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西北太平洋环流及其与南海水交换研究 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 摘要 西北太平洋是赤道太平洋和亚热带太平洋之间物质和热量交换的活跃区域， 对全球气候变化起着重要作用。南海是西北太平洋最大的边缘海，两者之间的水 交换不仅对南海的环流与热收支有重要作用，而且对西北太平洋的环流和生态也 有很大影响。因此，对西北太平洋环流及其与南海水交换的研究具有重要的科学 意义。本文在前人研究的基础上，主要利用2 0 0 5 年1 0 1 1 月和2 0 0 8 年8 - 9 月现 场强化观测获得的高分辨率、大深度的c t d 温盐资料和l a d c p 流速资料，对 西北太平洋环流及南海与西北太平洋之间的水交换，尤其是对前人研究中还比较 缺乏的中层及深层的环流结构和流态路径，进行了细致的分析研究，发现了一些 新现象。 在2 0 0 5 年观测期间，西北太平洋的北赤道流( n e c ) 在菲律宾沿岸大约1 2 0 n 的表层分叉为北向的黑潮( k u r o s h i o ) 和南向的棉兰老流( m c ) ；n e c 分叉点的 纬度随着深度增加迅速北移，在1 0 0 0 米处移到2 0 0 n ，但在1 0 0 0 米以下直到2 0 0 0 米分叉点的纬度几乎没有变化；吕宋潜流( l u c ) 在2 1 0 n 的黑潮下面就已出现， 沿吕宋岛沿岸向南流动中流速逐渐增强但深度变浅，在1 2 0 n 左右l u c 的上边界 露出水面，一部分离开岸边向东流向海洋内区，另一部分与棉老岛流汇合继续向 南流去；棉兰老流在棉兰老岛近岸可以达到2 0 0 0 米深度，深层的棉老岛流与跃 层以下的气旋式环流有关；棉兰老潜流( m u c ) 在到达棉老岛沿岸后逐渐向东 北方向偏移，最后在1 3 0 0 e ，1 0 0 1 2 n 之间汇入北赤道流下的东向潜流；与棉老 岛潜流的流径相对应，来自南太平洋的南极中层水( a a i w ) 在北半球并没有直 接沿着西边界向北入侵，而是转向东北，最远在1 3 0 0 e 延伸到1 0 0 n 。 结合2 0 0 5 年l o 月在吕宋海峡附近的流场结构和水团分布，第一次发现在吕 宋海峡的中层( 2 6 8 2 7 3 咖) 大约5 0 0 9 0 0 米深度上存在一个反气旋涡。这个反 气旋涡的存在使得从吕宋海峡北部向东流出的盐度较高( 3 4 4 s 2 7 6 4 a e ) 的水体通量为1 1 4s v ，在吕宋海沟南端水体通 量为1 4 4s v ，在通向南海的开口处水体通量则为2 3s v ；吕宋海沟西侧墙壁水深 超过2 0 0 0 米的缺口处，存在东南向深层流，将大约0 1s v 深层水从南海带入吕 宋海沟。从西北太平洋经巴士海峡到吕宋海沟，深层水的密度及其垂向层结依次 减弱，由此产生的水平压力梯度力是驱动深层流动的主要动力。同时，地形也是 影响深层流场的重要因素。深层水在越过巴士海峡东端海槛时会发生水动力控制 现象，该过程对巴士海峡深层流的流态以及深层水交换起到重要作用。 关键词：西北太平洋；南海；吕宋海峡；流场；水交换；涡旋 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 s t u d yo nt h ec ir c uia tio ninw e s t e r nn o r t hp a cif ica n d t h ew a t er e x c h a n g eb e t w e e nt h ep a c ifica n dt h es o u t h c hin as e a a b s t r a c t t h ew e s t e r nn o r t hp a c i f i co c e a ni so fm a j o rc l i m a t ei m p o r t a n c e ，w h e r ea c t i v e m a s s ，h e a t ，a n ds a l i n i t ye x c h a n g eb e t w e e nt h es u b t r o p i c a la n de q u a t o r i a lo c e a n s o c c u r s t h es o u t hc h i n as e a ( s c s ) i st h el a r g e s tm a r g i n a ls e ai nt h ew e s t e r np a c i f i c o c e a n e f f e c t i v ew a t e re x c h a n g eb e t w e e nt h es c sa n dt h ew e s t e r nn o r t hp a c i f i c ( n p ) o c c u r st h r o u g ht h el u z o ns t r a i t ，w h i c hi si m p o r t a n tf o rb o t ht h ec i r c u l a t i o na n dh e