棉兰老流与棉兰老潜流季节内变化研究❋

杨蓓蓓， 林霄沛

(中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)



棉兰老流与棉兰老潜流季节内变化研究❋

杨蓓蓓， 林霄沛❋❋

(中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

摘要：通过分析HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)数据，得出棉兰老流(MC)位于0～800m深度，紧贴岸界，最大流速发生在次表层。棉兰老潜流(MUC)位于400m深度以下，127°E以东离岸侧，最大流速发生在1600m深度处。MUC的流核数目在12个月的分布不尽相同，大概在1～3个，其中存在2个流核的月份最多；MUC各个流核在不同月份的核心强度有明显变化，5月份流核核心速度最大，可达10cm·s-1；MUC各个流核的纬向剖面面积也有明显的季节变化，2月份的剖面面积最大。从季节内变化上看，MUC与MC都存在较明显的季节内变化信号，周期在100d左右。MC的季节内变化是由海表面涡旋引起的，而MUC的季节内变化是由温跃层以下的涡旋引起的。

关键词：棉兰老流；棉兰老潜流；季节内变化特征；HYCOM

引用格式：杨蓓蓓， 林霄沛. 棉兰老流与棉兰老潜流季节内变化研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016， 46(6): 21-28.

YANG Bei-Bei, LIN Xiao-Pei. Intraseasonal variability of the mindanao current and the Mindanao undercurrent[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 21-28.

北赤道流在接近菲律宾海岸时分叉，形成向南的流动棉兰老流(MC)和向北流动的黑潮[1-4]。大部分黑潮绕过吕宋海峡，沿着中国海岸向北流动[5]，一小部分黑潮进入中国南海[6]。棉兰老流的主要部分流入苏拉威西海补充印尼贯穿流，剩下的直接进入北赤道逆流(NECC)[6]。与此同时，在表层流下方存在着与其相对应的反向的潜流，分别为黑潮下方南向的吕宋潜流(LUC)，棉兰老流(MC)下方的北向棉兰老潜流(MUC)与北赤道流下由西向东的赤道潜流(NEUC)[7]。棉兰老潜流是连接新几内亚潜流和北赤道逆流的重要海流，也是南半球表层以下海水跨越赤道后向北继续输运的重要载体[8]。

由过去MC的研究得知，MC是稳定的西边界流，最大流速约1m·s-1[6,9-10]。Kimetal、Kashino等认为MC的流量受厄尔尼诺和南方涛动的影响[11-13]。Kashino利用锚定数据，发现MC有较强的年际和季节变化。

MUC是由中国学者利用1986—1988年间的3个航次温盐资料运用反演方法研究发现的，Hu和Cui[14-15]利用棉兰老岛以东沿7.5°N 3年的观测资料发现并命名了MC下面向北流动多流核的MUC。Lukas等利用ADCP的结果发现MUC 20～25km宽，离岸50～75km[2]。Wijffels等[10]发现MC以下的MUC是高变异性的，并因此认为MUC是瞬时现象。但Qu等[16]认为Wijffels等并未得到400db之下的速度场，因此Wijffels等的论断并不适用于深层水体；此外，在Wijffels等所得平均位势密度断面上，在500～1000db深度范围内向下倾斜的等密线已经表明了该处存在北向流，因而在更深水层上MUC应当是一个永久特征。近期，Chiang、Zhang、Wang发现，MUC的季节内变化信号与温跃层以下的涡旋有关[17-19]。Chiang认为MUC 50～60d的信号是由南太平洋产生的次表层涡旋引起，沿着新几内亚岛向西北传播，最终到达棉兰老岛。而Zhang认为MUC的季节内变化信号是由同纬度自东向西传播的位于温跃层以下的涡旋引起的。而Wang认为影响MUC季节内变化的次表层涡旋来自南、北和同纬度3种路径。

到目前为止，还没有MUC主体部分的直接、长期观测，因此对其结构和变异的认识较为不直观，导致棉兰老潜流的具体结构和流核数量尚不清楚，棉兰老潜流体积运输量存在分歧，同时，对于MC的季节内变化研究较少，对于MUC的季节内变化来源存在争议。本文将利用高分辨率的HYCOM海洋模式资料对北太平洋低纬度西边界流的时空分布特征及其变化规律进行初步分析,主要研究棉兰老流区域环流的时空特征，同时分析棉兰老流与棉兰老潜流的季节内变化规律，并探究其季节内变化的来源、影响MUC季节内变化的次表层涡旋的来源。

