2023, Vol. 53
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237;
3. 中国海洋大学三亚海洋研究院，海南 三亚 572025
热盐环流能够将热量从低纬输运到高纬，对全球海洋物质能量分布和气候变化都具有关键的调节作用[1]。基于海洋动力学理论发展，并结合丰富广泛的现场观测，我们对于热盐环流上分支的空间特征与时间变异有了全面系统的认识。但目前深层海洋的观测手段少、观测难度大，现有的观测资料十分稀少，我们对于深层环流特征及其变化规律的认知极为匮乏。
菲律宾海位于北太平洋的西部边缘，是太平洋经向翻转环流的重要流经区域[2]，由四国海盆(Shikoku Basin, SHB)、菲律宾海盆(Philippine Basin, PB)和帕雷斯维拉海盆(Parece Vela Basin, PVB)组成，被九州-帕拉海脊(Kyushu-Palau Ridge, KPR)分割成东西两部分，地形极为复杂(见图 1)。菲律宾海的深层水团主要包括北太平洋深层水(North Pacific deep water, NPDW)与来自南极的上层绕极深层水(Upper circumpolar deep water, UCDW)和下层绕极深层水(Lower circumpolar deep water, LCDW)[3]。Kawabe和Fujio[2]利用世界海洋环流试验水文计划(World ocean circulation experiment hydrographic programme，WOCE)断面数据进行诊断分析，诊断出它们在太平洋的输运路径。NPDW在东北太平洋生成之后，从夏威夷岛南端向西进入西太平洋，然后通过伊豆-小笠原海脊(Izu-Ogasawara Trench, IOR)上的豁口进入到菲律宾海深层；UCDW从南极绕极流向北流动进入南太平洋副热带环流圈，之后通过所罗门隆起进入北太平洋，在北太平洋分为两支，其中一支会通过雅浦-马里亚纳连接处(Yap-Mariana junction, YMJ)流入菲律宾海；处于UCDW之下的LCDW会通过萨摩亚深水通道进入到北太平洋，当LCDW穿过赤道后会分为两支，西向的分支会流经美拉尼西亚和东马里亚纳海盆，并通过YMJ进入到菲律宾海深层。但在菲律宾海内部对于深层的观测较少，导致目前对于菲律宾海内部深层环流认知较浅[5]。
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( SHB(四国海盆)、IOR(伊豆-小笠原海脊)、IOT(伊豆-小笠原海沟)、DR(大东海脊)、ODR(冲绳大东海脊)、MDB(南大东海盆)、CBF(中央海盆断裂带)、KPR(九州-帕拉海脊)、RT(琉球海沟)、LT(吕宋海峡)、PB(菲律宾海盆)、PVB(帕雷斯维拉海盆)、MR(马里亚纳海脊)、WMR(西马里亚纳海脊)、PT(菲律宾海沟)、TR(杜比海脊)、YR(雅浦海脊)、YT(雅浦海沟)、MT(马里亚纳海沟)、WCB(西卡洛林海盆)、ECB(东卡洛林海盆)、红色五角星代表YMJ(雅浦-马里亚纳连接处)。黄色线表示JMA的137°E观测断面、紫红色线表示WOCE计划中的P03、P08N和PR01断面。绿色线表示图 10中YMJ两侧的断面位置。地形数据为美国国家地球物理数据中心(https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/grid-extract/index.html)的ETOPO1数据。SHB(Shikoku Basin), IOR(Izu-Ogasawara Ridge), IOT(Izu-Ogasawara Trench), DR(Daito Ridge), ODR(Oki-Daito Ridge), MDB(Minami-Daito Basin), CBF(Central Basin Fault), KPR(Kyushu-Palau Ridge), RT(Ryukyu Trench), LT(Luzon Strait), PB(Philippine Basin), PVB(Parece Vela Basin), MR(Mariana Ridge), WMR(West Mariana Ridge), PT(Philippine Trench), TR(Tobi Ridge), YR(Yap Ridge), YT(Yap Trench), MT(Mariana Trench), WCB(West Caroline Basin), ECB(East Caroline Basin). The red five-pointed star represents the YMJ; The yellow line represents the observed 137°E section of JMA; The magenta lines represent sections P03, P08N and PR01 of the WOCE plan; The green line represents the section positions on both sides of YMJ in Fig. 10. Topography data is ETOPO1 downloaded from the U.S. National Geophysical Data Center (https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/grid-extract/index.html). ) 图 1 菲律宾海地形颜色填充图 Fig. 1 Topographic features of the Philippine Sea |
位温可以作为水团划分标准，本文在这里将1.2 ℃＜θ0＜2.0 ℃定义为混合水团(由NPDW和UCDW混合组成)的上下界，将小于1.2 ℃海水定义为LCDW[4-6]。深层水团主要通过YMJ和IOR上的豁口进入到菲律宾海内部[2-4, 7]，本文根据深层水团在YMJ处的分布，将菲律宾海深层环流划分成两层来研究，一层是混合水团占主的2 000~4 000 m深层，另外一层是LCDW占主的4 000 m以深的底层[4, 8]。
在深层，一部分深层水通过IOR上北部的豁口进入到SHB[4, 9-10]。Nagano等[11]在四国岛附近观测到南向深层西边界流，Chaen等[12]、Zhou等[13]和Wang等[14]在琉球群岛、吕宋海峡(Luzon Strait，LT)和棉兰老岛附近观测到的西边界流具有很强的季节性变化。深层水在到达22°N时会分出另外的两支流动，一支向东从IOR南部的豁口流出菲律宾海[10, 15]; 另一支向西通过LT进入到南海[16]。还有一部分深层水会通过YMJ处进入PVB，进入之后会向西流动汇入到西边界流区域[17]，随西边界流向南移动[13-14]。在底层，菲律宾海深层几乎只有YMJ与外界连接，深层水会从此处流入PVB[2-3, 7, 18]，在进入PVB之后深层水会继续向北流动，然后向西通过KPR中间的豁口进入到PB[4]，最后汇入到南向的西边界流中去[12]。
除了少量的观测研究之外，前人还基于数值模式和再分析数据对菲律宾海深层环流开展了研究。Kubota和Ono[19]通过倒置约化重力模型以及Ishizaki等[20]基于大洋环流模拟方案得到菲律宾海深层整体呈现气旋式的环流结构，这些模型都过度简化了环流结构，不能够准确地描述菲律宾海深层环流的整体特征。Zhai和Gu[5]利用简单同化海洋数据(Simple ocean data assimilation 2.24，SODA)将菲律宾海分为3层，进行了细致研究。上深层为纬向流占主的流动，在深层水达到西边界之后会分叉成俩支西边界流动；中深层在PB内存在弱气旋式环流，并伴有强南向西边界流；在底层，菲律宾深海盆的东北和西北部都存在气旋式环流，在PB南部为反气旋式环流。Zhai和Gu等[5]的研究工作揭示了菲律宾海深层环流整体的时空特征，为本文开展菲律宾海深层环流的研究工作提供一定的基础。马强等[21]通过多套模式资料，对西太平洋深层环流进行了研究分析，发现在1 000~3 000 m层深层环流以纬向流为主，在底层则形成海盆内环流，且受制于位涡收支积分约束方程。
