 1 3 0 。e 恤e a s tc o a s to fp b i l i p p 疵s ) i n 跚lo f2 0 0 5 舶m 也en a t i o i l a l8 6 3p r o j e c t ， t h ew a t e rm a s s e si i lt h es o u r c er e 舀o no fn o r d lp a c i f i cw e s tb o 眦d a r yc l l 仃e m si s c l a l s s f i e d ，t 1 1 eg e o s 臼o p l l i cn o w f i e l di sc a l c u l a t e da i l dt h ec h a r a c t e d s t i c so fc i 】略u l a t i o n i n “sr e g i o ni s 锄a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y ，a n dap r e l 疏i n a 巧删y s i so f h e a tn u ) 【t l l e r e 、a sc o n d u c t e d t h e 舱a r em a i l d yf o u rw a t e rm a l s s e si i lt h eu p p e r2 0 0 0 mo 仃t h e c o a s to f p l l i l i p p 妣s ：也en o n hp a c i f i ct r o p i c a ls u | 饥ew a c e r t s ，也en o r d lp a c i f i c s u b s u r f 如ew a c e r ( n p s s w ) ，t h en o n hp a c i f i ci n t e m e d i a t ew 缸e r ( 1 岬i w ) a n dt h e a n t a r c t i ci n 伦衄e d i a t ew r a t e r ( a a i w ) m lo ft h e ma 陀d e 印e ri nn o n h e mp a r tt h a ni 1 1 s o 删b e mp a r t t kn p s s wh 嬲as i 鲥f i c 跹tc l l a m c t l e rf o r 岫出s a l i n i 埘t i la m a x i m 姗o f35 4 4 ，w h i c hi sf o m 舱di i lm eo p e no c e a n 弛d 仃锄s p o n e db yt l l en o r c h e q u a t o r i a lc l l n e n t ( n e c ) t 0t l l es t u d ya r e a ；1 h en p i wc h 绷尬t e r i z e sb yl o w s a l t ，、i t h m ec o r eo fs a l 呻l e s s 曲n3 4 2 0 ，趾di ti sm el o w e s ts a l “够o fm i d d l e w a t e r m 2 l s s e s 血t h ew o r l do c e a 玛w t l i c hw 嬲丘o mt 1 1 es u b - a r c t i cr e g i o n 觚dc a r r i e db ym e n e ct ot 1 1 ew e s tb o u l l d a t h e nb i 丘a t e sn o 咖b m c h e st t l e r e ；r h ea 趾wi s m 础l l yd i s 仃i b m e di 1 1n l es o u t l lo f1 2 0n ，m o s to f 也e ma r eb e l o wa n d t 0m ee a s ts i d e o ft h en p i w j 、i t l lt 1 1 ec o r es a l “t ) rb e 觚e e n3 4 4 - 3 4 5 no r i g m a t e si 1 1s u b p o l a ro f l e s o u 吐lp a c i f i c ，t h e nc r o s s e se q u a t o ra r l dp a r t l yn o w sn o 椭a r da l o n g 也ec o a s t ，w m c h f o m e dt l l em i l l d a i 垴1 0u n d e r c u r r e m ( m u c ) t h a tn o w si n t ot l = 屺咖d ya r e a 硼1 en e cd i s t r i b u t e sb e 伽e e n8 0 - l8 。