南海表層環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值模擬與影響因素分析

南海表層環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值模擬與影響因素分析聶宇華;詹杰民;陳植武【摘要】ByusingthePrincetonOceanModel,circulationandthermalstructureoftheSouthChinaSea(SCS)inthedomain98°-126°E,3°S-26°Naresimulatedonrealtopographydata.Theupperhalfoftherightverticalboundaryissetasanopenboundary.Thesimulationstartsfromamotionlessocean,andaveragetemperatureandsalinitydataofJanuaryareusedastheinitialfield.Drivenby12differentmonthlyaveragedwindfields,themodelrunssteadilyforfourmodelyears.Simulationresultsarerecordedfromthebeginningofthethirdyear.Thetemporalandspatialevolutionofthecirculationandthermalstructureisanalyzed.TheresultsshowthattheSCSisdominatedbyabigcyclonetypecirculationinwinterandbyananti-cyclonetypeinsummer.Duringspringandautumnthemonsoonreversesdirection.Thecirculationisinfluencedbythemonsoonofthelastseasonandtransitstothetypicalcirculationtypeofthenextseason.Itconsistsofmultiplevortices.Additionally,theclimateandenvironmentalconditionscaninfluencethecharacteristicsofthecirculationandthermalstructure.%采用普林斯頓海洋模式,在真實(shí)的地形數(shù)據(jù)、計(jì)算區(qū)域右邊界上半部分設(shè)為開邊界的條件下，對(duì)南中國(guó)海98°-126°E,3°S-26°N的范圍進(jìn)行了環(huán)流和溫度結(jié)構(gòu)的模擬.模擬從靜止的海洋開始，以1月份的月平均溫鹽數(shù)據(jù)為初始場(chǎng)，在12個(gè)不同的月平均風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下,模式穩(wěn)定地模擬了4個(gè)模式年.從第3年開始進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.首先從數(shù)值模擬的角度給出了南海表層環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變過程,繼而詳細(xì)分析了氣候和環(huán)境因素的影響.結(jié)果表明:冬季南海主要被一個(gè)大的氣旋式環(huán)流占據(jù)，夏季主要呈大的反氣旋式環(huán)流.春季和秋季是季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，南海環(huán)流在受到上一個(gè)季節(jié)影響的同時(shí)也向下一個(gè)季節(jié)的典型流態(tài)轉(zhuǎn)換,并由多個(gè)渦旋組成.此外，氣候和環(huán)境條件的設(shè)置，都會(huì)影響到南海的環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)特征.【期刊名稱】《中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(勤期】2011(050)002【總頁數(shù)】5頁(P134-138)【關(guān)鍵詞】南海環(huán)流;熱結(jié)構(gòu);黑潮;普林斯頓海洋模式【作者】聶宇華;詹杰民;陳植武【作者單位】中山大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系廣東廣州,510275;國(guó)家海洋局南海分局,廣東廣州,510300;中山大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系,廣東廣州,510275;中山大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系,廣東廣州,510275【正文語種】中文【中圖分類】P731.11;P731.27南海位于熱帶西太平洋的邊緣，是西太平洋最大的半封閉深水海盆，具有某些大洋的特征。