（物理海洋学专业论文）mitgcm模式在中国近海环流研究中的应用.pdf

m i t g c m 模式在中国近海环流研究中的应用 摘要 为了研究中国近海环流及其与外海大洋环流之间的相互作用，本文基于 m i t g c m 建立了一个变网格全球大洋环流模式。模式在南海和渤、黄、东海及日 本海为高分辨率( 1 6 。) ，在全球其他区域为低分辨率( 2 。) 。与t o p e x p o s e i d o n 卫星高度计资料和黑潮的测流资料比较表明，模拟结果与观测结果符合良好。 利用模拟结果计算了通过中国近海各开边界的体积、热、盐输运量的各月和 全年平均值。所得结果与已有的基于观测所得的体积输运估计值有良好的一致 性。东海黑潮的体积和热盐输运值分别为2 3 2 7 s v ，1 9 6 p w 和8 0 5 4 9 g g s 。其 中西表岛至冲绳水道的输运量只占总量的2 6 。结果显示南海为太平洋印度 洋贯穿流的重要通道。热平衡计算表明，大气从渤、黄、东海获得净热通量，其 值为0 o s p w ，南海地区则是海洋从大气中吸收热量，值约为0 0 3 p w 。 利用模拟结果研究了渤、黄、东海的环流结构及其季节变化。黑潮得到了较 好的再现。黑潮主要通过台湾至西表岛水道进入东海，在吐噶喇海峡流出东海。 其流量具有明显的季节变化，夏季最大，冬季最小。台湾一对马一津轻暖流系统 得到了良好的再现。台湾暖流主要来源于台湾海峡海流和黑潮入侵，并具有季节 变化。其中台湾海峡来水在其中占据了主要地位。对马暖流存在三个来源，分别 为台湾暖流、济州岛西侧黄海水和黑潮。它们的贡献随季节变化各有不同。台湾 暖流所占部分在冬、秋季贡献较弱，且主要集中在次表层，在夏季较强。济州岛 西侧黄海水部分则在冬季最强，夏季较不明显。黄海夏季环流的模拟结果与观测 有一定出入，说明如何将m i t g c m 模式更好的利用在黄海环流的模拟中还需进一 步的探索。 基于模拟结果讨论了南海的环流结构及其季节变化。结果表明：全年均有太 平洋水通过吕宋海峡进入南海，夏季表层的入侵较弱。南海北部附近全年都存在 气旋式流圈。夏季南海南部反气旋式流圈、越南离岸流和冬季的南海南部气旋流 圈都得到了很好的再现。垂直结构上，中层环流与上层环流结构并不相同，甚至 出现相反的情况。 关键词：中国近海环流季节变化数值模拟m i t g c m t h e a p p l i c a t i o no fm i t g c m o i lt h es t u d yo ft h ec i r c u l a t i o ni n t h ec h i n a a d j a c e n ts e a s a b s t r a c t a v a r i a b l e - g r i dg l o b a lo c e a nc i r c u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nm i t g c m t os t u d yt h eo c e a nc i r c u l a t i o no ft h ec h i n aa d j a c e n ts e a sa n di t ss e a s o n a lv a r i a t i o n t h eh o r i z o n t a l r e s o l u t i o no ft h em o d e li sf i n e ( 1 6 。) i nt h es o u t hc h i n a ( s c s ) ，e a s t c h i n as e a s ，a n dj a p a n e a s ts e a ，a n dc o a r s e ( 2 。) i nt h er e s tp a r to ft h ew o r l do c e a n t h e m o d e l p r o d u c e dm o n t h l ym e a nt r a n s p o r ts t r e a mf u n c t i o n sa n dt h e a n o m a l i e so ft h es e as u r f a c eh e i g h t s c o m p a r i s o nt ot h et o p e x p o s e i d o nd a t as h o w s t h a tt h em o d e l p r o d u c e dm o n t h l ys e as u r f a c eh e i g h ta n o m a l i e sa r ei ng o o da g r e e m e n t 谢t ha l t i m e t e rm e a s u r e m e n t t h i ss h o w st h ec o r r e c t n e s so ft h er e s u l to ft h em o d e l b a s e do nt h em o d e lr e s u l t ，t h em o n t h l ya n da n n u a lm e a nf r e