因此，针对菲律宾海深层环流，虽然前人已有了一些初步研究成果，但对于时空特征的系统认知还远远不够。所以本文通过对比分析公开的全球模式模拟结果、气候态数据和再分析数据，对菲律宾海深层水团特性和环流特征进行探讨，并对相关资料在研究菲律宾海深层水团和环流的适用性进行评估。
1 数据介绍本文所用的数据资料包括再分析数据海洋与气候环流模型第2版(Estimating the circulation and climate of the ocean Version 2(ECCO2)、环流模型第4版(ECCO4)、混合坐标海洋模型(Hybrid coordinate ocean model GLBa 0.08，HYCOM)、墨卡托数据集(Mercator，来自哥白尼海洋环境监测服务中心, 下载地址：GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_031)、SODA和EN4(哈德利计划EN系列第4版)、气候态观测数据广义数值环境模型(GDEM，Generalized digital environment model Version 3.0)、世界海洋地图集(WOA，Word ocean atlas 2018)以及模式模拟结果OFES(General ocean circulation model for the earth simulator)，还有日本气象厅(Japan Meteorological Agency, JMA)对137°E断面的观测数据和WOCE计划中P03、P08N和PR01断面观测数据。本文中所用到的月平均数据资料的信息如表 1所示。
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表 1 文中所用数据资料分辨率简介 Table 1 Brief introduction to the data resolution used in the text |
ECCO2(https://ecco-group.org/products.htm)是通过麻省理工学院通用循环模型(MITgcm)，将全球可用的全水深数据与海冰数据进行物理上的一致性合成，同化卫星数据、Argo(Array for real time geostrophic oceanography)等观测数据，并通过最小二乘拟合得到的数据资料[22]。ECCO4是使用全球海洋模式模拟，并通过构建数据分析框架进行分析处理得到的再分析数据产品，模型的网格为0.5°的纬向分辨率和不均匀的经向分辨率，延续了ECCO模型遵循守恒定律没有内部源和汇的优点[22]。
OFES(http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap/griddap/)是日本地球模拟器通过模拟计算得到的长时间序列高精度海洋模式模拟结果，该模式基于美国国家海洋和大气管理局物理动力学实验室(Geophysical fluid dynamics laboratory/National oceanic and atmospheric administration, GFDL/NOAA)的模块化海洋模型(Modular ocean model)模式, 改进为并行计算得到的。强迫场采用的是1950—1999年的NCEP/NCAR的再分析数据, 初始的温盐场则采用的是世界海洋地图集1998(World Ocean Atlas 1998，WOA 98)数据[24]。
HYCOM(https://www.hycom.org/)是广义坐标海洋模型，采用混合垂向坐标，在层化结构明显的深海区域采用等密度面坐标，在层化较弱的上层海洋采用z坐标，而在地形变化剧烈的区域采用地形sigma坐标。本文使用数据集实验编号为GLBa0.08，该数据集是同化了卫星高度计观测数据、XBT和Argo浮标数据，并使用NCODA多元最优插值方案得到的分析数据[25]。
Mercator(https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_031/INFORMATION)资料是来源于欧洲预报中心的再分析数据产品，同化了包括墨卡托海洋GLORYS2V4再分析数据、欧洲中期天气预报中心第五代海洋再分析数据、英国气象局第五版全球季节性预报数据、全球快速气候变化组织第七版及全球物理海洋再分析数据等卫星和原位观测数据，使模型与观测更为接近。
SODA(http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap/griddap/)数据是美国马里兰大学于20世纪90年代初开发的分析系统，该分析系统是以POP(Parallel ocean program)模型和SODA程序为基础的全球海洋环流模式，同化了卫星、Argo以及WOD数据[26]。
EN4(https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/en4/)是哈德利计划EN系列的第四版，通过对WOD 2009、北极综合流域海洋学项目、全球温度盐度剖面计划数据和Argo浮标数据进行质量控制和再分配，并对数据进行客观分析检查，最后对数据进行偏差调整不确定性估计得到的全球客观分析数据[27]。
GDEM(ftp://ftp.nodc.noaa.gov/nodc/archive/arc0040/)是美国海军广义数字环境模型，源自海军研究实验室编辑的海洋观测数据集中提取的温度和盐度剖面。与之前的版本相比，本文所使用的GDEM-Version3.0进行了几项重大改进：首先它纠正了许多错误的热反转，密度较大的水覆盖较轻的水；其次改进了网格算法，消除了跨越边界的插值，可以使我们能够更好地定义陆地边缘；最后它将温度和盐度保留三位小数，而不是早期版本和世界海洋地图集中的两位，保留3位小数可以大大改善深海中盐度和密度结构[28]。
WOA(http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap/griddap/)数据是NOAA国家海洋数据中心气象实验室目前最新的数据产品，该数据集集合了MBT、船载观测、CTD、DBT、XBT、浮标和滑翔机的数据，包含了全球海洋温度、盐度、溶解氧和硅酸盐等海洋要素，是多种实测数据的整合数据，时间分辨率包括年平均、季平均和月平均数据[29]。
2 菲律宾海深层水团菲律宾海深层水主要由混合水团(NPDW、UCDW)和LCDW组成，深层水会通过IOR上的豁口和YMJ流入菲律宾海内部[4]。为了减小菲律宾海深层水团特性时间变异特征对水团分析结果的影响，此处采用了JMA1990—2020年对137°E断面观测的CTD数据，并引入了WOCE计划中的P03断面(观测时间1985年5月4日—6月3日、2006年1月20—30日、2013年6月19日—7月27日)、P08N断面(1996年6月20日—7月15日、1996年7月12—30日、1996年10月28日—11月2日)和PR01(1991年1月4—12日、1992年2月10—17日、1994年2月24日—3月3日)的CTD数据。以上述观测数据为参考、分析菲律宾海深层水团的特征，并对比分析多数据集对菲律宾海深层水团刻画上的适用性。
2.1 深层水团断面分布混合水团和LCDW都具有低温特性，本文使用位温θ0作为诊断深层水的手段，用来研究菲律宾海深层水的分布特征。LCDW的位温都在1.2 ℃以下，在其之上的混合水团位温处于1.2~2.0 ℃之间，故使用1.2和2.0 ℃等位温线来诊断深层水团[4, 6-7]。