a t b u d g e ti nt h es c sa n dt h ec i r c u l a t i o na n db i o l o g yi nt h ew e s t e r nn p b a s e do nt h e i n s i t ui n t e n s i v ec t da n dl a d c pm e a s u r e m e n t sd u r i n go c t - n o v ，2 0 0 5a n d a u g s e p ，2 0 0 8 ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ec i r c u l a t i o ni nt h ew e s t e r nn pa n dt h ew a t e r e x c h a n g e sb e t w e e nt h en pa n dt h es c s ，e s p e c i a l l yi nt h ei n t e r m e d i a t ea n dd e e pl a y e r w h e r ep r e v i o u so b s e r v a t i o n sa r el i m i t e d s o m en o v e lf e a t u r e sa r ef o u n d d u r i n gt h ep e r i o do fo b s e r v a t i o n si n2 0 0 5 ，t h en o r t he q u a t o r i a lc u r r e n t ( n e c ) s p l i t sa ta b o u t12 0 nn e a rt h es e as u r f a c e ，f e e d i n gt h en o r t h w a r dk u r o s h i oa n dt h e s o u t h w a r dm i n d a n a oc u r r e n t ( m c ) ；t h i sb i f u r c a t i o ns h i f t sn o r t h w a r d 埘t hd e p t h , r e a c h i n ga b o u t2 0 。na t10 0 0 m ，a n dt h e ni tr e m a i n sn e a r l yu n c h a n g e dt oa u sd e 印a s 2 0 0 0m ；t h el u z o nu n d e r c u r r e n t ( l u c ) ，e m e r g i n gb e l o wt h ek u r o s h i of r o ma b o u t 21o n ，i n t e n s i f i e ss o u t h w a r d ，w i t hi t su p p e rb o u n d a r ys u r f a c i n ga r o u n d12 0 n ；f r o m t h e r e ，p a r to ft h el u cs e p a r a t e sf r o mt h ec o a s t , w h i l et h er e s tc o n t i n u e ss o u t h w a r dt o j o i nt h em c ；t h em ce x t e n d st o2 0 0 0 mn e a rt h ec o a s t ，a n da p p e a r st ob ec l o s e l y r e l a t e dt oas u b s u r f a c e ，c y c l o n i cc i r c u l a t i o n ；t h em i n d a n a ou n d e r c u r r e n t ( m u c ) s h i f t s e a s t w a r du p o na p p r o a c h i n gt h em i n d a n a oc o a s t ，a n de v e n t u a l l yb e c o m e sp a r to ft h e e a s t w a r du n d e r c u r r e n tb e t w e e n10 0a n d12 0 na t13 0 0 e ；t h ea n t a r c t i ci n t e r m e d i a t e w a t e r ( a a i w ) o r i g i n a t i n gi nt h es o u t hp a c i f i ci so b s e r v e do f fm i n d a n a o ，b u ti t s n o r t h w a r di n t r u s i o ni sc o n f i n e dp r i m a r i l yt ot h es o u t ho f10 0 n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t r u