基于Argo浮标的北太平洋中层环流时空特征研究❋ 张冬青, 周 春,2,3❋❋, 赵小龙, 邹 童(1. 中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心 物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100;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;4. 国家海洋局北海预报中心, 山东 青岛 266061)海洋环流是全球海洋物质和能量的输送带,对全球气候变化起重要调控作用基于卫星高度计、漂流浮标、船载断面观测和定点锚系观测等方式,我们对海洋上层环流有了较多的认知受地形的限制,深层环流可在海峡、海底通道、深层西边界等较小的范围进行有效观测然而对于海洋中层环流,受观测手段和数据的限制,当前认知极为匮乏中层环流作为连接上层和深层的纽带,对深层水的通风和与上层海洋的水团交换非常重要[1-2]本文重点围绕北太平洋的中层环流时空特征开展研究分析1980年代之前,在太平洋很少有中层环流的测量,主要的科学研究始于热带太平洋以及赤道沿线进行的海洋考察[3]通过整合断面观测结果,Kawabe和Fujio[4]用三层结构对太平洋环流进行了系统的诊断分析。
WOCE和GO-SHIP等观测计划的系列全水深断面(如日本气象厅沿137°E的多年连续断面观测),为研究西北太平洋中深层年际和更长的时间尺度上的变异提供了宝贵的资料[5]在东北太平洋盆地(Northeast Pacific basin,NEPB),Kawabe和Fujio[4]分析WOCE观测数据后初步刻画了中深层水体输运和翻转特征,之后Hautala[6]通过CTD和Argo浮标进一步给出了NEPB环流的三维结构在更高纬度的阿留申海盆,多个断面对阿拉斯加流和阿留申岛弧通道进行了观测,以研究北太平洋的水团与白令海的交换[7-9]然而,上述研究大多基于单次或多次的水文断面观测,忽略了海洋中广泛存在的季节内、季节和年际等各种时间尺度变异的影响,导致分析的结果存在较大的不确定性而中性漂流浮标作为一类拉格朗日方式观测海流的平台,如大量布放使用,可非常有效地开展中层环流的长期观测自持式拉格朗日环流探测器(ALACE)发明以来,拉格朗日测量广泛应用于海洋环流的描述性研究[10-11]Davis[12-13]绘制了早期的WOCE浮标漂流速度的地图,以检查热带太平洋和南太平洋中层流的平均结构基于Argo轨迹计算得到的全球深层流场数据集(如: YoMaHa′07, ANDRO等)逐步成为研究大洋深层流时空分布及相关机制的重要依据[13-16]。
这些从Argo漂流深度计算出的速度场,在研究阿拉斯加流的结构和输运[9],赤道深层射流宽度[17],赤道太平洋的变异模式[18],热带太平洋中层纬向流[19]等领域中发挥作用国际Argo计划自2000年实施起,尤其是2010年之后浮标数量快速增长,与现有的数据集相比(如ANDRO,使用2012年末之前的数据),Argo轨迹数量已在北太平洋的时空覆盖率显著提升,这为研究中层环流的时空变化提供了条件本文的目标是使用最新的Argo轨迹数据反演北太平洋中层(1 000 dbar)的水平流场,在更大的空间范围内描述其流场结构并分析其时间变率1 数据及方法1.1 数据本文使用的数据为2000年1月—2021年4月投放在北太平洋(100°E—80°W,0°—65°N)的3 458个漂流深度为1 000 dbar的Argo浮标轨迹资料这些数据由国际Argo计划和为其做出贡献的国家计划收集并免费提供(https://argo.ucsd.edu)这些浮标剖面观测平均周期约为10 d,在海面传输信号时间平均约为11.3 h,在水下的时间约为229.3 h,其中在漂流深度(1 000 dbar)停留207.0 h,上升和下潜所用的时间约为22.3 h。
因其近90%的时间均于漂流深度随流运动,是开展漂流深度海流拉格朗日观测的良好手段由于其分布的散点化和不均匀性,在分析之前需要对数据进行网格化处理在0.5°×0.5°的格点上,数据覆盖了除边缘陆架和东北太平洋海盆部分格点外的地区,获得中层海流数不少于10个的格点占了77%(见图1)图1 Argo浮标在北太平洋0.5°×0.5°网格内提取中层(1 000 dbar)流速记录个数的空间分布Fig.1 Distribution of the number of velocities derived from Argo floats at mid-depth North Pacific in 0.5 °×0.5° grid points由于速度切变的误差不能直接从浮标轨迹或剖面数据中估算出来,本文引入ECCO2(Estimation of the circulation and climate of the ocean)数据进行误差评估ECCO2模拟结果包括1/4(°)水平网格间距的准全球模拟和从近海表10 m到最大深度5 906 m,厚度不等的50个垂直分层该产品通过亚太数据研究中心(Asia-Pacific data research center)获取。
1.2 方法Argo浮标在漂流深度速度Vpd的简单计算是浮标在水下漂流的距离Δs除以时间Δt:(1)Argo浮标只在海面停留的数小时内位置是可追踪的,在第一次定位和最后一次定位之后,浮标均在海表漂流了一段未知的距离卫星定位时滞导致的表面漂流是主要的误差来源,所以从每一个浮标连续的海表面定位推断中层位移开始和结束的位置是一个重要的步骤本文采用Park等[14]提出的一种基于最小二乘法的方法来估计中层流速,此方法考虑大尺度的背景流和惯性流,将浮标的海表运动轨迹看作是线性运动和惯性运动的合成,拟合出海表轨迹曲线,外推出上浮位置和下潜位置,再根据外推出的位置计算中层流速海表轨迹可以表示为:(k=1,…,N)2)如图2所示,在对每一周期海表的卫星定位点进行拟合并外推后,推算出的中层流速与拟合前推算出的中层流速相比,在大小和方向上都有差别与按式(1)直接提取中层流速相比,经过订正的流速平均减小了0.23 cm·s-1,所以在本研究所使用的数据中表面漂流带来的时滞误差会使中层流速平均被高估19.9%在三维海洋中,漂流深度与海面之间流速的垂直切变是另一个主要的误差源浮标在切变影响下会漂移一定距离,使得中层流速被高估。
