第38卷第3期2020年7月海洋科学进展A D V A N C E S I N MA R I N E S C I E N C E V o l .38 N o .3J u l y
许 达1,2，马 超1,2，鞠 霞3,2*(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东青岛266100;
2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东青岛266237;
3.自然资源部第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟重点实验室，山东青岛266061)收稿日期:2019-01-24资助项目：国家自然科学基金项目 黑潮多时空尺度变化规律及其与近海交换过程研究(41676004)，黑潮延伸体海域海-气耦合过程及其对东亚边缘海环流的影响(41376001)，冬季渤海盐度分布结构近反相变化的机制研究(41506034)和黄海暖流形态与变化对暖舌结构影响的动力机制研究(41430963
)作者简介：许 达(1994-)，男，硕士研究生，主要从事海洋环流方面研究.E -m a i l :x u d a @s t u .o u c .e d u .c n
*通讯作者：鞠 霞(1983-)，女，助理研究员，硕士，主要从事近海环境演变方面研究.E -m a i l :j u x i a @f i o .o r g .c n (李 燕 编辑)
摘 要：根据日本海洋数据中心提供的1972 2017年P N 断面共181个航次和1987 2010年T K 断面共92个航福建漳浦旅游景点大全
次的C T D 调查资料,
利用动力高度法估算了这2个断面的流量，分析了其季节㊁年际和长期变化特征㊂主要结果表明,P N 断面流量季节变化为冬㊁春和夏季大而秋季小,T K 断面流量季节变化为冬㊁厦门能带走的十大特产
夏季大而春㊁秋季小，二者共同点为最大(小)流量均出现在夏(秋)季㊂P N 断面年平均流量的年际变化不明显，但冬季和夏季流量分别具有准3a 和准2a 的显著变化周期;T K 断面年平均流量具有准4a 和准6a 的显著变化周期,
冬季流量具有准4a 和准7a 的显著变化周期，但夏季流量无显著变化周期㊂此外,P N 断面流量在1976年附近出现了一次较大幅度的增加㊂P N 断面流量具有较大的长期增加趋势，增长率约为0.3S v /a ，在1972 2017年增加了约13S v ，结合N C E P 海面风
应力资料，结果显示，北太平洋更高纬度带(35ʎN 和40ʎN )的风应力旋度对P N 断面流量的影响更强
㊂
关键词：黑潮流量;P N 断面;T K 断面;
多时间尺度变化中图分类号:P 722.6,P 731.2 文献标识码:A 文章编号:1671-6647(2020)03-0400-12
d o i :10.3969/j .i s s n .1671-6647.2020.03.003引用格式:X U D ,MA C ,J U X.M u l t i -t i m
e s c a l ev a r i a t i o n so
f t h eK u r o s h i ov o l u m e t r a n s p o r t t h r o u
g hP Na n dT K s e c t i o n s i n t
h eE a s t C h
i n a S e a [J ].A d v a n c e s i nM a r i n e S c i e n c e ,2020,38(3):400-411.许达，马超，鞠霞.东海黑潮P N 和T K 断面流量的多时间尺度变化特征[J ].海洋科学进展,2020,38(3):400-411.