c t u r ea n dw a t e rm a s sd i s t r i b u t i o ni nt h e 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 v i c i n i t yo ft h el u z o ns t r a i ti no c t 2 0 0 5 ，t h i ss t u d yf i n d sa l la n t i c y c l o n i ce d d yi nt h e i n t e r m e d i a t el a y e r ( 2 6 8 2 7 3 0 0 ，a b o u t5 0 0 - 9 0 0m ) o ft h el u z o ns t r a i t d u et ot h e e x i s t e n c eo ft h ee d d y , p a r to ft h er e l a t i v e l yh i g h s a l i n i t y ( 3 4 4 s 2 7 6 4 0 0 ) t h r o u g ht h eb a s h ic h a n n e li s1 14s v , i n c r e a s e st o1 4 4 s va tt h es o u t h e mm o u t ho ft h el u z o nt r o u g h ，a n dr e a c h e a s2 3s va tt h em o u t ht o t h es c s av o l u m ef l u xo f0 1s vd e e pw a t e rf l o w ss o u t h e a s t w a r df r o mt h es c st ot h e l u z o nt r o u g ha tt h eg a pa l o n g121o e d e n s i t yd e c r e a s e sa n ds t r a t i f i c a t i o nw e a k e n s f r o mt h en pt ot h el u z o nt r o u g h ，t h u st h sp r e s s u r eg r a d i e n td r i v e st h ed e e pf l o w t h e t o p o g r a p h yc o n t r o li sa l s oi m p o r t a n to nt h ed e e pc u r r e n ts t r u c t u r e h y d r a u l i cc o n t r o l o c c u r sw h e nd e e pw a t e rf l o w so v e rt h es i l li nt h eb a s h ic h a n n e l ，a n dp l a y si m p o r t a n t r o l ei nt h ed e e pw a t e re x c h a n g eb e t w e e nt h en pa n dt h es c s k e y w o r d s ：n o r t hp a c i f i c s o u t hc h i n as e a ，l u z o ns t r a i t ，c ir c u i a t i o n ，w a t e r e x c h a n g e 。e d d y 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：谢a 签字日期：硼尹年乡月o 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：谢瓠导师签字： 签字e l 期：切歹年6 月i o 日签字日期： 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 第一章引言 1 1 研究意义 西北太平洋由于其特定的地理位置和活跃的西边界流系统，汇聚着来自不同 海域的多种水团( f i n ee ta 1 ，1 9 9 4 ；k a n e k oe ta 1 ，2 0 0 1 ) ，是赤道太平洋与亚热带 太平洋之间进行物质、热量以及盐量交换的主要区域( m c c r e a r ya n dl u , 1 9 9 4 ) ， 在全球和局部气候中都具有极为重要的作用。该区域中流向赤道的西边界流直接 影响着西太平洋暖池的热量收支( q u e ta 1 ，1 9 9 7 a ) ，从而对厄尔尼诺一南方涛动 ( e ln i n o s o u t h e r no s c i l l a t i o n ，简称e n s o ) 事件的发生产生作用( l u k a s ，1 9 8 8 ； w e b s t e r a n d l u k a s ，1 9 9 2 ) ；南向的西边界流还为从太平洋流向印度洋的印尼贯穿 流( i n d o n e s i at h r o u g h _ f l o w ) 提供水源，从而对全球海洋的热盐环流也起到作用 ( g o r d o n ，1 9 8 6 ；g o d f r e y , 1 9 8 9 ) 。