前人研究[4]指出，在菲律宾深层，混合水团的上界在2 000 m左右，LCDW的上界在从YMJ处输运到北PB的过程中由4 000 m逐渐降低到5 000 m。对比137°E断面的多年平均位温数据和上文所述其他数据集，结果显示，在137°E断面位置各数据集混合水团平均上界均在2 000 m左右，与断面观测结果较为一致，其中ECCO2的结果略偏低。对于LCDW的上界，断面观测结果显示其在137°E断面平均深度为4 032.5 m，覆盖了PVB和SHB的南部，由南向北逐渐降低。在其他数据集中，气候态数据(GDEM和WOA)、ECCO4、HYCOM和EN4与断面观测结果吻合较好。而ECCO2中LCDW并未进入到菲律宾海深层；在OFES中LCDW只能覆盖PVB的底层，不能到达SHB；在Mercator中出现了深层水位置过高的现象；SODA中LCDW上界较深，代表进入的LCDW明显偏少(见图 2(a)~(i))。
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( 黑色跟红色等值线表示各数据的位温等值线，黄色等值线表示JMA或WOCE计划的位温等值线(位置见图 1)。1.2 ℃代表混合水团的上界，2.0 ℃代表LCDW的上界。(a)~(i)、(j)~(r)和(s)(za)分别代表137°E断面、130°E断面和24°N断面位温θ0分布图(填色，不等间距位温，具体如图中所示)；(a)~(i)分别为ECCO2、ECCO4、OFES、HYCOM、Mercator、SODA、EN4、GDEM和WOA，(j)~(r)和(s)~(za)与(a)~(i)相同。图中所用数据为多年平均数据，具体时间段请参照表 1，若不做特殊说明，后面与之相同。Black and red lines represent potential temperature contour lines; Yellow lines represent potential temperature contour lines of JMA or WOCE (see Fig. 1). 1.2 ℃ represents the upper bound of mixed deep water. 2.0 ℃ represents the upper bound of LCDW; (a)~(i), (j)~(r) and (s)~(za) represent the potential temperature θ0 distribution of 137°E, 130°E and 24°N sections respectively (Shaded, nonuniform potential temperature, as shown in figure.); (a)~(i) are data of ECCO2, ECCO4, OFES, HYCOM, Mercator, SODA, EN4, GDEM and WOA respectively; (j)~(r) and (s)~(za) are the same as (a)~(i). The figures used are multi-year averages and will be the same unless otherwise noted. Please refer to Table 1 for specific time periods. ) 图 2 137°E、130°E和24°N断面位温θ0分布图 Fig. 2 Distribution of potential temperature θ0 cross 137°E, 130°E and 24°N |
进一步对比了断面观测和其他数据集在130°E(见图 2(j)~(r))和24°N(见图 2(s)~(za))断面的位温分布，结果显示，对于LCDW的上界气候态数据、HYCOM、SODA和EN4与断面观测结果吻合较好，而ECCO2中的最低位温仍然大于1.2 ℃；ECCO4中LCDW在进入菲律宾海之后的输运过程中并没有明显降低，向南延伸并占据了南PB底部；OFES中LCDW未到达SHB北部的位置，且没有到达北PB；Mercator中LCDW上界的深度均位于4 000 m以上，占据了整个菲律宾海深层，和断面观测差距较大。
断面分布对比结果显示，气候态数据、HYCOM和EN4与断面观测结果较为吻合，但是EN4分辨率较低，无法准确反应深层存在的中尺度结构(如四国暖涡[30])，所以气候态数据和HYCOM数据较适于用来分析菲律宾海深层水团的分布特征。
2.2 深层水团水平分布在深层，NPDW会从IOR上的豁口进入到菲律宾海[4]，SHB位于NPDW的入口处，所以深层水的厚度要大于其他两个海盆。在图 3(h)GDEM和图 3(i)WOA数据中可以看到, 混合水团的上界呈现北高南低的分布，在SHB存在高值中心，即四国暖涡。在北部海域可以清楚的看到深层水从24°N—30°N之间入侵到菲律宾海，使得2.0 ℃等位温线在137°E断面上向上弯曲(见图 2)。对于其他的数据集，ECCO2呈现北高南低的分布特征，混合水团上界在整个菲律宾海深度偏高；ECCO4分辨率过低，不能刻画出四国暖涡的存在；而OFES的模拟结果除了偏低之外，在四国海盆出现了一个气旋与反气旋并存的偶极子现象，与气候态资料差异较大；HYCOM、Mercator和SODA数据中混合水团上界分布与气候态数据整体较为一致，其中HYCOM数据中混合水团的上界略深于其他数据。
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图 3 混合水团上界深度分布图 Fig. 3 Distribution of mixed deep water interface |
在底层，LCDW在通过YMJ进入菲律宾海之后，向北流动，依次覆盖了PVB、SHB和北PB [4]。温盐点聚图(见图 4)显示，与水团的输运路径相对应，位于LCDW入口处的PVB的位温是最低的，其次为SHB，最高的则为PB。
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( 绿色点表示PB内部的数据，橘红色点表示SHB内部的数据，蓝色点表示PVB内部的数据。背景中灰色部分表示WOA数据的范围，黑色虚线表示混合水团(MDW)的温盐范围(盐度[34.614]，位温θ0[2.0 ℃])，紫红色表示LCDW的温盐范围(盐度[34.683]，位温θ0[1.2 ℃])。The green dots represent the data inside PB; The orange dots represent the data inside SHB; The blue dots represent the data inside PVB; The gray part in the background represents the WOA data. The black dotted line indicates the thermohaline range of the mixed deep water (salinity [34.614], potential temperature θ0 [2.0 ℃]); The amaranth dotted line indicates the thermohaline range of the LCDW (salinity [34.683]. potential temperature θ0 [1.2 ℃]). ) 图 4 菲律宾海温盐点聚图 Fig. 4 Scatter plots of θ-S in the Philippine Sea |
与气候态数据相比(见图 5)，ECCO2数据中LCDW并未进入到菲律宾海；ECCO4和Mercator的结果与之相反，诊断得到的LCDW太多，几乎充满了整个菲律宾海深层；OFES模拟结果中的LCDW覆盖了PVB的南部，与气候态数据相差较大；HYCOM数据中LCDW上界的分布与气候态数据基本一致，但在北PB的深度要略大于气候态数据；SODA数据中LCDW上界的分布与气候态数据较为吻合，但是分辨率过低，在一些区域不能准确刻画LCDW的分布特征；EN4数据中LCDW上界的分布与气候态数据基本一致。