黑潮是北太平洋副热带海区的西边界流，它起源于菲律宾以东海域，由北赤道流向北分支形成㊂黑潮经台湾岛和与那国岛之间的通道进入中国东部海域，流经东海陆坡，然后通过吐噶喇海峡进入日本以
南海域,
最终汇入太平洋内区㊂黑潮具有流速强㊁流量大㊁高温高盐等特点[1]，其流量与路径的变异，将造成近海物质
和能量交换的变化，从而控制着东海及其临近海域的水文状况，影响我国东南沿岸地区的气候变化㊂流量
(体积输运)的大小是描述黑潮变异最重要和显著的指数之一[2]，因此，本文旨在利用更长时间的现场观测资料，对东海黑潮流量的变化规律有更进一步的认识㊂ 对黑潮变异认识的持续加深与观测方式和数据资料的不断丰富密切相关㊂电磁海流计(G e o m a g n e t i c E l e c t r o K i n e t o g r a p h ,G E K )㊁南森瓶㊁温盐深仪㊁声学多普勒流速剖面仪(A c o u s t i c D o p p l e r C u r r e n t P r o f i l e r s ,A D C P )以及卫星高度计等直接或间接测流方式的应用，进一步呈现出黑潮具有季节内㊁季节㊁年际以及年代际等多尺度变化规律㊂自1955年起,
成都非遗博览园详细介绍日本长崎海洋气象台对东海黑潮进行了长期水文观测，观测断面位于冲绳岛西北的P N (G )断面和吐噶喇海峡的T K 断面，这对于了解东海黑潮流量的多尺度时空变
3期许达，等：东海黑潮P N和T K断面流量的多时间尺度变化特征401化具有十分重要的作用㊂P N和
T K这2个代表性断面的流量变化也是本文研究东海黑潮变异的关键㊂对于东海黑潮流量，很多学者基于不同的计算方法对其进行了估算，并在季节㊁年际和年代际尺度上分析了其变化特征，其中，季节和年际变化研究较为广泛，年际以上变化相对较少㊂对黑潮流量的计算方法主要有动力高度法㊁逆方法㊁改进的逆方法和海表面高度反演法㊂动力高度法在估算P N和T K断面流量(地转体积输运量)，分析其多尺度时空变化特征上应用广泛㊂国内外许多学者以不同时间序列，在季节和年际尺度上对这两个断面的流量变化进行许多研究㊂分析时间序列长的数据资料对研究东海黑潮流量的季节和年际变化特征更具有说服力㊂在季节变化尺度上，对于时间序列在10~25a的P N断面资料，汤毓祥等[3]和孔彬等[4]认为冬㊁夏强而春㊁秋弱，秋季最小㊂对于东海下游的T K断面，前人得到的季节变化规律基本一致，汤毓祥等[3]认为春㊁夏强而秋㊁冬弱，春季最大，冬季最小，且通过T K断面的流量小于P N断面㊂对于时间序列在25~35a的G-P N断面的季节变化,G u a n[2]与孙湘平等[5]认为春㊁夏强而秋冬弱，春季最大，秋季最小; N i s i h z a w a[6]认为季节变化不明显；汤毓祥等[3]认为春㊁夏和冬季相差甚小，最大差值仅为0.3S v，夏最大，秋最小㊂在年际变化尺度上，汤毓祥等[3]认为P N断面具有1.8和8a的显著周期；孙湘平等[5]认为不同季节，黑潮流量的年际变化不同,P N断面冬季具有3.3a显著周期，夏季具有4.7和14a的显著周期;S a i k i[7]认为P N断面流量具有5.5和8a的显著周期；另外，在年际变化上，东海黑潮流量与日本以南海域发生黑潮大弯曲现象密切相关，如Q i u和M i a o[8]以及K a w a b e[9]分别研究了两者的年际变化特征与机制㊂不同的计算方法使得对东海黑潮流量变化的认识不同㊂黑潮海表面高度差异与地转输运之间高度相关[10]，可用来观测黑潮流量变化㊂K a w a b e[9]
利用验潮站所测得的长时间连续的海表高度资料，估算了T K 断面黑潮流量的变化㊂卫星高度计资料也是一种观测黑潮流量长期变化的有效方法[11],A n d r e s等[12]利用经验关系反演出P N断面12a(1992 2004年)的流量变化，平均流量为(18.7ʃ0.2)S v，标准偏差为1.8S v㊂Y u a n等[13-14]基于逆方法或改进的逆方法研究了东中国海黑潮流量的变异，袁耀初和苏纪兰[15]认为P N断面多年(1985 1998年)平均值为27.0S v，季节变化为夏季最大，秋季最小，通过T K断面的流量也是夏季最大㊂魏艳州等[16]基于逆方法分析了20多a(1987 2010年)P N和T K断面流量的季节和年际变化，认为这两个断面流量变化具有较好的一致性，季节变化呈夏强秋弱，年际尺度上存在准4a和1a的变化周期㊂逆方法和改进的逆方法是基于多个断面的C T D观测数据，对单个断面的流速和流量的计算仍是以动力高度法为主㊂