同时，该区域内北向的西边界流将大量的热量从 热带海洋带向高纬度地区，对局地的气候起到很重要的作用，如中国东南部( h u 1 9 8 9 ) 和日本( n o n a k aa n dx i e ，2 0 0 3 ) 。 南海，又称南中国海( s o u t hc h i n as e a ) ，是西北太平洋最大的边缘海。它 是一个独特的半封闭海，与外界的水交换主要是通过北部的台湾海峡、东部的吕 宋海峡以及南部的苏丹陆架，其中吕宋海峡是连接太平洋与南海的唯一深水通道 ( 图1 1 ) 。在西北太平洋和南海水体交换的过程中，所伴随的热通量和盐通量交 换，对南海水团的性质起到了决定性的作用( n i t a n i ，1 9 7 2 ；s h a w , 1 9 9 1 ) 。两者之 间的水体交换对南海环流也具有重要的影响( y u a n ，2 0 0 2 ；q ue ta 1 ，2 0 0 6 ) ，比如， 在2 0 0 0 米以深，相对冷而重太平洋水经过吕宋海峡进入南海，并沿着类似于局部 等深线的等位涡线流动，从而在南海深层诱发形成气旋式环流。南海是东亚季风 气候的一部分( z h a n ge ta 1 ，1 9 9 6 ) ，吕宋海峡水交换会将太平洋中厄尔尼诺南方 涛动( e n s o ) 的影响带入南海( q ue ta 1 ，2 0 0 4 ) ，引起局地气候的变化。与此 同时，通过吕宋海峡进入南海的深层水，经过混合加热后上升到中层( i eb r o c k e r , 1 9 8 6 ；t i a ne ta 1 ，2 0 0 9 ) ，还可以再通过吕宋海峡流出返还给太平洋( t i a ne ta 1 ， 2 0 0 6 ；c h e ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。这些富含营养盐的南海中层水可以到达冲绳海槽和东中 国海，对当地的生态环境产生影响( c h e na n dw a n g ，1 9 9 8 ；c h e n ，2 0 0 5 ) 。从南海 两北太平洋环流及其与南海水交换 院 进入太平洋的水体还可能使得亚极地太平洋深层或底层水上升通量减少，影响太 平洋的环流和混合( f u r u ca u d e n d o h ，2 0 0 5 ；t i a nc t a l ，2 0 0 9 ) 。总之，西北太平洋 与南海之间的水交换对南海水团、环流和气候，阻及西北太平洋的环流和生态环 境都具有重要影响。 蚓卜1 西北太平洋和南中国海的海底地形。 12 研究现状 121 西北太平洋环流和水团的研究现状 1 ) 早期观测结果 早在二十世纪六七十年代，许多海洋工作者就利用采水瓶获得的垂向离散的 水文数掘对西北太平洋环流和水团进行了研究，给出了西边界流系大尺度方面的 信息。作为西北太平洋最主要的入流向西流动的北赤道流( n o r t h e q u a t o r c u r r e n t e c ) 到达菲律宾沿岸后发生分叉，形成两支经行的西边界流：向北流动的黑潮 ( k u r o s h i o ) 和向南流动的棉兰老流( m i n d a n a oc u n e n t ，m c ) ( n i t a n i ，1 9 7 2 ) 。 这两支西边界流最终都转向东流动，分别形成黑潮延伸体( k u r o s h i oe x t e n s i o n ， k e ) 和北赤道逆流( n o 曲e q u a t o r c o u n t e r c u r r e m ，n e c c ) ( w y r t k i ，1 9 6 1 ) 。s v e r d r u p 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 ( 1 9 4 2 ) 等人早在1 9 4 2 年就指出在西太平洋存在上层高盐水和中层低盐水，印 北太平洋热带水( n o r t hp a c i f i ct r o p i cw a t e r , n p i w ) 和北太平洋中层水( n o r t h p a c i f i ci n t e r m e d i a t ew a t e r , n p l w ) 。w r r t l d ( 1 9 6 1 ) 和c a n n o n ( 1 9 7 0 ) 都辨认出 在棉兰老流中存在北太平洋热带水和北太平洋中层水的盐度极值。r o e h f o r d ( 1 9 6 0 ) 和r e i d ( 1 9 6 5 ) 发现来自南太平洋的南极中层水( a n t a r e t l c i n t e r m e d i a t e w a t e r , a a i w ) 可以穿过珊瑚海( c o r a ls e a ) 到达西北太平洋。 图i - 2 n k m 流系地转流通置分配图( 相对于1 2 0 0d b a r 等压面) ，改自n i t a a i ( 1 9 7 2 ) 和周惠 等( 2 0 0 6 ) 。 