1数据

本文分析采用的数据是2004—2012年高分辨率HYCOM模式数据，HYCOM模式水平网格采用Arakawa C网格和标准笛卡尔坐标系，垂直集中3种坐标(z坐标、δ坐标和等密度面坐标)，垂直混合机制是K-剖面参数化(KPP)。数据时间分辨率为1d。数据覆盖接近全球，从45°S～45°N，而且空间分辨率在经向和纬向都是1/12(度)。数据的垂直分辨率是从接近海表的5m到海底的550m，共33层。其中用到的深度测量法来自于质量控制海军研究实验室DBDB2数据集，海表气象数据来自美国海军业务化全球大气预测系统(Navy Operational Global Atmospheric Prediction System，NOGAPS)，包括风应力、风速、热通量(使用块体公式计算得来)以及降雨。对于更多细节的模型配置，如层参考密度时间步骤、平流方案混合等，可以参考相关HYCOM官方网站(http://hycom.org)给的blkdat.input文件。

HYCOM模式数据分辨率高，完全覆盖棉兰老海区，并且在Wang[19]的文章中对HYCOM模式数据与实测数据做了对比，HYCOM数据可以较好地模拟棉兰老海区的环流特征。

2棉兰老海区环流基本特征

2.1 水平分布特征

HYCOM高分辨率的数据可以再现大多数海洋中的现象，为了进一步了解低纬度西边界流，本文选择114°E～138°E，0°～25.5°N为研究区域。图1为表层流场与速度标准差。由图1(a)可知，北赤道流在12°N左右分叉为两支流动，一支向北的黑潮(KC)，一支向南的棉兰老流(MC)。棉兰老流在分叉点较微弱，随着向南流动，流动增强，到7°N左右达到流速最大值，超过1.1m·s-1。MC在棉兰老岛南侧发生分叉，一支向西为印尼贯穿流(ITF)，另一支向东汇入北赤道逆流(NECC)。由图1(b)可知，表层速度的标准差大部分区域较小，低于0.3m·s-1。印尼贯穿流区域速度标准差较大。在MC和NECC的区域也较大，可达到0.5m·s-1，这可能与这各区域的特殊性有关——此区域是水团交汇的十字路口，而且是棉兰老涡(Mindanao Eddy，ME)和哈马黑拉涡(Halmahera Eddy，HE)两涡旋地带，可能会导致温盐变化较大，从而引起表层流速的变化。

((a)填色表示流速的大小，白色箭头表示流速矢量；(b)填色表示流速大小的标准差。(a)Shading indicates the magnitude of velocity；(b)Shading indicates the STD of velocity.)

图1海表面平均速度矢量图(a)、海表速度标准差(b)

Fig.1Mean (a) and STD (b) of velocity at sea surface from the model

流动的主要结构会随着深度的加深而变化。由图2(a)可看出,在1200m深度MC基本消失，棉兰老岛离岸的地方流动主要变为向北，即棉兰老潜流(MUC)。而此向北流动的是棉兰老岛离岸东南方向反气旋涡旋的一部分，这个反气旋的涡Qu认为是上层HE涡旋在温跃层中的向极倾斜[16]。棉兰老潜流的流动范围较小，从5°N开始，到10°N左右大部分转向东流入大洋内部。由图2(b)可知,1200m深度处的速度标准差较其速度来说较大，最大值在棉兰老岛沿岸7°N附近。

((a)填色表示流速的大小，白色箭头表示流速矢量；(b)填色表示流速大小的标准差。(a)Shading indicates the magnitude of velocity；(b)Shading indicates the STD of velocity.)

图21200m深度平均速度矢量图(a)、速度标准差(b)

Fig.2Mean (a) and STD (b) of velocity at 1 200 m from the model

2.2 垂向分布特征

图3(a)为8°N断面的经向流速图，它给出了MUC和MC的具体垂向结构。在平均的经向流速图中，棉兰老流在0～800m深处，且紧贴岸界，最大速度发生在次表层处，可达1.1m·s-1。对于棉兰老潜流，HYCOM模式得出的平均经向流，MUC不在MC的正下方而是在离岸处，垂向范围为300～3000m范围，从平均状态中可以看出棉兰老潜流存在2个流核，在1600m深度处存在1个流核，流核中心处流速仅为2cm·s-1左右。在128.5°E以东0～500m深处也存在向北的经向流动，流核在300m左右。

图3(b)可看出经向流速的标准差在表层较大，可达0.25m·s-1。在近岸127°E处500～2000m也存在一个标准差较大的区域。其他区域流速的标准差都较小。

((a)填色表示经向流速的大小；(b)填色表示经向流速大小的标准差。(a)Shading indicates the magnitude of meridionalvelocity；(b)Shading indicates the STD ofmeridional velocity.)

