基于改进pom模式的马太平洋海域斜压准预报研究

基于改进pom模式的马太平洋海域斜压准预报研究

马海是日本连接东海的运河。宽约180公里，长约300公里。它分为东部和西部两条水道。其中，东水道平均深度为40m，西水道平均深度为90m。在对马岛的影响下,通过对马海峡进入日本海的高温高盐的对马暖流被分为两支,其中朝鲜半岛沿岸的称为东韩暖流。对马暖流占据着日本海南部上层的150m。从对马海峡进入的海水大部分经由津轻海峡进入北太平洋,部分通过宗谷和鞑靼海峡进入鄂霍次克海,剩余水继续在日本海进行环流运动。因而,对马海峡入流对于日本海的热、动力学等的研究有重要意义。有关对马海峡环流的研究,前人做过一定的工作,但多为局部短时间的观测和调查,所得结论也大多为概括性的认识。随着调查手段的丰富和多种海洋模式的建立,使该海域的细致结构研究成为可能。对马暖流在对马海峡中的流动基本上是沿着等深线进行的。研究认为,对马暖流是由于海峡南部和北部的净压力梯度、风应力作用和温盐强迫所驱动的。而关于对马暖流的流核个数以及海洋锋的位置等问题至今仍存在争议:如Satoru等指出温度锋常年存在于西水道,在锋面的南部存在一个暖核或者温度的极大值,并且无明显季节变化。Isoda等指出西水道中的东韩暖流并非常年存在的分支。冬季至春季对马海峡靠近朝鲜沿岸生成小的温度锋,其后发展成为水平尺度100km的暖涡,这个暖涡从春季至夏季缓慢北上,在郁陵海盆附近受毗邻的暖涡强烈影响,其结构和运动方向发生改变。在秋季当暖涡遭遇极锋,北向移动停止后,相对稳定的沿朝鲜沿岸的北向流形成。Katoh认为对马暖流在西水道中具有高时空易变性,流核不稳定,可能是由于西水道入流流量的波动和对马海峡北部冷水团的收缩扩展作用引起的。因此基于前人的研究工作,利用广泛收集的数据资料,对该海域进行数值嵌套模拟。三维准预报模式所获的温度和盐度场的结构及水平分布,不仅可用于模式的检验,克服以往其它模式对其结果验证资料的不足,而且三维准预报模式更容易分析与温、盐场相适应的三维流场结构及其季节变异特征。对马海峡北部有一无潮点,这给潮汐模拟带来一定的困难,从模式结果与所掌握的有限的潮汐图集对比来看,结果是合理的。在对温度和盐度模拟结果分布验证的基础上,分析了对马海峡处环流的三维结构及其季节变化,并对对马暖流的流核个数和位置以及海洋锋的位置等问题,利用得到的高分辨率模拟结果,给出相应的解释。1太平洋的大力推动应力场所为了较为准确的得到对马海峡的入流信息,选取了包含西北太平洋的数值模式HAMSOM的结果。该模式包括完整的湍封闭和热动力学过程,在不同的陆架海和它们毗邻的海洋区域模式的结果很好。本文基于改进的POM模式,运用已有的西北太平洋HAMSOM模式的结果进行嵌套计算,实现海峡通道的高分辨率模拟。由于POM模式高分辨率模拟的需要,所采用的初边值条件的数据分辨率不宜过低,因此以搜集到的数据为标准,所嵌套区域的时间序列选取从1991-01~2000-12,共计10a。1.1资料来源和数据来源模式研究区域是21.5°N~51.5°N和117.5°E~144.5°E(见图1a),水平网格分辨率是5(′)×5(′),垂直分30层,超过5500m的海区模式中设置为5500m。模式所需的海面风场、太阳辐射和海表面压力场等上表面强迫采用ERA40的数据资料;初始温度和盐度使用的是Levitus98气候态月平均资料。开边界采用水位强迫,由大气压效应、潮汐、动力高度和河流注入效应算得。入流区采用松弛边界条件,出流区采用辐射条件。模式自1958-01~2001-12进行连续的水动力和热动力学参数计算。1.2马载分辨率的模拟介绍1.2.1模式区域的划分本研究选取范围为126.00°E~133.10°E,33.00°N~35.25°N(见图1b),格点数:421×136,模式区域的地形文件取自韩国the11thPAMS/JECSSworkshop,模式的水平分辨率为1(′)×1(′),垂直分层为σ分层,共分20层(见表1)。