n i t a n i ( 1 9 7 2 ) 利用日本上世纪六十年代的c s k ( c o o p e r a t i v es t u d yo ft h e k u r o s h i oa n d a d j a c e n t r e g i o n s ) 系统观测数据，对西北太平洋黑潮及其起源区的 环流及其水团分布做了详细研究，指出北赤道流在表层的分叉点在1 1 0 n 和 1 45 0 n 之间变动，分叉点的纬度会随着深度北移，并第一次给出了 n e c k u r o s h i o - m c ( n k m ) 流系地转流通量的分配图( 图1 - 2 ) 。t o o l e 等人( 1 9 8 8 ) 综合了早期的历史水文数据研究了赤道西太平洋的主要环流和水团分布，发现南 半球水团对北赤道逆流有重要贡献。并计算出大约1s v ( 1 0 6 m 3s 1 ) 的棉兰老流 水体从太平洋贯穿到印度洋。 2 ) 二十世纪八九十年代的研究高潮 自二十世纪八十年代以来，随着观测手段的更新以及观测方法的改进，西太 平洋海域的观测大量增加。尤其是在国际合作的大型调查t o g a ( t r o p i c a l g c e a n s - a t m o s p h c r e ) 和w o c e ( w o d do e e a nc i r c u l a t i o ne x p e r i m e n t ) 计划下， 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 许多国家都加强了在西太平洋的观测，主要包括美国和澳大利亚的西赤道太平洋 环流研究( w e s t e r ne q u a t o r i a lp a c i f i co c e a nc i r c u l a t i o ns t u d y ) w e p o c s 调查、 中国和美国合作的热带西太平洋海气相互作用调查( c o o p e r a t i v es t u d i e so f a i r - s e ai n t e r a c t i o ni nt h et r o p i c a lp a c i f i c ) u s p r c 、中国科学院海洋研究所的西 北太平洋调查c a s ( c h i n e s ea c a d a m i cs c i e n c e ) 以及日本的太平洋气候研究 j a p a c s ( j a p a np a c i f i cc l i m a t es t u d y ) 。这些观测计划的实施，大大增加了西太 平洋中精度相对较高c t d ( c o n d u c t t e m p e r a t u r e d e p t h ) 观测数据的覆盖面，西 北太平洋的研究也因此掀起了一轮高潮，并在狭窄西边界流区发现了新现象( 图 1 - 3 ) 。 l i n d s t r o m 等人( 1 9 8 7 ) 首先在赤道南太平洋发现了与表层新几内亚沿岸 流( n e wg u i n e ac o a s t a lc u r r e n t ，n g c c ) 方向相反的向北流动的新几内亚沿岸潜 流( n e wg u i n e ac o a s t a lu n d e r c u r r e n t ，n g c u c ) 。该潜流的发现解释了南极中层 水从南太平洋到北太平洋的扩展路径( t s u c h i y a , 1 9 9 1 ) 。之后，h u 和c u i ( 1 9 8 9 ， 1 9 9 1 ) 在低纬度西北太平洋发现并命名了棉兰老流下面向北流动的棉兰老潜流 ( m i n d a n a ou n d e r c u r r e n t ，m u c ) 。h u 等人( 1 9 9 1 ) 的进一步研究指出：m u c 离岸5 0 7 5k m ，具有多核结构，垂向上可以延伸到1 0 0 0 米。棉兰老潜流在 w e p o c s i i i 直接流速观测和地转流计算中也被发现( l u k a se ta 1 ，1 9 9 1 ) 。尽管 w i j f f e l s 等人( 1 9 9 5 ) 认为m u c 只是一个瞬时现象，但q u 等人( 1 9 9 8 ) 反驳了 他们的观点，并认为深层的m u c 是一个永久特征。w a n g 和h u ( 1 9 9 8 a ，b ) 利 用1 9 8 6 1 9 9 1 年c a s 观测的1 1 个航次资料，研究了棉兰老潜流的动力机制和热 盐特性。分析表明，无论是单独航次得到的速度场还是多年平均的速度场均出现 了m u c ，其速度大于0 1ms - 1 ；m u c 通常位于2 0 0d b a r 之下且表现为多核，水 平尺度为1 0 0 2 5 0k m ，变化性较强且不规则；m u c 的水团组成主要为相对高盐 的南太平洋热带水( s o u t h e mp a c i f i ct r o p i cw a t e r ，s p t w ) 的下层部分和低盐的 南极中层水；m u c 从7 5 0 n 流向8 0 n 时向东偏移，反气旋旋转。被n g u u c 带 过赤道的南极中层水再由m u c 接力输运，沿着菲律宾沿岸向北延伸( i ef i n ee t a 1 ，1 9 9 4 ) 。