基于20 a衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的黑潮變異特征

趙新華， 楊俊鋼， 崔 偉（國家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061）

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基于20 a衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的黑潮變異特征

趙新華， 楊俊鋼， 崔 偉
（國家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061）

黑潮作為一支典型的西邊界流， 其路徑變化特征及其相關(guān)的物理現(xiàn)象對(duì)于漁業(yè)和航海有著不可忽視的影響。本文基于改進(jìn)的特征線方法， 利用1992～2012年的高度計(jì)絕對(duì)動(dòng)力地形數(shù)據(jù)提取了整個(gè)黑潮流區(qū)逐月的黑潮主軸和邊界位置， 并對(duì)沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運(yùn)以及路徑標(biāo)準(zhǔn)差等黑潮特征量進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明， 黑潮整體的沿軸速度在夏秋季較大， 最大值可達(dá)0.95 m/s， 而在冬季的速度較?。?黑潮主流寬度在10、11月份達(dá)到最大值； 黑潮表層水體輸運(yùn)在夏季最大， 春秋兩季次之， 冬季最小。沿黑潮流路分區(qū)域?qū)诔碧卣鬟M(jìn)行分析， 結(jié)果表明， 越往黑潮下游， 其沿軸速度、主流寬度和表層水體輸運(yùn)越大， 同時(shí)沿軸速度和表層水體輸運(yùn)量最大值出現(xiàn)的時(shí)間也越晚， 黑潮主軸位置相對(duì)于其多年平均的偏離程度越大， 且隨時(shí)間波動(dòng)也越強(qiáng)烈。

高度計(jì)； 黑潮； 主軸

［Foundation： the National High Technology Research and Development Program， No. 2013AA122803； ESA-MOST Dragon Cooperation 3 Program， No.ID.10466］

黑潮是沿著北太平洋西部邊緣向北流動(dòng)的一支強(qiáng)西邊界海流， 與大西洋的灣流齊名， 它具有高鹽高溫、流速強(qiáng)、流量大、厚度大等特征。與灣流相似， 黑潮也是一支斜壓性很強(qiáng)的海流， 同樣處于準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡之中。黑潮從低緯度地區(qū)向中高緯度地區(qū)進(jìn)行巨大的能量和物質(zhì)輸送， 從而對(duì)東亞區(qū)域乃至全球的海洋環(huán)境與氣候帶來重要的影響［1-2］。

對(duì)黑潮的路徑及其特征量變異的研究一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題［3-4］。過去采用的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)由于空間覆蓋率有限， 無法準(zhǔn)確地反映出黑潮路徑整體的時(shí)空變化特征。隨著衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)不斷發(fā)展， 長(zhǎng)時(shí)間序列和高分辨率的海洋遙感數(shù)據(jù)得到了廣泛應(yīng)用， 一些學(xué)者也將其應(yīng)用于黑潮主軸的研究［5-6］。Ambe等［7］利用高度計(jì)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)首先提出了特征線法來確定黑潮主軸， 此后不斷有學(xué)者利用該方法對(duì)黑潮流軸進(jìn)行分析研究［8-11］。劉廣平等［8］利用該方法探究了熱帶氣旋過境期間呂宋海峽黑潮主軸的變化， 于龍等［9］采用漂流浮標(biāo)資料利用該方法提取了黑潮15 m層流路的時(shí)空變化。此外， Liu等［12］基于高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)東海黑潮路徑變化進(jìn)行了分析研究。

