渤海、黄海热结构分析

第23卷第6期海洋学报2001-l1ACTA OCEANOLOGICA SINICANovember. 2001渤海、黄海热结构分析鲍献文!,王赐震,高郭平1,黄磊(1.青岛海洋大学海洋系,山东青岛,26600擠要:在多年观測资料基础上,以月平均风应力和周平均海表水温(SST)作为外强迫,对黄海、渤海热结构迸行了数值模拟.模拟结果显示渤海的热结构特征自10月至翌年3月为水温垂直均一的冬季型;5~8月为分层结构(由上混合层、跃层、潮混合层组成)的夏季型,4月和9月为两型的过期,最低水温出现在2月,最高水温表层出现在8月,底层则在9~10月.黄海活逹浅水区与渤海有相似的热结枃,黄海冷水团和黄海暖流对其中央槽深水区的热结枃冇重要影响.对底层水的影响而言,前夏李显著而后者冬季显著,从而导致黄海(槽)的底层水与环境相比呈现夏季冷丙冬李瑗旳特征,底层水温基本上与表面水温的年变化反相;深水区的热结枃与渤海相比,均一型牿构(1~3月)变短,分层型结构(5-11月)变长,底温年交(5℃以内)变小,氏层度增强.模拟结果还表明,黄汋暖流的动力仍然是季凤环流,而对黄海冷水园的形成和发展有无动力影啦提出质疑关键词:謝海;黄海;热结构;数笪模拟中图分类号:P73111文献标识码:A文章编号:02534193(2001)06-0024-08l引言海洋渔业与深层海水温度关系密切海洋水声又对海洋跃层有着强的依赖性,因此无论从海洋开发还是从国防建设的急需考虑,中国近海三维热结构的分析预报研究已势在必行.王宗山等1对此课题已进行过些有益的探索,但从机理上解决问题仍路途遥远.目前国际上广泛应用POM模式( Princeton occan model)研究海洋三维结构已取得显著成果l2,但用POM进行预預报仍有困难.幸好,已经发展了较为成功的海表温度(SST)数值预报模式3-6,我们将联合运用POM和SST数值模式进行三维海温预报探索研究.本文是这一总体研究计划的第一部分,即首先从渤海、黄海入手,运用多年调查资料1与POM的模拟进行比较研究该海域三维热结构的特征和主要影响因子,为三维预报研充打下基础2模式POM是一个包含湍封闭的三维温、盐、流相耦合的原始方程数值海洋模式被广泛应用于收稿日期:2000;修订日期:2001-05-19基金项目:国家自然科学基金资助项目(400760):教育部科学技术重点项日(99075:000);863-818-Q-12项日作者简介:鲍献文(1965-),男,浙江省金华巾人教授,硕士,主要从肀海洋动力过程研究中国煤化工CNMHG6期鲍献文等;渤海、黄海热结构分析区域海洋动力热力过程的模拟.本研究采用POM模拟渤海、黄海二维热结构.模式计算海域包括整个渤海、黄海.水平网格问距为(1/2)×(1/2)°,垂直分21个Sgma层,盐度采用多年平均场形式给定,初值温度采用经、纬度的近30年1月份平均海温资料(青岛海洋大学“七五攻关成果).流场、水位都采用零初始条件.模式仅考虑M2分潮的作用,并通过水位调和常数从开边界引入,海表面采用月平均的海面风场以及周平均海表温度(SST)场作为强迫场.模式经过4a积分,第三年后输出结果供本文分析.模拟结果得到了多种观测资料的验证,详细的模式配置及验证结果可参阅另文在讨论模式结果时用到的几个公式如下:d(a)=F(a)×h(1)La(i)=1/12×j+31.5(2)117.5,其中,F(σ=L,2,…,20)=0.00735,0.0147,0.0294,0.0588,0.1176,0.17647,0.2353,0.2941,0.353,0.4118,0.4706,0.5294,0.5882,0.6471,0.7059,0.7647,08235,0.88235,0.94118,1.0;d(a)为a层的几何深度;h为水深(以m为单位);la(i),Lo()分别为网格点(i,j)的纬度和经度以(")为单位3渤海的热结构渤海是深嵌中国大陆的内陆海,主要由北部的辽东湾,西部的勃海湾和南部的莱州湾组成,东部有不足100km的渤海海峡与黄海相连,渤海的平均水深不足20m,受大洋环流的影响很弱.由这…地理环境决定了渤海有其独待的热结构38"N,n193E在讨论渤海海区的热结构的特征之前,→摸拟值实测值我们首先对38N剖面上的3个选择站底层水温的模拟和观测值进行比较,结果如图1所示,3个站分别取之西部浅海区(h=1.0,0m),深水区(h=18.2m)和海峡口(h=18.6→模拟值m),站位的经度值可由式(2)计算.