海平面下降对日本海表层环流的影响_杜凯伦.pdf

第4 5卷 第1期2 0 2 3年 2月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n so fO c e a n o l o g ya n dL i m n o l o g yV o l.4 5 1F e b.,2 0 2 3海平面下降对日本海表层环流的影响杜凯伦1,郭新宇1,2,3*,杨海燕2,郑军勇4,毛新燕4(1.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室,山东 青岛2 6 6 1 0 0;2.日本爱媛大学 沿岸环境科学研究中心,日本 松山7 9 0 8 5 7 7;3.日本海洋研究开发机构,日本 神奈川2 3 7 0 0 6 1;4.中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛2 6 6 1 0 0)摘 要:本文基于P OM海洋模式,通过改变地形条件进行了不同海平面下的数值实验,探讨了日本海表层环流场对海平面变化的响应。研究表明:随着海平面的下降,日本海南部的对马暖流及其分支逐渐减弱,海平面降低至-9 0m和-1 0 0m时,对马暖流的东朝鲜暖流分支和日本近岸分支几乎消失;而日本海北部的寒流强度基本保持不变,仅寒流主轴位置逐渐向北移动。且海平面的下降使对马海峡流量逐渐减小,进而导致对马暖流的强度逐渐减弱,影响范围也不断缩小。研究结果对过去古海洋海平面变化过程中日本海表层环流的改变问题具有一定的参考和依据。关键词:数值模拟;海平面;日本海;对马暖流中图分类号:P 7 3 1.2 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 1-0 3 0-0 8D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 1.0 0 5引 言海平面是指大洋及与大洋相通的海、湖、河流等构成的液态水体与大气圈的交界面1。由于冰川的形成与融化、板块构造运动、海水密度变化、气候变化、潮汐作用、局部构造运动等原因2,海平面会发生变化,如末次盛冰期(L GM,L a s tG l a c i a lM a x i m u m)期间(距今约2万年前),受冰川影响该时期的海平面相对现代海平面下降了1 3 0m左右3-4。图1 日本海地形(a)和表层环流结构(b)(根据文献6修改)(b)蓝色表示寒流,红色表示暖流F i g.1 T o p o g r a p h y(a)a n ds u r f a c ec u r r e n t s t r u c t u r e s(b)o f t h eJ a p a nS e a(r e v i s e df r o mr e f e r e n c e6)(b)b l u e l i n e si n d i c a t ec o l dc u r r e n t,a n dr e do n e s i n d i c a t ew a r mc u r r e n t日本海是西北太平洋的一个半封闭边缘海,总面积为1.0 11 06k m2,平均水深为16 4 8m,最深处可达37 0 0m5。日本海主要被三个海盆占据,其北面是水深超过30 0 0m的日本海盆,其面积达到了日本海总面积的一半,该海盆内海底的地势比较平缓;而西南部的郁陵海盆和东南部的大和海盆以海底隆起和海槽等地形结构相连系,海底地形也相对复杂(图1(a)。日本海通过四个海峡,即对马海峡、津轻海峡、宗谷海峡以及鞑靼海峡分别与东海、北太平洋以及鄂霍次克海相连。四个海峡中,对马海峡和津轻海峡均浅于1 3 0m,宗谷海峡和鞑靼海峡分别浅于5 5m和1 5m7。由于这些浅海海峡的存在,在现代,日本海2 0 0 m以下的 基金项目:国家自然科学基金项目(4 5 7 6 0 1 0)“东海陆架与黑潮之间的双向物质输运及其对日本海和西北太平洋的影响”专项 第一作者简介:杜凯伦(1 9 9 4),女,河南洛阳人,硕士研究生,研究方向为海洋与大气环境动力学。