以往研究表明:1)从研究频次上看，对P N断面的研究比T K断面更广泛；东海黑潮流量的方法，主要有动力高度法㊁海表面高度差反演法和改进的逆方法，其中动力高度法研究最为广泛，不同方法之间所计算的多年平均流量在18~30S v范围内变动，差别较大；即便是同一方法，数据时间序列以及具体处理方法的不同，也会导致不同学者对东海黑潮季节和年际变化规律上认识不同㊂2)季节变化上，东海黑潮的季节变化规律没有被很好的认识，各种研究之间的差异较大，没有一个公认的结论㊂3)年际变化上，基本认为东海黑潮变异与黑潮大弯曲现象密切相关，但从谱分析结果看，不同研究对流量的年际变化周期存在差异㊂近年来，关于P N和T K断面的现场观测资料不断更新，但少有人对其进行持续
关注，而且由于观测站位的变更，缺乏对其系统的分析㊂随着全球气候变化对内区风场及西边界流的影响，黑潮的时空演变更值得进一步探讨㊂因此本文将基于以上2套资料，对东海黑潮不同区域流量的多时间尺度特征进行研究㊂
1数据处理
象鼻山景区门票1.1数据介绍
本文计算P N和T K断面所用的水文数据是由日本长崎海洋气象厅定期观测所得，数据是由日本海洋数据中心(J a p a nO c e a n o g r a p h i cD a t aC e n t e r,J O D C)[17]提供㊂P N断面在1972年之前被称为G断面，观测时间为1955 1972年，且基本只在冬㊁夏季进行;1972年之后改名为P N断面㊂P N断面与G断面平行，只
402 海 洋 科 学 进 展38
卷注：三角形和圆形分别表示1996-10和2010-05P N 断面被放弃的观测站点(等深线单位:m )图1 P N 和T K 断面的位置F i g .1 L o c a t i o n s o fP Na n dT Ks e c t i o n s 是位置稍向西南方向移动,1972-05开始,P N 断
面基本进行四季观测，且站点个数维持在9个;1977-08 1996-07，观测站位在原来的基础上不断加密，最多达22个站位观测点;1996-10
2010-05，取消了近岸一侧水深相对较浅的6个观测站点，为位置相对稳定的16个观测站点;2010-12 2017-07，又取消了近岸一侧的两个站点，保持在14个观测站点,
但这期间有效观测的频率为每年1~4次，例如,2011年缺少春季观
测数据,2013年缺少秋季观测数据,2015年仅
有一次冬季的有效观测数据,2016和2017年又
恢复到仅有冬㊁夏两季观测㊂由图1可以看出，被放弃的近岸一侧的观测站点水深范围仅为50~200m ，该部分流量对整个P N 断面的贡献忽
略不计㊂本研究主要选择P N 断面1972-05 2017-07共181个航次的调查资料,
该资料具有完整的每年4次分季节的观测记录，时间跨度为46a ，无论对季节㊁年际还是更长时间尺度的变化规律都具有更好的说服力㊂对于T K 断面,1987年之前的观测站位较少(5~6个)，且有的年份(1985年,
1986年)数据缺少，并且2010年之后,J O D C 未提供该断面的观测数据，因此，本研究选择T K 断面1987-05 2010-02共92个航测的季节性观测资料，时间跨度为24a
，其站点分布大致相同，个数稳定保持在12个㊂本研究使用的漂流浮标观测数据由美国国家海洋和大气管理局(N a t i o n a lO c e a n i ca n d A t m o s p h e r i c A d m i n i s t r a t i o n ,N O A A )大西洋海洋与大气实验室(A t l a n t i cO c e a n o g r a p h i ca n d M e t e o r o l o g i c a lL a b o r a t o -r y )[18]提供㊂漂流浮标观测来自全球漂流器计划(T h eG l o b a lD r i f t e rP r o g
