東中國(guó)海環(huán)流對(duì)2008年滸苔事件的影響

左軍成,徐珊珊,石少華,陳美香,徐 青

(1.河海大學(xué)物理海洋研究所,江蘇南京 210098;2.國(guó)家海洋信息中心,天津 300171;3.閩東海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,福建寧德 352100)

東中國(guó)海的環(huán)流有兩大流系——外海流系及沿岸流系,兩大流系的發(fā)展構(gòu)成了東中國(guó)海環(huán)流的基本框架[1].有關(guān)科研人員通過大量零散的水文調(diào)查、簡(jiǎn)單的過程模型和三維數(shù)值模擬[2],對(duì)目前東中國(guó)海環(huán)流的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了較明確的描述[3-7].但由于缺少長(zhǎng)期觀測(cè)資料,環(huán)流的精細(xì)結(jié)構(gòu)和中小尺度渦旋等的變化還無(wú)法得出定論[8].

2008年青島海域暴發(fā)了大規(guī)模的滸苔災(zāi)害.滸苔最初見于黃海中部海域,之后在風(fēng)場(chǎng)和海流等諸多因素作用下漂移至青島海域,衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)也證實(shí)了滸苔的漂移.在這一過程中黃海表層流起到了重要的作用[9-11].滸苔漂移引發(fā)了人們對(duì)夏季東中國(guó)海環(huán)流尤其是近岸表層流的關(guān)注.

本文利用POM模型,以滸苔事件為背景,模擬滸苔暴發(fā)期間東中國(guó)海的環(huán)流,以期探究東中國(guó)海環(huán)流對(duì)滸苔漂移的影響,為青島滸苔的大規(guī)模暴發(fā)提供水動(dòng)力環(huán)境的解釋.

1 模型設(shè)置

1.1 模擬海域及模型參數(shù)設(shè)置

計(jì)算海域范圍為 24°N～ 43°N,117°E～ 131°E,水平正交網(wǎng)格,空間分辨率為 5′×5′.垂向分為 16層 .外模時(shí)間步長(zhǎng)為20s,內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)為600s.

水深采用中國(guó)人民解放軍海軍航海保障部出版的航海圖,最小水深設(shè)為8m,最大水深3000m(圖1).

1.2 初始條件、邊界條件、強(qiáng)迫場(chǎng)

初始水位和流速場(chǎng)為零,用1月的WOA01氣候態(tài)月均溫鹽資料作為模型的初始場(chǎng).開邊界位置見圖1,開邊界流速和溫度取自HYCOM全球模擬的結(jié)果.

強(qiáng)迫場(chǎng)包括氣候態(tài)月均的COADS熱通量資料,氣候態(tài)月均的WOA01海表鹽度資料,以及氣候態(tài)月均的COADS風(fēng)應(yīng)力資料;2008年日本東北大學(xué)綜合觀測(cè)每天1次的海表溫度資料;2008年QSCAT衛(wèi)星觀測(cè)每3天平均的風(fēng)場(chǎng)資料.

1.3 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)值試驗(yàn)分2個(gè)階段,第1階段的目的是獲得東中國(guó)海穩(wěn)定的氣候態(tài)流場(chǎng)、溫鹽場(chǎng),并與以往的觀測(cè)結(jié)果比對(duì),進(jìn)行模型驗(yàn)證和參數(shù)修訂.第2階段得到2008年滸苔期間的東中國(guó)海環(huán)流場(chǎng),分析環(huán)流精細(xì)結(jié)構(gòu)及其對(duì)大型滸苔的輸移作用.

第1階段:從初始狀態(tài)積分,開邊界為每隔5d的深度平均流速和三維溫度、鹽度數(shù)據(jù),加入月均海表熱通量、鹽度和風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫.模型積分5a,得到氣候態(tài)流場(chǎng)和溫鹽場(chǎng).

第2階段:從第6年開始,保持其他條件不變.將表面強(qiáng)迫場(chǎng)的溫度和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)用2008年滸苔暴發(fā)期間每隔5天的日本東北大學(xué)海表溫度和QSCAT風(fēng)場(chǎng)替換,模型積分5a,得到2008年滸苔事件期間東中國(guó)海環(huán)流的流場(chǎng)和溫鹽場(chǎng).