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( 背景中的灰色填充为水深浅于3 500 m的区域，紫红色线为5 000 m等深线，是CBF。The gray filling in the background is the area with water depth of less than 3 500 m, and the purple line is the isobath of 5 000 m, which is the area of the CBF. ) 图 5 LCDW上界偏差颜色填充图 Fig. 5 Distribution of LCDW interface |
综上，上述多数据集中，气候态数据可以相对较为准确的刻画菲律宾海深层水团的气候态空间分布特征，与其他数据集相比HYCOM和EN4与断面观测和气候态较为接近，但是EN4对于中尺度的刻画略有不足。其他数据集对菲律宾海深层水团，尤其是LCDW的刻画与断面观测和气候态数据差异明显，有待进一步完善。
3 深层环流根据菲律宾海深层水团性质，本文同样将菲律宾海深层环流分为两层来进行研究，一层为混合水团占主，从2 000~4 000 m的深层；一层为LCDW占主，从4 000 m到底的底层。LCDW通过YMJ进入菲律宾海之后，会在菲律宾海内部上升，与NPDW和UCDW混合，其中一部分混合水团会通过LT向西进入南海，目前对于YMJ和LT深层溢流的通量已经有了较多的观测研究，所以本文计算了各数据集在这两处的流量，并对比分析选择合适的数据，其中ECCO2在YMJ处的流量为2.02 Sv，接近观测值2.0 Sv[18]，而其他数据的流量均小于观测值(见表 2)；ECCO2在LT处的流量为0.91 Sv，接近于观测值0.88 Sv[31]，其他数据中除了OFES的流量小于观测值之外，其余数据的流量均远大于观测值。故本文接下来选择ECCO2来进行菲律宾海深层环流的研究分析，考虑到温盐与环流的动力一致性，同时也将对深层水团分布与观测结果较为吻合的HYCOM数据进行对比分析。
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表 2 菲律宾海深层水团诊断分析结果 Table 2 Diagnostic results of the Philippine Sea deep water-mass |
在深层，在菲律宾海与太平洋内区之间有两个主要的深水通道，一个为北部的IOR上的豁口，另一个为南部的YMJ处[4, 16]，深层水会通过这两个通道流入菲律宾海。在菲律宾海南部，深层水会沿着马里亚纳海沟(Mariana Trench, MT)从东马里亚纳海盆进入菲律宾海。深层水主要通过YMJ处进入到PVB，然后会继续向西运动，在12°N附近跨过KPR继续向西运动[32]。HYCOM结果中也同样显示在12°N附近存在跨越海脊的西向流动，但是在ECCO2中存在一支向东跨越海脊的流动(见图 6)。通过ECCO2在135°E的断面流速分布图发现，12°N附近的东向流从2 000 m延伸至海底，该流动是否存在还需要进一步的观测来验证。在该层内，深层水还会在20°N附近跨过KPR进入PB[4, 10, 32]，这两支流动在到达西边界之后均会产生南向西边界流动，这跟前人的观测结果一致[13-15]。但对比两组数据，其中不同的是深层水在到达20°N附近的西边界时，ECCO2中显示深层水大部分会沿地形向南运动，而HYCOM中却显示深层水到达西边界之后会分为两部分：一部分向北运动，一部分向南运动。但是根据Zhai和Gu[5]对菲律宾海沟处的分析，在海沟处会产生一个封闭的行星地转等值线区域，海沟内的上升流会通过拉伸涡度，从而在海沟周围形成显著的气旋式结构[34-36]，在琉球海沟处同理，在西边界应以南向深层流为主，因此ECCO2数据中的深层南向西边界流更为合理。
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( 黄色线表示4 000 m等深线。(a)为ECCO2数据，为了图像更加清晰，每2个数据点绘制1个流速矢量。F1~F5点分别表示Nagnao等[12]在SHB的观测点、Chaen等[13]在SHB与PB交接处的观测点、琉球海沟的观测点、Zhou等[14]在巴士海峡入口处的观测点、Wang等[15]在PB边界的观测点。(b)为HYCOM数据，为了图像更加清晰，每6个数据点绘制1个流速矢量。The yellow line represents the 3 500 m isobath. (a): ECCO2. for making the study convenient, draw a velocity vector for every two points. Points F1~F5 in the figure respectively represent the observation of Nagnao et al. (2018) in JMA, the observation of Chaen et al. (1993) at the junction of JMA and PB, the observation of Ryukyu Trench, the observation of Zhou et al. (2018) at the entrance of LT, the observation of Wang et al. (2017) in PB. (b): HYCOM. for making the study more convenient, draw a velocity vector for every six points. ) 图 6 2 000 m积分到4 000 m流量密度矢量图 Fig. 6 Vector diagram flow density which integrated from 2 000 to 4 000 m |
在菲律宾海北部，会有深层水通过IOR上的豁口进入到菲律宾海[4, 16]，深层水在进入SHB之后，会在海盆内部形成反气旋结构的四国暖涡[30] (见图 6)，从流速的断面分布图中可以看到反气旋环流可以从2 000 m延伸到底(见图 7)。此外，在图 7中，33°N附近的北边界存在一支西向深层流，这与Nagano等[12]的观测较为一致。这里的深层水会通过KPR上的豁口进入到PB，深层水会沿琉球海沟形成南向西边界流，但是存在很强的季节变异[13]，到达吕宋海峡附近的深层水还会跨过吕宋海峡进入南海[15, 17, 30]。
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图 7 ECCO2中135°E断面纬向流速分布图 Fig. 7 Distribution of zonal velocity cross 135°E in ECCO2 |
在底层，仅有YMJ这一个主要的深水通道将菲律宾海与外界连接。深层水在通过YMJ进入到PVB后同样会跨过KPR进入到PB，但在HYCOM的结果中并不明显。ECCO2中有一支深层流会通过12°N上的豁口向西进入PB，这与Uehara和Taira[32]的观测结果一致。还有一支会在20°N附近穿过KPR，这两支深层流在穿过KPR之后，会形成气旋式环流，但受到中央海盆断裂带(Central basin fault, CBF)的阻隔作用，分别在PB的南部和北部形成气旋式的环流，这两支气旋式环流均在西边界形成了南向边界流，与Chaen等[13]在琉球海沟处的观测、Wang等[15]在棉兰老岛东侧的观测结果一致(见图 8(a))。在ECCO2中，底层SHB内同样存在四国暖涡，说明四国暖涡能够一直延伸到海底。