r a m )，该计划是N O A A 全球海洋观测系统(G l o b a lO c e a n O b s e r v i n g S y
s t e m )的一个分支㊂1987-11 2018-06出现在(115ʎ~138ʎE ,15ʎ~35ʎN )区域内的漂流浮标共有1442个，记录了海表以下水深15m 浮标位置㊁
流速㊁温度和时间，每个浮标数据时间间隔已被使用克里金法插值为6h ㊂漂流浮标所释放的地点主要位于菲律宾以东海域和台湾以东海
域，该浮标资料能较好地反映黑潮表层流路特征[19]，本研究在1442个漂流浮标中筛选出274个经过P N 或T K 断面的浮标，对浮标轨迹线进行分类，以此刻画东海黑潮在P N 和T K 断面之间的主要路径和分支路径㊂
海表10m 风速资料由N O A A 地球系统研究实验室(E a r t hS y s t e m R e s e a r c hL a b o r a t o r y )[20]提供,
N E C P -N C A RI 再分析资料月平均的风速数据的时间范围为1948-01至今，空间分辨率为2ʎ㊂本研究还计算了1972 2017年太平洋年平均风应力旋度沿40ʎN ,35ʎN 和28ʎN 纬线(146ʎ12'E 至太平洋东边界)
迪拜旅游景点图片大全的积分㊂1.2 流量计算
本文选择动力高度法计算P N 和T K 断面的地转流速,
积分断面上大于零的流速作为整个断面的绝对流量㊂2个相邻站位之间，选择所观测最大深度的较小值作为计算这2个站位间地转流的最大深度㊂对于P N 断面，陈红霞等[21]认为，零流速面可分别选择700m 层(最大深度大于700m )和底边界(最大深度小于700m )，为了便于将计算结果与前人研究进行比较，本文计算P N 断面的零流速面也如此选择㊂T K 断面的
零流速面统一选在底边界㊂关于观测数据的垂向分辨率,2001年之前,P N 和T K 断面C T D 数据垂向上分布在水深为0,10,20,30,50,75,100,125,150,200,250,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100和
3期许达，等：东海黑潮P N和T K断面流量的多时间尺度变化特征403 1200m标准层上，自2001年开
始，两断面数据垂向分辨率为1m，为便于分析，对低分辨率的数据进行垂向插值，垂向间隔统一变为1m㊂为了更好地认识流量的季节变化，将数据进行季节划分：冬季(12,1,2月)，春季(3,4,5月)，夏季(6,7,8月)，秋季(9,10,11月)，并对缺少观测或观测不完整的季节插值㊂P N断面缺少观测的时间:1975年冬㊁2010年夏㊁2010年秋㊁2011年春㊁2012年冬㊁2013年秋㊁2014年夏㊁2015年春㊁2015年夏㊁2015年秋㊁2016年春㊁2016年秋㊁2017年春;T K断面缺少观测的时间:1992年秋㊁1998年夏㊁2003年秋㊂以上时间点的流量用三次样条函数插值而得㊂
2结果分析
2.1季节变化
我们分别使用时间序列为46a和24a的C T D资料，采用动力高度法对P N和T K断面的流量进行了计算，与前人的计算相比，这2套长时间序列的资料对于认识东海黑潮多尺度时空变化规律具有重要意义㊂在季节变化尺度上，东海黑潮变异存在一定的区域差异㊂由表1可看出,P N和T K断面流量季节变化明显，但两者变化并不同步㊂1972 2017年,P N断面呈现出冬㊁春和夏季流量大(均超过20S v)，且彼此之间相差很小(最大差值仅为0.2S v)㊁秋季最小(小于20S v)的特点，二者最小差值为1.8S v，最大差值为2S v，这与汤毓祥等[3]结论一致，本研究用更长的时间序列资料予以肯定㊂即尽管不同学者所使用的时间序列长短不同，流量的统计方法也不尽相同[2-5,14,16]，但共同点是P N断面流量的最小