s h w a t e r ，h e a ta n d s a l tt r a n s p o r t st h r o u g ht h eo p e nb o u n d a r i e so ft h eb o h a is e a ，y e l l o ws e a ，e a s ta n d s o u t hc h i n as e a sa r ec a l c u l a t e d t h em o d e lr e s u l t sa r ei nf a i r l yg o o da g r e e m e n tw i t h t h ee x i s t i n ge s t i m a t e sb a s e do nm e a s u r e m e n t s t h ec o m p u t a t i o ns h o w st h a tt h e v o l u m e ，h e a ta n ds a l tt r a n s p o r t so ft h ek u r o s h i oi nt h ee a s tc h i n aa r e2 3 3 5 s v ， 1 9 6 p wa n d8 0 5 4 9 g s o n l ya b o u t2 6 o ft h o s et r a n s p o r t s p a s st h r o u g ht h e p a s s a g eb e t w e e ni r i o m o t ea n do k i n a w a t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es o u t hc h i n as e a i sa ni m p o r t a n tp a t h w a yo ft h ep a c i f i ct oi n d i a no c e a nt h r o u g h f l o w t h ec a l c u l a t i o n o fh e a tb a l a n c ei n d i c a t e st h a tt h ea t m o s p h e r eg a i n sn e th e a tf l u xf r o mt h eb a o h a i ， y e l l o wa n de a s tc h i n as e a sw i t har a t e0 o 卯ww h i l et h es o u t hc h i n as e aa b s o r b s n e th e a tf l u xf r o mt h es u na n da t m o s p h e r ew i t har a t eo f0 0 3 p w b a s e do nt h em o d e lr e s u l t s ，t h ec i r c u l a t i o no fb o h a i ，y e l l o wa n de a s tc h i n as e a s a n dt h e i rs e a s o n a lv a r i a t i o na r es t u d i e d k u r o s h i oi s r e p r o d u c e dr e a s o n a b l ew e l l k u r o s h i om a i n l yi n t r u d e st h ee a s tc h i n as e at h r o u g ht h et a i w a n - i r i o m o t ep a s s a g e a n df o w so u tt h r o u g ht h et o k a r as t r a i t t h et r a n s p o r t sa r es t r o n g e s ti ns u m m e ra n d w e a k e s ti na u t u m n t a n w a n - t s u s h i m aw a r mc u r r e n ts y s t e mi sw e l lr e p r o d u c e d t h e w a t e ro ft a i w a nw a r mc u r r e n ti sm a i n l yf r o mt h et a i w a ns t r a i ta n dk u r o s h i ow i t h s i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a b i l i t y ，t h ew a t e rf r o mt a i w a nw a r mc u r r e n ti s m o r e i m p o r t a n t t h ew a t e ro ft s u s h i m aw a r m c u r r e n th a st h r e es o u r c e s ，t h e i rc o n t r i b u