台湾暖流变化特征及机制研究进展

台湾暖流是由南向北流经我国闽、浙沿岸的海流, 在冬季逆风运动, 具有高温高盐的特点[1-2]。台湾暖流携带高营养盐的外海水途径台湾岛到长江口附近, 它的输运和变化对我国近海的水文、气候和渔场位置都有着重要的作用[3-5]。因此, 台湾暖流深受国内外科学家的关注, 前人对其特征[6-8]、来源[6, 9-11]、路径[10, 12-13]以及季节变化开展了大量的研究[4, 7, 14-17]。这些研究的主体集中于台湾暖流的上游区域, 迄今为止, 台湾暖流入侵前锋的范围及变化研究较少, 对其变化特征认识不够详细, 对其变化机制尚不明确。

因为台湾暖流携带外海水具有高温、高盐、高营养盐、低氧的特征, 其路径和前锋的变化对长江口以及邻近海域的生态灾害存在重要影响[18-22]。赵亮等[22]研究发现长江口、苏北近岸, 夏季水母的暴发受当年底层水温和上一年夏秋季底层水温控制。春季底层水温10~18℃持续时间长, 有利于当年夏季水母暴发, 夏秋季底层水温18~25℃持续时间长, 则有利于来年夏季水母暴发, 因此, 台湾暖流入侵前锋及变化对长江口外底层水温的影响, 可能会改变水母暴发的程度和位置。台湾暖流携带的外海水具有低氧的特征, 入侵的位置和范围也会影响局地的水团结构[19], 因此, 台湾暖流向岸分支可能是影响长江口外低氧区分布的潜在因素。杨德周[20]通过数值模拟提出, 在长江口区域, 台湾暖流输运的磷酸盐总量比长江径流输运的磷酸盐总量高一个量级。Dai等[21]研究表明, 台湾暖流携带的高磷酸盐是造成东海藻华的重要原因。因此, 台湾暖流前锋和路径的变化会对我国近海的生态灾害有重要影响。我们通过分析课题组积累的温、盐数据和测流资料初步发现台湾暖流由底层穿越长江口, 可以达到32.5°N以北, 其前锋和路径存在季节变化, 因此, 研究台湾暖流前锋和路径的变化, 对长江口及邻近海域生态灾害的预测和机理研究具有重要意义。

东海大陆架位于东亚季风区, 在冬季受到强烈的东北季风控制, 在夏季受到较弱的西南季风影响。季风以及太阳辐射的季节变化对东中国海环流和水文特征季节变化的产生重要影响。在东海大陆架存在几支重要的流系包括:黑潮、对马暖流、台湾暖流、闽浙沿岸流和黄海暖流等(图 1)。台湾暖流起源于台湾东北和台湾海峡, 跨过陆坡穿越到东海陆架, 并与沿岸水体混合, 有研究表明台湾暖流的向岸分支能够入侵到长江口外[23]。台湾暖流是引起外海水影响东海陆架的一个重要流系。

传统的台湾暖流指的是具有高温高盐特征, 由南向北流经我国闽、浙沿岸的海流[1]。Su和Pan[24]提出台湾暖流在28°N附近分成两支, 其中一支为台湾暖流向岸分支, 它沿着50 m等深线经过闽浙沿岸向北流动到达长江口外水下峡谷并转向东北; 另外一支为台湾暖流离岸分支, 它首先逆时指针旋转然后顺时针流动, 最终汇入黑潮。Zhu等[23]通过ADCP定点观测提出台湾暖流可以跨越水下峡谷到达长江口外。这一观测结果也被东海的数值模拟所证实[10, 13, 25-26]。现在关于台湾暖流的研究主要集中台湾暖流来源、特征、季节变化和入侵机制, 下文将开展详细论述。

台湾暖流的来源一直以来是一个热点问题, 已有研究认为台湾暖流水源自于台湾海峡水[6, 27]和台湾东北黑潮分支[9-12, 28-29]。由于东海大陆架处于东亚季风区, 夏季和冬季风向相反, 台湾暖流在不同季节的存在性曾有争议[14, 30-31]。前人的观点一致认为在夏季, 台湾暖流是存在的, 但是对于夏季台湾暖流水的来源还存在争议。部分学者认为, 在夏季, 台湾暖流水主要来自于台湾海峡, 台湾东北黑潮分支无法抵达东中国海[3, 6, 32-33]。但是有研究认为, 在夏季, 台湾东北黑潮分支携带着黑潮次表层水入侵到东海陆架底层[10, 13, 34]。翁学传等[7]认为无论是在夏季还是在冬季, 台湾暖流向岸分支主要来源于台湾海峡, 而离岸分支在夏季主要来源于台湾海峡, 而在冬季来源于台湾东北黑潮分支。