值发生在秋季，本研究也予以证实，而目前有争议的地方在于流量最大值发生的季节以及冬㊁春和夏三个季节的差异是否显著，本研究46a的统计资料显示，冬㊁春和夏三季流量几乎一致㊂对于T K断面，本文研究结果显示,1987 2010年, T K断面流量季节变化明显，最大(最小)值出现在夏季(秋季)，冬㊁夏季强而春㊁秋季弱，强弱之间的最小差值为1.0S v，最大差值为2.8S v㊂此结论与魏艳州等[16]结论相同，但与林葵等[22]以及汤毓祥等[3]结论不同㊂P N和T K断面流量季节变化并不完全一致，但共同点为最大(小)流量均出现在夏(秋)季㊂
表1P N和T K断面季节平均流量(S v)
T a b l e1 S e a s o n a lm e a nv o l u m e t r a n s p o r t a c r o s sP Na n dT Ks e c t i o n s(S v)
断面冬季春季夏季秋季
P N21.521.521.719.7
T K20.119.121.418.6
2.2年际变化
从动力计算结果来看,P N断面流量最大值为32.8S v(冬,2002年)，最小值为3.1S v(秋,1974年),T K 断
面流量最大值为29.2S v(夏,1987年)，最小值为6.0S v(春,2000年)㊂P N和T K断面流量多年平均值分别为21.1和19.8S v㊂结合表1可看出，无论是季节平均还是多年平均,P N断面流量均强于T K断面㊂黑潮通过P N和T K断面的流量并不相等，在相同时间范围内(1987 2010年)年平均流量的最大差值可达10.5S v，但某些年份T K断面流量则更强，即1987,1999,2004和2010年，两断面流量差值分别为-4.6, -0.1,-0.3和-3.4S v，这是因为：一方面，零流速面的选取和浅水订正的不足可能使得两断面流量计算结果不一致；另一方面，东海黑潮流况复杂，黑潮经过P N断面后出现一分支在日本九州西南海域进入对马海峡和黄海，或通过九州以南大隅海峡进入太平洋[1,23-25]，而琉球岛东侧海水也有汇入黑潮P N断面以北的分支[24]，这也可能会使P N和T K断面流量变得不一致㊂本文利用1987 2018年经过P N或T K断面的274个漂流浮标数据，对东海黑潮在P N和T K断面之间的主要路径和分支做了初步分析，其中有194个浮
404海洋科学进展38卷标经过P N断面后通过T K断面(吐噶喇海峡)进入太平洋(图2a)，占总数的70.8%;28个浮标经过P N断面后进入对马海峡和黄海(图2b)，占总数的10.2%;41个浮标经过P N断面后通过大隅海峡进入太平洋(图2c)，占总数的15.0%;11个浮标通过琉球岛(奄美大岛与冲绳岛之间的通道)流入或流出东海(图2d)，占总数的4.0%，该部分浮标有的自太平洋进入东海后又经过T K断面返回太平洋，有的经过P N断面后直接向东进入太平洋㊂另外，也有浮标通过P N断面后向南或通过T K断面向西的逆向流动，但像这样能捕获黑潮逆流的浮标数量极少㊂由此可以看出，东海黑潮在中游(P N断面)至下游(T K断面)之间存在多个与邻近区域水交换的通道，使得两断面流量存在一定差异㊂
注：浅灰线为水深等值线(m)，深灰线为漂流浮标轨迹
图21987-11 2018-06流经P N或T K断面274个漂流浮标轨迹图
F i g.2 T r a j e c t o r i e s o f274d r i f t e r s p a s s i n g t h r o u g h t h eP No rT Ks e c t i o n f r o m N o v e m b e r1987t o J u n e2018
湖南郴州旅游景点大全排名图3是1987 2010年N iño3.4年平均指数异常以及同期P N和T K断面年平均流量异常时间变化图㊂N iño3.4指数所代表的赤道太平洋海区(170ʎ~120ʎW,5ʎN~5ʎS)是E N S O海洋-大气耦合作用的关键区域[26]，该指数常被用来判断厄尔尼诺现象的发生㊂P N和T K断面年平均流量与N iño3.4指数的相关系数分别0.11和0.15，相关性较差，但由图3可以看出,1996 2003年N iño3.4指数与P N,T K断面年平均流量的峰谷值对应较好，其他年份如1990 1995年,P N断面流量与N iño3.4指数变化基本一致,2006 2009年T K断面流量与N iño3.4指数变化基本一致㊂尽管个别年份差异大导致相关系数较小，但从年际以上的尺
