热带西太平洋环流动力结构分析与模拟

热带西太平洋环流是副热带环流与热带环流关键分量，毗邻西太平洋暖池，对暖池的形成与变化有重要的作用。然而，目前为止，热带西太平洋环流还有许多问题，包括动力结构还不清楚。因此，论文针对热带西太平洋环流的研究不仅在太平洋环流动力学上有理论意义，而且对气候变化的研究和预测也具有理论和实用价值。 太平洋北赤道流分叉是大洋，特别是太平洋西部边界流海域的一个非常突出的环流现象，它是大洋中副热带大流环和热带流环的发源地，很大程度上决定着海盆尺度的大洋环流结构，在大洋环流动力学上具有非常重要的意义和地位；同时它决定着大洋西边界区质量、热量的经向输送，进而对气候变化产生重要影响，是气候系统中不可忽视的重要分量。因此，北赤道流分叉的研究，不仅具有在海洋动力学上科学意义，而且对气候变化和预测也有实践意义。 从30年代至今，关于北赤道流分叉的研究有两种，一是根据实际观测水文数据，二是由数值模拟结果得出结论。用观测数据做出的结果，相对比较接近实际，但资料的分辨率较差，会引起估算结果的偏差；数值模拟结果有较高的时空分辨率，但由于模式本身的某些缺点会导致结果偏离实际。目前为止，诸多有关北赤道流分叉的结果，如分叉纬度变化的结论很不一致。所以，如何找到一种高时空分辨率的数据或提出一个比较符合物理实际并得到实测数据验证的数值模式是研究北赤道流分叉的关键。 本文用1992年10月到2004年12月高时空分辨率的卫星高度计数据，通过计算迹线的方法，确定了北赤道流分叉的纬度。结果表明，年平均分叉纬度约在13.4°N. 关于北赤道流分叉的季节变化，6月份发生在最南端（12.9°N），12月份发生在最北端（14.1°N）。12年的平均结果显示，7月份的分叉纬度比6月份和8月份明显偏大，这是局地风应力旋度导致的结果。本文同时研究了北赤道流分叉的年际变化，结果表明在厄尔尼诺年，北赤道流分叉纬度北移，在拉尼娜年，分叉纬度南移。 在热带西太平洋地区，特别是西边界流区和印度尼西亚贯通流邻近海域，岛屿众多，地形非常复杂，历史水文数据和测流数据又极少，所以几乎无法用分析观测数据的方法求得这一海域海洋环流，特别是次表层环流结构的深刻了解。因此，本文利用一个既适用于开阔大洋又适宜于地形变化剧烈海域的混合坐标海洋模式HYCOM，模拟了热带西太平洋环流，特别是西边界流及其相关海流，如，新几内亚沿岸潜流、棉兰老潜流、赤道潜流和印度尼西亚贯通流的气候态及其月、季变化。模式结果再现了该海域主要流系及其季节变化，模拟得到的海面高度场与卫星高度计数据基本一致；模拟所得的诸多关键断面上的海流、温度和盐度结构与实地观测数据（Johnson et al., 2002）有良好的一致性，说明本文的HYCOM模拟结果是比较可信、可靠的，可以用来做西太平洋环流分析用。本文得到结果如下： （1）赤道潜流究竟起源于何处，是赤道环流动力学上一个重要问题。鉴于实测数据缺乏和赤道潜流起源邻近海域地形复杂，相关研究很少，仅有的几项研究结果认为赤道潜流起源于135－137°E。本文一系列经向跨赤道断面的纬向流速模拟结果表明，赤道潜流最西源于129－130°E之间；另外，事实上，从200米层水平环流的模拟结果来看，赤道潜流有4个源头，各季有所不同：(i) 新几内亚沿岸潜流在135°E附近汇入赤道潜流；与Tsuchiya et al.（1989）结论相同；(ii) 来自棉兰老海流，这与Lu and McCreary（1995），Gu and Philander（1997）结论相同；(iii) 南海水经民都洛海峡、苏禄海和苏拉威西海西部由哈马黑拉岛以北进入赤道潜流，特别是，在春、夏、秋季；(iv) 印度洋海水经班达海和马鲁古海沿苏拉威西东岸北上沿哈马黑拉岛以东汇入赤道潜流（特别是春季）。所以，赤道潜流就水源来说，它有来自南海、印度洋和棉兰老以东的海水，就其起源来说，还是应该算从129－130°E开始的。 （2）棉兰老潜流发现于80年代末，尽管棉兰老潜流的起源对这一海域环流动力学非常重要，但由于资料缺乏，其起源的研究甚少。本文的模拟结果表明棉兰老潜流似乎有一部分水来自棉兰老海流，这主要在300－500米层。但更重要的是，从马鲁古海西边界（苏拉威西岛以东）向北的一支流更是棉兰老潜流的重要水源，说明棉兰老潜流的水源有相当部分是来自南半球，在600，700米层，特别是800，900和1000米层，棉兰老海流流速急剧减小至几乎看不到，而棉兰老潜流非常突出，其水源主要来自南半球苏拉威西岛东部向北的流动。至于棉兰老潜流的去处，500，600米层的模拟结果显示，棉兰老潜流在12－13°N附近，一大部分向东流去，一小部分向南加入棉兰老海流。在700米层以下，棉兰老潜流则在12°N向东流去，这与Hu and Cui（1989, 1991）和Wang and Hu（1998）的结果一致。 （3）关于印度尼西亚贯通流。HYCOM模拟的印度尼西亚贯通流年平均状况指出：250米以浅，印度尼西亚贯通流由西太平洋主要经由望加锡海峡进入东印度洋；300米以深，印度尼西亚贯通流反向，由东印度洋经由弗罗勒斯海、班达海和马鲁古海的西部边界进入太平洋。由200米层环流可以看出，从民都洛海峡南下的南海水是进入望加锡海峡构成印度尼西亚贯通流的主要的来源，另一小部分来自棉兰老海流。 （4）关于黑潮南海分支。在本文的模拟结果中，一年四季都有明显的黑潮分支由吕宋北端向西北进入南海后，沿大约21°N附近向西南流动，宽约100－200公里，深达300－400米，最大流速一般可达20厘米/秒，最大在冬季，可达40厘米/秒，流量约为6.5Sv，冬季强，5、9月份偏弱。证明了仇德忠、杨天鸿、郭忠信（1984）和郭忠信、杨天鸿、仇德忠（1985）关于南海黑潮分支存在的论述，并在一定程度上定量的解释了其季节变化规律。