n ，a n dt h es u r f a c ev e l o c i t ) ri sm o r et i 啪 3 0 c m s w i t l lt h en o r 吐州a r de x t e i l s i o n ，也en e ci 1 1 c r e a s e si t sd e p t l ld i s t r i b u t i o i l ，w l 】i c h i st h er e s u l to fp o t e n t i a lv o r t i c i t ) rc o n s e n ，a t i o n t h es u b t r o p i c 甜c o u n t e r c u l l r e n t i i j 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 ( s t c c ) i sb e 觚e e n1 8 0 - 2 0 0n t o 也en o r d ls i d eo f 恤n e c ，t 1 1 es u 概ev e l o c 时i s a b o u t3 0 c 州s t h en o n he q u a t o r i a lc o 伽e r c u 玎e n t ( n e c c ) i sb 咖e e n2 0 - 8 0n ，t l l e s u r f k ev e l o c i t ) ri su pt 07 0 c i n s a r e rs e p a r a t i i l g 五mt l l en e c ，t h el 沁o s h i oc 眦n t ( k c ) e i l i m c e sn o r t l l w a r d ，t l l e 鲫r f k ev e l o c i t ) ，i n l8 0 ni sg r e a t e rm 狮81c r l l s ，t h e d e p t h 觚dw i d mo fi t i su pt o1 3 0 0 m 锄d1 0 0 k ms e p a r a t e l y 锄dt h e r ea 陀s e v e m l e d d i e st 0t t l er i g h ts i d eo fi t t h em i n d a l l c 岍e n t ( m c ) b e c o m e si 1 1 t e n s ew h 锄 f l o w ss o 讪w 捌疗0 m1 2 0t o7 5 0n ，m es m ev e l o c i t ) ，缸h o r ca t7 5 0ni s 聊把r t 1 1 锄19 0 c m s ，如dt 1 1 ew i d t l li sv e 巧n a r r o w t h e r ei sc o u n t e r c u r r e m0 ru i l d e r c 岍e n t b e l o wt h en e c ，k ca n dm c ，a i l dt h el a t t e rt w oa r el m o w n 鹤t l l el u z o nu n d e r c u l l r e m ( l u c ) 肌dm u c t h el u cl o c a t e sb e l o wm ei n s h o r es i d eo ft l l ek c ，a 1 1 di sa b o u t 3 0 0 mu l l d e rt h e as l l r f a c e n sw i 拙i sn 0m o r c 血a n5 0 k m ，觚dm em a x i m 啪 v e l o c 时i sa b o u t5 c 州s t h em u c l o c a t e sb e l o wm em c ，谢t 1 1t h ed 印t l lo fm o r et 1 1 觚 2 0 0 m ，趾dt h et l l i c l ( i l e s so fm o r et i ml0 0 0 m m l di ti sc h a r a c t e r i z e db ym u l t i - c o r e ， 砌c o 陀v e l o c i t i e s 啪百n g 丘o m5 c 州s - 2 0 c 州s 1 1 1 eb i f u r c a t i o np o no fm en e c i n t 1 1 ew e s t e mb o u l l d a r yv a r i e s 丘o m1 3 0na tt l l es u r f - a c et 01 8 0na t7 0 0 m ，m l dt h e d e 劬- a v e r a g e dp o s i t i o ni sa ta b o u tl5 。