教授专栏30 | 甘剑平: 北赤道流控制黑潮与棉兰老流的“三足鼎立”物理过程

文 / 李俊鲁博士，甘剑平教授

研究背景

位于西北太平洋菲律宾海的北赤道流-黑潮-棉兰老流（NKM）环流系统对全球海洋流动和气候变化都有着重要作用。由东北信风驱动的北赤道流跨越北太平洋，在菲律宾东岸分叉为两条西边界流——北向的黑潮和南向的棉兰老流。人们对这个流系的探索从未停息，从观测到数值模拟，积累了相当多的数据。但是，目前覆盖面最广的卫星高度计和Argo潜标观测网数据，在西边界流区域的数量依然非常稀少，且存在一定的误差。同时，较为精确的观测仅限于当地锚定潜标，导致我们无法了解整个环流系统的全貌。因此，现阶段对于NKM环流系统整体联动性的探究主要基于数值模拟结果。在这样的背景下，NKM环流系统存在以下两个主要问题：

1. 由于数值模式参数化过程的固有局限性以及不同模式之间的差异性等，过去的研究所揭示的NKM内在物理和动力关联存在矛盾，例如洋流的季节性特征和两两之间的相关性；

2. 对NKM环流，尤其是两条西边界流的控制因素和物理过程亟待剖析、量化和统一的总结。

研究内容

黑潮和棉兰老流的季节性特征和它们与北赤道流的相关性存在矛盾。为了归纳和统一这两条西边界流及其上游北赤道流的时空变化和内部联系，我们首先把北赤道流对黑潮/棉兰老流的作用拆分为三个相对独立的物理过程：分别为北赤道流的强度，南北位移，和分叉点位置（图1）。这三个物理过程从不同角度影响着西边界流，同时，互相之间存在一定联系。北赤道流的南北移动在很大程度上主导着分叉点的位置，因此，对于两条西边界流，这二者的作用在较大程度上相互抵消。以往的研究存在矛盾，是因为缺乏对这三个物理过程既独立又统一的整体考虑。

图1（a）北赤道流（130°E）年平均纬向体积通量的经向空间分布，以及拆分后的北赤道流强度作用（U）以及北赤道流南北位移作用 (U')。（b）季节平均的北赤道流纬向体积通量。（c）北赤道流纬向体积通量随时间和纬度的变化，体现其南北位移的季节性特征。（d）NKM区域内（菲律宾东岸至130°E）积分的经向流量随时间和纬度的变化，以及北赤道流分叉点位置的季节性特征。

接着，我们进一步量化这三个物理过程对黑潮与棉兰老流各自的贡献。如图2所示，为了便于量化，我们把这三个物理过程等价转化为流量，在连续性方程的框架下，可以用来表征它们对两条西边界流的流量和变化的贡献。我们发现在早春时期，北赤道流整体流量较强，同时呈现南部强化的空间特征，即南向位移，此时，北赤道流分叉点相对年平均位置也偏南，即跨年平均分叉点截面的流量向北。显然，无论对于黑潮还是棉兰老流，北赤道流自身南移导致的南多北少流量分配及其分叉点南移导致的北向流量输入作用，大致相互抵消，最终，黑潮和棉兰老流的流量基本由北赤道流强度控制。晚秋时期，北赤道流北向位移和分叉点位置的偏北特征，依然导致二者对西边界流的流量贡献大致平衡。此时，黑潮和棉兰老流的流量依旧受控于北赤道流强度。

由于北赤道流本身及其分叉点的同相位移动，其携带的具代表性的水团，例如北太平洋热带水和赤道表层水，在不同季节依然相对稳定地分别汇入黑潮与棉兰老流。因此，黑潮和棉兰老流中的水团特征，在时间上没有明显变化。

图2（a）早春和（b）晚秋时期北赤道流强度（绿色）、南北位移（玫红色）和分叉点位置（浅蓝色）对黑潮与棉兰老流的流量贡献

研究亮点

1. 本研究首次揭示了北赤道流南北位移作用和黑潮/棉兰老流的直接联系，并阐明了北赤道流强度、南北位移和分叉点位置三者的内部联系及其对西边界流作用的物理过程，解释了过往研究存在矛盾的原因；

2. 首次定量分析了北赤道流三个物理过程对黑潮/棉兰老流流量和变化的贡献，总结了黑潮/棉兰老流年平均流量和季节性变化的控制因子；

3. 首次分析了北赤道流携带的部分主要水团在西边界流处分配的时空特征，从温盐角度证明了北赤道流汇入黑潮和棉兰老流的过程。

参考文献：

Li, J., & Gan, J. (2022). On the North Equatorial Current Spatiotemporal Modes and Responses in the Western Boundary Currents. Progress in Oceanography, 102820.

-原文发布于公众号《港科大海洋棱镜》

甘剑平教授简介

甘剑平教授，现为香港科技大学海洋系，数学系和环境学部讲座教授和香港科技大学（广州）功能枢纽地球与海洋大气科学学域主任。

在三十多年科研生涯中，甘教授在中国大陆，加拿大，美国及中国香港从事了海湾、近海陆架和大洋海盆的海洋环流动力, 耦合物理-生物地球化学及海洋数值模拟方法研究。他的研究包括现场观测，理论，数模和跨学科等的研究。其主要贡献包括：跨陆架地转输运动力理论， 南海三层环流动力诊断理论和近海物理-生物地球化学耦合数值模拟方法。

甘教授是美国、中国内地及香港等地40多项科研计划项目的负责人或主要负责人，其中包括重大研究计划如“近海陆架输运研究（Coastal Ocean Advances in Shelf Transports，美国） ”、 “国家基础研究计划（973 计划，中国） ”、 “香港主题研究计划（Hong Kong Theme Based Research Scheme, 中国香港） ”。甘教授在国际主流海洋学杂志发表了100多篇文章，并曾为近20个国际会议作特邀或主题报告，组织超过15个国际会议。甘教授曾任亚洲大洋洲地球科学学会(AOGS)理事会成员和海洋分会的创会主席、 Advances in Geosciences: Ocean主编， 现任 GODAE 国际陆架近海 Task Team Panel 委员， 香港研资局和国家自然基金委评委，港澳海洋研究中心主任等。

由香港科技大学主理出品的【教授专栏】，汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普，用最新鲜的视角解读社会动态，以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台，聚合更多新锐观点，打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】！

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