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( 绿色线表示5 000 m等深线，黄色线表示4 000 m等深线。(a)为ECCO2数据，为了图像更加清晰，每2个数据点绘制1个流速矢量。(b)为HYCOM数据，为了图像更加清晰，每6个数据点绘制1个流速矢量。The green line represents the 5 000 m isobath. The yellow line represents the 4 000 m isobath. (a): ECCO2. for making the study more convenient, draw a velocity vector for every two points. (b): HYCOM. for making the study more convenient, draw a velocity vector for every six points. ) 图 8 从4 000 m积分到底流量密度矢量图 Fig. 8 Vector diagram flow density which integrated from 3 500 m to bottom |
在前文所提的其他数据集中，ECCO4、OFES和Mercator显示，在底层存在一支沿琉球海沟向北的西边界流；在OFES中，四国暖涡的位置上出现了气旋式环流，模拟结果与前人研究相差较大[30, 37-38]；此外在Mercator数据中，在深层，YMJ处为东向流动，这与观测相差较大。
3.1.1 西边界流西边界流一直以来都是大洋环流研究的重点。前人观测显示，菲律宾海深层存在从北向南的西边界流，且存在强季节变异[12-15]。根据前人观测研究，本文从ECCO2中由北到南取F1~F5 5个点(见图 6(a))对其进行研究。由于数据网格点不能完全与观测位置匹配，所以本文将使用离观测最近的4个数据点进行插值，得到观测点的流速数据。结果显示，F1~F5 5个点处2 000 m以深的流速数据随深度变化较小，所以仅选择3 000 m这一层的数据进行研究分析。在图 9中，ECCO2数据显示，在SHB的北部边界(F1)平均为北向流动，但根据Nagano等[12]的观测，此处应为南向西边界流，ECCO2结果与观测并不吻合。通过图 6(a)可以看到，F1的位置在ECCO2数据中处于四国暖涡西北边缘的东北向流与北侧边界的西南向流交界的位置，所以ECCO2中西南边界流的流幅宽度或流轴位置与观测稍有差异便会导致ECCO2中F1位置的深层流向与观测出现差异。ECCO2中西北侧边界存在较弱的西南向西边界流动，最大流速约为-0.04 m/s，但流轴位置相比观测更靠近西北边界，流幅也更窄。在ECCO2数据中，在SHB与PB的交界处(F2)，这里地形复杂，并不存在有稳定流向的西边界流动，与前人观测结果一致[13]；在菲律宾海海盆西北部的琉球海沟处，ECCO2数据显示存在随季节变化的西南向深层西边界流，流动在冬春季时较强，流速可达到0.1 m/s，与前人观测结果一致[13]；在LT处的南向西边界流同样存在强季节变化，夏秋季为南向流动(-0.024 m/s)，冬春季为北向流动(0.017 m/s)[14]，ECCO2中流速的季节变化与该观测结果略有不同，ECCO2中的北向流动都较弱，且存在的时间较短；在棉兰老岛东侧，Wang等[15]观测到了冬季南向、秋季北向的深层西边界流，ECCO2中的西边界流显示，在冬春为南向西边界流，夏秋季转为北向，与观测结果吻合较好。
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( 背景中蓝色和红色填充区分别表示冬春季和夏秋季。正值表示沿地形向北。(a)~(e)为图 6(a)中F1~F5点。The blue and red filled areas in the background represent winter and spring in summer and autumn. The positive value indicates northward along the isobath. (a)~(e) are points F1~F5 in Fig. 6(a). ) 图 9 ECCO2数据中3 000 m深沿地形流速时间序列 Fig. 9 Time series of 3 000 m depth velocity along topography in ECCO2 |
上述结果显示，菲律宾海深层西边界流存在较强的季节变异，但平均而言方向为沿地形指向南侧。在菲律宾海北部的SHB内，受四国暖涡的影响，深层西边界西南向的流较弱，在向南进入PB之后，沿地形向南的西边界流增强，并一直延伸到菲律宾海南端。但是相关结果还有待进一步的观测验证。
3.1.2 四国海盆反气旋在ECCO2数据的135°E的断面流速分布图(见图 7)显示，在SHB内部长年存在一个从2 000 m延伸到海底的反气旋涡，因其中心为高温也被称为四国暖涡[30]，其在上述的气候态数据和ECCO2等数据集中均有体现。许东峰[37]和周慧[38]分别通过模式计算和Argo浮标验证了该暖涡的存在，Zhai和Gu[5]在SODA数据中也同样观察到了反气旋涡。虽然高温中心的位置与反气旋涡的位置相对应，但是在各数据中高温中心的位置各不相同，同时反气旋涡的位置与强弱也各不相同，原因可能有：上层的强迫不同，导致上层黑潮大弯曲的强度和位置不同，进而影响深层；分辨率不同导致地形不同，IOR对上层和下层环流的阻隔作用不同。
3.2 深层水团输运从图 10中可以看到主要通道的流量都有较强的季节变化。在深层，YMJ处表现出了冬春强，夏秋弱的季节变化，但是IOR和KPR处却表现出了夏秋强冬春弱的季节变化；LT处则与观测一致，是从秋季开始加强的秋冬强、春夏弱的变化。在底层，YMJ与上层一致呈现出冬春强、夏秋弱的季节变化，这与观测结果一致；但KPR处与之不同，是秋冬强春夏弱的季节变化。
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( 黑色线表示春秋季节的流量，红色线和黄色圆点表示夏季流量，蓝色线和绿色圆点表示冬季流量，灰色线表示年平均流量。(a)YMJ处从2 000 m积分到3 500m流量；(b)KPR(18°N—20°N)处从2 000 m积分到3 500 m流量；(c)IOR(北部豁口)从2 000 m积分到3 500 m流量；(d)LT流量；(e)YMJ处3 500 m到底流量；(f)KPR(18°N—20°N)从3 500 m积分到底流量。(b)~(d)和(f)中的正值表示西向输运，(a)和(e)中的正值表示北向输运。The black line shows the flow in spring and autumn; The red line and yellow dots show the summer flow; The blue line and green dots show the winter flow; The gray line shows the average annual flow. (a) YMJ 2 000~3 500 m flow; (b) KPR (18°N—20°N) 2 000~3 500 m flow; (c) IOR (North Gap) 2 000~3 500 m flow; (d) LT flow; (e) YMJ 3 500 m bottom flow; (f) KPR (18°N—20°N) 3 500 m bottom flow. Positive values in (b)~(d) and (f) indicate westward transport. Positive values in (a) and (e) indicate northward transport. ) 图 10 ECCO2数据中主要深水通道流量时间序列 Fig. 10 Flow time series in the main deep channel of ECCO2 data |