2 模型結(jié)果驗(yàn)證及參數(shù)化過程修訂

2.1 氣候態(tài)海表溫度模擬結(jié)果驗(yàn)證

將第1階段所得東中國(guó)海氣候態(tài)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)、鹽場(chǎng)與觀測(cè)結(jié)果比對(duì).圖2為模擬得到的冬季(2月份)、夏季(8月份)海表溫度場(chǎng).

冬季海表溫度呈現(xiàn)從北向南升高的趨勢(shì),整個(gè)海域的南北溫差超過20°C(圖2(a)).等溫線呈西南—東北走向,大體沿等深線分布.近岸淺水海域水溫低,深水海域水溫高,水平梯度大.渤海有一暖水舌從渤海海峽伸進(jìn)渤海灣;黃海表層有一暖水舌從南黃海經(jīng)北黃海一直延伸到渤海海峽,影響黃海大部分海域,暖水舌東西兩側(cè)水溫明顯低于同緯度中部海域;東海海區(qū)高溫區(qū)在黑潮流域,124°E以北直到長(zhǎng)江口和東北海域各有1個(gè)暖水舌.

夏季海溫比冬季均勻得多(圖2(b)).渤海大部分海域海溫在24～26°C之間,高溫出現(xiàn)在水深較淺的遼東灣、渤海灣和萊州灣,而渤海中部溫度較低;黃海大部分海域海溫在24～26°C之間,沿岸淺水區(qū)水溫較高,而在遼東半島和山東半島的頂端,以及朝鮮西岸卻存在明顯的低溫區(qū).東海比渤海和黃海海溫更均勻,等溫線基本沿岸線走向,絕大部分海域海溫為28～29°C,海域差異小,僅在閩浙沿岸出現(xiàn)低溫區(qū).

圖1 東中國(guó)海地形及模型開邊界示意圖Fig.1 Sketch of topography of East China Sea and open boundary of model

圖2 東中國(guó)海海表溫度模擬結(jié)果(單位:℃)Fig.2 Simulated results of sea surface temperature in East China Sea(units:℃)

冬季和夏季東中國(guó)海表層海溫的分布特征與湯明義等[12-13]的結(jié)果一致.

2.2 氣候態(tài)流場(chǎng)模擬結(jié)果驗(yàn)證

模擬得到的冬、夏兩季的表層和深度平均東中國(guó)海環(huán)流形態(tài)比較準(zhǔn)確地刻畫了東中國(guó)海的環(huán)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(圖3、圖4),與蘇紀(jì)蘭[2]的結(jié)論基本一致.

圖3 冬季表層和深度平均流場(chǎng)及其模擬Fig.3 Simulated surface and depth-averaged flow fields in winter

圖4 夏季表層和深度平均流場(chǎng)及其模擬Fig.4 Simulated surface and dep th-averaged flow fields in summer

2.2.1 黑潮

黑潮經(jīng)臺(tái)灣以東海區(qū)的水道進(jìn)入東海,向北流動(dòng),當(dāng)觸及東海陸坡后(26°N,122°E),有很少部分海流沖上陸坡,與陸架水混合.黑潮主流轉(zhuǎn)向偏東方向,在(26°N,125°E)轉(zhuǎn)向東北,沿著東海陸坡前行,偏向200m等深線的右側(cè),在大隅海峽和吐噶喇海峽流出東海進(jìn)入日本以南海域.東海黑潮的流軸、流速都比較穩(wěn)定,具有季節(jié)變化特征.黑潮主軸流速約為0.9m/s,最大為1m/s以上.夏季黑潮主軸強(qiáng)度比冬季強(qiáng),流幅比冬季寬.

黑潮兩側(cè)出現(xiàn)了一些逆流和渦旋.分析冬、夏季表層和深度平均流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)這些渦旋的位置相對(duì)穩(wěn)定.主要渦旋有:29°N,128°30'E附近,黑潮到達(dá)奄美群島西側(cè)時(shí),冬夏季都存在一個(gè)反氣旋型渦旋,直徑約為100 km,這一現(xiàn)象與日本的衛(wèi)星追蹤浮標(biāo)資料[14]符合得很好;27°N,127°E附近存在一個(gè)反氣旋型渦旋,直徑約為100km,這與陳紅霞等[15]的實(shí)測(cè)結(jié)果較一致;25°N,124°E附近有一股比較強(qiáng)的逆流,與顧玉荷等[16]所描繪的海流示意圖較一致.