因为观测水温为多年月平均,所以把原本是周平均的数值模拟资料也换算成月平均从这3个站的比较看浅水站(21,78)离oXNE差较大,在此浅水带,受强烈的风和潮混合作用,海水的热结构终年是垂直均匀的,所以底12层温度的误差直接反映了SsT的误差,而SST是作为外强迫给定的,这一误差主要与图1渤海38N剖面上3站逐月底层边界值的不准确有关.除该站之外,其余两水温观测和模拟的比较个深水站模拟与观测结果很好地一致.图2是大连至成山头标准断面上SQ站位。的0m10m,25m和底层4个标准层模拟海温的年变化图.水温的年变化以3月份最低,约为3t1)鲍献文高郭平,是德星.黄微海梅温及环流结构的模拟研究,海洋与湖沼(待刊)中国煤化工CNMHG海洋学报23卷8月份最高,其表层温度大于24℃,底层水温在6~8℃之间.各层温度分布结果与管秉贤Nl给出的多年实测平均结果很好地吻合,因为模式只强迫了实测的风应力、SST及潮流,而其他层次的温度是由POM模拟出来的,后者与独立的观测值相一致说明,对渤海海区热结构的数值模拟是成功的.在不同层次上,模式结果与观测也是一致的.正因为数值模拟的结果布满整个区域,在正确模拟的前提下,用模拟“输出”的结果来讨论渤海的三维热结构是再方便不过∫S站10011012013014015020130140时间/周时间/周图2大连一成山头标准断面S站和Q站表层、10m层、25m层和50m层的模拟温度年变化图3是两个代表性站位的月平均温度-深度分布图.深度取σ值,几何深度可由式(1)给出.由该两组曲线清楚地看出,渤海区温度的铅直廓线有垂直均一型和上暖下冷分层型两种类型.前者为冬季型,10月至翌年3月概属此类.冬季由于海表面强烈降温,垂直对流旺盛,温度温度/"C★盟图338E剖面上两个深水站的模式温度垂直廓线的年变化因此形成海温垂直均一分布(冰面温度除外).此外,从图3还可看出,渤海的最低ST出现在2月,与大陆的最低气温同步,比同纬度的大洋提前了1个月.与此相对,5~8月为分层的夏季型(10m以浅的海岸带除外).由上混合层潮混合层和居间的跃层构成的成层热结构是夏季的典型.其形成过程如下:立夏之后,由于太阳辐射激增海表面强烈增温,加上风混合等作用,在海洋上层形成一个温、盐、密均匀的上混合层,其厚度大致在5~10m之间.而底层由于潮流往复循环形成潮混合边界层该层也是一个温、盐密垂直均匀层.因为下层难以接受太阳辐射,在上层增温之后它仍维持冬季混合下来的低温水的性质,伴以接收贯穿中间稳定层的或强或弱的铅直热通量及少许的太阳辐射通量,温度也缓慢地变化.上混合层与下混合层中国煤化工CNMHGb期鲍献文等:渤海、黄海热结构分析2之间为温度跃层,它是一个上暖(轻)下冷(重)的稳定层结构,不利于湍流发展,有效地阻止了上、下混合层之间的湍流热通量的发展.再看4月和9月两条曲线,都是介于垂直均一与分层结构之间的过渡型:SsT和底温之间已出现梯度,但梯度很小,这是月平均的结果.实际变化过程是,进入4月份,冷空气势力减弱,SST增温加快,跃层开始形成.但初期的跃层很不稳定,风和日丽的天气持续,就可形成弱的跃层,遇有大风、降温天气跃层又被破坏,气温回升之后跃层又重新建立;随着冷空气势力再度变弱,路径偏北,最终跃层形成并稳定下来.跃层形成以后,太阳加热主要集中在上混合层之内,所以此后几个月是上混合层温度上升最快跃层强度稳定加强的时期.进入9月北方冷空气再度活跃南下侵袭该海区,大风、降温天气使渤海由北向南海面急剧降温,对流直到海底,跃层被破坏,热结构由夏季(分层)型向冬季(垂直均)型过渡,到9月底整个渤海海区的热结构全部变成冬季型由图3可以看出,底层温度的变化与SST变化有如下几方面区别:其·变化的振幅比表层小,站点深度越深,底温变化幅度越小.由于渤海的平均深度较浅,所以在渤海、黄海、东海和南海中渤海是底温的年变化最大的海区,其幅度大致为0-20℃.其二,底温变化具有明显的非对称性:最低温度仍出现在2月,与SST一样,而最高温度不是出现在8月份,而是9-10月份;而且底温升温最快的时间是在表层海温达到极大值之后的8~9月份,这是由于此时跃层变弱,时常被大风破坏,上层的高温水直接混合到底所致.此后,冷空气频繁侵袭,致使整个水体连续降温上面所述的是深度为10m以上的海区,在渤海周边5m以内的浅水区则不同(图略).由质量守恒原理知,潮水从深海区流向浅海区潮流流速会愈来愈大,所以浅水区潮混合作用越强.上下混合层被贯通,成为终年垂直均一的热结构.冬季,受陆面降温激烈的影响沿岸出现冰冻,因此沿岸SST低于深水区.夏季,沿岸带的水温比深水区是高还是低则应从流向沿岸带的热通量是正还是负决定,…方面潮流从深海区带来深层低温水参与海岸带水的混合,若再有沿岸涌升流存在且这一条件占优的话,则会出现沿岸冷水带或沿岸锋;另一方面若沿岸带水很浅,它的热容量必然也小,同样的太阳辐射加热下,这里升温会很快(升温率应与水深成反比,陆地温度高也是造成沿岸带增温的条件.