南海贯穿流季节变化数值模拟研究*

刘 鑫, 韩琦琦, 陈学恩

(1.中国海洋大学海洋与大气学院, 山东 青岛 266100； 2.齐鲁工业大学(山东省科学院)；山东省计算中心(国家超级计算济南中心)， 山东 济南 250101； 3.山东省计算机网络重点实验室， 山东 济南 250014)

南海(SCS, South China Sea)与周边海域的水交换一直以来是海洋学家们关注的研究热点。南海的北面以及西面是亚洲大陆，东面是菲律宾群岛，东南面是卡里马塔岛，南面是印度尼西亚[1]。南海通过台湾海峡 (TS, Taiwan Strait)、吕宋海峡(LS, Luzon Strait)、民都洛海峡(MiS, Mindoro Strait)、巴拉巴克海峡(BS, Balabac Strait)、卡里马塔海峡(KS, Karimata Strait)、马六甲海峡与东中国海、太平洋、苏碌海、爪哇海、印度洋相通。在上述海峡中，吕宋海峡水深较大，最深可达 2 500 m，其余海峡水深较浅，其中卡里马塔海峡平均水深不足50 m。前人研究指出，从吕宋海峡进入南海的太平洋水，一部分经由民都洛海峡进入苏禄海，一部分穿过南海向南进入爪哇海后经由望加锡海峡返回到太平洋[2]，这支海流对印尼贯穿流(ITF, Indonesia Through Flow)的热输送影响显著。南海贯穿流(SCSTF, South China Sea Through Flow)的季节特征非常明显，冬季强夏季弱，在冬季流量可以达到5～15 Sv，但是春秋两季南海贯穿流并没有明显的流轴结构。方国洪等[3-4]用漂流浮标验证了在冬季太平洋-印度洋贯穿流存在南海分支，冬季有一股海流通过吕宋海峡进入南海并形成一个向卡里马塔海峡和印度尼西亚海方向的分支。

早期受南海区域观测资料的限制，关于南海贯穿流年际变化的相关研究较少。Hnc[5]通过估算得到相对准确的南海贯穿流的流向和季节变化关系，2月南海贯穿流从吕宋海峡流入沿南海西部直至南海南部的卡里马塔海峡流出，8月南海贯穿流与2月的流向相反，从卡里马塔海峡流入沿南海西部流向吕宋海峡(见图1)。Liu等[6]在巴士海峡底部，通过海流计直接测量得到一个82天的流速时间序列，发现靠近底部流向南海的流一直存在，平均流速为0.14 m/s[7-8]。吕宋海峡的总输运通常被称为吕宋海峡输运(LST, Luzon Strait Transport)，方向基本上是西向的。

南海通过吕宋海峡和太平洋的水交换近十多年来被广泛研究，前人对LST输运的估计值从0.5～10 Sv不等[5, 9-10]，而最近的观测研究更接近上述范围的中间值[11-12]。在季节时间尺度上，前人研究的一个共同特征是：冬季的流量较大，夏季的流量较小，这是对季节性季风反转的响应。其中Qu等[11]根据水文观测得到LST在1—2月达到最高，约为5.3 Sv，在6—7月降到最低，约为0.2 Sv。Chu等[13]的估计稍高，2月可达到13.7 Sv，最低发生在9月，约为1.4 Sv。不同估算得到的差异在很大程度上可能是由于中层和深层环流中的不确定性[8, 12]。Wang等[14]利用海洋同化数据和绕岛环流理论通过诊断计算探讨了南海贯穿流的年际变化，提出西、中部赤道太平洋风场是调节吕宋海峡体积输送年际变化的主要因素,而吕宋海峡附近的局地风场则是相对次要的[15]。Liu等[11]利用类似的研究方法指出,在年际尺度上,由于北赤道太平洋风场异常强迫导致北赤道流强弱发生变化以及分叉点(NECBL)出现南北移动,使得南海贯穿流和ITF之间存在一种相互调制作用。

图1 2和8月南海表层环流输运及南海贯穿流路径[5]Fig.1 Transports of surface circulation and the path of SCSTF in February and August[5]