t i o n i ss e a s o n a lv a r i a b l e t h ep a r to ft a i w a ns t r a i ti sw e a ki nw i n t e ra n da u t u m na n dt h e s t r o n g e s t i ns u m m e r t h e r ea r es o m ed e v i a t i o n sb e t w e e nt h em o d e la n dt h e o b s e r v a t i o n ，i ts h o wt h a tt h em o d e ld o e s n tw o r kv e r yw e l li nt h ey e l l o ws e aa n d t h e r ea r es o m e t h i n gw es h o u l di m p r o v e b a s e do nt h em o d e lr e s u l t s ，t h ec i r c u l a t i o no fs o u t hc h i n as e a sa n dt h e i r s e a s o n a lv a r i a t i o na r es t u d i e d i ts h o w st h a tt h ek u r o s h i oc a ne n t e rt h es o u t hc h i n a s e aa l lt h ey e a r ，w h i c hi sw e a r k e ri ns u m m e r t h ea n t i c y c l o n ee d d i e si nt h es o u t ho f s o u t hc h i n as e ai ns u m m e r ，t h ev i e t n a m e s eo f f s h o r ec u r r e n ta n dt h ec y c l o n ee d d i e s i nw i n t e ra r er e p r o d u c e dv e r yw e l l t h ec i r c u l a t i o ni nt h eu p p e r l a y e ri sd i f f e r e n tf r o m t h ec i r c u l a t i o ni nt h em i d d l el a y e ra n dt h eb o t t o ml a y e r k e yw o r d s ：c h i n aa d j a c e n ts e a s ，o c e a nc i r c u l a t i o n ，s e a s o n a lv a r i a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，m i t g c m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律 结果由本人承担。 论文作者签名：龟良u 一参年f 月；9 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用学 位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 研究所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。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：垒眨 导师签名玉r 粝 电寥年6 只弓oe t 第一章引言 1 1中国近海环流数值模拟研究回顾 环流，通常是指范围较大，相对稳定的水平和垂直方向的非周期 性流动，是海水运动的基本形式之一。环流对气候、海洋渔业、船舶 运输、海上建筑物以及海上军事活动等都有重要影响，是海洋科学中 最重要、最基本的研究内容之一。中国近海的环流结构非常复杂，它 受海域上空的季风、沿岸河流的入海量、黑潮、潮流非线性效应和海 区的轮廓和地形等多种因素的共同作用。由于渤、黄、东海和南海环 流的格局上就有差异，在数值模拟的研究中一般分别进行讨论。在 此对渤海、黄东海和南海环流的数值研究分别进行回顾。 i i 1 渤海环流数值模拟研究 渤海作为一个比较封闭的海区，与外海的水交换能力相对较弱。 许多学者应用数值模拟的方法，在渤海环流特点以及与外海的水交换 方面开展了不少工作。 渤海环流的数值模拟研究开展较早。由于渤海面积相对较小，水 深较浅，环流结构也相对简单些。早期渤海的数值模拟研究主要局限 在二维环流方面，如奚盘根等堙3 ( 1 9 8 0 ) 、张淑珍等b 3 ( 1 9 8 4 ) 、王宗山 等h 1 ( 1 9 9 2 ) 。z h a oe ta 1 瞄3 ( 1 9 9 3 ) 较早的应用三维模式对渤海环流进 行了数值模拟。王辉和王为民阳1 ( 1 9 9 4 ) 、黄大吉等口8 1 ( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 、 w e ie ta 1 3 ( 2 0 0 1 ) 都应用三维模式模拟了渤海环流。