n t h en o r t h w 矾s 1 1 i r 晰t 1 1m ek r e 弱i i l g d e p 也i st 1 1 er e s u ho fp o t e n t i a lv o n i c “yc o 璐e r v a t i o n t h ev o l 啪e 仃a n s p o r t so fa b o v e c 眦e n t s 盯ec a l c u l a t e d ，a 1 1 dm es k e t c hm 叩o fm ec i r c u l a t i o no 仃p m l i p p i n e sc o a s ti s d r e ws y s t 锄a t i c a l l y ，i 1 1 c l u d i i l gt 1 1 en e cf o r5 8 7 s v ，t h ek cf o r15 s v ，锄dt 1 1 em cf o r 2 7 9 5 sv t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a t ，龇q u a s i i c l o s e dr e g i o nr e a c h e sb a s i cc o l l s e r v a t i o no f m a l s sw h e nc h o o s e15 0 0 d b 勰z e r or e f e r e n c el e v e l f r o m 也es t l a t i f i e d 锄a j y s i so ft h e v o l u m e 位m s p o n ，i ti sc o n c l u d e dt l l a tt 1 1 e r ei sa na m i c y c l o i l i ce d d yi i lt ：h es o u t h e a s to f t l l er e g i o nb e l o w5 0 0 m ，o f 、1 1 i c ht h em u ci sp r o b a b l yt l l ew e s tb a i l c h a tl a 巩d i r e c tc a l c u l a t i o ni su s e di nt h e 咖d yo fh e a tn u x a sar e s u l t ，t 1 1 en e t h e a t 仃a n s p o r ti sa b o u t1 4 5 x10 6 g wo u 似a r d st i l er e g i o i l ，谢t 1 1t h es 锄ed i 】r e c t i o n 嬲 t h ev o l u r n et r a n s p o r t w h a t sm o r e ，m ev e r t i c a lc i r u l a t i o ni sr e v e a l e dt 0c o n t ：r i b u t e f hm o r et l l a l lt 1 1 eh o r i z o n t 础c i 】汜u l a t i o nt 0t l l eh e a t 仃趾s p o r t a tn 坨s 锄et i i i l e ，t ：h e o c e a ni sp r o v e do f l o s i n gh e a tt on l ea i rb yt l l en e th e a tn u 】( d a t ao f t l l es 韶s u r f a c e ， w k l et h ea j 卜s e ah e a te x c h a i l g ei sr e m 矾【a b l ys m a l lc o m p a r e dw i mt 1 1 eh e a t 仃a i 】峪p o r t i n s