E-m a i l:d k l 1 4 3 91 6 3.c o m*通信作者:郭新宇(1 9 6 8),男,教授,研究方向为海洋动力学。E-m a i l:g u o x i n y u s c i.e h i m e-u.a c.j p 收稿日期:2 0 2 0-0 7-0 31期海平面下降对日本海表层环流的影响3 1 海水与邻近海域几乎完全隔绝。而在L GM期间,不仅2 0 0m以下,日本海的表层水体也和临近海域处于隔绝状态。日本海的表层环流主要由一对北上的暖流和南下的寒流构成,呈现气旋式的环流结构(图1(b)。其中北上的暖流主要指对马暖流流系,其携带着高温高盐水经对马海峡进入日本海,一部分沿日本海东岸向北流动,分别经津轻海峡、宗谷海峡和鞑靼海峡流入北太平洋及鄂霍茨克海,另一部分沿日本海西海岸向北流动形成东朝鲜暖流;而南下的寒流主要指日本海北部高纬度地区经鞑靼海峡流入的低温高盐的水,其中一部分沿俄罗斯海岸向西南输运形成利曼寒流,并流入日本海中部8。另一部分沿着朝鲜半岛海岸继续向西南流动,形成北朝鲜寒流。在4 0 N附近,北朝鲜寒流和对马暖流分支相遇,混合后形成亚极地锋。从L GM期间到60 0 0年前,海平面从-1 3 0m渐渐地变成现代的海平面高度3-4。在这个海平面变化的过程中,日本海的表层环流如何改变是我们十分关注的问题,特别是对马暖流流系和利曼寒流是否呈现不同的响应特征?其各自的流向和强弱如何变化?这些答案对理解现代海洋中环流的长期变化有重要意义。因此,基于一个以太平洋为模拟对象的三维水动力模式,本文通过改变地形条件实现修改海平面的目的,利用不同海平面下的数值实验,探讨日本海表层环流场对海平面变化的响应。1 模式配置和数值实验本文使用的三维水动力模式是基于P OM(P r i n c e t o nO c e a n M o d e l)构置的北太平洋海洋循环模型9,模型的计算范围为3 0 S6 2 N,1 0 0 E7 0 W,覆盖整个日本海海域(3 2 N5 3 N,1 2 8 E1 4 2 E)。模式水平方向采用正交网格,分辨率为1/4 1/4;垂直方向采用坐标,分为2 1层。模式的底地形数据来自N C E P(N a t i o n a lC e n t e r s f o rE n v i r o n m e n t a lP r e d i c t i o n)再分析资料1 0。模式的初始温盐场采用WOA 2 0 1 8(W o r l dO c e a nA t l a s2 0 1 8)数据的年平均水温和盐度,驱动模式的强迫条件(海气热通量和风应力)来自N C E P连续多年(1 9 9 22 0 1 7年)逐6h再分析资料得到的气候态月平均数据。基于以上配置,模型模拟了包括日本海在内的太平洋环流场的季节变化。模式的输出变量包括海平面高度、流速东西、南北方向的分量、水温及盐度等,输出间隔为1d,模式计算时间为4 0a,在后1 0a基本达到稳定状态,因而本文数据分析主要基于后1 0a模拟结果的气候态月平均数据。图2 日本海(a)冬季和(b)夏季表层环流场的模拟结果F i g.2 S i m u l a t i o nr e s u l t so f t h es u r f a c ec i r c u l a t i o n i nt h eJ a p a nS e a(a)i nw i n t e ra n d(b)i ns u mm e r图2为现代海平面条件下(0m实验)得到的冬季(2月)和夏季(8月)日本海的表层环流场,对比图1(b)可知,模拟结果与日本海的环流特征相符合,如日本海盆的气旋式环流。T a k i k a w a1 1等通过多普勒海流剖面仪(A D C P,A c o u s t i cD o p p l e rC u r r e n tP r o f i-l e r)估算得出对马暖流经对马海峡进入日本海,海峡东侧平均流速为0.2 6m/s,而西侧为0.5 1m/s,东朝鲜暖流平均流速为0.1 7m/s(冬季)到0.5 0m/s(夏季)1 2,而模型模拟的环流强度基本与此相符合。