2.2.2 臺(tái)灣暖流

從本文模擬結(jié)果看,臺(tái)灣暖流除冬季表層受偏北風(fēng)的影響,沿岸附近海域有偏南的流動(dòng)外,冬季垂直平均流速和夏季流速均一致地沿等深線流向東北.臺(tái)灣暖流主軸的流速冬季多小于0.15 m/s,夏季流速在0.15m/s左右,夏季流幅較冬季寬.冬季,臺(tái)灣暖流部分源于黑潮在臺(tái)灣島東北向陸架的入侵,夏季則主要來自沿臺(tái)灣海峽的北上流動(dòng).這與趙保仁等[17-19]的分析結(jié)果較一致.

2.2.3 對(duì)馬暖流

黑潮在30°N,128°E附近分為2支,1支轉(zhuǎn)為東南方向在九州島西岸流入太平洋,1支繼續(xù)北上,之后轉(zhuǎn)為東北方向通過對(duì)馬海峽流入日本海,構(gòu)成對(duì)馬暖流的主要來源.對(duì)馬暖流主軸流速冬季多在0.4m/s左右,夏季主軸流速比冬季大.

對(duì)馬暖流曾被認(rèn)為是東海黑潮在九州西南海域分離出來而向北流去的一個(gè)分支,但是后來的許多調(diào)查研究表明,對(duì)馬暖流并不是簡(jiǎn)單的黑潮分支,而是由東海黑潮水、東海陸架混合水等多源匯集而形成的.從本文的模擬結(jié)果看,對(duì)馬暖流的主要來源有東海黑潮分支水、東海陸架混合水和朝鮮沿岸流.對(duì)馬暖流有明顯的季節(jié)變化特征,夏季,由于構(gòu)成對(duì)馬暖流的黑潮分支水、東海陸架混合水均比冬季強(qiáng),使得對(duì)馬暖流比冬季強(qiáng).

2.2.4 黃海暖流

黃海暖流流速較小.在冬季深度平均流場(chǎng)中,黃海環(huán)流最顯著的特征是黃海中部北上的黃海暖流,表明黃海暖流下層強(qiáng)于表層.該暖流從濟(jì)州島以南海區(qū)流向西北進(jìn)入黃海,大約在34°N轉(zhuǎn)向北,可以一直到達(dá)渤?？?冬季黃海暖流主要來源于黑潮和對(duì)馬暖流分支,其走向基本沿60m等深線延伸.夏季盛行的南風(fēng)不利于黃海暖流的發(fā)展,所以夏季黃海暖流較弱,僅能向北延伸到34°N,這與Hsueh等[20]的結(jié)果一致.在濟(jì)州島西北,黃海暖流會(huì)分出1支折向東,經(jīng)濟(jì)州海峽匯入對(duì)馬暖流.黃海暖流主要起源于東海陸架流動(dòng),甚至上溯到臺(tái)灣暖流的近岸分支,僅有很少一部分來自黑潮的分支.

2.2.5 近岸表層流

冬季表層流中向南流的東海近岸表層流較顯著,但是模擬流幅過窄.夏季盛行東南風(fēng)和西南風(fēng),東海近岸表層流自南向東北流,在到達(dá)青島海域時(shí)轉(zhuǎn)向東或東南.這一北向近岸表層流的存在能很好地解釋2008年滸苔從黃海中部到青島海域的漂移.

之前普遍認(rèn)為終年向南流的黃海近岸表層流在本文的模擬結(jié)果中沒有表現(xiàn)出來.

在朝鮮半島西岸,終年都存在著向南的近岸表層流,并在朝鮮半島西南角轉(zhuǎn)向東,冬季較強(qiáng),夏季較弱.這些特征與以往的研究結(jié)果極為吻合.

渤海終年存在一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流,這與陳新平[21]的研究結(jié)果一致.

從溫度場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)的模擬結(jié)果來看,本文建立的東中國(guó)海氣候態(tài)模型比較合理,能較好地刻畫東中國(guó)海環(huán)流的基本結(jié)構(gòu)和流速的量級(jí).