与夏季台湾暖流的共识相反, 对于冬季台湾暖流的存在与否曾存在争议。表层流的观测和模拟结果认为台湾暖流在冬季是不存在的[35-36]。Qiu等[35]基于1953—1984年气候态模拟结果, 刻画出东中国海表层的流场, 该模拟并没有展现出台湾暖流在冬季能够入侵到东中国海; 此外, Naimie等[36]根据气候态平均水文资料开展研究, 表层没有发现台湾暖流在冬季入侵到中国近海的迹象。Kondo[12]建立了东中国海冬季的环流图, 认为台湾暖流在冬季没有从表层入侵到东海陆架, 而是沿50 m等深线从底层入侵到东海陆架。考虑到台湾暖流的定义, 台湾东北黑潮分支入侵到东中国海后也成为台湾暖流的一部分。其他一些学者也认为台湾暖流在冬季是存在的[3, 6, 23, 32, 34, 37-39]。林葵等[38]分析表层流认为台湾暖流在冬季是存在的, 但是在27°N附近发生分叉有一支北上形成台湾暖流向岸分支, 另外一支转向东离岸运动。Chern等[40-41]应用走航ADCP、Liang等[42]应用锚系ADCP、Zhu等[23]应用ADCP开展观测, 分别在台湾附近和闽浙沿岸以及长江口外验证了台湾暖流在冬季是存在的。也有其他研究认为台湾暖流在冬季逆风时和夏季顺风时一样强[43-44]。

综上所述, Guan等[4]对台湾暖流的历史研究进行了详尽的总结, 认为台湾暖流是常年存在的。夏季台湾暖流主要由台湾海峡水和台湾东北的黑潮水所共同组成[45], 冬季台湾暖流主要来自于台湾东北黑潮分支[9, 11, 43]。

台湾暖流的温盐特征和扩展范围关系到其流经海域的物理、化学特性, 因此, 很多学者对台湾暖流温盐特征和扩展范围开展研究。由于测流资料有限, 大部分前人的研究主要基于温盐资料应用相关的水团分析方法如相关系数法[46], 聚类分析方法[6, 14, 47-48]和以盐度为指示变量等方法[44]。

翁学传等[46]通过温-盐图分析提出台湾暖流应该分为表层水和深层水, 其中表层水的温度为23~ 29℃, 盐度为33.3~34.2, 而深层水的温度为17~23℃, 盐度为34.2~34.7。Su等[6]应用聚类分析方法提出台湾暖流深层水的温度和盐度相对稳定, 温度特征值为19℃, 盐度特征值为34.4, 盐度的年变化范围34.1~34.7;台湾暖流上层水的温度和盐度范围在夏季分别是23~29℃和33.3~34.2, 在冬季温度降低, 盐度略有增大。杨红等[47]采用模糊聚类的方法计算得到台湾暖流水、黑潮表层水和黑潮次表层水的温盐特征值分别为27.1℃和33.82、28.9℃和33.89、15.8℃和34.45。Qi等[14]应用聚类分析方法对东中国海的水团进行分析, 给出了不同季节的典型温盐值。

不同的分析方法导致对台湾暖流入侵范围的认识有所不同。翁学传等[7]认为在夏季台湾暖流上层水可以到达31°N, 台湾暖流底层水可以到达32°N。而Su等[6]提出台湾暖流上层水在夏季可以到达32°N, 台湾暖流底层水可以到达28°N, 在冷半年, 由于混合强烈, 台湾暖流上层水和底层水性质比较均匀可以达到28°N。以盐度为指示变量, 白虹等[44]发现台湾暖流以高盐核的形式出现在水下15 m以深, 并能够到达32°N。Zhou等[49]通过观测和数值模拟证实, 2016年夏天台湾暖流所携带的高盐水可以到达32°N。除了基于温盐观测的研究, 还有其他基于卫星遥感[50], 数值模拟[10, 13, 51]的研究。Yuan等[50]应用通过分析海表面温度和水色遥感资料, 认为台湾暖流在冬季入侵到苏北沿岸; Yang等[10, 13]通过数值模拟提出夏季台湾东北黑潮分支入侵到闽浙沿海形成台湾暖流(图 1, 黑潮底层分支)。