另外，f a n ge t a 1 n 呻( 2 0 0 0 ) 矛 i h u a n ge ta l 。n d ( 1 9 9 9 ) 分别用二维和三维模式开展了 渤海环流动力机制研究。 渤海风海流的数值模拟研究开展得最为广泛。王宗山等h 1 ( 1 9 9 2 ) 模拟得出渤海强流区的最大流速达2 0 c m s 以上。z h a oe ta 1 拍3 ( 1 9 9 3 ) 等在三维模式中计算得到风海流最大值为l o c m s 左右，在l o m 以及更 深层，出现与表层流反方向的补偿流。王辉和王为民1 ( 1 9 9 4 ) 模拟 得到冬季表层风生流最大流速约为1 5 c m s 左右。黄大吉等n 3 ( 1 9 9 6 ) 指 出，渤海的风生环流具有显著的三维结构，纯风生流最大值可达 2 0 c m s ，而考虑潮的作用之后，所得风生环流流速明显减慢，并认为 是由于潮的耗散作用导致的。魏泽勋等n 2 1 ( 2 0 0 3 ) 基于p o m 模式研究了 渤海的夏季环流结构，认为夏季风场较弱，形成的风海流较小；与风 海流相比，密度流较强，结构也更为复杂。 关于渤海海峡水交换研究也是渤海数值模拟研究的焦点之一。黄 大吉等1 ( 1 9 9 8 ) 认为，黄、渤海之间的水体交换，冬、夏季均为北进 南出，且水体交换比单纯的潮交换要强。冬季，以风生环流为主，入 流在海峡的上层和北部，出流在海峡南部的下层；夏季，以密度流为 主，入流在海峡北部，出流在海峡南部。而w e ie ta l 。1 ( 2 0 0 1 ) 的模 拟指出，渤海环流为冬强夏弱，夏季环流在渤海海峡处并不表现为北 进南出，在表层甚至出现南进北出现象。林霄沛等n 3 3 ( 2 0 0 2 ) 利用从 卫星遥感反演的风和海表温度数据并考虑m ：分潮的作用，对渤海海域 的温度、流场的三维结构进行了数值研究，重点分析了渤海海峡水交 换的季节变化特征。认为9 4 1 0 月流量最大，2 3 月次之，5 6 月和 1 2 1 月最小，年平均流量约为4 1 0 4 m 3 s 。魏泽勋等n 2 3 ( 2 0 0 3 ) 采用覆 盖渤、黄、东海的大区域模式研究渤海环流及其水交换，结果表明渤 海海峡夏季的流入和流出量总的趋势是北进南出，主要由密度流引 起，流量约为5 i 0 3 m 3 s 。形成渤海海峡夏季水量北进南出现象是由 密度结构造成的。 关于渤海海水更新周期，则存在不同的观点，从几个月 ( h a i n b u c h e r ，2 0 0 4 ) n 钔到十几年不等。魏皓等n 5 3 ( 2 0 0 2 ) 指出，因渤 海环流结构及季节变化，使得渤海3 个海湾及渤海中部交换能力相差 很大，莱州湾交换能力最强，辽东湾特别是其西部海域交换能力最弱。 在治理渤海污染时应区别对待。 除了环流特点外，许多学者还应用数值模拟的方法研究了渤海的 许多其他的特性。例如赵亮和魏皓n 鄙( 2 0 0 1 ) 模拟了渤海的垂直湍流强 度季节变化，吴少华等n 刀( 2 0 0 2 ) 应用数值模拟研究了渤海风暴潮的情 况，h u a n ge ta 1 n 门( 1 9 9 9 ) 通过一个三维的斜压原始方程模式，研究 了渤海的季节温跃层变化。近期的研究显示，潮致混合和波致混合对 数值模式中的垂向混合影响显著n 引。l i ne ta 1 n 们( 2 0 0 6 ) 根据这种观 点，在渤海环流数值模拟中引入波致混合，揭示了观测得到的夏季渤 海中央暖水团的形成过程，并探讨了其机制。 通过这些研究，可以看到渤海的环流结构具有季节性特点。冬季 受冬季风的影响较大，渤海上层大部分区域为西南向的风漂流，渤海 湾上层在西部存在一强的反时针流动：渤海下层则为补偿流。在形成 机制方面，冬季渤海海面风应力分布东岸大、西岸小，风应力切变形 成的负涡度是这一流态的主要驱动机制乜们，并且潮流的影响也不可忽 祝光耀渤海碧海行动计划国家环保局1 9 9 88 9 视业。夏季，总环流形态更相近于密度流，而压强梯度力是密度流的 主要驱动机制。辽东湾的环流基本为一个顺时针结构。莱州湾也为一 个顺时针环流。渤海湾则在上层存在一个弱的顺时针环流。如图1 1 所示。 图1 1 魏泽勋等u 副( 2 0 0 3 ) 渤海夏季表层环流 近年来，渤海入海流量和含沙量减少，渤海蒸发量增大，导致盐 度增加等问题，逐渐引起人们的注意。这些变化都直接导致了渤海物 理场的变化，其引起的一系列影响应是今后研究的热点问题。污染物 的排放及扩散问题亦十分重要，数值模拟方法在环境保护方面应提高 预报与指导作用。如提出更好的污染物排放地点与方法，在突发污染 情况发生时提出合理的指导意见等等。渤海风暴潮灾害和灾害性寒潮 等天气过程比较常见，而渤海海区及周边地带生产设施又比较密集， 这对应用数值模拟方法进行防灾减灾的工作也提出了更高的要求。 1 1 i2 黄海和东海环流数值模拟研究 黄海和东海是我国东部海域的主要组成部分，其动力学特征一直 受到国内外海洋学者的关注。其环流系统主要受到下列因子的影响： 黑潮、长江冲淡水、潮波系统和气象条件等。 