模式运行中最小水深设为5m。外模步长为10s,内模步长为100s,进行10a的高分辨率数值模拟。1.2.2斜压梯度力的计算在σ坐标系中计算斜压效应产生的水平压力梯度力,会出现由2个大项代数和求小项的问题,从而产生较大的误差。因此,对原始的POM模式的斜压梯度力计算项进行改造。在静力平衡条件下,如不考虑大气压的贡献,某一深度处的压力为:P=∫ηzηzpgdz其中ρ为密度,η为海面起伏,水深为D,g为重力加速度。垂向采用σ坐标后,压力的垂直梯度项:1ρ∇zΡ=g∇η+gρ∫Οσ[∇σρ-∂ρ∂σσD∇D]Ddσ当地形变化剧烈,垂向密度层结比较大时,∇σρ和∂ρ∂σ⋅σD∇D是2个大项,其差∇σρ-∂ρ∂σ⋅σD∇D可能远小于这两项本身。由2个大项代数和求小项,很容易产生与小项本身相当的计算误差。为了克服这一缺陷,在计算某点的斜压梯度力时,首先,在该点的局域把各点的密度由等面线性插到某些等z面上,(z=Z′MM=1,2,3……)再在这些等z面上求局域水平平均密度,扣除局域水平平均密度,然后计算出斜压梯度力。对于M层,局域水平平均密度根据ˉρz(i-12,j,Ζ′Μ)=0.5×[ρ(i,j,Ζ′Μ)+ρ(i-1,j,Ζ′Μ]及扣除局域水平平均密度后的密度偏差ρ′(i,j,Ζ′Μ)=ρ(i,j,Ζ′Μ)-ˉρz(i-12,j,Ζ′Μ)ρ′(i-1,j,Ζ′Μ)=ρ(i-1,j,Ζ′Μ)-ˉρz(i-12,j,Ζ′Μ)将在σ坐标系中,求斜压梯度力转化为返回Z坐标z下计算斜压梯度力,即:gρ∫Οσ[∇σρ′-∂ρ′∂σσDDD]Ddσ=1ρ∇E∫ηΖρ′(g)dz=1ρ∇zP′P′(i,j,Z′M)=P′(i,j,Z′M-1)+0.5×[ρ′(i,j,Z′M-1)+ρ′(i,j,Z′M)](Z′M-1-Z′M)P′(i-1,j,Z′M)=P′(i-1,j,Z′M-1)+0.5×g[ρ′(i-1,j,Z′M-1)+ρ′(i-1,j,Z′M)](Z′M-1-Z′M)上式便可求I方向的斜压水平梯度。从模式运算结果可知,运用上述方法能够克服原模式的缺陷,使模式能够进行长时间的积分运算。1.2.3开边界与海流强迫模式的初始场采用1991年1月大区模式模拟的结果插值而成,开边界条件采用大区模式的结果通过嵌套技术引入。在嵌套方式上,空间嵌套采取高分辨率模式开边界条件由周围四点大区模式结果依面积权重给定;时间嵌套采取在每个大区模式积分时间步长内嵌套高分辨率模式积分若干时间步长。开边界采用叠加潮流作用的流强迫。即由大区模式计算的海流叠加潮流共同驱动模式,其中开边界处的法向潮流流速的振幅和初位相,由调和常数给出。开边界的温盐强迫入流区采用第一边值,出流区选取辐射条件。模式的上表面温盐强迫采用大区模式结果直接驱动,模式的上表面风场强迫采用1991~2000年ERS(EuropeanResourceSensing)卫星的风场数据。1.2.4稳定状态的确定首先在初始的温盐场和1991年1月强迫场下运行3个月,使模式达到稳定状态。然后模式在外强迫的驱动下从1991年1月模拟至2000年12月,共进行10a的高分辨率数值模拟。2验证模式结果2.1潮振幅对马家庭的影响对模式调和分析的结果与潮汐图集资料进行对比,得到较为一致的结论。图中振幅的单位是cm,迟角的单位是(°)。Morimoto等根据卫星高度计资料反演,并利用沿岸站潮汐资料对其进行订正,得出影响对马海峡的主要分潮是M2和K1分潮。从对比图中可以看到,潮模拟结果是较为可信的。日本海的潮振幅很小。从图2潮汐图集可以看出日本海南部的潮汐主要从对马海峡传入,但是对整个日本海的平均水文状况意义不大。振幅随着进入海峡而迅速减小。对马海峡有1个明显的无潮点。对马海峡的潮汐具有半日潮的性质,带有不显著的日不等现象,在半日潮中主要是M2分潮,潮差自东北向西南增大。