前人指出, LCDW的入侵与YMJ两侧位密的季节变化存在一定的联系[8]。ECCO2数据显示，在上半年(11—4月)时，YT与菲律宾海的位密差要强于下半年(5—10月)(见图 11(c)~(d))，较强的位密差能够产生更强的压强梯度力，会有更多的深层水通过此处入侵到菲律宾海深层；而MT与菲律宾海的位密差与之相反，上半年的位密差要小于下半年，说明下半年有更多的深层水从此处入侵到菲律宾海；此外我们发现YMJ北侧深层的等位密线几乎不随时间变化，外侧的等位密线则有很强的季节性变化。导致LT处深层溢流通量季节变化的原因是，冬季强混合导致处于下游的南海一侧位密减小，上游的菲律宾海一侧位密不变(见图 10(e)、10(f))，从而使得密度差增大，进而使得流量增加。KPR处和IOR处的位密没有明显的季节变化特征，其时间变异机理有待研究。
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( (a)1月ECCO2数据中YMJ东侧和北侧位势密度σ2颜色填充图，紫色等值线36.82表示NPDW的上界、37.02表示LCDW的上界，横坐标的位置在为图 1中绿色标志；(b)7月ECCO2数据；(c)1月ECCO2数据中YMJ南侧和北侧位势密度σ2颜色填充图，紫色等值线36.82表示NPDW的上界、37.02表示LCDW的上界，横坐标的位置在为图 1中绿色标志；(d)7月ECCO2数据；(e)1月ECCO2数据中LT(20°N)两侧位势密度σ2颜色填充图，紫色等值线36.82表示NPDW的上界；(f)7月ECCO2数据。(a) ECCO2 January: Distribution map of potential density σ2 on the east and north side of YMJ. The purple contour line 36.82 represents the interface of NPDW, and 37.02 represents the interface of LCDW. The position of the abscissa is the green mark in Fig. 1; (b) ECCO2 July; (c) ECCO2 January: Distribution map of potential density σ2 on the south and north side of YMJ. The purple contour line 36.82 represents the interface of NPDW, and 37.02 represents the interface of LCDW. The position of the abscissa is the green mark in Fig. 1; (d) ECCO2 July; (e) ECCO2 January: Distribution map of potential density σ2 on section which cross LT (20°N); (f) ECCO2 July. ) 图 11 位势密度σ2颜色填充图 Fig. 11 Distribution of potential density σ2 |
本文通过对气候态数据、再分析数据和模式资料进行对比分析，结合前人相关研究结果，对菲律宾海深层和底层的水团分布和环流进行了综合分析，重构了LCDW穿过YMJ进入PVB和SHB进而穿过KPR进入北PB的过程，并且探讨了四国海盆常年存在的反气旋涡和沿菲律宾海盆的深层西边界流。
对比分析显示除了气候态资料(GDEM和WOA)可以较好的分析出菲律宾海深层水团的结构之外，HYCOM也能够较为准确的反映出深层水团的分布特征。其他数据集对菲律宾海深层水团，尤其是LCDW的刻画与断面观测和气候态数据差异明显，有待进一步完善。
在环流方面，总体而言ECCO2与前人观测研究吻合较好，能够较好刻画出菲律宾海深层环流的整体结构，但在部分区域，例如在KPR的12°N附近，与前人观测存在差异。其他再分析数据集和模式资料对菲律宾海深层环流，尤其是YMJ与LT深层溢流的刻画与前人观测研究存在差异，需要进一步完善。
结合前人研究和JMA断面观测与WOCE计划断面观测等，本文通过对比分析评价了ECCO2、ECCO4、OFES、HYCOM、Mercator、SODA、EN4、GDEM和WOA等多数据集在菲律宾海深层水团和环流研究的适用性, 对未来基于上述数据开展菲律宾海及周边海域深层环流研究以及优化对其数值模拟具有一定的参考意义。
| [1] |
Sgubin G, Swingedouw D, Drijfhout S, et al. Abrupt cooling over the North Atlantic in modern climate models[J]. Nature Communications, 2017, 8(1): 1-12. DOI:10.1038/s41467-016-0009-6 (  0) |
| [2] |
Kawabe M, Fujio S. Pacific Ocean circulation based on observation[J]. Journal of Oceanography, 2010, 66(3): 389-403. DOI:10.1007/s10872-010-0034-8 ( 0) |
| [3] |
Siedler G, Holfort J, Zenk W, et al. Deep-water flow in the Mariana and Caroline Basins[J]. Journal of Physical Oceanography, 2004, 34(3): 566-581. DOI:10.1175/2511.1 ( 0) |
| [4] |
Tian Z, Zhou C, Xiao X, et al. Water-mass properties and circulation in the deep and abyssal Philippine Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2021, 126(6): e2020JC016994. ( 0) |
| [5] |
Zhai F, Gu Y. Abyssal circulation in the Philippine Sea[J]. Journal of Ocean University of China, 2020, 19(2): 249-262. DOI:10.1007/s11802-020-4241-7 ( 0) |
| [6] |
Johnson G C, Rudnick D L, Taft B A. Bottom water variability in the Samoa Passage[J]. Journal of Marine Research, 1994, 52(2): 177-196. DOI:10.1357/0022240943077118 ( 0) |
| [7] |
Johnson G C, Toole J M. Flow of deep and bottom waters in the Pacific at 10°N[J]. Deep Sea Research Part Ⅰ: Oceanographic Research Papers, 1993, 40(2): 371-394. DOI:10.1016/0967-0637(93)90009-R ( 0) |
| [8] |
Wang J, Wang F, Lu Y, et al. Pathways, volume transport and seasonal variability of the lower deep limb of the pacific meridional overturning circulation at the Yap-Mariana Junction[J]. Frontiers in Marine Science, 2021, 8: 672199. DOI:10.3389/fmars.2021.672199 ( 0) |
