基于20 a衛星高度計數據的黑潮變異特征

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衛星高度計數據的黑潮變異特征

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的物理現象對于漁業和航海有著不可忽視的影響。本文基于改進的特征線方法， 利用1992～2012年的高度計絕對動力地形數據提取了整個黑潮流區逐月的黑潮主軸和邊界位置， 并對沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運以及路徑標準差等黑潮特征量進行了分析研究。結果表明， 黑潮整體的沿軸速度在夏秋季較大， 最大值可達0.95 m/s， 而在冬季的速度較??； 黑潮主流寬度在10、11月份達到最大值； 黑潮表層水體輸運在夏季最大， 春秋兩季次之， 冬季最小。沿黑潮流路分區域對黑潮特征進行分析， 結果表明， 越往黑潮下游， 其沿軸速度、主流寬度和表層水體輸運越大， 同時沿軸速度和表層水體輸運量最大值出現的時間也越晚， 黑潮主軸位置相對于其多年平均的偏離程度越大， 且隨時間波動也越強烈。

高度計； 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的一支強西邊界海流， 與大西洋的灣流齊名， 它具有高鹽高溫、流速強、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的海流， 同樣處于準地轉平衡之中。黑潮從低緯度地區向中高緯度地區進行巨大的能量和物質輸送， 從而對東亞區域乃至全球的海洋環境與氣候帶來重要的影響［1-2］。

對黑潮的路徑及其特征量變異的研究一直以來都是國內外學者研究的熱點問題［3-4］。過去采用的現場觀測數據由于空間覆蓋率有限， 無法準確地反映出黑潮路徑整體的時空變化特征。隨著衛星測高技術不斷發展， 長時間序列和高分辨率的海洋遙感數據得到了廣泛應用， 一些學者也將其應用于黑潮主軸的研究［5-6］。Ambe等［7］利用高度計和浮標數據首先提出了特征線法來確定黑潮主軸， 此后不斷有學者利用該方法對黑潮流軸進行分析研究［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］采用漂流浮標資料利用該方法提取了黑潮15 m層流路的時空變化。此外， Liu等［12］基于高度計數據進一步對東海黑潮路徑變化進行了分析研究。

目前對于黑潮主軸的研究主要集中在東海黑潮和日本以南區域中尺度渦旋較少的區域， 由于整個黑潮流域尤其是黑潮延伸區附近存在大量中尺度渦旋， 采用特征線法在黑潮延伸區內提取的黑潮主軸位置容易陷入中尺度渦旋的影響區域內， 從而無法準確提取出該區域內黑潮的主軸和邊界位置。對于黑潮流路的整體性研究更能反映出黑潮真實的變化情況， 從而加深我們對于黑潮的進一步認識。本文利用20 a的高度計數據， 基于改進的特征線方法， 提取整個黑潮流域內（22°～40°N， 120°～160°E）黑潮的主軸和邊界位置， 并對黑潮主流沿軸速度、寬度和表層水體輸運等特征量及其變化進行研究。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文主要采用的高度計數據是法國國家空間研究中心（CNES）的衛星海洋存檔數據中心（AVISO）提供的絕對動力地形（ADT）資料， 該資料是由T/P及其后繼衛星Janson-1/2， ERS-1/2和ENVISAT的觀測數據融合得到的產品， 并進行了儀器誤差、海況誤差和潮汐干擾等影響因素的校正。本文采用的數據時間是1992年10月～2012年12月， 數據時間間隔為7 d，空間分辨率為0.25°×0.25°。進而根據地轉平衡關系，得到研究區域內的地轉流速數據。

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， 并在此基礎上加以改進。該方法的基本步驟如圖1所示： （1）根據多年觀測結果在黑潮主流區內選取黑潮主軸常年經過的點作為起始點； （2）在所選取的定點處作一條與該點流向垂直且長度為x=140 km的輔助線； （3）在輔助線上每隔?x=7 km進行插值， 計算所有插值點的流向平均值； （4）調整輔助線使其垂直于平均流向， 再在調整之后的輔助線上進行第二次插值， 主軸位置被定義在新輔助線上流速最大的點， 邊界被定義為沿流速度分量大于主軸處速度的30%的區域； （5）然后沿平均流向向下游移動?r=10 km到達下個位置， 重復步驟（2）～（4）， 得到新的主軸位置。

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

但是對于整個黑潮流域， 尤其在143°E以東的黑潮延伸區附近， 因為該區域內存在強烈的中尺度渦旋， 提取的主軸位置通常會陷入中尺度渦旋中，故使用該方法無法很好地提取出黑潮主軸位置。本文對于該方法進行了改進， 提出了基于相鄰時刻提取結果剔除渦影響的黑潮主軸提取方法， 參考上一時刻的主軸位置和流向來剔除渦旋對于黑潮主軸提取的影響。具體改進方法如下：

由于黑潮延伸區主流平均寬度在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小尺度渦旋的影響，將?r修改為50 km。

當提取的主軸位置點數k大于20時（認為離開東海黑潮流路穩定的區域）， 求得提取到的主軸位置點與此前提取到的1～（k-2）點的所有主軸點的距離差，如果檢測到最小距離差小于0.4°時則認為它陷入渦旋中， 由于黑潮隨時間變化不太強烈， 我們參考上一時刻提取的主軸線， 重新計算（k-5）～（k-3）點的主軸位置， 如圖2所示。