因整个渤海海深都较浅,海底变化缓慢,浅于5m的浅水带范围广阔,增温因子超过冷却因子,因此渤海的沿岸带夏天不是冷水带,而是高水温带,观测事实已经清楚地证实了这一点4黄海的热结构黄海与渤海相连,黄海地形不像渤海那么浅、那么平坦,它的最深处达140m.位于黄海中央的黄海槽其深度在50m以上的区域占黄海总面积的1/2以上.在讨论黄海的热结构时,分成沿岸浅水区和50m以深的的深水区分别讨论是合适的.对于30m以浅的浅水区,影响其热结构的因子与渤海相同,各种地理条件大致相同,因此两者的热结构有许多相似之处:比如它的季节转换特征、季节型及大陆的影响等,对此共同性特征不再做重复分析.这里着重分析黄海深水区(黄海槽)的热结构特征黄海海域有以其海域冠名的两大海洋水文特征:一是海洋环流中的黄海暖流,是水系中的黄海冷水团.它们对该海域特别是对深水区的热结构有着显著影响黄海冷水团是出现在黄海槽中的季节性深层(跃层之下)冷水,对此早已引起海洋学者的中国煤化工CNMHG海洋学报23卷重视。大量研究指出90:它形成(或更新)于冬季垂向混合水,当春季上层增暖后,下层冷水被保留于中央槽区之内,其最大强度出现在7~8月之间.它与温跃层的消长变化相一致冷水的体积有较大的年际变化,尤以南界为甚,强年达335N以南,弱年则退到34.5N以北.其温度变化于6~12℃之间图4a、图4b分别为7月份和8月份的黄海、渤海模式底层海温,对照图4a与图4b可以看出,8℃以下冷水充盈于中央水槽之内.黄海冷水团已经被模拟,模拟与观测等温线0.2的轮廓相似,8月份之后底温逐淅升高,冷水团势力随之减弱,与观测结果相符.也就是说对黄海冷水团的模拟是成功的.在渤海海峡东侧,7月份存在两个6℃以下的低温中心,与观测对照似乎模拟结果偏低了一点,其原因还有待于进一步探讨l1836h,8月图4渤海、黄海夏季模式底层水温(℃)分布根据我国海洋先驱者的调查研充,一致认为1:黄海暖流是对马暖流的·个分支,由济州岛西南流入黄海,流速只有5cm/s左右.因在途中它与沿岸水不断混合,属变性的高温高盐水.黄海暖流与黄海(西部)沿岸流构成气旋式环流,称之黄海环流.从成因上分析,在某种程度上黄海暖流具有补偿流的性质:冬季该海域为NW季风,沿岸流增强,因而黄海暧流也强,直达深层;夏季伴随SE季风沿岸流变弱,因而黄海暖流也变弱,它主要限于上混合层,下层则受阻于黄海冷水团,即是说它具有冬强夏弱的特征图S是由模式给出2月份沿36N的垂直剖面,在此剖面上,123°-125E之间有8℃H2121312N以七的暖中心,在其两侧有5~6℃的冷水,这正对应着中心为自南向北的黄海暖流,两侧分别为黄海沿岸流和西朝鲜沿岸流(冷水).无论强度还是位置都与实际观测较一致想10首先分析下底层水温的年变化:由于黄72海暖流冬季显著而黄海冷水团夏季显著,二者又主要影响黄海地形槽及其周边区域,因此二者相互作用,使占据黄海大部分区域的黄海槽的热结构与渤海区以及黄海边缘区明显不同图52月份36N剖面的模式水温(℃)为了比较它们的综合影响,图6给出黄海槽中中国煤化工CNMHG6期鲍献文等:渤海、黄海热结构分析的(80,33)站、(80,57)站底层温度的年变化.这两站居中央槽的南部(34.7N,124.2E)和中部(36.3N,124.2E),对照模拟和观测两条曲线,变化趋势是吻合的.至于观测值为什么7月偏高8月又急升2℃,这·变化是否合理?尚无法准确地回答.一种解释:这是由于黄海冷水团有较大的年际变化和海洋调查的偶然性某种巧合所致.与此相反,模拟曲线整个夏季呈现缓慢变化,反倒认为比较合理.为此,我们用模式底温来分析其年变化.图6明显地显示:一个突出特征是自3月直到10月份,底层水一直保持低温性质,升温比较缓慢.首先,3月是黄海SST达到最低的时期,因此垂直对流使其底层水温也达最低.此后这一底层冷水一直保留到10月仅缓慢变性而已,这正是冷水团的热力成因71.与此相反,底层水的高温出现在12月和1月,这是指温度和绝对值而言.为了更清楚地显示黄海冷水团和黄海暖流对这一海区热结构的共同影响,再把这两站的底温与环境水温作一比较,为此把这两站定义为受冷水团利暖流的影响组,把渤海的(21,78),(3,78),(45,78)及黄海北端的(80,97)站作为非影响组进而计算影响组与非影响组同月平均底层水温之差,所得的差值由表1所示,可以看出,最大负差在9月为-126℃,最大正差在1,2月份为+7℃.说明影响站夏季受冷水团影响,底层水比非影响组低12℃以上,冬季受暖流影响,比非影响组高出7℃.