圖5 衛(wèi)星(EOS/MODIS)監(jiān)測(cè)滸苔分布Fig.5 Algal distribution monitored by satellite(EOS/MODIS)

3 2008年滸苔事件期間東中國(guó)海環(huán)流

3.1 風(fēng)場(chǎng)對(duì)滸苔密集區(qū)形成及移動(dòng)的影響

分析2008年5—7月每3天平均的QSCAT風(fēng)場(chǎng),并計(jì)算散度.衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的滸苔分布(圖5,圖中橢圓范圍為比較晴的3D監(jiān)測(cè)結(jié)果,表明滸苔區(qū)的移動(dòng)[11])與2008年5—7月風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)(圖6)空間位置較一致,而滸苔聚集區(qū)的移動(dòng)與盛行風(fēng)向基本一致.2008年5月中旬黃海西部為西南風(fēng),黃海中部和東部為東南風(fēng),在西南風(fēng)和東南風(fēng)之間出現(xiàn)明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合帶.到5月底黃海中西部轉(zhuǎn)為西風(fēng),東部為西北風(fēng),二者之間仍為輻合區(qū).風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)位置與圖5衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)到的滸苔密集區(qū)位置一致.對(duì)照?qǐng)D5還可以看到在西南風(fēng)的作用下,5月下旬滸苔聚集區(qū)向東北方向漂移,并且面積不斷擴(kuò)大,這與李大秋等[22]的研究結(jié)果一致.

圖6 2008年5—7月風(fēng)場(chǎng)與散度場(chǎng)Fig.6 W ind filed and divergence field from May to July in 2008

2008年6月為明顯的偏東風(fēng)異常,6月14日的風(fēng)場(chǎng)見圖6(c).在偏東風(fēng)的作用下,位于黃海中西部的滸苔聚集區(qū)向西漂移,漂移到青島近海海域.從衛(wèi)星圖片看到6月18日黃海東部青島近海已經(jīng)出現(xiàn)滸苔,風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)也在青島沿海.6月一直維持偏東風(fēng),在其影響下,大量滸苔出現(xiàn)在青島沿海和奧林匹克帆船比賽海區(qū).

2008年7月上旬,黃海轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),山東半島南部海區(qū)為偏西南風(fēng),之間形成輻合區(qū),且輻合區(qū)較之6月向東延伸.在西南風(fēng)的作用下,滸苔密集區(qū)向東北方向移動(dòng).7月6日和12日的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,沿山東半島南部沿海,膠南 青島 海陽(yáng)近海均出現(xiàn)大片滸苔.風(fēng)場(chǎng)演變過程與滸苔的移動(dòng)過程非常一致.

3.2 2008年滸苔事件期間東中國(guó)海環(huán)流結(jié)構(gòu)

結(jié)合風(fēng)場(chǎng)資料,本文對(duì)模擬得到的東中國(guó)海2008年5月15日—6月30日的環(huán)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(圖7).5月15日,山東半島南岸是西南風(fēng),黃海中部是東南風(fēng).在東南風(fēng)的影響下,黃海近岸表層流緊貼黃海岸邊向西北方向流動(dòng),山東半島南岸在西南風(fēng)作用下向東北方向流動(dòng).5月中旬在黃海中部出現(xiàn)的滸苔在該北向表層流的影響下向北漂移.黑潮和臺(tái)灣暖流依然保持夏季表層流的特點(diǎn),黃海暖流這時(shí)不太明顯,朝鮮沿岸表層流在東北風(fēng)的吹拂下偏西南方向流動(dòng),渤海內(nèi)依然是順時(shí)針方向的流動(dòng).

2008年5月30日,黃海中西部轉(zhuǎn)為西風(fēng),東部為西北風(fēng).在西風(fēng)的影響下,黃海近岸表層流明顯偏向東流,山東半島南岸水域表層流在西南風(fēng)的影響下有向東北方向的流動(dòng),此時(shí)滸苔向東北方向擴(kuò)展,面積擴(kuò)大,在青島附近東南海域出現(xiàn)滸苔.

圖7 2008年5—6月底滸苔期間流場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.7 Simulated flow fields during algae bloom period from May to July in 2008

2008年6月15日,在東風(fēng)的影響下,黃海近岸表層流緊貼岸邊向西、向北流,滸苔漂移到青島近岸海區(qū).6月25日和6月30日在東南風(fēng)的影響下,山東半島南部海區(qū)沿岸向東北表層流增強(qiáng),同時(shí)在膠南-海陽(yáng)附近海域有東南流向的環(huán)流出現(xiàn),這些使得大量滸苔在青島沿海和奧林匹克帆船基地附近聚集.