九十年代末，q u 等人( 1 9 9 7 b ) 在吕宋岛沿岸又新发现了黑潮之下向 南流动的吕宋潜流( l u z o nu n c l e r c u r r e n t ，l u c ) ，其上边界在5 0 0 米左右，宽幅 仅有5 0k m 。l u c 的存在也被证实为是一个永久特性( q ue ta 1 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 。南 4 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 向的l u c 对北太平洋中层水( n p i w ) 向南输运起到了一定作用( q ue ta 1 ， 1 9 9 7 b ) 。除了这些潜流，前人还在北赤道流下发现了向东的流动( h ua n dc u i ， 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) ，并且该东向潜流也显示出永久特性( q ue ta 1 ，1 9 9 8 ) 。这些与表层 流反向的潜流的发现极大改变了人们对西北太平洋环流结构的传统认识。 j l 豁 的 门 蕊l 兮 s 朗曲i a 妇 譬 钿 一 - ，霍 r 一 麓c q s c 0 麓艮 拶脚k 划 ，x 心：测于、 、，篮蝴 随_ 篮 端 一一刁 歹7 7 静， 1愿 ： 圊i ， ) 田、为咐、 1 渊 a 1 鹳 图1 3 西太平洋表层至中层的流场图。表层有黑潮( k u r o s h i o ) ，棉兰老流( m c ) ，北赤道 流( n e c ) ，北赤道逆流( n e c c ) ，新几内亚沿岸流( n g c c ) ，南赤道流( s e c ) 和东澳大 利亚流( e a c ) 。次表层的潜流包括新几内亚沿岸潜流( n g c u c ) ，赤道潜流( e u c ) ，南、 北次表层逆流( s s c c ，n s c c ) ，棉兰老潜流( m u c ) ，吕宋潜流( l u c ) 和大堡礁潜流 ( g b r u c ) 。棉兰老涡( m e ) 和哈姆黑拉涡( h e ) 也在图中给出。改自l u k a s 等人( 1 9 9 6 ) 。 与此同时，海洋工作者们对太平洋西边界流的流场和水团分布的研究也更 加深入细致。t o o l e 等人( 1 9 9 0 ) 利用1 9 8 7 年9 月和1 9 8 8 年4 月在菲律宾沿岸 的水文观测研究了n e c 的分叉问题，指出在表层n e c 分叉点位于1 3 0 n 附近， 分叉的动力机制与表层水体的位势涡度分布有关，并且还发现西边界流系的强度 与厄尔尼诺现象有关。l u k a s 等( 19 9 1 ) 利用w p e o c s i i i 在赤道西太平洋特别 针对m c 的漂流浮标、a d c p ( a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ) 、c t d 溶解氧 水文以及示踪物多种观测，发现：m c 流幅较窄，流速向南不断增强，从1 4 0 n 开始沿着菲律宾沿岸向南流动，直到棉兰老岛南端6 0 n 左右，然后从此处离开 岸边，一部分直接进入西里波斯海( c e l e b e ss e a ) ，另一部分则受棉兰老涡 5 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 ( m i n d a n a oe d d y ，m e ) 和哈马黑拉涡( h a l m a h e r ae d d y , h e ) 影响旋转进入 n e c c 。b i n g h 锄和l u k a s ( 1 9 9 4 ) 也利用这次观测的水文资料研究了北太平洋 中层水沿棉兰老岛沿岸向南的入侵，结果显示低盐中层水进入了西里伯斯海，一 部分继续向南穿过望加锡海峡( m a k a s s a rs t r a i t ) 进入印尼贯穿流，另一部分与 赤道天平洋和南太平洋水混合后向东流去，进一步从水团角度证实了m c 的流 经，并且指出n p i w 低盐舌随着m c 的输运对热带和亚热带环流中层水的盐量 输运具有一定的作用。w i j f f e l s 等人( 1 9 9 5 ) 利用1 9 8 7 1 9 9 0 年在8 。n 断面的8 个航次观测分析了m c 的平均结构，发现m c 结构非常稳定，平均通量为2 5s v 左右。f i n e 等人( 1 9 9 4 ) 对整个赤道西太平洋区的水团分布做了详细研究，指出 赤道西太平洋是多种水团的交叉路口，n p i w 、a a i w 等在高纬度形成的水团都 会通过此海区，并可以通过印尼贯穿流进入印度洋。此外，b i n g h a m 和l u k a s ( 1 9 9 5 ) ，k a s h i n o 等人( 1 9 9 6 ) 也对该赤道西太平洋的水团分布经行了研究。 3 ) 近十年来的研究 最近十年来，在西太平洋的现场观测相对较少，研究工作主要是利用往期 的观测数据，以及最新发展的卫星数据和a r g o ( a r r a yf o rr e a l t i m eg e o s t r o p h i c o c e a n o g r a p h y ) 资料。