i d et 1 1 eo c e a n t h ew h o l eh e a tb u d g e ti i l c l u d i n ga tt h es u r i k ea i l di n s i d e 血i eo c e a n c a l l s e dt h es e at e m p e r 砷鹏r e d u c t i o 玛谢t har a t eo fo 7 5 p e rm o n 血，a 1 1 dt l l e 仃e n di s c o n e s p o n d e d 晰t 1 1t h cs s tc h a n g ed u r i i l gt i l a tp 耐o d h e a t 缸觚s p o r tt h r o u 曲e a c h s e c t i o na n da l o n ge a c hc u 玎e n ta r ea l s oc a l c u l a t e di i lm e 咖d y u l t i n l a t e l y ，as y s t e m i c h e a tb u d g e ts 蚋l c t u r ei i lt l l es o u r c er e g i o no fw e s t e mb o u n d a 巧c u r r e n ts y s t e mi s s h o w n 鹤af i 到舱n 圮r ea r es o m ef e 曲l r e sw 曲t l l ev e r t i c a l ls t m c t u r e ：m o s th e a ti s c a r r i e db yt ：h es u r f a c ew a t i e r s u b s u r f 犯ew a t e ra n d 证t e m e d i a ：t ew a t e r ，w l i c ha r e w a 册e rt 1 1 a n5 w 1 l e ns 乜a t i f i e dm d e p m ，t 1 1 cn e th e a tt r a i l s p o r ti nm e r e f e 玎e dr e g i o n i sa h n o s tc o m p l e t e di i lt l l eu p p e r5 0 0 m k e yw o r d s ：w e s t e mb o u n d a r yc u r 心n ts y s t e m ；w a t e rm a s s ；c i k u l a t i o ；h e a “1 u x v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 露签字日期：砷年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；麴蕴 签字蹶妒f 7 年与月b 日 导师签字：乏；k 零从。 导师签字参b 毒纠扒 签字日期：川年6 月6 日 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 1 前言 1 1 西边界流系源区研究意义 菲律宾外海有两支很强的西边界流：黑潮( k c ) 和棉兰老流( m c ) 。这两支 海流因为流速很大，且高温高盐，能够给所到之处带来很大的动能、热量、盐量， 从而对所到之处的海水能量、热量、质量都有极大的影响，尤其对改变局部海域 的气候起着极其重要的作用。而黑潮和棉兰老流都出自同源一北赤道流( n o r t h e q u a t o r i a lc u r r e n t ，简称n e c ) 。太平洋中的北赤道流是一支比较稳定的由信 风引起的风生漂流，就气候平均而言，北赤道流的位置是7 。n 1 6 。n ( 刘秦玉 等，2 0 0 3 ) 。它自东向西流动，是由风和浮力通量驱动的浅层环流。在其到达菲 律宾沿岸后，由于地形阻隔，n e c 发生分叉并形成两支经向西边界流：向北流动 的黑潮( k c ) 和向南流动的棉兰老流( m c ) ，这两支西边界流最终都转向东运动， 分别形成黑潮延伸体和北赤道逆流( n e c c ) 。本文研究参考周慧等( 2 0 0 6 ) 的命 名方法，将北赤道流、黑潮、棉兰老流合称为北太平洋西边界流系，记作 n e c k c m c 。根据二谷颖男( 1 9 7 7 ) 的观点，1 3 0 。e 以西至吕宋海峡，北赤道流 南界到东海黑潮的北界之间的广阔海域，可以看作是黑潮水的起源地，我们类似 地把1 3 0 。