同時(shí)它不僅是聯(lián)接亞澳季風(fēng)的橋梁，也是典型的季風(fēng)區(qū)，并存在顯著的局地性海-氣相互作用［1］。因此，對(duì)南海環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。南海海況的研究主要包括實(shí)際觀測(cè)和數(shù)值模擬兩種方法。對(duì)于大洋環(huán)流的研究，實(shí)際觀測(cè)成本較高，因此數(shù)值模擬是較為常用的研究手段。數(shù)值模擬從20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于南海海域。1987年，Pohlmann［2］應(yīng)用三維環(huán)流模式(OGCM),得到了與Wyrtki［3］相似的結(jié)果。1989年，曾慶存［4］用二維全流方程模式，計(jì)算了南海12個(gè)月的平均表層流，他認(rèn)為南海暖流的主要成因是風(fēng)生海流受四周海岸約束以及西沙和南沙群島等海底地形的阻擋而造成的補(bǔ)償流作用。同年，文獻(xiàn)［5］以二維全流模式對(duì)南沙群島鄰近海域春季典型月平均流進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。1996年，王東曉［6］應(yīng)用一個(gè)包含動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的熱帶海洋兩層半模式，模擬南海上層海洋封閉邊界條件下的季節(jié)性環(huán)流，顯示了模式對(duì)南海海盆尺度的環(huán)流系統(tǒng)具有較好的模擬能力。1999年，錢永甫等［7］利用普林斯頓海洋模式(POM)對(duì)南中國(guó)海的年平均海流進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在南海海流的形成中風(fēng)應(yīng)力的作用更為重要。2001年，薛惠潔等［8］利用POM計(jì)算南海及其鄰近海域的環(huán)流。2004年，楊波等［9］采用美國(guó)地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一套大洋環(huán)流模式MOM(ModularOceanModel)，也較好地模擬了南海的環(huán)流。然而，在眾多的數(shù)值模擬研究中，還沒有文獻(xiàn)在考慮各種氣候因素影響的條件下，對(duì)南海表層環(huán)流及熱結(jié)構(gòu)的年周期變化進(jìn)行系統(tǒng)研究。這就是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。1模式配置及驗(yàn)證1.1模式配置本文在最新版本POM模式的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，使其能夠用來模擬實(shí)際的南海環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)問題。所選取的計(jì)算范圍為98°-126°E，3°S-26°N。采用ETOPO55'x5'的實(shí)際地形數(shù)據(jù)，最大水深超過5500m。水平網(wǎng)格精度為0.25°x0.25。，垂直方向共分為16個(gè)。層。右邊界上12°-26°N的地方設(shè)置為開邊界。在此開邊界上給定流速的大小，采用詹杰民等［10］2004年模擬北太平洋時(shí)西岸流場(chǎng)的數(shù)據(jù)，其他邊界均設(shè)置為封閉邊界。計(jì)算從靜止的海洋開始，采用Levitus數(shù)據(jù)庫中1月份月平均溫度和鹽度作為初始場(chǎng)，并采用DASILVA數(shù)據(jù)庫中12個(gè)月份的月平均風(fēng)場(chǎng)作為表面強(qiáng)迫條件。計(jì)算時(shí)將這12個(gè)風(fēng)場(chǎng)作為每月15號(hào)的風(fēng)場(chǎng)，其它時(shí)刻的風(fēng)場(chǎng)在每個(gè)時(shí)間步上插值得到。12個(gè)月的海面凈熱通量取自COADS。模擬時(shí)，外模時(shí)間步長(zhǎng)取6s，內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)取180s。