若按照表1的差值区分黄海冷水团的影响显著地表现在6~11月份,而黄海暖流的影响明显地表现在12月到翌年4月份.也就是说在这区域,由于冬季受黄海暖流的影响,夏季受冷水团影响致使底层水温的年变化与SST的年变化反相位,这是黄海热结构一大特征321347N.1242E模拟值363N,1242°E模拟值实测值+实测值月份图61242E剖面上两站逐月底层水温的模拟与观测的比较表1影响组与非影响组底层月平均水温(℃年变化影响组998.558.458.559.15.9.19.558.68.99.259.9510.95非影响组2.931.588,431215.619.62.5值6.976976.673.450.723.48-6.1-11.0-12.6-8.98-3.283.25由以上结果看出模式已对深水区的影响因子进行了正确的模拟.因此,我们将采用模拟温-深曲线的年变化图分析深水区的三维热结构.图7是两站(站位同图6)模拟的温-深曲线该深水风的热结构主要特征概括如下:垂直均一(冬)型结构为1月到3月,分层(夏)型结构为5月到1月,4月和12月为过渡型.与渤海相比,分层型结构明显变长,均一型结构明显变短.温度最低时间整层都是2-3月,而温度最高上层是在8月,底层为12月.突出的是:底温年变化幅度(小于5℃)很小,是ST年变化的1/5~1/8;上下层温差可高达17℃以上,说明季节跃层强度也很强.除了较大深度影响之外,这一特殊热结构主要是由于暖流和冷水团共同影响的结果由于模式仅考虑季风和潮汐强迫的条件下,黄海瞹流就能够较好地被模拟.这一模拟结果中国煤化工CNMHG海洋学报23卷温度/"C温度/"C810121416182014中解位量:(80.33)位置:(80,57)深度:62m度:74图7两站棋拟月平均温-深结构的年变化说明,黄海暖流是季风对黄海、渤海强迫的产物,冬季Nw季风强迫黄海表层流向南流根据质量守恒应有深层向北的补偿流流入黄海,而夏季风为SE季风,黄海的表层流巳转为N向流,深层不会再有N向的补偿流出现,从而证实了前人的结论.受此启发,由此及彼再推测一下黄海冷水团,是不是纯热力的纯局地性的呢?会不会有渤海、北黄海的冬季留下的底层变性冷水入侵来壮大该冷水团的势力?不然的话,黄海冷水团的显著的年际变化、5~6月份体积膨大以及7月份乃至以前的北部冷中心的存在又做何解释?也是有待今后的研究回答的问题5结语本文在对渤海黄海海温成功模拟的基础上,对渤海、黄海三维热结构特征进行了分析,结果如下:(1)渤海的热结构分冬季型和夏季型,10月至翌年3月为冬季型,垂直均一结构.5~8月为夏季型,由上混合层和潮混合层构成的分层结构,4月为冬季向夏季的过菠型,9月为夏季向冬季的过渡型.SST的最冷月为2月,最热月为8月;变化在0~28℃之间.底层温度最冷仍是2月最暖后延至9-10月变化在0~20℃之间(2)黄海沿岸浅水区和50m以深的的中央槽区的热结构有显蓍不同.浅水区的热结构与渤海相同.中央槽区的突出特征是黄海暖流和黄海冷水团的影响作用.前者冬季显著,后者夏季显著一二者共同作用使黄海槽的下层温度(与环境的偏差)的年变化与表层温度反位相,即冬季(12月至翌年4月)它比环境海区的温度高,夏季(6~H1月)比环境海区的温度低.在它们的共同影响下,该区热结构的主要特征是:与渤海相比,均一型结构(1~3月)变短,分层型结构(5~11月)变长,底温年变輻(5℃以内)很小,而季节跃层强度增强尽管模式弒温度结构模拟是成功的,但模拟上混合层深度有偏浅的倾向.观测证实:渤海上混合层-般在5~10m之阃,但模拟结果要浅一些,其他研究者也有过类似报道2,说明这是模式“固有”倾向.即模拟夏季的热容量偏小.这可能与如下事实有关:该模式的上边界条件是取SsT.而SST给定只制约向下的湍流热通量(通过铅直温度梯度),而不制约水柱的热中国煤化工CNMHG6期鲍献文等:渤海、黄海热结构分析31容量.只有表面热收支才是控制水柱的热容量的主要因子参考文献:[」王宗山,徐伯昌,龚滨,等.