2.2比较vehst的sst图3a是比较了AVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer)资料2000年冬季和夏季的SST(SeaSurfaceTemperature)和POM模式2000年冬季和夏季的SST。其中AVHRR资料是经过订正过后的资料。图3b是比较了AVHRR资料自1991年1月~2000年12月逐月SST与模式结果自1991年1月~2000年12月逐月的SST。从水平分布图可以看到,两者的分布趋势一致,模式结果更为平滑的模拟出对马海峡处海表面温度的细结构,如济州岛与对马岛之间的温度锋面。从(128.00°E,34.00°N)温度的时间序列对比图可以看到,两者随时间变化的趋势一致性良好,且模式能够成功的模拟温度的年际变化。2.3模拟结果与实测资料相结合的基本资料由于所能见到的该海域实测资料较少,选取该海域的1个CDT资料与模式结果进行比较。其中CTD资料是标准层次的。图4a为(128.50°E,34.08°N)该点的海表面温、盐度时间序列对比图,实线代表模式结果,虚线代表CTD所测得的数据。从图中可见,模拟结果与实测资料的总体趋势一致,表现在随季节的上下波动。对马海峡是海流进入日本海的重要通道,该海域的温盐起伏变化反映出环流随季节的变化显著,可能是导致日本海南部多涡旋的1个重要原因。图4b为(127.76°E,33.04°N)该点的温、盐度剖面对比图,实线代表模式结果、虚线代表CTD所测得的数据。从图中可见模拟的结果较之实测数据平滑,但整体上反映出一致的温盐垂直结构。通过以上的潮汐和温盐对比分析表明,本文所建立的对马海峡海域斜压准预报模式是成功的,以下将对模式结果进行分析与讨论。3环流数据分析按月输出10a的模式运行结果,以温度和盐度为参考,分表、中、底层来分析该海域的三维环流结构及其季节变化。中层取在50m深度。对存在争议的海洋锋位置以及对马暖流的流核个数和位置等问题,提出作者的解释。分别选取2月、8月的数据来代表冬、夏季。3.1海流的季节变化对马暖流携带的高温高盐水从对马海峡流入日本海,从图5可见,在表层等温线和等盐度线走向与流速方向一致;从其梯度的方向也反映出西分支的流量强于东分支,1年中呈现出规律一致性。其中冬季海水最高温度在20℃左右,夏季27℃左右,近岸地区由于受当地冷水团的影响温度明显低于远海地区,呈现出舌状结构。对于表层盐度,冬季海水最高盐度在33.5左右,夏季32.5左右,近岸地区由于受当地冷水团等的影响盐度明显低于远海地区,与温度分布类似,同样存在舌状结构。对于表层海流,冬季西分支主要呈偏东流向,而夏季西分支呈偏北流向;而东分支均呈现出东北向流动,表层最大流速约为0.5m/s。分析认为,这是由于受季风影响和对马暖流季节变化引起。如图6,冬季中层海水最高温度在18.6℃左右,夏季22℃左右,仍存在舌状结构,但相对表层温度而言,其梯度有所减小。对于中层盐度,冬季海水最高盐度在34.2左右,夏季34.0左右,其舌状结构有扩散趋势。对于对马海峡中的中层海流,其结构与表层结构类似,都为东北流向的强势的对马暖流水,中层最大流速约为0.4m/s。北九州与四国岛之间的丰后水道,由表层的南向出流,开始转为北向入流。如图7,冬季底层海水最高温度在18℃左右,夏季20℃左右,舌状结构进一步减弱,整个海峡底部的温度梯度进一步缩小。对于底层盐度,夏、冬两季最高盐度均在34左右,其中夏季对马海峡中部区域盐度趋于一致。对于对马海峡中的底层海流,其季节变化不再明显,底层最大流速约为0.3m/s。北九州与四国岛之间的丰后水道,底层为北向流动。对马海峡是日本海的上层水体主要输入区域。在对马岛的影响下,对马暖流分为两支进入日本海,其中朝鲜半岛沿岸的一支称为东韩暖流。从以上三维温盐度和海流分布图可见,对马暖流的流量存在季节变化,夏季强于冬季;对马暖流的东分支强于西分支。