e 以西，菲律宾以东的海域称作太平洋西边界流系源区。由于 n e c k c m c 流系同时连接着太平洋亚热带气旋和热带气旋，对于西太平洋暖池中 的热收支起着非常重要的作用。它通过印尼贯穿流直接进入全球热盐环流中，对 于世界大洋经向质量、热量和盐量输送以及全球气候都起着决定性的作用( q u ， 1 9 9 8 ) ，同时对于局部及整个海盆尺度的环流也起着重要的作用。因此，对北太 平洋西边界流系的研究有利于更加准确地估计热带太平洋的热量、质量输运和淡 水通量，这对气候动力机制的认识也起着关键性作用( q u ，1 9 9 8 ) 。 西边界流系源区的地形图如图卜1 所示。源区处于菲律宾海盆的西侧，深度 大多在4 0 0 0 m 以上，甚至在菲律宾沿岸还有6 0 0 0 8 0 0 0m 的狭长海沟。这里水 深太大，西边界流太急，给这里的海洋水文观测带来了极大的困难，但是要正确 地揭示环流结构、水团演变、热量与能量输送等海水规律，就必须有实测数据作 支撑。 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 l o n g i t u d e ( e ) 图卜1 北太平洋西边界流源区地形及观测站位分布 1 2 研究现状 很久以来，北太平洋西边界流系吸引了众多学者的注意力，如：李绪录( 1 9 9 3 ) 曾三次对这里的主要断面进行了水团划分，q u ( 1 9 9 8 ) 、张绪东( 2 0 0 4 ) 、孙朝辉 ( 2 0 0 7 ) 等人也相继对水团进行了系统的划分。在流场方面，n i t a n i 早在1 9 7 2 年就用1 9 3 4 1 9 6 8 年之间不同航次的观测资料对该流系的输运进行了详细计 算。根据其计算结果，m c 的平均输运为2 5s v ，黑潮平均输运为3 0s v ，n e c 的 平均输运为m c 与黑潮输运之和，即5 5s v ，之后q u 等( 1 9 9 8 ) 、y a r e m c h u k ( 2 0 0 4 ) 等都在不同时代对流场结构以及流系输运问题进行了研究，但是关于流系的输运 问题，还是很难有定论。从8 0 年代至今，观测手段不断更新换代，观测方法不 断改进，对该海域的观测也越来越多，如t o g a 、t a 0 、w o c e 及c l i v a r 等，均取 2 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 得了大量实测资料，使得该流系的研究日益深入。 近年来，西太平洋的环流结构和热结构及其变异已经引起了我国海洋学界的 浓厚兴趣和高度重视。而且伴随着观测技术与设备的不断进步，我国已经启动了 一批关于西太平洋科学考察研究的项目，如2 0 0 7 年1 1 月启动的由中国海洋大学 牵头的9 7 3 计划“北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响” 项目，共包括北太平洋副热带环流变异和调整机理、黑潮与我国近海的能量与水 体交换过程及机制、北太平洋副热带环流变异与大气驱动力的耦合效应、我国近 海及邻近大洋动力环境低频变异的可预测性研究四个大方面的研究内容，还有 2 0 0 9 年2 月启动的由中科院海洋研究所牵头的我国首个物理海洋学领域的国家 自然科学基金重大项目“太平洋低纬度西边界环流系统与暖池低频变异研究”， 旨在建立太平洋低纬度西边界环流系统三维动力学理论框架，深刻揭示太平洋低 纬度西边界环流系统对暖池低频变异的关键调控过程和机理。这两项计划的实 施，有力地支持了我国提出的n p o c e ( 西北太平洋海洋环流试验) 国际合作调查 研究计划，初步确立了我国在西太平洋海洋环流调查研究方面的优势地位，将不 断提升我国在西太平洋海洋环流研究方面的自主创新能力，西边界流系的物理特 征与变异机制也将逐步得到正确的解答。 1 3 科学问题的提出与本文需要解决的问题 从上面的叙述可以看出，关于西边界流系的流场结构前人已经做过很多研 究，对于流场主要结构特征已经有了大体一致的认识，但大多数学者是针对其中 某一支或某两支海流进行研究，由于各人所用数据或所做的调查时间、空间精度 各不相同，因此并不能客观地反映同一时段整个菲律宾外海的西边界流系统的特 征，从而需要更多大范围的海上调查，以系统地研究这里的环流规律。另一方面， 前人对西太平洋的研究几乎都注重流场动力学特征，对这里的热量输送却很少关 心。