按照Park等[14]的方法,我们估算了与速度切变相关的误差,公式如下:图2 2900665号浮标海表面轨迹和第43周期拟合图像Fig.2 Fitting image of float 2900665 and its 43th cycle(3)图3 剪切误差在北太平洋的空间分布Fig.3 Distribution of the shear error in the North Pacific2 结果2.1 平均环流图4描述了1 000 dbar深度北太平洋中层环流的基本结构在高纬度地区(大于40°N),平均速度的空间分布表明亚北极锋以北有一大片区域是为均匀的东向流,这与表层的北太平洋洋流位置对应在NEPB的南部和西部,浮标数据较少,而在NEPB的东北部,缓慢的流速导致在该地区的浮标停留时间较长,较弱的局部气旋式环流是一个显著的特征(见图5),这与Coats[20]用水文断面计算的1 500 m以上环流的结果一致NEPB东北角的水团在145°W—130°W的东岸开始加速转向北,在科迪亚克岛增强成一条狭窄、强大的(大于15 cm·s-1)阿拉斯加流(Alaskan stream,AS)标准差显示其沿SW-NE变化较小,如果检查单独的Argo轨迹,也可以看到数个浮标进入了白令海,或在阿留申群岛搁浅。
大部分浮标的轨迹在AS中沿阿留申岛弧南坡向西南延伸,在180°以西,阿留申岛弧转向西北时,AS的一部分转向北流入白令海,其余部分继续向西与亲潮区相连,可一直追溯到北海道图4 1 000 dbar北太平洋平均环流叠加5°×5°流速矢量Fig.4 Mean circulation of the North Pacific at 1 000 dbar with velocities of 5°×5° grid points图5 东北太平洋平均环流叠加2°×2°流速矢量Fig.5 Mean circulation of the Northeast Pacific with velocities of 2°×2° grid points在中纬度(20°N—40°N),黑潮延伸体(Kuroshio extension,KE)区域浮标数据较多,该地区是较强的东向流和丰富的中尺度涡旋活动区(见图6),其涡动能在整个中层北太平洋呈峰值正如文献[22]所预期的那样,平均速度的空间分布显示射流的宽度在KE最宽,它的径向范围延伸到180°,平均速度可达8～15 cm·s-1,标准差显示其径向和纬向速度分量的变率都很大。
KE的平均路径显示存在两处准静止的弯曲,其脊位于143°E和150°E附近图6 黑潮延伸体的平均环流叠加2°×2°流速矢量Fig.6 Mean circulation of the Kuroshio Extension with velocities of 2°×2° grid points20°N以南环流的特征是存在纬向条带状结构,平均经向速度的空间分布在整个北太平洋除西边界外都表现出不连贯的结构鉴于纬向射流的经向尺度多为1°～2°,其结构在5°×5°的流速矢量上不明显,它们的特征将在下一节以更细的网格阐述太平洋海盆东边界的环流较弱,其采样少于更高纬度或同纬度的西边界,理论上赤道东边界的亚热带环流是一个“阴影区”,这些水团因Sverdrup动力学被限制而无法有效通风[23]Jenkins等[24]以及Kawaze和Sarmiento[25]在北大西洋的示踪观测表明中层水只向北30°N以北通风2.2 纬向流在以往的研究中,位于赤道太平洋的一系列水文断面的分析突出了低纬度次表层到中层附近一系列复杂的流动,这个纬向流系统按纬度可以大体分为三个部分:中深层赤道环流(Intermediate and deep equatorial circulation, DEC)、低纬度次表层流系(Low-latitude subsurface currents, LLSCs)和低纬度中层流(Low-latitude intermediate currents, LLICs)。
DEC又可以分为两个分支:(1)赤道区域(南北纬1.5°之间)垂直方向上交替的纬向流,垂直尺度为几百米(Equatorial deep jets,EDJs);(2)赤道外射流(Extra-equatorial jets,EEJ)或赤道中间流(Equatorial intermediate current,EICs),是一系列随纬度变化而发生东西向交替的纬向流,其垂直范围较大,在南北纬10°内在100 dbar上,前人观察到了属于EEJs(或EICs)的下层赤道中层流(Lower equatorial intermediate current,L-EIC)(～1°S—1°N),其流向和深度变异较强[26]属于LLICs的有三支:(1)东向的北中层逆流(Northern intermediate counter current, NICC)(～1.5°N—3°N);(2)东向的二级北次表层逆流(Secondary northern subsurface counter current,sNSCC或Secondary tsuchiya jets)[27];(3)西向的北赤道中层流(Northern equato。