图38°N断面平均经向速度(a)、经向速度标准差(b)

Fig.3Mean (a) and STD (b) of meridional velocity at 8°N

图4显示了8°N断面气候态月平均的4个不同月份的经向流速分布，可以看出MUC和MC的强度都有明显变化，MUC流核数目也有变化，这意味着MUC有明显的季节变化。从流核数目来看，在8°N断面，5和8月有2个流核，11月份有2个流核，2月份有3个流核，其中1个流核在3000m以下。从流核的强度来看，5月份流核核心速度较大，可达到8cm·s-1。从MUC纬向剖面面积来看，2月份剖面面积最大，达到130°E以东。

3棉兰老流和棉兰老潜流季节内变化探究

3.1 棉兰老流和棉兰老潜流的体积输运特征

以8°N断面为例，简要分析HYCOM数据中2004—2012年MUC流量变化。取Hycom 2004—2012年5d平均的数据，以沿岸向东到129°E，0～800m的南向流积分作为MC流量，沿岸向东到129°E，400～3000m的北向流积分作为MUC流量。

在8°N垂直断面MUC的平均流量为17.3SV，MC的平均流量为43.9SV，这里MC与MUC流量较大的原因是HYCOM模式模拟的MC与MUC较真实值大。图5是MC与MUC的流量变化，可看出MUC和MC都存在着较大的季节内浮动。为了进一步探讨其季节内变化，对MC和MUC 9年的流量数据做功率谱分析，可以看出MUC存在100d左右的季节内变化信号，这与QU在2012年得出的棉兰老潜流的50～100d的周期较吻合。在图6(a)中看不出棉兰老潜流有明显的季节变化周期，可能由于数据时间长度太短或者棉兰老潜流本身季节周期不明显造成的。而对MC，谱分析的结果得出棉兰老流流量同样有3个较明显的峰值(见图6(b))，同样有100d左右的谱峰超过信度检验曲线，也就是说MC也存在100d左右的季节内变化。

(蓝线表示MC气候态月平均流量；绿线表示MUC气候态月平均流量。Blue solid line indicates the MC transport；Greensolid line indicates the MC transport.)

图5MC与MUC流量

Fig.5The transport of MC and MUC

((a)黑实线表示MUC流量功率谱，黑虚线表示95%的信度检验曲线；(b)黑实线表示MC流量功率谱，黑虚线表示95%的信度检验曲线。(a)Black solid line indicates the power spectrum of the MUC transport，black dashed line indicates the 95%；(b)Black solid line indicates the power spectrum of the MC transport，black dashed line indicates the 95%)

图6MUC(a)及MC(b)流量功率谱分析

Fig.6The power spectrum of the MUC(a)and MC(b)transport

3.2 棉兰老流季节内信号的来源

前人对黑潮流量的研究得出，黑潮流量的变化与从东向西传的中尺度涡有很大关系，推测棉兰老流100d左右的周期与从东向西传的中尺度涡密不可分。而对棉兰老海区的海表面异常(SLA)与MC流量做相关性分析，得出相关系数在-30%左右，超过99%的相关性信度检验，也就是说MC流量与棉兰老海区的SLA负相关关系显著。当反气旋式的涡在大洋中部传播到棉兰老岛近岸时，棉兰老岛附近海表面高度升高,由地转关系，MC流量减小。反之，气旋式涡靠近棉兰老岛近岸时，MC流量增大。

为了进一步看清楚MC与SLA的关系，本文分别合成MC流量大于60SV对应的海表面高度异常的平均场(见图7(a))与MC流量小于33SV对应的海表面高度异常的平均场(见图7(b))。当MC流量大于60SV时，棉兰老岛近岸海表面高度存在负的异常，即在棉兰老岛沿岸存在气旋式涡旋，当MC流量小于33SV时，棉兰老岛近岸海表面高度存在正的异常，即在棉兰老岛沿岸存在反气旋式涡旋，与本文前面的结论相符。

而海表面高度异常与MUC相关性不显著，同时MUC流量大于45SV和小于5SV合成的海表面高度异常的平均场(图未展示)也没有明显的气旋和反气旋涡，可能是由于引起MC与MUC流量变化的机制不同，海洋上层的涡旋与深层的MUC关系不强。