而海洋在影响地球气候的过程中主要就是通过热量输送来实现的，m a c d o n a l d ( 1 9 9 3 ) 曾说过，“ak n o w l e d g eo ft h er o l ep l a y e db yt h eo c e a n si nb a l a n c i n g t h eg l o b a lh e a tb u d g e ti sf u n d a m e n t a lt ou n d e r s t a n d i n gc l i m a t ea n d c l i m a t e e v o l u t i o n ，以此告诫我们，热量平衡的研究不可忽视。 3 北太甲洋两边界流系源区的流场及热通量研究 旋； 总的来看，在北太平洋西边界流系源区存在着几大热点问题： 流系结构，包括主要海流及与其相应存在的潜流、逆流，还有相关的涡 流系的输运问题； n e c 的分叉位置问题； 外加一个看起来不是热点但非常重要的问题：热量输送问题。 本次研究就是要通过一次质量较高的实际观测资料，全面对北太平洋西边界 流系源区的流场、体积输运进行系统的分析，同时还对这里的热量输送进行计算， 对热平衡进行初步分析，以期为解决上述问题、完善西边界流理论做出一点贡献。 1 4 本文内容安排 本文接下来的主要内容安排如下：第2 章介绍本文所用的数据以及基本处理 方法；第3 章将介绍对研究海域的水团划分情况；第4 章重点分析北太平洋西边 界流源区的流场结构，介绍所涉及的各支海流的分布、流速、流量大小以及n e c 在西边界的分叉情况，系统地给出西边界的流系分布示意图；第5 章将对该海域 的热量收支进行计算，对热量收支的机制做初步分析；第6 章对前三章内容进行 总结，发现研究中存在的问题和不足，并对以后的工作提出展望。 4 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 2 数据介绍和方法 2 1数据来源与提取 本论文数据来自国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目外海实验的观测资料。 2 0 0 5 年9 月1 5 日至1 2 月3 日，中国海洋大学科学考察船东方红2 号在南海北 部及太平洋区域进行了大范围的海洋调查，为期8 3 天。这是迄今为止我国在该 海域最为系统、全面的海洋调查，使用了处于国际领先水平的海洋观测仪器，同 时也得到大量高质量的数据。尤其是在菲律宾外海，南起2 。n ，北至2 1 。n ，东 ， 至1 3 0 。e ，西部紧贴菲律宾岸线，共口个纬向断面，1 个经向断面，几乎将菲律 宾外海紧紧包围，而正好把北赤道流在西太平洋的分叉点囊括在内，对于全面研 究北太平洋的西边界流有着得天独厚的优势。 所用数据均为c t d 调查数据。关于c t d 数据的提取以及优化，大体上有九个 步骤，在附录中列出，以供参考，这里不细述。 2 2 地转流计算原理 2 2 1 海洋水文要素非直接观测量的计算 我们这里所说的非直接观测量指的是密度，进而计算比容。由测量出的温盐 数据算出海水密度，用的是国际海水状态方程( 切姬s c o ，1 9 8 1 ) 。 邢，丁，胪丽b p ( s ，r ，尸) = 丁= p ( s ，丁，o ) = p ，+ ( 6 。+ 6 1 r + 6 2 丁2 + 6 3 丁3 + 6 4 r 4 ) s + g 。+ c l r + c 2 丁2 ) s 3 ，2 + d 。s 2 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 北太f 洋西边界流系源区的流场及热通量研究 6 0 = 8 2 4 4 9 3 1 0 。1 6 l = 4 0 8 9 9 1 0 。3 b 2 = 7 6 4 3 8 x 1 0 5 6 3 = 8 2 4 6 7 1 0 。7 6 4 = 5 3 8 7 5 1 0 9 c o = 5 7 2 4 6 6 1 0 。3 q = 1 0 2 2 7 1 0 。5 c 2 = - 1 6 5 4 6 1 0 7 以= 4 8 3 1 4 1 0 4 户w = 口o + 口l 丁+ 口2 r 2 + 口3 r 3 + 口4 r 4 + 口5 r 5 口o = 9 9 9 8 4 2 5 9 4 口l = 6 7 9 3 9 5 2 1o 2 口2 = - 9 0 9 5 2 9 0 1 0 3口3 = 1 0 0 1 6 8 5 1 0 4 口4 = 一1 1 2 0 0 8 3 1 0 - 6口5 = 6 5 3 6 3 3 2 1 0 9 再计算k 。 ； k ( s ，r ，p ) = k ( s ，丁，0 ) + 彳p + b p 2 k ( s ，丁，o ) = k ，+ ( 5 4 6 7 4 6 o 6 0 3 4 5 9 r + 1 0 9 9 8 7 1 0 2 丁2 6 1 6 7 0 1 0 5 丁3 ) s ( 7 9 4 4 l o 2 + 1 6 4 8 3 1 0 一2 丁一5 3 0 0 9 l o 一4 丁2 ) s 3 ，2 4 = 彳。+ ( 2 2 8 3 8 l o 一一1 0 9 8 1 1 0 一5 r 1 6 0 7 8 1 0 - 6 r 2 ) s + 1 9 1 0 7 5 1 0 - 4s 3 ，2 曰= 曰。+ ( _ 9 9 3 4 8 l o - 7 + 2 0 8 1 6 1 0 一8 丁+ 9 1 6 9 7 l o l 。r 2 ) s k 。= 1 9 6 5 2 2 l + 1 4 8 4 2 0 6 丁2 3 2 7 1 0 5 丁2 + 1 3 6 0 4 7 7 1 0 2 丁3 5 1 5 5 2 8 8 1 0 5 丁4 4 。= 3 2 3 9 9 0 8 + 1 4 3 7 1 3 1 0 3 丁+ 1 1 6 0 9 2 1 0 4 r 2 5 7 7 9 0 5 1 0 7 丁3 b 。= 8 5 0 9 3 5 1 0 6 1 2 2 9 3 l o 。6 r + 5 2 7 8 7 1 0 。8 r 2 由以上国际海水状态方程、相关参数以及测定的温盐值，就可以算出密度。 2 2 2 地转流计算方法 水平压强梯度力和科氏力达到平衡时的稳定海流，叫做地转流。由此也可以 理解，等压面的倾斜和压力水平分布的差异，是导致海水运动的重要原因。视密 度场均匀与否，地转流又分为倾斜流和梯度流，非均匀密度场中的为梯度流。现 场观测的密度显然不是均匀的，因此我们所计算的地转流是梯度流。下面就简单 介绍一下梯度流的计算，参考侍茂崇教授所编的物理海洋学( 2 0 0 4 ) 。 6 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 由最基本的地转方程( 仅考虑二维) ： 解出： o ：一! 塑+ pa x 。 o ：一土望一厂越 pa y 塑+ 翌：o 一+ 一= u 8 x 8 y 塑：o v ：上塑 a yfpa x ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，水平向上只保留x 方向的压强梯度力。实际上，计算梯度流时是利用 易观测到的温盐资料，利用上述海水状态方程进行计算。下面介绍如何利用温盐 资料，用动力计算的方法算出梯度流。 动力计算方法，简言之，就是先计算两等压面之间的动力高度差d ，再用 a 乡么来计算两等压面间的速度差，三为a 、b 两站之间的距离a 计算时，任两个等压 面的动力高度差d = 2 叻可以离散化为： d = r 2 k 日( s ，丁，p ) 一口月( s ，r ，p ) 】p ( 2 - 5 ) 口则根据上述国际海水状态方程算出。 动力计算所得的是两等压面间的速度差，因此，需要假设一个零速度参考 面，然后对每两个等压面间的速度差作累加，才能得到相应层次的地转速度。 因此，从一定意义上讲，计算出来的地转流实际上是相对速度。在这个意义下， 零参考面的选取就显得非常重要。 由此计算出来的流速，平行于等动力高度线流动。当观测者顺流看去，在北 半球，动力高度的大值位于观测者右手一边，在南半球则相反。其大小与动力高 7 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 度值的梯度成正比，因此，动力高度等值线密集地方流速大，稀疏的地方流速小。 有关地转流计算原理的详细讲解，见物理海洋学( 2 0 0 4 ) 一书，这里不 细述。 8 北太平洋西边界流系源区的流场及热通量研究 3 水团分析 3 1水团研究现状 该流系的水团结构比较复杂，而所用的数据资料、划分方法不同，结果上也 必然存在一些不同。李绪录( 1 9 9 3 ) 根据1 9 8 6 1 9 8 9 年间中一美联合t o g a 调查的c t d 资料，应用模糊聚类法划分了热带西太平洋1 8 。2 0 7 n 、8 。n 和1 3 0 。e 断面上1 0 0 0 m 水域的水团，划分结果是：8 。n 和1 3 0 。e 断面附近存在着西太平洋表层热带水 ( w p ，r s w ) 、北太平洋次表层水( n p s w ) 、北太平洋中层水( n p l w ) 、南极中层水 ( 从i w ) ，它们的交界分别位于7 5 、2 0 0 和3 1 0m 左右；1 8 。