迄今，有关中国东部海域陆架环流的数值模拟可分为二维正压模 式、三维正压模式以及三维斜压模式。 早期黄东海的数值模拟研究主要借助于二维正压模式汜2 2 - 2 引。如 f a n ge ta 1 昭6 1 ( 1 9 9 7 ) 重点研究了黄海暖流的路径和来源。冬季，模 式结果显示黄海暖流主要来自于台湾对马暖流。并且认为冬季风虽 然可以加强黄海暖流，但它并不是黄海暖流产生的唯一原因。 随着计算能力的不断提高，较二维模式更能体现海洋的真实特性 的三维模式逐渐占据了主导地位，并广泛应用与黄东海研究中。前期 主要采用三维正压模式乜7 - 33 | 。其中，k a g i m o t oa n dy a m a g a t a 口( 1 9 9 7 ) 利用p o m 模拟了黑潮的季节变化，模拟结果与p n 断面上的观测结果具 有较好的一致性。乔方利等门( 1 9 9 8 ) 等用水平分辨率为0 2 5 。的p o m 模拟黄海和东海的环流特征，模式考虑了潮流对环流的影响，模拟得 到的环流特征与观测结果符合较好。 虽然三维正压模式在黄东海取得了一定的研究成果，但作为东海 最主要流系的黑潮，具有显著的斜压性，因此采用正压模式对黑潮流 速的模拟结果往往偏小，更无法获得真实的斜压环流结构。因此采用 三维斜压模式对黄东海环流进行数值模拟能够进一步提高该海区的 数值模拟能力。针对黄东海海区的三维斜压模式的研究成果比较丰富 4 3 8 。其中李微翡和赵保仁。7 1 ( 2 0 0 1 ) 应用p o m 模式考虑了海底地形、 外来流、长江径流、海面风应力、海面热交换等多方面因素的影响， 较好的模拟了夏季黑潮、台湾暖流、对马暖流和长江冲淡水等水文现 象。 已有的研究成果显示，在研究渤黄东海地区的环流情况时，综合 考虑多种因素能够更全面的反映海洋的真实情况。 潮流在东中国海近海区域中对环流起着相当大的影响，朱建荣等 刚( 2 0 0 4 ) 不仅指出了潮流的重要性，还验证了以余流和潮流通量合成 的形式给出边界条件的正确性。胡好国等h 们( 2 0 0 4 ) 也从潮致混合方面 说明了考虑潮流在环流数值研究中的必要性。 有关海洋的垂向混合和温盐结构也有许多学者关注。早期工作有 金梅兵等h ( 1 9 9 4 ) 等进行的黄渤海地区温度垂直结构三维模拟预报 等。但因为受到计算能力和资料精确度等的影响，其研究并不充分。 乔方利等n 酊( 2 0 0 4 ) 讨论了波浪运动和潮流运动所造成的混合及其对 温度垂直结构的影响，认为波浪混合作用控制着上混合层的形成，可 以从物理机制上改善上面提到的这个普通数值模式面对的共性问题。 同时也提出潮致混合对黄东海下层混合起主导作用，对于数值模拟近 海温度结构和斜压环流而言是不可忽略的。胡好国等h ( 2 0 0 4 ) 在浪 流耦合的概念下，对p o m 模式进行改进，增加特征波参数下的海浪混 合作用和潮混合作用。研究表明，在东海的数值模拟中，海浪的作用 增强海洋上层混合，潮流的作用则加强海洋底层混合，二者是温跃层 形成的重要原因。x i ae ta 1 心2 1 ( 2 0 0 6 ) 也应用相似的方法研究了黄海 夏季环流，模拟结果与观测具有较好的一致性。模拟结果显示：黄海 夏季水平环流存在三层结构。三层环流结构各不相同，同时其驱动机 制也不尽相同。垂向环流则随断面不同而变化，其中上升流的主要生 成机制有两点：潮至温度锋面造成的压强梯度力和埃克曼输运的补偿 流。 在黄、东海中，存在许多重要的海洋现象，如黄海冷水团、黑潮 等。许多学者将注意力集中在这些现象上，并应用数值模拟方法对其 特点进行了研究。 黄海冷水团，作为黄海海区重要的海洋现象，多年来一直为国内 外学者所关注，数值模式亦被大量应用于黄海冷水团环流结构以及形 成机制研究中。袁业立和李惠卿h 3 1 ( 1 9 9 3 ) 应用一个浅海热生环流的流 体动力学模式，通过坐标变换的方法，从理论上研究了黄海冷水团的 结构。f e n g 心4 1 ( 1 9 9 2 ) 则将描述大洋温跃层的方程进行变化与推广，对 黄海冷水团进行了研究。苏纪兰和黄大吉n 朝( 1 9 9 5 ) 应用量纲分析，数 值模拟等方法描述了黄海冷水团的一些特性。x i ae ta 1 心刚( 2 0 0 4 ) 用改进的p o m 模式模拟了黄海3 5 。n 断面的温度结构，发现了其存在两 个冷核，并分析了产生这种结构的原因。x i ae ta 1 m 1 ( 2 0 0 6 ) 还应用 此模式模拟了黄海冷水团季节变化情况，探究了其变化的规律，得到 的结果与观测结果吻合较好。 黄海暖流的流径也是黄海海区研究中比较关注的问题。f a n ge t a 1 瞳6 1 ( 1 9 9 7 ) 应用一个二维斜压模式研究了黄海暖流的起源和路径问 题。认为黄海暖流主要起源于台湾暖流的内侧分支，冬季时黄海暖流 在大约3 3 。n ，1 2 5 。3 0 7 e 日寸与对马暖流分离出来，并且在3 5 。3 0 7 n ， 1 2 3 。3 0 7 e 附近向北进入北黄海沿黄海海槽西侧流动。吴宝勤等 h 7 1 ( 2 0 0 7 ) 模拟得到的结果也显示了黄海暖流沿黄海槽西部北上。q i e ta 1 田5 3 ( 1 9 9 6 ) 认为这是由于黄海海槽西部地形变化更为平缓的原 因。