黑潮对日本海边界环流的影响

论文摘要

黑潮是北太平洋上一支最强的西边界流，具有高温、高盐、流幅窄、流速快、流量大的特征。黑潮的季节和年际变化会对气候产生重大影响，对东亚陆架海域的能量、动量和热量的变化，大中尺度过程的相互作用等都有重要的作用。研究黑潮对东亚陆架海域的作用问题，是深入了解大洋环流变化对陆架海影响的关键，具有重要的科学意义和现实意义。日本海是西北太平洋上的重要海域。该海域作为一个边缘海与中俄朝韩日五国陆地领土接临，周边有诸多重要军事港口，其战略地位的重要性不言而喻。本文在回顾前人研究的基础上，以对马暖流为研究主线，通过资料分析、理论推导结合数值模拟结果分析，重点研究了黑潮对日本海边界环流的影响机制；黑潮在年际变化尺度上对日本海环流的影响等。日本海存在北向流动的东、西两支边界流。本文提出：黑潮北上流动所造成的南北方向的压力差为这两支边界流的主要驱动力；提出绕岛积分约束、位涡收支积分约束和质量守恒约束是形成和维持日本海北上东、西边界流的主导动力学机制的猜想。利用POM模式，建立了西北太平洋环流场。在模式验证合理的基础上，基于绕岛积分约束和位涡收支积分约束以及质量守恒约束，解释了对马暖流进入日本海后分东、西两支边界流的机制问题。研究认为，进入日本海的对马暖流的流量及其季节变化主要受制于大洋过程，而非日本海局地效应造成。自对马海峡流入日本海的水体，经津轻和宗谷海峡流出日本海，满足质量守恒约束。由于黑潮沿日本岛东岸北上流动，在对马海峡和津轻海峡之间设定了压力差，该压力差为对马暖流的主要驱动力。根据绕岛积分约束，在日本岛的西岸同样感受到此压力差异，加之沿岸地形效应，维持了对马暖流东分支。而关于日本海内的西边界流（通常称之为东韩暖流），我们用位涡收支积分约束来解释。进入日本海的位涡通量包括地形β效应和行星β效应两部分，计算结果显示进入日本海的净位涡通量为负值。沿岛屿边界位势涡度积分需要正的位势涡度来平衡流入日本海的负位势涡度，这就需要沿朝鲜半岛东岸的边界摩擦力提供正的位势涡度——只有一支强的顺时针北上的西边界环流才能做到这一点。在机制研究的基础上，本文进一步研究了在黑潮年际变化情况下，对于日本海环流的影响。利用适合大洋的混合坐标模型HYCOM，成功模拟了黑潮的10年际逐月变化情况。在此基础上，基于绕岛积分约束和质量守恒约束，研究了黑潮在存在大弯曲和不存在大弯曲的情况下，对对马暖流进入日本海内的东边界流（日本海近岸分支流）的影响机制，结果表明：日本以南黑潮流量与日本海近岸分支流的流量存在良好的正相关关系。当黑潮不存在大弯曲时，日本海近岸分支流强；当黑潮存在大弯曲时，日本海近岸分支明显减弱。对马暖流作为日本海的唯一入流，对日本海的环流、温盐度分布等海洋物理过程具有重要影响。通过改进的POM模式，嵌套了西北太平洋的HAMSOM模式，建立日本海对马海峡海域斜压准预报模式，对对马海峡温盐场以及环流场进行高分辨率的数值模拟。模拟结果显示：对马暖流遇对马岛阻隔，分为东西两支进入日本海，两支海流均存在流核。对马暖流季节变化明显，随着对马暖流的季节变化，流核的位置和强弱均发生变化。对马暖流在东水道流速比西水道流速大。对马暖流携带的高温高盐水从对马海峡流入日本海，与当地冷水团相互作用产生对马海峡处的海洋锋。海洋锋存在于济州岛和对马岛之间，四季皆存在，而且有明显的季节变化特征。春夏季锋面强于秋冬季。对马暖流的来源一直众说纷纭，未有定论。是否存在台湾-对马暖流系统?基于POM模式，设计数值实验论证台湾暖流和对马暖流的动力关系。研究结果进一步验证了“台湾-对马暖流系统”的存在。初步解释了台湾暖流水流向何处以及对马暖流水的来源问题。通过数值实验发现，在该系统中对马暖流扮演更为重要的角色。而台湾暖流的改变对对马暖流影响甚微。能量通过地形波传导理论可能为这一动力学机制的合理解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 黑潮研究现状
• 0.1.1 黑潮概述
• 0.1.2 已有研究成果
• 0.2 日本海研究现状
• 0.2.1 日本海概述
• 0.2.2 对马暖流
• 0.2.3 东韩暖流
• 0.2.4 日本海近岸分支
• 0.2.5 日本海北部环流
• 0.3 本文研究内容及意义
• 1 模式配置及数据介绍
• 1.1 POM模式配置及数据介绍
• 1.2 HYCOM模式配置及数据介绍
• 2 日本海对马暖流分支机制研究
• 2.1 问题的提出和动力学猜想
• 2.1.1 东分支形成机制的猜想
• 2.1.2 西分支形成机制的猜想
• 2.2 动力学机制探讨
• 2.2.1 绕岛积分约束
• 2.2.2 位涡收支积分约束
• 2.3 验证动力学猜想的数值实验
• 2.3.1 西北太平洋区域模拟
• 2.3.2 日本海区域模拟
• 2.4 分析讨论
• 2.4.1 对马暖流东分支的生成机制
• 2.4.2 对马暖流西分支的生成机制
• 2.5 小结
• 3 黑潮年际变化对日本海近岸分支的动力学影响
• 3.1 问题的提出
• 3.2 模式结果验证
• 3.2.1 环流场验证
• 3.2.2 温度场验证
• 3.2.3 盐度场验证
• 3.2.4 流量验证
• 3.3 分析讨论
• 3.3.1 黑潮年际变化分析
• 3.3.2 黑潮年际变化对日本海近岸分支的影响
• 3.4 小结
• 4 对马海峡环流季节变化的模拟及分析
• 4.1 研究现状及研究意义
• 4.2 研究方法
• 4.2.1 模式介绍
• 4.2.2 模式初始场和边界条件
• 4.2.3 模式运行
• 4.3 模式结果验证
• 4.4 结果分析与讨论
• 4.4.1 对马海峡的表层、中层和底层温盐度及海流分析
• 4.4.2 海洋锋位置分析
• 4.4.3 34.5°N温盐和环流垂直剖面分析
• 4.4.4 流核个数分析
• 4.4.5 对马海峡流量分析
• 4.5 小结
• 5 数值实验论证台湾暖流和对马暖流的动力关系
• 5.1 研究现状及存在问题
• 5.2 数值实验
• 5.2.1 控制实验
• 5.2.2 封堵台湾海峡实验
• 5.2.3 封堵对马海峡实验
• 5.2.4 对马海峡设定流量实验
• 5.2.5 台湾海峡设定流量实验
• 5.3 分析讨论
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的结论
• 6.1.1 对马暖流分支机制
• 6.1.2 黑潮长期变化及其对日本海近岸分支的影响
• 6.1.3 对马海峡高分辨率数值模拟
• 6.1.4 台湾暖流和对马暖流的动力学关系
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 7 附录 POM及HYCOM介绍
• 7.1 POM模式介绍
• 7.2 HYCOM模式介绍
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文与研究成果