尽管前人对南海贯穿流的研究取得了较好进展，但仍然缺乏对南海贯穿流流量的定量评估。限于观测手段和计算资源，之前的研究较多使用分辨率较粗的模式数据和少量的单点实测数据。南海内存在大量的中尺度涡旋，而中尺度涡旋的空间尺度一般为几十至几百公里，因此较粗的模式分辨率无法充足地刻画南海中尺度涡旋。南海的中尺度涡旋对于南海贯穿流有重要的调制作用，当粗分辨率模式无法完整刻画中尺度涡旋时，对于南海贯穿流的刻画也会不充分。南海地形和海岸线复杂，且南海环流对南海地形较为敏感，粗分辨率模式无法充足刻画南海复杂的地形和海岸线，因此对南海贯穿流的刻画也会不充分。南海海盆较大，海盆内的环流分支流轴较多，少量的单点实测数据对于刻画南海环流不具备充足的空间代表性。本文的研究意义在于采用了高分辨的海洋模式来刻画南海环流，并且充分考虑海洋大气间的相互作用，可以充足地刻画南海的涡旋与环流情况，以及可以充分模拟南海的复杂地形和海岸线，从而可以详细地研究南海贯穿流的季节变化并有利于结合绕岛环流理论分析南海贯穿流和周围海流的调制关系。

本文通过高分辨率大气—海洋耦合模式模拟南海贯穿流，选取合理断面计算南海贯穿流的季节平均流量，确定贯穿流的季节流向与主流轴，计算NECBL并讨论南海贯穿流与NECBL、黑潮、棉兰老流的调制关系。

1 模式与数据

本文采用美国伍兹霍尔研究所研发的海洋-大气-波浪-泥沙输运耦合模式 COAWST(Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)对上述内容进行数值研究。COAWST模式由海洋、大气、波浪、数据交换耦合器MCT等部分组成，在本文的模拟过程中仅考虑了大气和海洋两个分量模式的耦合。大气模块采用WRF(Weather Research and Forecasting)模式，是一种非静力、准可压缩的大气模式，该模式拥有多种边界层物理方案和丰富的用于预测中小尺度运动的亚网格尺度物理过程的参数化方案，在空间积分上采用高阶平流方案，在时间积分上使用Runge-Kutta高阶积分方案，其水平方向采用Arakawa-C网格，垂直坐标是基于质量的地形追随坐标。海洋模块采用ROMS(Regional Ocean Model System)模式，ROMS模式在水平方向使用曲线正交Arakawa-C网格，垂向上采用地形拟合的可伸缩坐标系统S 坐标系，在海洋温跃层等变化剧烈的区域加密分层，并提供多种垂向转换函数和拉伸函数供应用选择。

本文利用COAWST耦合模式构建9 km分辨率的南海数值模拟，模拟范围为16.26°S—30.24°N， 99.01°E—141.14°E，涵盖了研究对象及其相关现象所涉及的海域。COAWST耦合模式中大气分量模块WRF水平分辨率为27 km，海洋分量模块ROMS水平分辨率9 km，垂向33层。大气驱动数据选取1°的CFSv2再分析数据集，海洋初始驱动数据来自于基于COAWST耦合模式建立的“两洋一海”区域9 km预报数据结果集，分辨率为9 km。模式时间为2018年12月—2020年2月，模拟的时间段包含一个完整的季节变化周期，因此适合于分析南海贯穿流的季节变化。

2 南海贯穿流季节变化实验设置

南海贯穿流的季节变化主要是分析与南海连通的各海峡流入或者流出南海的流量，从而确定各个海峡间的流量关系和季节变化规律。为了定量地分析南海贯穿流进出南海的流量以及与季节变化的关系，本文选取了图2(a)所示5个断面，即吕宋海峡断面(LS)、民都洛海峡断面(MiS)、巴拉巴克海峡断面(BS)、台湾海峡断面(TS)、卡里马塔海峡断面(KS)，将南海海盆封闭，具体断面选取经纬度如表1所示。

图2 南海各海峡断面(a)、KC及MC断面 (b) 图Fig.2 Strait sections of SCS(a)、sections of KC and MC (b)

表1 各海峡断面坐标Table 1 The position of each strait

断面流量使用式1计算:

(1)

式中：Q是断面的流量；V是断面的上单位面积的法向流速；S是单位面积。因为模式计算都是网格化划分的，则上述公式可转化为式2来计算：

(2)