| [9] |
Kawabe M, Fujio S, Yanagimoto D. Deep-water circulation at low latitudes in the western North Pacific[J]. Deep Sea Research Part Ⅰ: Oceanographic Research Papers, 2003, 50(5): 631-656. DOI:10.1016/S0967-0637(03)00040-2 ( 0) |
| [10] |
Kaneko I, Takatsuki Y, Kamiya H, et al. Water property and current distributions along the WHP-P9 section (137°N—142°N) in the western North Pacific[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1998, 103(C6): 12959-12984. DOI:10.1029/97JC03761 ( 0) |
| [11] |
Kaneko I, Takatsuki Y, Kamiya H. Circulation of intermediate and deep waters in the Philippine Sea[J]. Journal of Oceanography, 2001, 57(4): 397-420. DOI:10.1023/A:1021565031846 ( 0) |
| [12] |
Nagano A, Hasegawa T, Matsumoto H, et al. Bottom pressure change associated with the 2004—2005 large meander of the Kuroshio south of Japan[J]. Ocean Dynamics, 2018, 68(7): 847-865. DOI:10.1007/s10236-018-1169-1 ( 0) |
| [13] |
Chaen M, Fukasawa M, Maeda A, et al. Abyssal boundary current along the northwestern perimeter of the Philippine Basin[J]. Deep Ocean Circulation: Physical and Chemical Aspects, 1993, 59: 51-67. ( 0) |
| [14] |
Zhou C, Zhao W, Tian J, et al. Observations of deep current at the western boundary of the northern Philippine Basin[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1): 1-10. ( 0) |
| [15] |
Wang F, Zhang L, Hu D, et al. The vertical structure and variability of the western boundary currents east of the Philippines: Case study from in situ observations from December 2010 to August 2014[J]. Journal of Oceanography, 2017, 73(6): 743-758. DOI:10.1007/s10872-017-0429-x ( 0) |
| [16] |
Wijffels S E, Hall M M, Joyce T, et al. Multiple deep gyres of the western North Pacific: A WOCE section along 149°E[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1998, 103(C6): 12985-13009. DOI:10.1029/98JC01016 ( 0) |
| [17] |
Zhao W, Zhou C, Tian J, et al. Deep water circulation in the Luzon Strait[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2014, 119(2): 790-804. DOI:10.1002/2013JC009587 ( 0) |
| [18] |
Zhou C, Xu H, Xiao X, et al. Intense abyssal flow through the Yap-Mariana Junction in the Western North Pacific[J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49(3): e2021GL096530. ( 0) |
| [19] |
Kubota M, Ono K. Abyssal circulation model of the Philippine Sea[J]. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1992, 39(9): 1439-1452. DOI:10.1016/0198-0149(92)90041-Q ( 0) |
| [20] |
Ishizaki H. A simulation of the abyssal circulation in the North Pacific Ocean. Part Ⅱ: Theoretical rationale[J]. Journal of Physical Oceanography, 1994, 24(9): 1941-1954. DOI:10.1175/1520-0485(1994)024<1941:ASOTAC>2.0.CO;2 ( 0) |
| [21] |
马强, 汪嘉宁, 王凡. 六套海洋模式模拟热带西太平洋深层环流结果的对比分析[J]. 海洋与湖沼, 2017, 48(6): 1302-1317. Ma Q, Wang J N, Wang F. Deep-layer circulation in tropical western pacific ocean based on six ocean models outputs[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2017, 48(6): 1302-1317. ( 0) |
| [22] |
Menemenlis D, Hill C, Adcrocft A, et al. NASA supercomputer improves prospects for ocean climate research[J]. Eos Transactions American Geophysical Union, 2005, 86(9): 89-96. ( 0) |
| [23] |
Forget G, Campin J M, Heimbach P, et al. ECCO version 4: An integrated framework for non-linear inverse modeling and global ocean state estimation[J]. Geoscientific Model Development, 2015, 8(10): 3071-3104. DOI:10.5194/gmd-8-3071-2015 ( 0) |