目前對(duì)于黑潮主軸的研究主要集中在東海黑潮和日本以南區(qū)域中尺度渦旋較少的區(qū)域， 由于整個(gè)黑潮流域尤其是黑潮延伸區(qū)附近存在大量中尺度渦旋， 采用特征線法在黑潮延伸區(qū)內(nèi)提取的黑潮主軸位置容易陷入中尺度渦旋的影響區(qū)域內(nèi)， 從而無法準(zhǔn)確提取出該區(qū)域內(nèi)黑潮的主軸和邊界位置。對(duì)于黑潮流路的整體性研究更能反映出黑潮真實(shí)的變化情況， 從而加深我們對(duì)于黑潮的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。本文利用20 a的高度計(jì)數(shù)據(jù)， 基于改進(jìn)的特征線方法， 提取整個(gè)黑潮流域內(nèi)（22°～40°N， 120°～160°E）黑潮的主軸和邊界位置， 并對(duì)黑潮主流沿軸速度、寬度和表層水體輸運(yùn)等特征量及其變化進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要采用的高度計(jì)數(shù)據(jù)是法國國家空間研究中心（CNES）的衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供的絕對(duì)動(dòng)力地形（ADT）資料， 該資料是由T/P及其后繼衛(wèi)星Janson-1/2， ERS-1/2和ENVISAT的觀測(cè)數(shù)據(jù)融合得到的產(chǎn)品， 并進(jìn)行了儀器誤差、海況誤差和潮汐干擾等影響因素的校正。本文采用的數(shù)據(jù)時(shí)間是1992年10月～2012年12月， 數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為7 d，空間分辨率為0.25°×0.25°。進(jìn)而根據(jù)地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系，得到研究區(qū)域內(nèi)的地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)。

1.2 分析處理方法

本文采取Ambe等［7］所使用的特征線法來確定黑潮主軸， 并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。該方法的基本步驟如圖1所示： （1）根據(jù)多年觀測(cè)結(jié)果在黑潮主流區(qū)內(nèi)選取黑潮主軸常年經(jīng)過的點(diǎn)作為起始點(diǎn)； （2）在所選取的定點(diǎn)處作一條與該點(diǎn)流向垂直且長(zhǎng)度為x=140 km的輔助線； （3）在輔助線上每隔?x=7 km進(jìn)行插值， 計(jì)算所有插值點(diǎn)的流向平均值； （4）調(diào)整輔助線使其垂直于平均流向， 再在調(diào)整之后的輔助線上進(jìn)行第二次插值， 主軸位置被定義在新輔助線上流速最大的點(diǎn)， 邊界被定義為沿流速度分量大于主軸處速度的30%的區(qū)域； （5）然后沿平均流向向下游移動(dòng)?r=10 km到達(dá)下個(gè)位置， 重復(fù)步驟（2）～（4）， 得到新的主軸位置。

圖1 特征線法計(jì)算黑潮主軸示意圖［7］Fig. 1 Schematic diagram showing the characteristic line method used to calculate Kuroshio axis［7］

但是對(duì)于整個(gè)黑潮流域， 尤其在143°E以東的黑潮延伸區(qū)附近， 因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)存在強(qiáng)烈的中尺度渦旋， 提取的主軸位置通常會(huì)陷入中尺度渦旋中，故使用該方法無法很好地提取出黑潮主軸位置。本文對(duì)于該方法進(jìn)行了改進(jìn)， 提出了基于相鄰時(shí)刻提取結(jié)果剔除渦影響的黑潮主軸提取方法， 參考上一時(shí)刻的主軸位置和流向來剔除渦旋對(duì)于黑潮主軸提取的影響。具體改進(jìn)方法如下：

由于黑潮延伸區(qū)主流平均寬度在150～170 km，所以首先將Ambe方法中x修改為200 km， ?x修改為10 km， 為了除去黑潮延伸區(qū)小尺度渦旋的影響，將?r修改為50 km。

當(dāng)提取的主軸位置點(diǎn)數(shù)k大于20時(shí)（認(rèn)為離開東海黑潮流路穩(wěn)定的區(qū)域）， 求得提取到的主軸位置點(diǎn)與此前提取到的1～（k-2）點(diǎn)的所有主軸點(diǎn)的距離差，如果檢測(cè)到最小距離差小于0.4°時(shí)則認(rèn)為它陷入渦旋中， 由于黑潮隨時(shí)間變化不太強(qiáng)烈， 我們參考上一時(shí)刻提取的主軸線， 重新計(jì)算（k-5）～（k-3）點(diǎn)的主軸位置， 如圖2所示。