以曲堂栋为代表的工作者综合了a r g o 和w o c e 计划中 得到的大量水文数据，对西北太平洋西边界流系的气候态结果及时间变化做了研 究。比如，q u 等人( 1 9 9 9 ) 给出了西北太平洋中上层环流以及水团分布的气候 态结果，发现亚热带环流圈在深层向极地收缩，n p t w 和n i p w 在从亚热带环 流圈流向热带太平洋时，n p t w 盐度减小密度增大而n p i w 盐度增大密度减小； q u 和l u k a s ( 2 0 0 3 ) 研究了n e c 分叉随着时间和深度的变化，发现n e c 分叉 在7 月份最靠南( 1 4 8 0 n ) ，在1 2 月份最靠北( 1 7 8 0 n ) ，这种变化比纬向风应 力变化延迟了4 5 个月，但是与东亚季风造成的局地e k m a n 抽吸很吻合；q u 和 l i n d s t r o m ( 2 0 0 4 ) 分析了a a i w 沿着西边界的扩展，通过盐度追踪发现a a i w 在n g c u c 和m u c 的输运下可到达1 5 。n 左右，并且指出在冲绳海槽具有较高 溶解氧的中层水，不是a a i w ，而是从南海流出的南海中层水。此外，还有少数 基于最新观测的研究工作。比如，k a s h i n o 等人( 2 0 0 1 ) 利用w o c e 水文项目 ( w o c eh y d r o g r a p h i cp r o g r a m ，w h p ) 在1 9 9 4 到1 9 9 5 获得全深度高精度的水 文观测，研究了西北太平洋从棉兰老岛到日本大面积范围内的中层和深层的环流 6 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 结构和水团分布；f i r i n g 等人( 2 0 0 5 ) 利用在1 9 9 9 年1 0 月和2 0 0 0 年9 月在棉 兰老岛沿岸的两次观测，第一次给出了2 0 0 0 米深度上l a d c p ( l o w e r e d a c o u s t i c d o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ) 流速直接观测结果，发现沿岸的南向流可以到达2 0 0 0 米深度，其中5 0 0 米以上的m c 可以形成连续的流线，而更深层的南向流则和跃 层下靠近岸边的气旋式涡旋有关系。 卫星观测以及a r g o 资料的增多也为研究提供了新的数据支持。w a n g 和 h u ( 2 0 0 6 ) 利用1 9 9 2 2 0 0 4 年的卫星高度计数据分析了表层n e c 分叉的季节和 年际变化，其季节变化与q u 和l u k a s ( 2 0 0 3 ) 的结果类似但具体纬度却明显偏 南，分别为1 2 9 0 n 和1 4 1 。n ，在年际变化上，分叉点纬度与e n s o 相关，在厄 尔尼诺年偏南。周惠( 2 0 0 6 ) 在其博士论文中，利用a r g o 浮标资料，卫星高 度计资料以及同化资料，研究了棉兰老流区的环流特征和涡旋结构，发现了与表 层棉兰老涡方向相反的棉兰老反气旋涡( m i n d a n a oa n t i c y c l o n i ce d d y , m e ) 。藏 南( 2 0 0 8 ) 也利用a r g o 资料，同化资料以及模式模拟数据，对西北太平洋的 次表层潜流( m u c ，l u c ，n e u c ) 做了研究。 在观测数据发展的同时，简单分析模式以及复杂数值模式也应用到西太平洋 环流的研究中。比如，q i u 和l u k a s ( 1 9 9 6 ) 利用一个简单的分析模型和f s u ( f l o r i d a s t a t eu n i v e r s i t y ) 风场数据研究了n k m 流系的季节和年际变化，他们的结果被 q u 和l u k a s ( 2 0 0 3 ) 证实。y a r e m c h u k 和q u ( 2 0 0 4 ) 利用o g c m s ( o c e a ng e n e r a l c i r c u l m i o nm o d e l s ) 分析了n k m 流系大尺度环流的季节变化，进一步指出局地 风场对季节变化的作用。 1 2 2 西北太平洋与南海水交换的研究现状 吕宋海峡作为连接西北太平洋与南海之间的主要通道，在两者水交换中起到 重要作用。从二十世纪六十年代以来，前人对西北太平洋与南海通过吕宋海峡水 交换的做了大量的研究工作。尽管各自的结果不尽相同，但从时间平均和水平空 间平均来看，通过吕宋海峡的水交换在垂向上是“三明治”结构，即上层太平洋 水进入南海，中层南海流出到太平洋，底层太平洋水进入南海( i eq u , 2 0 0 2 ； y u a n ，2 0 0 2 ；t i a ne ta 1 ，2 0 0 6 ；l ia n dq u ，2 0 0 6 ) 。 1 ) 上层水交换 7 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 太平洋与南海上层水交换的研究开展最早，相关工作也最多。