3 结果分析与讨论

3.1 南海贯穿流的季节性特点

选取模拟结果的2018年12月—2020年2月的日平均数据，计算各海峡断面的流量如图3所示。在该图中设置流入南海的方向为正，流出南海的方向为负，其数值代表流量的大小。海水从吕宋海峡进入南海，从民都洛海峡、卡里马塔海峡、台湾海峡和巴拉巴克海峡流出，其中台湾海峡和巴拉巴克海峡的流量较小。吕宋海峡断面流量与其他4个海峡流量合计在数量级上相当，保持南海海水总量不变。吕宋海峡、卡里马塔海峡、民都洛海峡的流量呈现明显相关性，吕宋海峡流量增大时，民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量也相应增大，相关系数分别达到0.78和0.9。在模拟时间内，吕宋海峡的流量季节平均为13.4(DJF)～6.48(MAM)～1.69(JJA)～2.92 (SON)～9.73 Sv(DJF),呈现冬强夏弱的季节变化规律，冬季流量最大可达20 Sv，夏季流量较小，平均值大概在2 Sv左右，春季和秋季流量大概在2～6 Sv之间。冬季吕宋海峡流量变大的主要原因可能是冬季太平洋北赤道流分叉点北移，通过吕宋海峡流入南海的海流增强。由图3可以看出，2020年冬季的吕宋海峡和民都洛海峡流量增大要比2019年冬季提前且流量更小。这种年际变化主要与太平洋中部、西部的风应力有关。当赤道太平洋的西风异常加强时，吕宋海峡流量增大，反之流量减小。

(吕宋海峡断面季平均流量在2018-12—2019-02为13.4 Sv,2019-03—05为6.48 Sv，2019-06—08为1.69 Sv，2019-09—11为2.92 Sv，2019-12—2020-02为9.73 Sv。The seasonal mean flow of LS is 13.4Sv in 2018-12—2019-02, 6.48 Sv in 2019-03—2019-05, 1.69 Sv in 2019-06—2019-08, 2.92 Sv in 2019-09—2019-11 and 9.73 Sv in 2019-12—2020-02.)

综上所述，各海峡流量总体呈现冬强夏弱的特点，各个断面流量季节特征和输运方向符合之前的研究结果。但是民都洛海峡和卡里马塔海峡断面的流量与之前研究结果有一些差异，体现在民都洛海峡的流量偏强，卡里马塔海峡流量偏弱，这些差异的主要原因可能是该模拟实验考虑了海气耦合模式，大气模拟的海表面风场差异对海水输运的影响较大。另外模式的模拟时间主要为2019年，模拟数据只能代表2019年度各个断面的流量和输运，因此与多年气候态平均结果体现出来一定的差异是合理的。

吕宋海峡作为南海贯穿流的主入口/出口，表2展示了前人研究对吕宋海峡体积输运的估算，结果差异较大，但是总体是冬季流向南海，并且数值在10 Sv左右，夏季也基本是西向过程，数值在1 Sv左右。本实验对2019年度的冬夏季模拟结果与表2中Chu等[13]和方国洪等[3]的结果非常接近。

表2 吕宋海峡输运对比Table 2 Comparison of the transport in Luzon Strait Sv

为了研究各海峡在季节尺度上表现出差异的原因，我们分别给出2018-12—2019-02、2019-03—05、2019-06—08、2019-09—11组成4个季节南海表层流速分布(见图4)。冬季(见图4(a))太平洋海水由吕宋海峡口流入南海，之后向西流动到达南海西边界再向南偏转，在南海海盆中部，其中一部分向东偏转由民都洛海峡流出，另外一部分继续南行，至南海南部的卡里马塔海峡流出，形成由吕宋海峡开始在南海中部分为流向民都洛海峡以及卡里马塔海峡的两个分支的流轴结构。与冬季相反，夏季(见图4(c))南海贯穿流方向反转，由卡里玛塔海峡流入，沿南海西部向北流动，太平洋海水沿菲律宾岛东侧北上汇入黑潮而不经由吕宋海峡进入南海，南海海水少有经过吕宋海峡进入太平洋的现象。春秋两季(见图4(b), 4(d))南海贯穿流流轴结构不明显。从2019年4个季度的表层流场图可以看出，高分辨率海气耦合模式COAWST细致刻画了南海贯穿流的结构和季节的变化特征，符合观测以及已有的研究结果，验证了耦合模式COAWST对南海贯穿流的模拟能力和结果的可靠性。