首先找到該（k-5）點(diǎn)的主軸位置與上一時(shí)刻的主軸點(diǎn)位置最近的點(diǎn)， 作為參考主軸點(diǎn)a， 在a點(diǎn)處作一條與該點(diǎn)流向垂直且長(zhǎng)度為200 km的輔助線， 并在輔助線上每隔10 km進(jìn)行插值， （k-5）點(diǎn)的主軸位置被重新確定為該輔助線上流速最大的點(diǎn)； 然后用上一時(shí)刻主軸點(diǎn)為（a+1）， （a+2）的位置作類似的輔助線并進(jìn)行插值求得（k-4）， （k-3）的主軸位置， （k-2）的位置利用沿新的（k-3）的主軸點(diǎn)處的流向向下游移動(dòng)50 km，到達(dá)下個(gè)位置， 重復(fù)步驟（2）～（4）得到。

圖2 改進(jìn)的特征線法示意圖Fig. 2 Schematic diagram showing the improved characteristic line method

表層水體輸運(yùn)（S）定義為黑潮主流區(qū)域內(nèi)流速的疊加：

其中n為黑潮主軸提取過程中落入主軸斷面上黑潮主流的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)， vi為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的沿流速度， ?r為數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離間隔50 km。定義路徑標(biāo)準(zhǔn)差（DS）表示黑潮偏移20a主軸位置的程度：

其中xi， yi分別為第i個(gè)主軸點(diǎn)的經(jīng)緯度， 標(biāo)準(zhǔn)差越大， 表示黑潮主軸位置相對(duì)于其多年平均的偏離程度越大。

2 黑潮變異特征提取與分析

將計(jì)算得到的每隔7 d的地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行月平均， 得到20 a逐月的地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)。對(duì)于個(gè)別未能正確提取到黑潮主軸位置的月平均數(shù)據(jù)， 我們采用7 d數(shù)據(jù)有效提取的平均值作為該月份的提取結(jié)果， 由此提取得到20 a間每個(gè)月的黑潮主軸和邊界位置， 并得到黑潮特征量的逐月結(jié)果。圖3為2002年黑潮主軸和邊界逐月提取結(jié)果， 其中選取130°E和144°E兩個(gè)截面將黑潮分為東海、日本以南和黑潮延伸區(qū)3個(gè)子區(qū)域。

圖3 2002年1～12月提取的黑潮主軸和邊界Fig. 3 Kuroshio axis （red lines） and boundary （black line） detected from January to December， 2002

從圖3中可以看出， 基于改進(jìn)的特征線法能準(zhǔn)確地提取出整個(gè)黑潮流域內(nèi)黑潮主軸和邊界的位置。結(jié)果表明， 在黑潮東海區(qū)域和日本以南區(qū)域黑潮位置隨時(shí)間變化較為穩(wěn)定， 而在黑潮延伸區(qū)附近黑潮流路變化較為劇烈。

基于上述提取結(jié)果， 對(duì)1992～2012年黑潮的平均沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運(yùn)和路徑標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行空間算術(shù)平均， 分別獲得黑潮沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運(yùn)和路徑標(biāo)準(zhǔn)差平均值的時(shí)間序列， 結(jié)果如圖4所示。進(jìn)行五次多項(xiàng)式擬合后， 結(jié)果表明整個(gè)黑潮區(qū)域的沿軸速度和表層水體輸運(yùn)變化較為一致， 從1992年開始減小， 到1996年為最小值，此后開始不斷增長(zhǎng)， 在2004～2005年左右到達(dá)最大值， 此后又開始減小， 表明整個(gè)黑潮區(qū)域的沿軸速度和表層水體輸運(yùn)都存在一個(gè)周期約為6 a的年際振蕩。而整個(gè)黑潮區(qū)域的寬度在1996和2005年左右達(dá)到極大值， 在1992年、2002年和2011年達(dá)到極小值。黑潮路徑標(biāo)準(zhǔn)差從1992年開始增加， 在1996年到達(dá)最大值， 隨后變化趨勢(shì)較為平緩， 在 2011年后又開始迅速減小。