3.3 棉兰老潜流季节内信号的来源

Chiang以及Zhang、Wang等发现棉兰老潜流的季节内变化与温跃层以下的涡旋有关[17-19]。图8(a)和8(b)展示了1200m平均的EKE(Eddy kinetic energy)场和8°N断面的EKE场。由图9可看出，涡旋在菲律宾沿岸附近较活跃，且这些涡旋集中在300～2000m左右，最大的EKE在800m左右，而1200m的平均EKE场中也可看出EKE在菲律宾岛东岸、棉兰老潜流附近较大，这与Zhang[17]用OFES数据得出的结论基本一致。

为了进一步探讨这些温跃层以下涡旋的来源，本文做出2004—2012年8°N断面1200m深度的HYCOM经向流速异常的时间-经度图(见图9)。由图10，可以很清晰的看出经向流速异常有一个明显的由东向西传的特征，流速异常信号在135°E以东较弱，随着向西传播，强度逐渐增大。流速异常信号就是由涡旋的运动引起的，也就是说次表层涡旋由东向西传播，传播的速度约为7cm·s-1，与Zhang的6～8cm·s-1相符[17-19]。

4结论

本文通过分析HYCOM数据，采用断面分析、相关性分析、功率谱分析、合成等方法，分析了MC与MUC的空间结构、季节内变化特征，得到结论如下：

(1)通过对HYCOM数据进行大面、断面分析，在表层流场中棉兰老岛东侧存在一支向南流动的MC，并且属于棉兰老岛东南侧气旋式涡HE的一部分。在1200m处流场中，可以看到一支向北的流动MUC存在于棉兰老岛东南侧5°N～10°N范围内，同时也属于棉兰老岛东南侧深海反气旋涡旋的一部分。垂直结构分析结果显示，气候态年平均8°N断面经向流速的垂直分布表明MC位于0～800m深度128.5°E以西近岸侧，最大流速发生在次表层。MUC位于400m深度以下，127°E以东离岸侧，最大流速发生在1600m深度处。

(2)气候态月平均的12个月的经向流速分布表明MUC的流核数目和强度有明显的季节变化：MUC的流核数目在12个月的分布不尽相同，大概在1～3个，其中存在2个流核的月份最多；MUC各个流核在不同月份的核心强度有明显变化，5月份流核核心速度最大，可达10cm·s-1；MUC各个流核的纬向剖面面积也有明显的季节变化，2月份的剖面面积最大。

(3)MC与MUC都存在约100d的季节内变化信号，但其信号来源不同。MC的季节内变化主要由海表面的涡旋引起，而MUC的季节内变化主要由同纬度的由东向西传播的温跃层以下的涡旋引起。

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责任编辑庞旻

Intraseasonal Variability of the Mindanao Current and the Mindanao Undercurrent

YANG Bei-Bei, LIN Xiao-Pei

(College of Oceanic and Atmospheric Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract：The MC and the MUC play an important role in contributing to equatorial heat and mass budget and act as important channels of mass, heat, and salt exchange between two hemisphere. In this paper, the structure and the intraseasonal variability of the MC and the MUC have been analyzed using the HYCOM data. The MC is a northward currentin the depth of 0～800 m with its maximum velocity in the subsurface. And the MUC lies below the 400 m depth, east of 127°E offshore, with maximum velocity in 1 600 m depth. The climatological monthly mean velocities showed significant seasonal variabilities in both quantity and the strength of the MUC velocity cores. The cores of MUC varied with months from one to three with tow cores in most time. The strength and area of MUC also varied significantly. The core velocity attained the largest of up to 10 cm·s-1in May, with the largest areas occurring in February. Both the MC and the MUC have strong intraseasonal variability of about 100 d. The intraseasonal variability of MC maybe caused by the activity of surface eddies and the intraseasonal variability of MUC appears to be closely related to subthermocline eddies, which translate westward.

Key words:Mindanao current(MC); Mindanao undercurrent(MUC); intraseasonal variability; HYCOM

基金项目：❋ 国家重大科学研究计划项目(2013CB956202)资助

收稿日期：2015-09-18；

修订日期：2015-12-15

作者简介：杨蓓蓓(1991-)，女，硕士生。E-mail：haikeybb@163.com ❋❋通讯作者：E-mail: linxiaop@ouc.edu.cn

中图法分类号：P731.27

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)06-021-08

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150325

Supported by National Basic Research Program of China(2013CB956202)