图4 2019年模拟区域表层季节平均流场图Fig.4 Seasonal mean flow field of surface layer in 2019

3.2 南海贯穿流与黑潮、棉兰老流、北赤道流分叉的调制关系

南海贯穿流具有季节性变化的显著特点。南海贯穿流的季节变化和风场以及周边的海洋环流有关，NECBL以及黑潮(KC)和棉兰老流(MC)输运也是季节性变化的。北赤道流(NEC)在到达菲律宾海岸时分为向北流动的黑潮和向南流动的棉兰老流。NECBL可以认为是NEC输运在KC和MC之间分配比例的一个指标[18]。NECBL会随季节南北移动，冬季向北移动，夏季向南移动。通常，黑潮的大部分水绕过吕宋海峡，沿着中国东部大陆架向北延伸，只有小部分水流入南海。当NECBL向北移动时，MC增强，黑潮减弱，吕宋岛以东逐渐减弱的黑潮为太平洋海水通过吕宋海峡入侵南海提供了有利条件[19]，增加了太平洋海水通过吕宋海峡进入南海的流量[4]，从而形成了一个SCS和太平洋之间的海洋桥。这里主要分析南海贯穿流的入口吕宋海峡与黑潮，MC 以及NECBL的关系。

图5 (a) 南海附近主要洋流的示意图，(b)经典的绕岛环流理论示意图及(c)简化的绕岛环流模型原理图[20]Fig.5 Schematic diagram of (a) ocean currents near the SCS、(b)classic island rule theory and (c)simplified island rule model[20]

图5(a)是南海附近主要洋流的示意图，包含了NEC、KC、MC以及SCSTF的主要结构，太平洋的NEC自东向西流至菲律宾岛时受地形影响从分叉点分为南北两支，北向的分支到菲律宾岛北部的吕宋海峡处，有一部分进入南海，进入南海部分符合经典的绕岛环流理论(见图5(b))。根据绕岛环流理论，要得到南海贯穿流的流量理论解，需要太平洋东岸到菲律宾岛北部，沿着菲律宾-棉兰老岛再到太平洋东岸形成的封闭路径的风应力积分获得[21-22]。如图5(b)积分路径为c-f-e-d，从太平洋东部至西部然后从北向南绕过菲律宾岛返回至太平洋东部，因为c-f以及e-d的距离较远，需要长时间积分。

吕宋海峡输运随季节有显著变化，传统的绕岛环流理论是由稳态模型推导得到的，不适用于在太平洋这么大的海盆做季节尺度变化研究，Yang等[20]在一层非线性约化重力模型的假设下提出了一种根据菲律宾岛绕岛环流积分得到的改进的绕岛环流动力框架。在这个理论中，西边界不产生流，环菲律宾岛积分，南北方向流积分相抵，由此建立吕宋海峡与KC、MC、NEC的动态关系(见图5(c))。左侧为理想的南海海域，黑色的代表菲律宾的几个岛屿，岛屿的海岸线是A-B-C-D-E-A，上下两个口代表出入南海的通道。B点代表北赤道流分叉点，北赤道流从B点处形成一股向北的黑潮和一股向南的棉兰老流，其流量分别表示为QK和QM，QL为吕宋海峡的流量。假设图中岛屿的东边界长度ABC为2L，L为东边界的中点，ΔL是NECBL点偏离中点的距离。菲律宾岛周围压力的瞬态调整主要受开尔文波影响，开尔文波的传播速度为2～3 m/s，以此速度在全岛传播需要不到一个月的时间，比经典的绕岛环流理论的积分时长大大减少。菲律宾岛可以表示为ACDE，岛屿周围的输运取决于沿A-B-C-D-E-A闭合线的风应力积分，简化的一层非线性约化重力模型的控制方程如式(3)所示，在陆地边界无滑移边界和无法向流边界条件的约束下，式(3)的等号左侧都为零，积分公式简化为式4，仅剩下风应力和摩擦力互相调整。只考虑在西部边界层的岛屿东岸ABC上的摩擦力，那么可以把这两项分开来表示，如式5。

(3)

(4)

(5)

式5中第一项是风应力的作用；第二项是摩擦力的作用。先不考虑风应力的情况，公式5只存在摩擦力作用，可以表达为式(6)。如图5(c)中的标识，ABC的长度为2L，yA-yB=L-ΔL，yB-yC=L+ΔL，则吕宋海峡、黑潮、棉兰老流的流量关系可以表示为式7：

(yA-yB)(QK+QL)=(yB-yC)(QM-QL)，

(6)

QL=ΔL(QM+QK)/2L。

(7)