進(jìn)一步將黑潮整個(gè)流域分為東海、日本以南和黑潮延伸區(qū)三個(gè)子區(qū)域， 對(duì)其20 a間月平均黑潮特征量的變化進(jìn)行了研究， 結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出， 黑潮整體的沿軸速度在夏秋季（7～9月）較大， 最大值可達(dá)到0.95 m/s； 而在冬季（12～2月）較小， 這與之前馮穎等［13］采用Argos浮標(biāo)分別對(duì)于臺(tái)灣東北SS、東海中央PN、日本九州與奄美群島TT三個(gè)斷面的觀測(cè)結(jié)果基本一致。從各子區(qū)域來看， 日本以南區(qū)域和黑潮延伸區(qū)的沿軸速度明顯大于黑潮東海區(qū)域。黑潮東海區(qū)域沿軸速度在6、7月達(dá)到最大， 而日本以南區(qū)域沿軸速度在7、8月份達(dá)到最大， 黑潮延伸區(qū)沿軸速度在9、10月份達(dá)到最大； 各區(qū)域最小值點(diǎn)出現(xiàn)的位置也是如此。結(jié)果表明沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮沿軸速度越大，同時(shí)黑潮速度極大（?。┲翟谝荒曛谐霈F(xiàn)的月份越晚。

黑潮整體主流寬度在10、11月份達(dá)到最大值。從各子區(qū)域來分析， 越往黑潮下游， 黑潮的主流寬度越大。其中東海黑潮部分主流寬度在夏季最小， 冬季最大， 這與Liu等［12］的結(jié)果較為一致。

圖4 20 a黑潮平均沿軸速度（a）、主流寬度（b）、表面水體輸運(yùn)（c）和路徑標(biāo)準(zhǔn)差（d）的年際變化Fig. 4 Time series of （a） along-stream velocity， （b） section width， （c） along-stream surface transport， and （d）path standard deviation of Kuroshio Current from 1992 to 2012

黑潮整體表層水體輸運(yùn)在夏季較大， 在冬季最小。這與黑潮夏強(qiáng)冬弱的一般認(rèn)識(shí)是相符合的。沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮表層水體輸運(yùn)量越大，同時(shí)黑潮表層水體輸運(yùn)量最大值出現(xiàn)的時(shí)間越晚。

黑潮路徑標(biāo)準(zhǔn)差反映了黑潮主流相對(duì)于其多年平均的偏離程度， 沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮主軸位置相對(duì)于其多年平均的偏離程度越大， 且隨時(shí)間波動(dòng)也越強(qiáng)烈。這可能是由于越往黑潮下游， 尤其是在日本以南和黑潮延伸區(qū)附近， 存在的中尺度渦旋的數(shù)量不斷增多， 對(duì)于黑潮流路的影響也愈發(fā)明顯。

圖5 黑潮20 a月平均沿軸速度（a）、主流寬度（b）、表面水體輸運(yùn)（c）和路徑標(biāo)準(zhǔn)差（d）的變化Fig. 5 20-year month averaged： （a） along-stream velocity，（b） section width， （c） along-stream surface transport，and （d） path standard deviation of Kuroshio

此外， 為了進(jìn)一步分析黑潮沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運(yùn)的相關(guān)性， 計(jì)算了整個(gè)黑潮區(qū)域的沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運(yùn)的超前滯后相關(guān)系數(shù)， 結(jié)果如圖6所示。

圖6 黑潮沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運(yùn)的相關(guān)系數(shù)Fig. 6 Correlation coefficient of along-stream velocity with section width and along-stream surface transport

由圖6可以看出， 隨著黑潮沿軸速度的增加， 黑潮的主流寬度同相位減小， 而表層水體輸運(yùn)量在同相位增加。這與Liu等［12］對(duì)于東海黑潮的研究結(jié)果有所不同。