| [24] |
Masumoto Y, Sasaki H, Kagimoto T, et al. A fifty-year eddy-resolving simulation of the world ocean: Preliminary outcomes of OFES (OGCM for the Earth Simulator)[J]. Journal of Earth Simulator, 2004, 1: 35-56. ( 0) |
| [25] |
Bleck R. An oceanic general circulation model framed in hybrid isopycnic-Cartesian coordinates[J]. Ocean Modelling, 2002, 4(1): 55-88. DOI:10.1016/S1463-5003(01)00012-9 ( 0) |
| [26] |
Compo G P, Whitaker J S, Sardeshmukh P D, et al. The twentieth century reanalysis project[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2011, 137(654): 1-28. DOI:10.1002/qj.776 ( 0) |
| [27] |
Good S A, Martin M J, Rayner N A. EN4: Quality controlled ocean temperature and salinity profiles and monthly objective analyses with uncertainty estimates[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2013, 118(12): 6704-6716. DOI:10.1002/2013JC009067 ( 0) |
| [28] |
Carnes M R. Description and Evaluation of GDEM-V 3.0[R]. [s. l. ]: Naval Research Laboratory Stennis Space Center MS Oceanography Division, 2009.
( 0) |
| [29] |
Boyer T, Levitus S, Garcia H, et al. Objective analyses of annual, seasonal, and monthly temperature and salinity for the World Ocean on a 0.25 grid[J]. International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 2005, 25(7): 931-945. ( 0) |
| [30] |
Nishiyama K. Warm water regions off Shikopku associated with the Kuroshio meander[J]. Meteorology and Geophysics, 1980, 31: 43-52. DOI:10.2467/mripapers.31.43 ( 0) |
| [31] |
Ye R, Zhou C, Zhao W, et al. Variability in the deep overflow through the Heng-Chun Ridge of the Luzon Strait[J]. Journal of Physical Oceanography, 2019, 49(3): 811-825. DOI:10.1175/JPO-D-18-0113.1 ( 0) |
| [32] |
Uehara K, Taira K. Deep hydrographic structure along 12°N and 13°N in the Philippine Sea[J]. Journal of the Oceanographical Society of Japan, 1990, 46(4): 167-176. DOI:10.1007/BF02125577 ( 0) |
| [33] |
Yang J, Price J F. Water-mass formation and potential vorticity balance in an abyssal ocean circulation[J]. Journal of Marine Research, 2000, 58(5): 789-808. DOI:10.1357/002224000321358918 ( 0) |
| [34] |
Johnson G C. Deep water properties, velocities, and dynamics over ocean trenches[J]. Journal of Marine Research, 1998, 56(2): 329-347. DOI:10.1357/002224098321822339 ( 0) |
| [35] |
Kawase M. Effects of a concave bottom geometry on the upwelling-driven circulation in an abyssal ocean basin[J]. Journal of Physical Oceanography, 1993, 23(2): 400-405. DOI:10.1175/1520-0485(1993)023<0400:EOACBG>2.0.CO;2 ( 0) |
| [36] |
Kawase M, Straub D. Spinup of source-driven circulation in an abyssal basin in the presence of bottom topography[J]. Journal of Physical Oceanography, 1991, 21(10): 1501-1514. DOI:10.1175/1520-0485(1991)021<1501:SOSDCI>2.0.CO;2 ( 0) |
| [37] |
许东峰. 西北太平洋环流及其对我国近海环流的影响[D]. 青岛: 中国科学院海洋研究所, 2000. Xu D F. Northwest Pacific Circulation and Its Influence on China's Offshore Circulation[D]. Qingdao: Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences, 2000. ( 0) |
| [38] |
周慧. 北太平洋西边界流系的某些特征及变化规律研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2006. Zhou H. A Study of Some Characteristics and Variability of the North Pacific Western Boundary Current System[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2006. ( 0) |
2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China;
3. Sanya Oceanographic Institution, Ocean University of China, Sanya 572025, China