f a n ge ta 1 乜6 1 ( 1 9 9 7 ) 模式计算得到黄海暖流的流量大约为 0 3 5 s v ，流速小于1 0 c m s ，在夏季黄海暖流不能进入黄海。白学志等 h 刚( 2 0 0 3 ) 模拟得到冬季2 0 m 以下，黄海暖流一直向北，在3 4 。n 、1 2 4 。e 附近进入黄海，其延伸部分在渤海海峡北部进入渤海。除秋季直 接从对马暖流分出外，在其他季节黄海暖流主要起源于中陆架流动， 夏季黄海暖流的起源甚至可以上溯到台湾暖流的近岸分支。邓健等 n 班( 2 0 0 3 ) 模拟的结果也显示相似的结论。m ae ta 1 妈明( 2 0 0 6 ) 应用了 一个浪潮流耦合模式模拟了黄海暖流温度的分布和环流的形态，再现 了黄海暖水舌在不同季节的变化。认为黄海暖流是影响黄海暖水舌形 状和位置的重要原因。 台湾暖流对东海海区环流也具有重要的影响。朱耀华等晗们( 1 9 9 4 ) 认为台湾暖流受地形影响，其流向与等深线趋向一致，等深线密集处 往往是流速较强处，b 效应又使之流速增强，流幅变窄。b a ia n d h u 晦( 2 0 0 4 ) 应用p o m 模式对台湾暖流进行了模拟，结果显示台湾暖流 的强度、来源和位相都存在季节变化。在台湾暖流的来源方面，李微 翡和赵保仁7 3 ( 2 0 0 1 ) 认为台湾暖流5 0 m 以上主要来自于台湾海峡， 下层则主要来自于黑潮水入侵，这也证实了袁耀初等啼2 3 ( 1 9 8 7 ) 的计 算结果。大约在2 9 。n - 3 1 。n 间，台湾暖流大部分水转向东，与黑潮 平行流向东北，成为对马暖流的主要来源之一。 对马暖流的来源主要有两种观点。过去，根据u d a 嫡3 1 ( 1 9 3 4 ) ，q i u a n di m a s a t o 瞄钔( 1 9 9 0 ) 的观点，普遍认为对马海流是黑潮的分支。然 而，通过l i m 瞄钉( 1 9 7 1 ) 的水文研究现在一般认为对马海暖流来源于黑 潮和陆架水的混合。乔方利等b n ( 1 9 9 8 ) 、韩冬等瞄6 1 ( 2 0 0 4 ) 的数值模拟 结果均支持后一种观点。韩冬等瞄印( 2 0 0 4 ) 认为对马暖流来自于黑潮、 台湾暖流的部分和济州岛西部的黄海混合水，其中最后一部分占到 了通过朝鲜海峡的对马暖流总流量的1 3 左右。邓健等n 明( 2 0 0 3 ) 模 拟结果显示冬季对马暖流流幅宽约9 0 k m ，流速约为3 0 c m s ，并且认为 对马暖流最早起源于台湾东北端，是由台湾海峡水体和黑潮水体( 入 侵路架部分) 共同组成的。黄立文等瞄7 3 ( 2 0 0 4 ) 模拟得到夏季对马暖流 的情况，对比冬季流幅有所扩大，而流速减小，流幅约1 2 0 k m ，流速 约1 8 c m s 。 长江口地区因其特殊的地理位置，对其水文特性的数值模拟尤其 重要。朱建荣和沈焕庭羽( 1 9 9 7 ) 建立了一个。坐标系下三维非线性斜 压浅海与陆架模式，进行了长江冲淡水扩展机制的研究。数值试验结 果表明，在夏季长江口水位向外倾斜，冲淡水穿越等水位线运动，远 离长江口水位流向东北，冲淡水沿水位坡面运动，同时再现了伸向东 北的冲淡水舌和东海陆架上的环流结构。细致分析了径流量、台湾暖 流、风场、黄海冷涡等外部条件对长江冲淡水扩展的影响。q i a oe t a 1 哺钔( 2 0 0 6 ) 应用m a s n u m 浪一潮一流耦合模式探究了冬季东中国海沿岸 上升流的生成机制。认为沿岸低盐水团和台湾暖流之间的密度锋面是 导致冬季东中国海沿岸上升流生成的核心因素。相对于台湾暖流，沿 岸低盐水团对诸如风应力之类的外界强迫反应更为敏感。风应力、潮 流和台湾暖流等通过影响沿岸低盐水团而间接影响冬季东中国海沿 岸上升流，在其生成上起次要作用( 图1 2 ) 。l t le ta 1 1 ( 2 0 0 6 ) 利用浪潮耦合模式具体研究了长江口上升流的生成机制，其采用的垂 向混合参数化方案在研究中起到了关键的作用。模式结果显示长江口 上升流是由各种因素共同作用而产生的。长江冲淡水、台湾暖流、潮 流和风场强迫都对长江口的上升流的形成和维持有影响。 1 e 1 娩e1 2 4 e1 船ee1 捏et 2 牦 1 2 6 e 图1 2 ( a ) 模式得到的标准结果( b ) 去掉长江冲淡水之后的结果图中等值 线为l o m 层上升流的流速( 1 0 5 m s l ) 黑潮作为北太平洋的强西边界流，对我国近海环流具有重要的影 响。近年来，数值模拟已成为黑潮研究的一个重要手段。采用的主要 方法有：( 1 ) 拉格朗日环流理论。3 ”1 ，( 2 ) 改进逆方法和改进动力计算 方法。“，( 3 ) 三维诊断、半诊断及预报模式”1 ，( 4 ) 二维正压数 值模式阳引，( 5 ) 三维斜压数值模式硝等。 黑潮最主要的特点之一就是高温、高盐、流速强、流量大。因采 用的方法不同，数值模拟得到的黑潮流速和流量的结果也略有不同。 其中正压模式得到的黑潮主轴流速一般偏小，如黄浩升等嫡和( 1 9 9 6 ) 与乔方利等蛆( 1 9 9 8 ) 模拟得到黑潮最大流速约为4 0 c m s 左右。 黑潮的流幅和流向也是许多学者关注的问题。