3 結(jié)論

本文基于改進(jìn)的特征線提取黑潮主軸的方法，利用20 a的高度計(jì)絕對(duì)動(dòng)力地形數(shù)據(jù)提取了整個(gè)黑潮流區(qū)的黑潮主軸和主流邊界， 并對(duì)黑潮沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運(yùn)以及路徑標(biāo)準(zhǔn)差等特征量進(jìn)行了分析研究。提取結(jié)果表明， 對(duì)于整個(gè)黑潮流區(qū)，尤其是在黑潮延伸區(qū)附近， 改進(jìn)的特征線法能很好地提取出黑潮主軸和邊界的位置， 并能有效提取黑潮的沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運(yùn)以及路徑標(biāo)準(zhǔn)差等特征量。

黑潮整體的沿軸速度在夏秋季（7～9月）速度較大，最大值可達(dá)0.95 m/s， 而在冬季（12～2月）的速度較小。整體主流寬度在10、11月份達(dá)到最大值。黑潮整體表層水體輸運(yùn)在夏季較大， 在冬季最小。沿黑潮流路分區(qū)域?qū)τ诤诔碧卣鬟M(jìn)行分析， 結(jié)果表明越往黑潮下游， 黑潮的沿軸速度、主流寬度和表層水體輸運(yùn)越大， 同時(shí)沿軸速度和表層水體輸運(yùn)量最大值出現(xiàn)的時(shí)間也越晚， 黑潮主軸位置相對(duì)于其多年平均的偏離程度越大， 且隨時(shí)間波動(dòng)也越強(qiáng)烈。這可能是由于越往黑潮下游， 尤其是在日本以南和黑潮延伸區(qū)附近， 存在的中尺度渦旋的數(shù)量不斷增多， 對(duì)于黑潮流路的影響也越發(fā)明顯。

進(jìn)一步對(duì)黑潮沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運(yùn)的相關(guān)系數(shù)分析表明， 隨著黑潮沿軸速度的增加， 黑潮的主流寬度同相位減小， 而表層水體輸運(yùn)量在同相位增加。

致謝： 感謝法國國家空間研究中心（CNES）的衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供的高度計(jì)融合數(shù)據(jù)。

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（本文編輯： 李曉燕）

Variability of Kuroshio based on 20-year altimeter data

ZHAO Xin-hua， YANG Jun-gang， CUI Wei
（First Institute of Oceanography， State Oceanic Administration， Qingdao 266061， China）

Jan.， 8， 2015

altimeter； Kuroshio； current axis

Based on 20-year （1991–2012） Absolute Dynamic Topography derived satellite altimetry data， the location of the axis and boundary of the Kuroshio Current are derived using the improved characteristic line method. In addition， the variability of the along-stream velocity， section width， along-stream surface transport， and path standard deviation of the Kuroshio Current are studied. The results show that the along-stream velocity of the Kuroshio increases from a minimum value during winter to a maximum of 0.95 m/s in summer and autumn， and a larger mainstream width occurs in October and November. The mean surface along-stream transport has a maximum value in summer； there is reduced transport in spring and autumn， and it is at a minimum in winter. Based on a study of different regions along the current， it was found that along-stream velocity， section width， and along-stream surface transport increase along the current， while the time when the maximum value of the along-stream velocity and surface transport occur is late. The location of the axis of the Kuroshio Current departs from the annual mean path further along the current， and fluctuations become stronger with time.

P731

A

1000-3096（2016）01-0132-06

10.11759/hykx20150108002

2015-01-08；

2015-05-11

國家863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA122803）； 中歐合作龍計(jì)劃項(xiàng)目（ID.10466）

趙新華（1990-）， 男， 山東青島人， 碩士研究生， 主要從事物理海洋與海洋遙感方面研究， 電話： 0532-88966694， E-mail： wdnzxhh@163.com；楊俊鋼， 通信作者， 副研究員， 主要從事高度計(jì)數(shù)據(jù)海洋應(yīng)用研究， 電話：0532-88966694， E-mail： yangjg@fio.org.cn