取每個(gè)模式月為30d，每個(gè)模式年為360d。經(jīng)過兩個(gè)模式年的模擬后，計(jì)算已基本穩(wěn)定。從第3年的1月份開始記錄和分析模擬結(jié)果。1.2模式驗(yàn)證在進(jìn)行具體的環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)特征模擬之前需要進(jìn)行模式驗(yàn)證。本文選取Wyrtki［3］繪制的包括整個(gè)南海在內(nèi)的東南亞海域雙月表層海流圖中的冬季南海表層海流圖和李榮鳳等［11］模擬得到的中國(guó)及鄰近海域1月份月平均流場(chǎng)圖作為對(duì)比。本文模擬所得到的1月份表層流場(chǎng)如圖1a所示。經(jīng)過對(duì)比可知，本文結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)及模擬結(jié)果基本吻合［3-11］。冬季南海存在著一個(gè)大的氣旋式環(huán)流。具體來說，在西海岸是向南沿岸流，西邊界流強(qiáng)化現(xiàn)象比較明顯；在南部淺水區(qū)的東部海域存在向北的回頭流，加里曼丹北側(cè)存在著向南的補(bǔ)償流，暹羅灣內(nèi)則是順時(shí)針渦旋，南海南部也能夠清楚地看到一個(gè)非常明顯的逆時(shí)針渦旋，并且較好地模擬出了黑潮入侵現(xiàn)象。這些結(jié)果都與文獻(xiàn)［11］模擬出的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相吻合。但流場(chǎng)形態(tài)在細(xì)節(jié)上不可能完全一致。因?yàn)橛?jì)算條件和模式配置本身就存在不同。例如，本文僅右邊界的上半部分設(shè)為開邊界，其余邊界封閉。而李榮鳳等［11］為了避開困難的開邊界處理問題，把計(jì)算區(qū)域取為98.75°E-69.75°W和60.25°N-60.25°S,并充分考慮了太平洋流系特別是黑潮與我國(guó)海域海流的相互作用和水交換。因此，兩種結(jié)果在—些細(xì)節(jié)上存在差異是在所難免的。2南海表層環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變下面以一個(gè)年周期四季代表月的表層流場(chǎng)和溫度場(chǎng)來詳細(xì)討論南海表層環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變特征。圖1四季代表月的流場(chǎng)圖Fig.1Representativeflowfieldsoffourseasons由冬季南海表層流場(chǎng)圖（圖1a）可以看到，POM模式很好地再現(xiàn)了南海冬季海流，即總體上呈氣旋式大環(huán)流。強(qiáng)大的東北季風(fēng)給中南半島東南側(cè)海域帶來了1個(gè)非常明顯的逆時(shí)針渦旋。由相應(yīng)的溫度圖（圖2a）可知，其處于低溫區(qū)，屬冷渦。該冷渦的周圍還存在著3個(gè)較明顯的小渦旋。南海西側(cè)沿岸至中南半島有一支強(qiáng)海流，自北向南流向爪哇海，導(dǎo)致上述冷渦形成，即〃南海環(huán)流的西向強(qiáng)化”現(xiàn)象［3］。另外，黑潮洋流北上流經(jīng)呂宋海峽時(shí)，能通過呂宋海峽影響南海北部環(huán)流，使其加強(qiáng)。本文并未模擬出明顯的冬季南海暖流。這可能是由于冬季風(fēng)應(yīng)力較大，表層漂流強(qiáng)度也較大，南海暖流被暫時(shí)掩蓋。管秉賢［12］認(rèn)為該暖流在表層以下仍是明顯的，在東北季風(fēng)減弱的間歇還會(huì)顯現(xiàn)在表層。圖2四季代表月的溫度場(chǎng)圖Fig.2Representativetemperaturefieldsoffourseasons從太陽輻射的角度來說，南海北部溫度應(yīng)比南部低。但從冬季溫度場(chǎng)（圖2a）可見，冬季南海的海表溫度較均勻。北部海表溫度并不會(huì)明顯比南部低。這主要是由于黑潮暖流入侵，將高溫的海水帶到南海的北部，使得南海南北的海表溫度不存在明顯的差別。春季是南海的季風(fēng)轉(zhuǎn)換期。冬季盛行的東北季風(fēng)開始減弱，夏季風(fēng)逐漸建立。海面多為風(fēng)力較弱的偏東風(fēng)。隨著東北季風(fēng)的衰退，冬季流型開始逐漸分裂和轉(zhuǎn)化。由圖1b可以看到，春季南海南部開始出現(xiàn)較明顯的冬季反向流，中南半島附近海域的小渦旋開始增多，冬季流型開始瓦解。東北季風(fēng)的減弱，使得廣東外海表層出現(xiàn)了較弱的南海暖流。