此外,对马海峡流量的计算结果与前人的研究结果也相对一致,将在下文结果部分列出。因此,该模式能够重现现代的日本海表层环流特性。基于此,本文设计了一系列数值实验来讨论海平面升降对日本海表层环流的影响:以现在海洋的海平面为基准(0m),海平面每降低1 0m进行一次计算,分别为0m、-1 0m、-2 0m、-3 0m、-4 0m、-5 0m、-6 0m、-7 0m、-8 0m、-9 0m、-1 0 0m,共1 1个数值实验。海平面的降低是通过调节各个网格点的水深进行的。在此过程中,除了总水深发生变化以外,一部分网格也由水点变成了陆点。这些实验除海平面高度不同外,初值和边界条件均相同,因此3 2 海 洋 湖 沼 通 报2023年能够反映出单由海平面变化对日本海环流带来的影响。2 结果和讨论2.1 年平均流场各个数值实验得到的日本海年平均表层流场分布如图3所示,比较发现,随着海平面的降低,日本海南部对马暖流的强度逐渐减弱,影响范围也不断缩小。在海平面自0m降低至-3 0m的实验中,对马暖流在海峡内流速保持在0.3 50.4m/s,其东朝鲜暖流分支和日本近岸分支主轴的流速保持在0.2 5m/s左右;在海平面自-4 0m降低至-8 0m的实验中,对马暖流在对马海峡内流速从0.3m/s降低至0.2 5m/s,同时东朝鲜暖流分支的强度也降低至0.1 50.2m/s;当海平面降低至-9 0m和-1 0 0m时,对马海峡内仅有极少部分区域海流流速在0.2m/s以上,而对马暖流的东朝鲜暖流分支和日本近岸分支几乎消失,对马暖流很难到达日本海东部。值得注意的是,随着海平面的降低,日本海南部的对马暖流及其分支逐渐减弱,但北部的寒流系统强度基本不变,仅寒流主轴位置逐渐向北移动。在海平面自0m降低至-1 0 0m的实验中,即使海平面降低了1 0 0m,日本海北部寒流主轴流速仍保持在0.2m/s,这是因为北部的环流主要是由该海域内正的风应力旋度(图4)驱动的1 4,而各个数值实验中所使用的风应力强迫并没有改变。在0m实验中,日本海北部的利曼寒流向北弯曲达到4 3,随着海平面的下降,利曼寒流的主轴逐渐北移,在-1 0 0m实验中向北弯曲达到4 4 N(图3)。图3 对应不同海平面下降后的日本海年平均表层流场,其中填充色代表流速大小,箭头代表流速方向F i g.3 T h ea n n u a lm e a ns u r f a c ec i r c u l a t i o n i nt h eJ a p a nS e ac o r r e s p o n d s t ot h ed i f f e r e n t s e a l e v e l l o w e r i n g.T h e f i l l i n gc o l o r i n d i c a t e s t h ev e l o c i t y,a n dt h ea r r o wi n d i c a t e s t h ed i r e c t i o n1期海平面下降对日本海表层环流的影响3 3 图4 日本海年平均风应力旋度F i g.4 T h ea n n u a lm e a nw i n ds t r e s sc u r l s i nt h eJ a p a nS e a2.2 季节变化图5为冬季(2月)和夏季(8月)各个数值实验中日本海表层环流场。在0m实验中,对马暖流主轴流速在夏季可达0.4m/s,冬季降低为0.2m/s,呈现出夏季增强而冬季减弱的特点,季节变化特征显著。随着海平面的降低,对马暖流的季节性差异逐渐减小,在-9 0m实验和-1 0 0m实验中,海流仅在对马海峡处有微小差异。而随着海平面的降低,利曼寒流的季节变化基本保持不变。海平面的下降改变了对马海峡的流量,进而影响了对马暖流的强度和影响范围。对马海峡的