黑潮从台湾以东进 入东海后大致沿着最大地形坡度流向东北，最后经过吐噶喇海峡流出 东海，台湾东北和九州西南地形坡折区是黑潮的两个主要转折区。樊 孝鹏等哺7 1 ( 2 0 0 6 ) 利用m i t g c m 模拟显示：在台湾东北端黑潮主轴转向东 北的同时，有一分支穿过地形坡折入侵东海陆架区，并且流向随季节 变化有所不同，在汇入黑潮主流之前最远可以到达浙江外海。许东峰 和袁耀初阳6 3 ( 2 0 0 1 ) 模拟得到台湾以东黑潮通过苏澳海脊进入东海的 流量约为2 5 s v 。方国洪随踟等( 2 0 0 2 ) 应用全球变网格模式模拟得到黑潮 年平均流量约为2 5 6 s v 。李微翡和赵保仁臀7 1 ( 2 0 0 1 ) 建立了一个三维斜 压模式，从其模拟结果看出，黑潮从台湾东面向北进入东海，在触及 东海陆坡之后主流很快转向偏东方向。其途径、流速、流幅都较稳定， 流幅宽度约为l o o k m 。鲍献文等聆踟( 2 0 0 5 ) 计算得到以流速大于3 0 c m s 为界，黑潮流幅大约为1 3 0 k m 。 有关黑潮的数值模拟结果与观测总存在或多或少的差异，g u oe t a 1 旧卯( 2 0 0 3 ) 应用分辨率从1 2 。至1 1 8 。的三套网格来模拟黑潮，当 网格由粗变细时，黑潮在东中国海的流速和流径有了明显的变化：在 粗分辨率时，黑潮在大约3 2 。n 时转向，这与观测结果并不相符；当 分辨率提高n 1 1 8 。时，黑潮在3 0 。n 便转向，这与观测结果相符合。 其认为这是因为高分辨率可以更好的刻画黑潮的正压和斜压部分，从 而提供更好的密度场与流场。 黑潮两侧常年存在着逆流区和许多涡旋，在不少的数值模拟结果 中均反映出这些特点。如张蕴斐等口们( 2 0 0 3 ) 、白学志等h 8 3 ( 2 0 0 3 ) 的结 果中，都可以看到黑潮右侧一年四季都存在南向的逆流。邓健等 n 钔( 2 0 0 3 ) 模拟得到冬季此逆流的流速约为2 0 c m s 。夏季数值模拟结果 显示此逆流不像冬季般显著，其认为可能是风向与海流方向一致的原 因。白学志等h 胡( 2 0 0 3 ) 还发现在黑潮左侧常年存在着一支弱的西南向 逆流，它大约在3 0 。n 、1 2 7 。e 附近离开黑潮主体，基本沿1 0 0 m 等深 线向西南方向流动，秋季最强，逆流大约可南至2 7 。n 。受地形和流 速变化较大等因素作用，数值模拟的结果经常可以看到黑潮主轴附近 存在一些中尺度涡旋7 j ( 图1 3 ) 。这些涡旋的结构和成因，尚需 结合实际观测资料作进一步分析。 图1 3 黄立文等n ( 2 0 0 5 ) - 台湾附近流函数图，图中可见台湾东北部存在涡旋 图14g u oe ta 1 m ( 2 0 0 4 ) 观测结果与q i a oe ta 1 ”( 2 0 0 6 ) 模拟结果的对比 通过上述研究，对黄东海的总体环流特点有了个较清晰的认识 ( 图1 4 ) 。东中国海环流是由一个气旋式的“流涡”组成：东侧主要 是北h 的黑潮一对马暖流及其延伸部分；西侧为南下的沿岸流系。黑 潮对东中国海环流的影响非常大，除某些局部区域外，冬、夏季流系 的分布形式比较相似而无本质上的差异。数值模拟工作己成为研究东 中国海环流结构及其形成机制的强有力工具。但由于数值模式本身以 及计算方案的缺陷和观测资料的不足，数值模拟的结果难以得到验 证，渤、黄、东海的环流研究中仍有大量的问题存在争议，以待澄清。 例如，台湾暖流的来源、路径：对马暖流的来源；夏季黄海暖流的流径、 黄海冷水团环流以及渤海海峡的水交换等均有不同的论述。 1 1 3 南海环流数值模拟研究 南海的面积几乎是渤海、黄海、东海面秋总和的3 倍，最大深度 超过5 0 0 0 m ，是一个典型的热带边缘深海盆。南海通过数个海峡和邻 近海区相连：其中巴士海峡最深，海槛深度大约为2 4 0 0 m ；其次为民 都洛海峡，海槛深度超过2 0 0 m ；其他的海峡都浅于l o o m 。珠江从中国 大陆流入南海北部，湄公河则从中南半岛注入南海南部。 对于南海环流的研究已经有5 0 多年历史，但迄今人们对它的认识 还很不充分，远远落后于对渤、黄、东海等其他海区的认识。有关南 海表层环流的图示主要有d a l e 3 3 ( 1 9 5 6 ) ，w y r i t k i n 4 1 ( 1 9 6 1 ) ，徐锡桢 等口铂( 1 9 8 2 ) 。南海环流的数值模拟开始于2 0 世纪8 0 年代。王佳口6 1 ( 1 9 8 5 ) 用p 平面的风旋度一热盐梯度模式，研究了南海北部冬季逆风 海流。曾庆存等口7 7 8 1 ( 1 9 8 5 ，1 9 8 9 ) 用数值模拟方法研究了整个南海1 2 个月的海流并给出了代表四个季度的南海月平均环流图。李荣凤等 盯町( 1 9 9 4 ) 用一个水平分辨率较高的区域海洋模式计算中国海的海流 的工作。并且给出了南海7 月份的上层环流的数值模拟结果。由于在 计算中，南海可以通过各海峡通道与其周围海区进行水体交换，因此 夏季南海北部的计算海流得到了明显的改进，计算结果与徐锡桢等h 5 3 ( 1 9 8 2 ) 的动力分析结果大体相似，并表现了一些局地中小尺度涡旋现 象。 