w y r t k i ( 1 9 6 1 ) 利用日本历史水文数据第一次研究了吕宋海峡水交换的情况( 图1 4 ) ，结果显示 在2 0 0 米以浅的上层，冬季月份是太平洋水进入南海，在夏季月份是南海水流出 到太平洋，在年平均上是太平洋水进入南海，通量为0 5s v 。c h u ( 1 9 7 2 ) 、n i t a n i ( 1 9 7 2 ) f a n ( 1 9 8 2 ) 和x u 等人( 1 9 9 5 ) 的研究也认为夏季是南海水流出到太 平洋。c h e n 等人( 2 0 0 1 ) 通过分析海水化学水文资料根据质量守恒得到在夏季 大约有ls v 的上层( 0 3 5 0 米) 水流出南海，冬季有3s v 的太平水进入南海。 最近在吕宋海峡的直接流速观测也显示2 0 0 7 年夏季是南海水流出( 杨庆轩 2 0 0 8 ) 。但是另外也有大量认为太平洋水在夏季进入南海，如，黄企洲( 1 9 8 3 ) 利用1 3 个航次的温度和盐度观测资料研究发现，从冬季到夏季都是太平洋水进 入南海，其中在冬季通量最大，春季次之，夏季最小，只有在秋季的时候是南海 水进入太平洋。而t i a n 等人( 2 0 0 6 ) 在2 0 0 5 年秋季的直接海流观测发现吕宋海 峡上5 0 0 米有9s v 的太平洋水进到南海。此外，还有一些研究认为上层太平洋 水进入南海是一年四季都存在的现象。如，s h a w ( 1 9 8 9 ) 认为黑潮水入侵南海 从夏季开始在冬季达到强盛；q u 等人( 2 0 0 0 ) 分析了大量的历史观测数据，发 现上层太平洋的高盐水团全年都会在南海出现，其中春季到秋季集中在南海北部 陆架区，在冬季则可达到南海的南部。从这些研究可以看出，尽管对夏季表层太 平洋水进入南海还有些争议，但对冬季入侵的认识是统一的，并且认为冬季入侵 较强，在全年平均上还是太平洋水进入南海。q u ( 2 0 0 2 ) 通过分析溶解氧的历 史资料也进一步证实了上层是太平洋水进入南海。 兰7 ) l&rz铆$嬲trm?curreninplg曩 ) 一 一j q l 一j 越，j ，一甜 、 i ， ， ， ， 图卜4w y r t k i ( 1 9 6 1 ) 利用日本历史水文数据的位置( 左图) 和计算得到的吕宋海峡在2 月份和8 月份的平均流情况( 右图) 。( w y r t k i ，1 9 6 1 ) 西北太平洋环流及其与南海水交换研究 除了定性概括以及通量估计，前人对上层水交换的具体流场形态还做了大量 的研究，发现太平洋水入侵南海会有多种流态形式( i e ，h ue ta 1 ，2 0 0 0 ；c a r u s oe t a 1 ，2 0 0 6 ) 。 最早的观点认为太平洋表层水以“黑潮分支”的形式进入南海。c h u ( 1 9 7 1 ) 、 管秉贤( 1 9 7 8 ) 、仇德忠等( 1 9 8 4 ) 、郭忠信等( 1 9 8 5 ) ，s h a w 和c h a o ( 1 9 9 4 ) ， x u 等( 1 9 9 5 ) 以及q u 等人( 2 0 0 0 ) ，都通过水文分析发现了南海的黑潮分支。 蒲书箴等( 1 9 9 2 ) 给出的a d c p 直接观测流速中显示出黑潮在吕宋海峡西北方 向分支( 图1 5 ) 。此外，一些卫星观测( f a n i sa n dw i m b u s h ，1 9 9 6 ) 和漂流浮标 ( c e n t u r i o n ie ta 1 ，2 0 0 4 ) 也显示出“黑潮分支 形式。同样，一些模式也有类似 结果，比如f a n g 等人( 1 9 9 6 ) ，m e t z g e r 和h u r l b u r t ( 2 0 0 1 ) 。 图1 - 5 吕宋海峡和西北太平洋上层( 1 7 5 2 2 5 米) 平均流速矢量图，由a d c p 直接流速观测 得到。其中a ) 1 9 8 6 年1 1 月，b ) 1 9 8 7 年9 月，c ) 1 9 8 8 年4 月，d ) 1 9 8 8 年1 0 月，e ) 1 9 8 9 年7 月。改自蒲书箴等( 1 9 9 2 ) 和h u 等人( 2 0 0 0 ) 。 李立和伍佰瑜( 1 9 8 9 ) 第一次提出了“黑潮流套”的概念，使得大家对黑潮 入侵南海的流场形态有了新的认识。他们根据1 9 6 6 年夏季吕宋海峡附近海表动 力高度分布( n i t a n i ，1 9 7 2 ) 和其他一些观测数据研究在南海北部黑潮的入侵，指 出黑潮通常是以“流套”的形态进入南海。章凡等( 1 9 9 5 ) 用一个三维的非线性 诊断模式模拟了吕宋海峡附近的流场，结果显示黑潮以“流套 形态进入南海。 9 西北太平洋环流厦其与南海水交换研完 刘秦玉等( 1 9 9 6 ) 年分析1 9 9 0 以来吕宋海峡的水文资料和卫星s $ t 图片得出黑 潮在吕宋海峡始终是向西之后又向东流出南海的弯曲。李薇等( 1 9 9 6 ) 和李蔽和 刘秦玉( 1 9 9 7 ) 的研究也显示黑潮这样的北向西边界流在经过吕宋海峡这样的西 边界缺口时经常会变形形成反气旋的“流套”结构。 图l 黑潮通过吕宋海峡入侵南海的示意图，其中有个反气旋涡脱落。引自j 诅和l i u ( 2 0 0 4 ) 与“流套”结构相关的一个显著现象就是中尺度涡的脱落(