黄勃海底层温盐数值预报方法的研究[小海洋学报,193,3(15):7-132] 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J Geophys Res, 1985.90:167-178Thermal structural analysis and simulation of the bohai seaand the huanghai seasBAO Xian-wen, WANG Ci-zhen, GAO Guo-ping, HUANG Lei(1. Department of Oceanography, Ocean University of qingdao56003, China)Abstract: The thermal structures of the Bohai Sea and the Huanghai Sea are analyzed by observations and simulatedby POm model with monthly mean wind stress and weekly surface water temperature as external forcing respective-ly. The thermal structure is characteristic homogeneous winter style from October to March of the next year, but isstratified structure ( consists of mixed layer, thermocline and tidal mixed layer )summer style from May to augustApril and November are transition periods of both styles. The lowest water temperature occurs in February for thewhole water column, the highest occurs in august for the surface layer and in November to October for bottom layer. Except for some similar thermal structure between the Bohai Sea and coastal shallow water zone of the huanghaiSea, for the thermal structure of deep water area in central trough, the Huanghai Sea Cold Water Mass and theHuanghai Sea Warm Current are two special factors. As for effect on the deep water, the former is significant insummer, the later is significant in winter, so that the low layer water appears to be cold in summer, while warm inwinter compared with the environment, basically is converse to annual variation of SSt. As for the three-dimensional structure of above area, compared with the Bohai Sea, the period of homogeneous structure ( from January toMarch)is shorter and the period of stratified structure(from May to October )is longer, the amplitude of annualvariation of low water temperature is smaller (no more than 5t ) and the intensity of the thermocline layer isstronger. The simulated result shows that the driving power of the Huanghai Sea Warm Current is monsoon circulaion,and therefore the question whether there is some dynamic effect on the formulation and devclopHuanghai Sea Cold Water Mass is deducedKey words: Bohai Sea; Huanghai Sea; thermal strucrure; numerical simulation中国煤化工CNMHG