有不少研究陋0 _ 9 0 1 更加详细地描述了南海的环流状况，并试图分析 其动力学机制。就南海大尺度环流系统而言，冬季东北季风驱动出海 盆尺度的气旋式环流，在南海南部和北部分别存在一个气旋式的涡 旋。蔡怡和李毓湘随础( 1 9 9 9 ) 模拟得到南海北部气旋式环流中又有两个 涡旋中心，分别在巴士海峡西侧( 2 0 。n 7 1 2 1 。e ) 附近和在1 6 。n ，1 1 5 。e 附近。蔡怡和李毓湘陋勒( 1 9 9 9 ) 以及杨阳等阳( 2 0 0 7 ) 的结果都显示 南海的西边界流流向为西南，并且流经越南沿岸时部分西边界流离岸 向东北流出，构成了南海北部气旋式环流。w a n ga n df a n g 阳3 1 ( 2 0 0 1 ) 和王凯等阳4 1 ( 2 0 0 1 ) 分别就正压和斜压情况对南海暖流进行了模拟，分 析了其形成机制，认为层化现象并不总是南海暖流形成的原因。观测 表明，冬季逆风的北向或东北向纳土纳离陆架流是南海南部冬季环流 的一个重要流系，f a n ge ta 1 们( 1 9 9 6 ) 和杨阳等阳”( 2 0 0 7 ) 的数值模 拟结果中对纳土纳离陆架流有所体现，而其他大部分的数值模拟都没 有明确指出该离陆架流的存在。 夏季南海北部继续维持一个弱的气旋式环流，而南部受夏季西 南季风驱动，出现一个反气旋式的环流，环流呈双涡旋结构。这种海盆 尺度环流及其在西边界存在的明显强化现象，在众多的观测和数值模 拟中都得到过验证阳p 9 8 3 。 南海海平面的季节变化能够体现南海海洋上层环流的季节变化。 南海的海面高度距平具有明显的季节特征，夏季和冬季的分布呈完全 相反的分布趋势。刘秦玉等阳踟( 2 0 0 1 ) ，魏泽勋等n 0 0 1 ( 2 0 0 2 ) ，杨阳等 阳( 2 0 0 7 ) 的研究结果都在这方面有类似的结论。翟丽等n0 1 3 ( 2 0 0 4 ) 的 数值试验表明开边界条件对南海流函数分布有重要影响。魏泽勋等 n 0 0 3 ( 2 0 0 2 ) 采用全球变网格数值模式，来研究南海环流季节变化。模 拟所得南海月平均以及年平均的海面高度和流函数分布，与t o p e x p o s e i d o n 资料具有较好的一致性。图i 5 为模拟得到的南海海区流函 数分布，从图上可以看出夏季南海南部为反气旋式环流、北部为气旋 式环流，在越南东南沿岸存在离岸流；冬季的南海为一海盆尺度的气 旋式环流。 队 e i c 图1 5 模拟所得南海海水输运流函数( 单位：s v ) ( a ) 年平均；( b ) 1 月；( c ) 4 月；( d ) 7 n ；( e ) 1 0 月 近年来，也有不少学者开始关注南海环流变异与e n s 0 之间的联 系。w a n ge ta 1 n 0 2 3 ( 2 0 0 6 ) 通过一个变网格全球大洋环流模式研究了 南海环流年际变化及其与厄尔尼诺现象的关系。研究表明南海上层环 流具有显著的与厄尔尼诺相联系的年际变化；吕宋海峡体积输运亦存 在年际变化特征。姜涛等n 0 3 ( 2 0 0 6 ) 的研究表明e n s 0 现象对吕宋海峡 不同层次的输送均产生一定影响。 在南海环流动力机制的研究方面，w y r t k i n 0 4 1 ( 1 9 6 1 ) 就认为这种 平均环流的分布结构是由南海较宽的地形以及风应力旋度造成。曾庆 存等n 胡( 1 9 8 1 ) 认为，在海岸线约束和风应力驱动下南海环流性质是一 种正压流。l i ue ta 1 n 0 5 3 ( 2 0 0 1 ) 通过1 5 层斜压模式矛u s v e r d r u p 模式 讨论了南海海面高度的季节变化，发现南海海盆大部分地区海面高度 的季节变化主要是由南海内部局地海洋动力决定的，海面高度的变异 也是由风应力旋度作用的斜压r o s s b y 波驱动的。 由于南海通过海峡与水道分别与太平洋和印度洋相连，研究沟通 南海与外海的各个海峡的海水体积输运与热盐输运也是一个重要的 课题。近年来一些研究揭示出其对太平洋印度洋贯穿流也具有重 要的贡献n 盼1 0 7 1 。南海与大洋连接的各个海峡中，吕宋海峡水深最深， 体积与热盐输运量也最大。c h ua n dl i n 啸3 ( 2 0 0 0 ) 模拟得到吕宋海峡 终年向南海内部输运，最大值出现在二月( 1 3 7 s v ) 。方国洪等羽( 2 0 0 2 ) 模拟得到卡里马塔、马六甲海峡、巴拉巴克海峡、民都洛海峡、台湾 海峡和吕宋海峡年平均海水体积输运量分别为3 1 5 ，0 5 ，1 3 5 ，0 2 5 ， 1 1 5 ，一6 。4 ( 单位为s v = 1 0 6 3 i l l s ，方向指向南海外部为正) 。杨波等 n 0 9 3 ( 2 0 0 4 ) 采用区域模式开展t , n 方国洪等口叫( 2 0 0 2 ) 类似的工作。 在南海与外海的水交换中，黑潮水入侵应该对南海环流有较大影 响，这一点被许多学者所关注。王东晓等m ( 2 0 0 4 ) 通过分析南海冬 季和夏季上层环流的经向翻转，认为黑潮的入侵对南海水平环流结构 有重要作用，其影响范围最远可达l o 。n 左右。蔡怡和李毓湘呻5 3 ( 1 9 9 9 ) 的数值模拟结果显示黑潮从巴士海峡