对马暖流在对马海峡中的流动基本上是沿着等深线进行的。Takikawa等根据ADCP资料研究之后指出:对马暖流季节变化明显,流速夏、秋季较大,冬、春季较小;西水道流速比东水道流速大,平均流速分别为49cm/s,26cm/s。3.2调度锋的季节分布海洋锋可以看作水平方向毗邻的不同性质水体间的边界。对马暖流携带的高温高盐水从对马海峡流入日本海,与当地冷水团相互作用产生对马海峡处的海洋锋。该海洋锋(以下从盐度锋面来说明,温度锋面结构与之类似)的位置至今未有定论,从本文的模型结果出发,给出相应的解释。表层盐度锋的位置靠近对马海峡中线位置,四季皆存在,而且有明显的季节变化特征,夏季锋面强于冬季(见图5)。中层盐度锋面依然存在,其位置有向西水道移动的趋势,仍存在季节变化特征,夏季锋面强于冬季(见图6)。底层盐度锋面减弱,伴随向朝鲜半岛东岸移动(见图7)。从以上三维盐度分布图中可见,海洋锋位于济州岛和对马岛之间的区域,东北走向,而且四季皆存在,伴有明显的季节变化特征。春、夏季锋面强于秋、冬季,分析认为这主要是因为季风的影响,对马海峡北部冷水团的收缩扩展以及对马暖流的入侵随季节的强弱变化等多种因素综合作用的结果。从锋面的位置和强弱也可以反映出流速的强弱分布和季节变化。与前人研究结果相比其位置偏深,是源于朝鲜半岛西侧的朝鲜冷流注入西水道所造成。当地风的驱动和由于冷水入侵而导致的层化效应对对马暖流的季节变化有重要影响。3.33季节因素在马城海域的分布图8a明确地反映了对马海峡处的热收支和季节变化情况。冬季对马海峡处表层海水温度最低,而且西区海水温度明显低于东区,海水混和作用明显。随着春季的到来,表层和次表层的海水温度开始升高,伴随温跃层形成于约15m的深度。东、西区的表层温差降低,但是在西区的底部有一块明显的冷水区。到了夏季,升温明显影响到中下层海水,表层和次表层的海水仍然存在较大的温度梯度,东、西区的海水温度开始出现差异,西区底层仍存在冷水区。秋季的断面图中最显著的现象是东、西区温度的整体差异,东区从表层至底层温度分布较为均匀,而西区的温度垂直层化较为明显。纵观以上四季的温度断面分布图可知,对马海峡处海水温度的季节变化明显,而且在秋冬季节东、西区之间存在明显的变化差异。从图8b看盐度四季变化,存在一致的规律性:盐度从表层到底层呈递增趋势,最高盐度都是在底层。盐度垂直分布与温度类似,同样存在东西区的差异。西区的表层四季均存在低盐区,底层存在高盐区;相对而言,东区受季节影响明显,秋冬季混合强、春夏季层结效应显著。如图8c,对马暖流通过对马海峡进入日本海,遇对马岛的阻挡,海流分为东西两支,即图中出现的双核结构:西支为东朝鲜暖流(EKWC),东支为日本近岸分支(JNB),被很好地反映出来。EKWC在夏季和秋季的流速最强,最大流速0.5m/s,在冬季和春季的流速最弱,最大流速0.3m/s。JNB同样在夏秋季最强,最大流速0.4m/s,在冬春季最弱,最大流速0.25m/s。综观流速的四季分布,东支流JNB的流速小于西支流EKWC的流速。3.4流核和环流条件影响如图8c,对马海峡中的海流常年存在双核结构。当流核结构明显时,对应的锋面强盛。东西两分支的流核四季皆存在,而且东分支的流核位置浅于西分支流核的位置。从冬季到夏季,流核位置逐渐抬升;至夏季时,流速从表至底接近,流核近于消失;到了秋季,流核再度强盛。分析认为,流核位置的变化和强弱受季节变化和对马暖流的影响,冬春时节流速较慢、流量较小,流核偏深;而夏秋时节流速变快、流量增大,流核偏浅。自1970年代中期以来黑潮流量显著增加,对马暖流作为亚热带环流西边界流的一个重要分支,可能会受到北太平洋大气和海洋变化的影响。因此,分析认为,强势的对马暖流经对马岛阻隔,导致双核结构的长期存在。3.5流量的季节性变化对马海峡的流量估计很大程度上依赖于观测研究手段和观测时间。根据实测研究以及数值模拟,认为对马海峡的平均