流場(chǎng)的模擬結(jié)果與風(fēng)向基本匹配,表層流場(chǎng)主要受風(fēng)向的影響.另外值得注意的是,之前普遍認(rèn)為黃海近岸表層流向南流動(dòng),本文模擬的夏季黃海近岸表層流卻是向北流動(dòng),山東半島南岸表層流向東北流動(dòng),且該海流與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系密切.山東半島南岸表層流較小,約0.15m/s,黃海沿岸較大,約0.3m/s,這與劉志亮等[8]的研究結(jié)果相同,與使用真實(shí)地形進(jìn)行黃海環(huán)流模擬的數(shù)值模型[23-24]結(jié)果一致.本文推測(cè)在夏季黃海近岸表層流為向北然后轉(zhuǎn)為向東北的流動(dòng),流轉(zhuǎn)向的位置形成流隔,利于滸苔的聚集.另外,在青島外海南北兩側(cè)存在2個(gè)渦旋,北側(cè)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),南側(cè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),2個(gè)渦旋的存在使得青島海域的滸苔更容易聚集,造成青島附近海域滸苔聚集量比日照更大的狀況.以上結(jié)論很好地解釋了滸苔從黃海中部海區(qū)向青島沿岸海區(qū)漂移和聚集的原因.本文黃海近岸表層流北向流動(dòng)這一模擬結(jié)果與較精確地形的引入和夏季風(fēng)密切相關(guān).

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用POM模型模擬東中國(guó)海氣候態(tài)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng),在此基礎(chǔ)上模擬2008年黃海滸苔事件期間的環(huán)流.模擬得到的氣候態(tài)溫度場(chǎng)與多年觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得到的溫度場(chǎng)分布較一致.黑潮的主要特征模擬結(jié)果較好,主軸流速約為0.9m/s,最大為1m/s以上,夏季主軸強(qiáng)度比冬季強(qiáng),夏季流幅比冬季寬.黑潮兩側(cè)出現(xiàn)一些逆流和渦旋;對(duì)馬暖流主軸流速冬季多在0.4m/s左右,夏季主軸流速比冬季大.對(duì)馬暖流主要來源有東海黑潮分支水、東海陸架混合水和朝鮮沿岸流,夏季比冬季強(qiáng).模擬冬季表層環(huán)流的黃海暖流不太顯著,向北只延伸到34°N.而冬季深度平均流場(chǎng)中黃海暖流很顯著,表明下層流強(qiáng)于表層流.模擬得到的冬季表層?xùn)|海近岸流較顯著,但是模擬流幅過窄.之前普遍認(rèn)為終年向南流的黃海近岸表層流本文的模擬結(jié)果為冬季向南流,而在夏季卻沿岸北上.在朝鮮半島西岸,終年都存在著向南的近岸流,并在朝鮮半島西南角轉(zhuǎn)向東,冬季較強(qiáng),夏季較弱.在渤海終年存在1個(gè)順時(shí)針方向的環(huán)流.

分析2008年5—7月滸苔暴發(fā)區(qū)域的風(fēng)場(chǎng),發(fā)現(xiàn)滸苔聚集區(qū)與風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)空間位置較一致,而滸苔聚集區(qū)的移動(dòng)與盛行風(fēng)向基本一致.用2008年滸苔暴發(fā)期間每隔5天的海表溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)做強(qiáng)迫場(chǎng),得到2008年滸苔事件期間東中國(guó)海環(huán)流場(chǎng).流場(chǎng)的模擬結(jié)果與風(fēng)向基本匹配,表層流場(chǎng)主要受到風(fēng)的影響.模擬的夏季黃海近岸表層流向北流動(dòng),山東半島南岸向東北流動(dòng),且該海流與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系密切.山東半島南岸表層流較小,黃海近岸較大.本文推測(cè)在夏季黃海近岸表層流為向北然后轉(zhuǎn)為向東北的流動(dòng),流轉(zhuǎn)向的位置形成流隔,利于滸苔的聚集.青島外海南北兩側(cè)存在的2個(gè)渦旋使得青島海域的滸苔更容易聚集,青島附近海域滸苔聚集量比日照更大.這些結(jié)論很好地解釋了滸苔從黃海中部海區(qū)向青島沿岸海區(qū)漂移和聚集的原因.黃海近岸表層流向北流動(dòng)這一模擬結(jié)果與較精確地形的引入和夏季風(fēng)密切相關(guān).

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