上述公式表达了理论上LS、KC、MC以及NECBL的调制关系，LS的流量下面将使用高分辨率耦合模式COAWST的模拟结果进行分析。

第一步确定NECBL位置。L-ΔL与L+ΔL与在模拟中即为NECBL的位置，NECBL的纬度通常的定义为在菲律宾海岸外2° 带内水深381 m以浅平均经向流为零的纬向位置[23-24](见图6)，在(122.3°E,16.0°N)、(125.6°E,13.0°N)、(127.6°E,13.0°N)、(124.3°E,16.0°N)四点围成的平行四边形区域内分季节计算水深381 m以浅的平均经向流为零的纬度。图6及图7所示均为海洋上381 m的垂向平均流速，以确定模式结果的NEBCL所在纬度。

按照定义提取2018年12月—2019年11月模拟期间的数据，得到NECBL的位置如图7所示。NECBL在冬春夏秋四季的位置分别为15.6°N、14.1°N、13.6°N、13.8°N，呈现冬季向北，夏季向南的季节变化趋势。

第二步计算KC、MC、LS的流量。根据模拟结果选取KC断面和MC断面计算其流量，具体位置选取如图2(b)所示。KC断面选在远离吕宋海峡的PN断面，MC断面选在NEC南向分支流量最稳定的7°N—8°N之间。根据计算结果绘制LS、MC、KC流量在2019年的流量时间序列见图8。

根据图8分析，三个断面流量中呈现LS冬强夏弱，MC冬强夏弱，KC夏强冬弱的趋势。同时,冬天MC增大时，LS增大，KC与LS、MC相反，LS与MC流量相关系数达到0.536 1，且通过了99%的显著性检验。根据上一步计算的NECBL位置，冬季NECBL北移，L-ΔL变短，也就是从NECBL到菲律宾北端的积分路径变短，此时KC流量减少，需要LS补偿北向分支的流量以保证南北两端积分相等。从物理角度来解释，就是当冬季NEBCL北移的时候，北向流动的路径变短，南向流动路径变长。如果保持原流量不变，BA段和BC段的摩擦力无法平衡。因此南向流动减弱，北向流动增强，以达到新的平衡态。南向流动向北向流动补偿的部分即为LS的季节性变化量。夏季上述现象相反，整体模拟结果符合Yang的理论[20]以及之前的观测和研究结论。

图6 NECBL计算选取区域Fig.6 The selected calculation area for NECBL

图7 2019年四季NECBL位置图Fig.7 NECBL position in four seasons in 2019

图8 LS断面(红)，KC断面(蓝)和MC断面(绿)流量变化的时间序列Fig.8 Time series of Luzon(red)、KCPN(blue) and MCPN(green) volume transports

4 结论

本文基于构建的高分辨率的海气耦合模式COAWST对南海贯穿流进行了数值模拟探究，使用9 km的水平分辨率再现了2018年12月—2020年2月期间的南海贯穿流变化。本文详细刻画了南海各海峡通道流量的季节变化，并结合改进的更适合分析中短期变化的绕岛环流积分理论讨论了南海贯穿流与黑潮、棉兰老流、北赤道流分叉的调制关系。主要结论如下：

(1)南海贯穿流符合冬强夏弱的季节变化特征，模式模拟的南海贯穿流在南海内部冬季呈现气旋环流，夏季呈现反气旋环流。冬季太平洋海水由吕宋海峡口流入南海，一部分由民都洛海峡流出，另一部分由卡里马塔海峡流出。夏季南海贯穿流由卡里玛塔海峡流入，沿南海西部向北流动。春秋两季南海贯穿流流轴结构不明显。

(2)南海贯穿流的主要为出入口吕宋海峡、卡里马塔海峡、民都洛海峡，而台湾海峡和巴拉巴克海峡的流量较小。吕宋海峡的流量季节平均流量冬强夏弱，冬季流量最大，夏季流量较小，春季和秋季流量大概在2～6 Sv之间。

(3)吕宋海峡与卡里马塔海峡、民都洛海峡的流量具有明显的相关关系，相关系数分别达到0.78和0.9。当吕宋海峡流量增大时，民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量也相应增大。

(4)结合改进的绕岛环流积分理论，冬季NECBL北移，积分路径变短，冬季黑潮流量减少，需要吕宋海峡输运补偿北向分支的流量以保证南北两端积分相等，同时，棉兰老流流量增加，南海贯穿流入流作为北赤道流到达菲律宾海岸后的北向分支的补充呈现流量增加现象。

本文研究了南海贯穿流的季节变化及其与周围海流的调制关系。目前对于南海贯穿流的变化及其影响因子的研究仍是海洋学家们关注的热点。由于观测条件和计算资源的限制，本文的研究尚没有分析南海贯穿流与局地风场、太平洋风场的关系，这方面将在今后进行重点研究。