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

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

表層水體輸運（S）定義為黑潮主流區域內流速的疊加：

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據點個數， vi為第i個數據點的沿流速度， ?r為數據點的距離間隔50 km。定義路徑標準差（DS）表示黑潮偏移20a主軸位置的程度：

其中xi， yi分別為第i個主軸點的經緯度， 標準差越大， 表示黑潮主軸位置相對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

將計算得到的每隔7 d的地轉流速數據進行月平均， 得到20 a逐月的地轉流速數據。對于個別未能正確提取到黑潮主軸位置的月平均數據， 我們采用7 d數據有效提取的平均值作為該月份的提取結果， 由此提取得到20 a間每個月的黑潮主軸和邊界位置， 并得到黑潮特征量的逐月結果。圖3為2002年黑潮主軸和邊界逐月提取結果， 其中選取130°E和144°E兩個截面將黑潮分為東海、日本以南和黑潮延伸區3個子區域。

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， 基于改進的特征線法能準確地提取出整個黑潮流域內黑潮主軸和邊界的位置。結果表明， 在黑潮東海區域和日本以南區域黑潮位置隨時間變化較為穩定， 而在黑潮延伸區附近黑潮流路變化較為劇烈。

基于上述提取結果， 對1992～2012年黑潮的平均沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運和路徑標準差進行空間算術平均， 分別獲得黑潮沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運和路徑標準差平均值的時間序列， 結果如圖4所示。進行五次多項式擬合后， 結果表明整個黑潮區域的沿軸速度和表層水體輸運變化較為一致， 從1992年開始減小， 到1996年為最小值，此后開始不斷增長， 在2004～2005年左右到達最大值， 此后又開始減小， 表明整個黑潮區域的沿軸速度和表層水體輸運都存在一個周期約為6 a的年際振蕩。而整個黑潮區域的寬度在1996和2005年左右達到極大值， 在1992年、2002年和2011年達到極小值。黑潮路徑標準差從1992年開始增加， 在1996年到達最大值， 隨后變化趨勢較為平緩， 在 2011年后又開始迅速減小。

進一步將黑潮整個流域分為東海、日本以南和黑潮延伸區三個子區域， 對其20 a間月平均黑潮特征量的變化進行了研究， 結果如圖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浮標分別對于臺灣東北SS、東海中央PN、日本九州與奄美群島TT三個斷面的觀測結果基本一致。從各子區域來看， 日本以南區域和黑潮延伸區的沿軸速度明顯大于黑潮東海區域。黑潮東海區域沿軸速度在6、7月達到最大， 而日本以南區域沿軸速度在7、8月份達到最大， 黑潮延伸區沿軸速度在9、10月份達到最大； 各區域最小值點出現的位置也是如此。結果表明沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮沿軸速度越大，同時黑潮速度極大（?。┲翟谝荒曛谐霈F的月份越晚。

黑潮整體主流寬度在10、11月份達到最大值。從各子區域來分析， 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（c）和路徑標準差（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在夏季較大， 在冬季最小。這與黑潮夏強冬弱的一般認識是相符合的。沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮表層水體輸運量越大，同時黑潮表層水體輸運量最大值出現的時間越晚。

黑潮路徑標準差反映了黑潮主流相對于其多年平均的偏離程度， 沿黑潮流路， 越往黑潮下游， 黑潮主軸位置相對于其多年平均的偏離程度越大， 且隨時間波動也越強烈。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附近， 存在的中尺度渦旋的數量不斷增多， 對于黑潮流路的影響也愈發明顯。

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（c）和路徑標準差（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， 為了進一步分析黑潮沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運的相關性， 計算了整個黑潮區域的沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運的超前滯后相關系數， 結果如圖6所示。

圖6 黑潮沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運的相關系數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， 而表層水體輸運量在同相位增加。這與Liu等［12］對于東海黑潮的研究結果有所不同。

3 結論

本文基于改進的特征線提取黑潮主軸的方法，利用20 a的高度計絕對動力地形數據提取了整個黑潮流區的黑潮主軸和主流邊界， 并對黑潮沿軸速度、主流寬度、表層水體輸運以及路徑標準差等特征量進行了分析研究。提取結果表明， 對于整個黑潮流區，尤其是在黑潮延伸區附近， 改進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、表層水體輸運以及路徑標準差等特征量。

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月份達到最大值。黑潮整體表層水體輸運在夏季較大， 在冬季最小。沿黑潮流路分區域對于黑潮特征進行分析， 結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越大， 同時沿軸速度和表層水體輸運量最大值出現的時間也越晚， 黑潮主軸位置相對于其多年平均的偏離程度越大， 且隨時間波動也越強烈。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附近， 存在的中尺度渦旋的數量不斷增多， 對于黑潮流路的影響也越發明顯。

進一步對黑潮沿軸速度與主流寬度、表層水體輸運的相關系數分析表明， 隨著黑潮沿軸速度的增加， 黑潮的主流寬度同相位減小， 而表層水體輸運量在同相位增加。

致謝： 感謝法國國家空間研究中心（CNES）的衛星海洋存檔數據中心（AVISO）提供的高度計融合數據。

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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計劃項目（2013AA122803）； 中歐合作龍計劃項目（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， 主要從事高度計數據海洋應用研究， 電話：0532-88966694， E-mail： yangjg@fio.org.cn