另外，結(jié)合溫度圖和流場(chǎng)圖可知，沿呂宋島西北岸有一支較明顯的暖水北上。李培良等［13］也曾經(jīng)模擬出這種現(xiàn)象，并將其稱之為呂宋沿岸流。西邊界流此時(shí)已基本與冬季流向相反。呂宋沿岸流開始略顯雜亂。春末，隨著季風(fēng)更替的完成，總的環(huán)流形勢(shì)已經(jīng)比較接近夏季流態(tài)。從春季的溫度場(chǎng)圖（圖2b）可以看到，南海海域的表層海溫開始上升。尤其是南海南部海域，整體水溫明顯比冬季升高。但在加里曼丹島北部海域，還存在著一個(gè)低溫水域。這是因?yàn)榇杭竞诔比肭譁p弱，失去了黑潮暖流的支撐，南海北部海域的溫度明顯比冬季偏低。這也部分驗(yàn)證了Shaw[14]“黑潮南海分支始于夏末，冬季加強(qiáng)，終于春末”的論點(diǎn)。南海的夏季為西南季風(fēng)盛行期。從圖1c可以看到，南海夏季海流已經(jīng)形成，總體上呈現(xiàn)出大而較明顯的反氣旋式環(huán)流。南海西側(cè)沿岸的西邊界流強(qiáng)化現(xiàn)象已經(jīng)非常明顯。西邊界流的北上，在海南島沿岸形成了較明顯的順時(shí)針渦流。對(duì)比溫度圖可知，其渦中心處溫度較高，屬于暖渦。另外，整個(gè)夏季南海北部沒有明顯的黑潮入侵現(xiàn)象。從溫度圖（圖2c）可知，由于沒有黑潮暖流的支撐，北部海域的低溫區(qū)有所擴(kuò)大。中部和西南部海域，溫度整體較高。這個(gè)季節(jié)南海最重要且明顯的溫度結(jié)構(gòu)就是存在于海南島東南側(cè)的暖渦。秋季跟春季一樣，也是季風(fēng)的轉(zhuǎn)換期。但由于秋季風(fēng)力強(qiáng)于春季，所以其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)比春季有序。隨著西南季風(fēng)自北向南迅速撤退，南海北部的氣旋式環(huán)流開始發(fā)展，反氣旋環(huán)流減弱并開始瓦解。由秋季流場(chǎng)圖（圖1d）可見，此時(shí)冬季流態(tài)開始出現(xiàn)，氣旋式大環(huán)流逐漸明顯起來。在越南東海岸，東北向漂流被西南向漂流所替代。這個(gè)月份冬季流向（即西南流向）的西邊界流已經(jīng)非常明顯。秋末，隨著冬季風(fēng)的形成，南海環(huán)流逐漸由秋季流態(tài)轉(zhuǎn)變成冬季流態(tài)。從溫度場(chǎng)圖（圖2d）可以看到，總體上，秋季海表溫度相對(duì)較低。但是，由于黑潮在夏末秋初開始經(jīng)由呂宋海峽入侵南海，南海北部的冷水區(qū)內(nèi)，受黑潮暖流的影響重新出現(xiàn)了暖水區(qū)。南部海域（西部沿岸）開始出現(xiàn)較明顯的低溫冷水區(qū)，并開始形成冷渦。這是由南下的西邊界流弓I起的。3氣候和環(huán)境因素對(duì)南海動(dòng)力結(jié)構(gòu)的影響分析太陽輻射和季風(fēng)是影響南海環(huán)流和熱結(jié)構(gòu)最重要的兩個(gè)氣候因素。其中太陽輻射造成溫度和鹽度南北分布不均勻，因而導(dǎo)致了壓力梯度與科氏力共同作用形成的密度流。溫鹽的分布不均也是一個(gè)非常重要的海洋環(huán)境因素。季風(fēng)則是南海表層環(huán)流的最直接強(qiáng)迫，也在很大程度上改變了海水的上層水溫分布。我們?cè)O(shè)計(jì)如下3個(gè)算例：算例1既有太陽輻射造成的溫度和鹽度水平不均勻分布，又有風(fēng)應(yīng)力作用，稱為“TSW”試驗(yàn)；算例2只有溫度和鹽度的水平不均勻分布而無風(fēng)應(yīng)力作用，稱為“TS”試驗(yàn)；算例3只有風(fēng)應(yīng)力作用，溫度和鹽度都設(shè)置為均勻場(chǎng)(溫度和鹽度分別設(shè)置為25°C和34以消除溫鹽不均勻所產(chǎn)生的密度流)，稱為“W”試驗(yàn)。本文以冬季1月份的海表流場(chǎng)和溫度場(chǎng)為例比較3個(gè)算例的模擬結(jié)果。圖3不同氣候條件下冬季(1月份)表層流場(chǎng)圖和溫度場(chǎng)圖Fig.3ThesurfaceflowandtemperaturefieldsoftheSCSinJanuaryunderdifferentclimaticconditions:(a)TSCase;(b)WCase圖3a和b分別為TS算例和W算例的模擬結(jié)果。TSW算例的模擬結(jié)果見圖1a及圖2a。對(duì)比3個(gè)流場(chǎng)圖可以發(fā)現(xiàn)，W算例流場(chǎng)的總體流型與TSW算例的基本—致。TS算例除了暹羅灣中的順時(shí)針環(huán)流和呂宋海峽以東的黑潮比較明顯外，其余海域的流場(chǎng)基本處于無序的狀態(tài)。