2 0 n 断面有北太平洋 热带表层水( w p t s w ) 、北太平洋次表层水( n p s w ) 和北太平洋中层水( n p l w ) ， 它们的交界分别位于1 0 0 和3 5 0m 左右。孙朝辉等( 2 0 0 7 ) 应用a r g o 剖面浮标观测 的温、盐度资料，分析了西北太平洋海域冬、夏季的温、盐度分布、水团结构及 其分布。结果显示，该海域冬、夏季水团以划分为8 类最佳，它们分别是北太平 洋热带表层水、北太平洋次表层水、北太平洋中层水、北太平洋副热带模态水、 北太平洋深层水和赤道表层水，以及南太平洋次表层水和南太平洋中层水。当分 成8 个水团时，才与大洋水团的稳定性是一致的。张绪东等( 2 0 0 4 ) 研究表明， 黑潮源区海域存在5 个主要水团，分别是：表层水团( s ) 、次表层水团( u ) 、次 一中层混合水团( m ) 、中层水团( i ) 和深层水团( d ) 。q u 等( 1 9 9 8 ) 利用l e v i t u s ( 1 9 8 2 ) 年平均气候资料，详细描述了该流系中的水团分布特征。根据他们的分 析结果，n p t w ( s 3 4 9 ) 位于1 0 0 2 0 0d b a r ，2 4 0 盯一面上，n p l w 盐度最小值( 3 9 0 的高盐水，在1 3 。n 以北的广大海 域和棉兰老岛沿岸盐度 3 5 0 ，3 5 0 5 以上的高盐中心在1 5 。n 左右。n p s s w 的形 成主要是由于北太平洋中部宽广的地区蒸发大于降水的缘故( c a n n o n ，1 9 6 6 ) ， 它随北赤道流( n e c ) 向西平流进入热带西太平洋，并且形成一个次表层盐度极 大值( q ue ta 1 ，1 9 9 9 ) 。在西边界，n p s s w 的一部分向北流入黑潮，另一部 1 7 北 f + 许n 边# 流采潭【! 的i m 场热m w 咒 分向南进入棉、老海流。这样的束源与止阳都蹦刚中所爪的玖表麒水核心层次的 盐度分稚是相吻合的。 2 ”_ _ i 卉 一 ：p l o n g 】t u d e f 日 圈3 - 4 高盐值对应的两个密度面上的盐度分布( 左：y = 2 40 ；右：，= 2 45 ) 图3 - 5 低盐值对应的两个密度面上的盐度分布( 左：y = 2 66 一右：，= 2 68 ) 一z一口nl；日j zo口j；j 北太平洋两边界流系源区的流场及热通量研究 同样地，我们绘出了中层水特征盐度的水平分布情况。由t s 图看出，中层 最低盐的分布在y = 2 6 6 、2 6 8 之间，因此两张图分别对应这两个密度值( 图 3 5 ) 。中层水的低盐特征，在北部断面比较明显，3 4 4 以下的低盐值分布在1 2 。n 以北，在靠近1 3 0 。e 断面一侧出现低盐中心，说明大洋水团在西进的过程 中逐渐与当地的水团混合，盐度值逐渐变高。而1 2 。n 南部以及沿岸1 5 。n 左右 以南的盐度值都在3 4 4 以上，从t s 点聚图上也发现，除了1 8 。n 断面中层没 有明显的相对高盐值之外，其余断面的中层都出现一部分比典型的n p i w 盐度高 的点，甚至1 2 。n 以南的4 个断面中层盐度完全高于n p l w ，如前面对断面盐度 的分析所述，这是典型的南极中层水( a a l w ) 的特征，b r y d e ne ta 1 ( 1 9 9 1 ) 分析，这是从i w 在沿菲律宾海盆北流过程中的残留水体。q ua n dl i n d s t r o m ( 2 0 0 4 ) 引入了一个盐度极小值概率的概念来研究a a i w 的向北入侵，结果发现， a a l w 经由新几内亚沿岸潜流和棉兰老潜流到达大约1 5 。n 。这个论断也与我们图 中所示的从i w 的分布范围相一致：从i w 从南侧断面流入，一直到1 5 。n 附近。 另外，从等值线在岸边的分布来看，等值线在1 4 1 5 。n 发生了反方向的弯曲： 一部分向南弯曲，一部分向北弯曲。这似乎体现了在这里有流向的转变：从东部 过来的流，到了岸边，一部分转向北，一部分转向南。如果真是如此，那么一定 是中层的n e c 到这里发生了分叉现象。 根据b r y d e ne ta 1 ( 1 9 9 1 ) 的判断，在从1 w 以下( 2 0 0 0 4 7 0 0 m ) 存在着 温度低于1 9 的北太平洋深层水( n p d w ) ，而深层水主要是以水温为判据的， 因此我们根据水温绘出了深层水的平面分布情况，如图3 7 所示。从图上可以清 楚地