并且由于僅有溫鹽水平梯度的作用，流速較其它兩個(gè)算例的小。當(dāng)TS算例加入風(fēng)場(chǎng)的作用后(即TSW算例)，原來基本無序的表層流場(chǎng)變得明顯有序，見圖3(b)。在單一影響因素的作用下，W算例的表層流場(chǎng)比TSW算例的更加有序；越南東南側(cè)的渦旋數(shù)量也比TSW算例的少?？偟膩碚f，太陽輻射造成的溫鹽水平不均勻的影響比風(fēng)場(chǎng)的影響要小很多，但不能完全忽略。風(fēng)場(chǎng)的作用決定了南海表層流場(chǎng)的基本流型，但溫鹽的水平分布對(duì)于流場(chǎng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)也是有一定影響的。另外，在僅有風(fēng)場(chǎng)作用的W試驗(yàn)中，仍然可以看見清晰的南部逆時(shí)針渦旋。這說明風(fēng)場(chǎng)的作用能夠激發(fā)出與風(fēng)應(yīng)力旋轉(zhuǎn)方向相同的直接渦旋。錢永甫等［15］也曾得出類似的結(jié)論。從3個(gè)溫度圖可以看到，W試驗(yàn)由于摒除了溫鹽水平不均勻分布的影響，溫度是初始設(shè)置的25°C均勻場(chǎng)。TS算例雖然沒有風(fēng)場(chǎng)的作用，但由于采用了真實(shí)的初始溫鹽數(shù)據(jù)，在密度流、地轉(zhuǎn)流、黑潮入侵的影響下，溫度場(chǎng)有明顯的空間結(jié)構(gòu)變化。另外，黑潮入侵由于沒有風(fēng)場(chǎng)的推動(dòng)，南海北部的高溫海域面積縮小，并存在—個(gè)明顯的低溫冷水區(qū)。并且由于沒有了南下的西邊界流，越南東南側(cè)的冷渦中心也不復(fù)存在。由此可見，對(duì)于溫度場(chǎng)來說，太陽輻射有重要的影響，但是風(fēng)場(chǎng)也可以起到輔助的作用。4結(jié)論季風(fēng)是造成南海上層環(huán)流季節(jié)變化的主要因素。冬夏兩季為季風(fēng)盛行期，兩種不同的季風(fēng)導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)方向截然相反的環(huán)流系統(tǒng)。南海冬季主要被一個(gè)大的氣旋式環(huán)流占據(jù)；夏季主要呈大的反氣旋式環(huán)流。春秋兩季是季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，南海環(huán)流在受到上一個(gè)季節(jié)影響的同時(shí)也向下一個(gè)季節(jié)的典型流態(tài)轉(zhuǎn)換，并由多個(gè)渦旋組成。季風(fēng)的更疊使環(huán)流不斷演變，而黑潮經(jīng)呂宋海峽的作用則使之更趨復(fù)雜。冬夏兩季，南海環(huán)流都有十分明顯的西向強(qiáng)化趨勢(shì)。與之相比，南海東側(cè)的環(huán)流結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱并稍顯凌亂。季節(jié)變化和西向強(qiáng)化是南海環(huán)流的兩個(gè)主要特征。黑潮入侵南海始于夏末秋初，冬季勢(shì)力最強(qiáng)，終于春末。由于冬季表層海流流速較大，南海暖流在4月份開始才能夠在表層觀察到。冷暖渦旋結(jié)構(gòu)在四個(gè)季節(jié)都存在。溫度和鹽度的水平變化對(duì)于流場(chǎng)的影響很小，而風(fēng)場(chǎng)則是南海上層流場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。參考文獻(xiàn)：高榮珍，王東曉，王衛(wèi)強(qiáng)，等.南海上層海洋熱結(jié)構(gòu)的年循環(huán)與半年循環(huán)[J].大氣科學(xué)，2003,27(3):345-352.POHLMANNTA.Three-dimensionalcirculationmodeloftheSouthChinaSea[M]//NIHOULJJ,JAMARTBM,eds.Three-dimensionalModelsofMarineandEstuarineDynamics[M].NewYork:Elsevier,1987:245-268.WYRTKIK.ScientificresultsofmarineinvestigationsoftheSouthChinaSeaandtheGulfofThailand1959-1961,NagaReport2[M].California:ScrippsInstitutionofOceanography,1961.曾慶存，李榮鳳，季仲貞，等.南海月平均流的計(jì)