为了深刻认识台湾暖流的入侵特征, 学者们开展了台湾暖流入侵机制的研究[49, 51-56]与台湾海峡流的入侵机制研究。其中, 黑潮在台湾东北的向岸入侵机制已成为研究热点[52-53]。海底地形是被普遍认可的导致黑潮入侵形成台湾暖流的主要因素, Hsueh等[52]应用一个两层约化重力模型模拟了一支斜压流动撞上陡峭陆坡的情形, 认为黑潮由于浮力驱动而跨越等深线入侵到东海陆架, 这个理论很好的解释了黑潮如何入侵东海陆架形成台湾暖流, 但是很难解释为何会形成台湾暖流的近岸以及离岸分支。Guo等[53]也通过数值模拟证实了地形斜压项(JEBAR项)在台湾暖流跨陆架过程中起到的作用。此外, 通过高分辨率数值模拟, Yang等[13]认为在台湾东北的宜兰海脊使流动产生涡管伸缩效应, 引发黑潮对陆架的入侵。由于东海大陆架处于季风区, 局地风场被认为是引起台湾暖流入侵的重要机制, Chao[57]通过理想海洋模式模拟了黑潮在台湾东北的入侵, 提出季风通过Ekman输送影响黑潮对东海陆架的季节性入侵形成台湾暖流。Yuan等[51]认为台湾暖流的近岸分支和离岸分支主要是冬季风旋度导致海表面高度调整引起的。此外, Wu[54]提出非均一的潮混合可能是台湾暖流跨越等深线入侵的重要机制。Huang等[55]基于锚系ADCP观测研究了27.5°N以南台湾暖流的季节变化, 季节外变化以及天气尺度变化, 认为台湾暖流的变化主要受风场, 海表面高度和海表面高度差影响。Wang等[56]应用漂流浮标数据证明台湾暖流向岸分支至少可以入侵到30°N附近的海区, 并认为南北海表面高度差导致的地转效应是引起台湾暖流能够入侵的重要机制。Zhou等[49]通过数值模拟和观测研究认为台湾暖流的入侵范围受到台湾海峡流量和台湾东北黑潮分支流量控制。综上所述, 前人的研究认为地形变化, 斜压效应、风场、海表面高度差以及台湾海峡流量和台湾东北黑潮分支流量是影响台湾暖流入侵到东海陆架的主要因素。

综上所述, 前人对台湾暖流的特征、起源以及入侵机制进行了深入的研究, 其研究目光多聚焦于台湾暖流上游, 而对台湾暖流下游即台湾暖流向岸分支流轴和前锋的变化研究较少。近年来一些学者提出台湾暖流可以入侵到长江口外海域并就其来源和入侵机制开展了初步研究[11, 21, 49, 56]。Zhu等[23]通过ADCP观测提出台湾暖流在冬季可以从底层入侵到长江口外。随后Zhou等[49]通过观测和数值模拟发现2006年夏季台湾暖流携带的高盐水可以入侵到长江口外, 并提出这主要是由于跨陆坡以及通过台湾海峡的流量在当年显著升高导致的。Lian等[11]通过观测数据应用水团分析方法探讨了长江口外入侵的台湾暖流的来源, 认为台湾暖流向岸分支主要来自于黑潮次表层水。Wang等[56]应用漂流浮标数据证明台湾暖流水至少可以入侵到30°N附近。由于观测数据有限、研究方法存在差异等问题, 现有的研究认识到了台湾暖流向岸分支可以入侵到长江口海域, 但是对于台湾暖流向岸分支的范围以及路径的变化特征和变化机制缺乏系统的认识。

我们通过分析2009—2015年黄东海调查资料发现台湾暖流从底层入侵到长江口以北地区并存在季节变化和天气尺度变化。2014年在台湾暖流向岸分支路径上布放的潜标(图 2)在底层观测到了向北的台湾暖流分支。2014年夏季ADCP观测结果显示(图 3), 底层台湾暖流以北向流为主, 并且存在天气尺度的振荡。受台风影响(2014年7月10—13日, 2014年8月7—10日)底层流转向南。其中DH3(图 3c, 122°50.684′E, 28°54.826′N)以北向流为主, 从8月初开始减弱, 这可能是由于台湾暖流入侵减弱, 也有可能是8月之后台湾暖流向岸分支的流轴发生了离岸方向的摆动, 导致该站位置偏离台湾暖流向岸分支流轴, 所以观测到的北向余流减弱。DH2(图 3b, 122°56.882′E, 31°01.450′N)以北向流为主, 但是南向流出现的频率提高, 这可能是因为DH2站所处位置不是台湾暖流向岸分支的核心区域, 因而易受到其他流系影响。DH1(图 3a, 122°56.149′E, 31°59.803′N)虽然是最北的锚系站, 但是与DH4站位不同, 其流向以北向流为主, 这可能是因为DH1站位于台湾暖流向岸分支前锋的主轴上。潜标观测显示, 观测潜标站位底层流变化存在不同步的现象, 这可能是受到台湾暖流向岸分支流轴的摆动影响。

通过分析2009—2015年的黄海、东海大面调查资料, 我们初步发现台湾暖流向岸分支在不同季节的入侵路径和范围有所不同, 其流轴存在季节性摆动(图 4), 台湾暖流向岸分支存在如下特征: 1、台湾暖流向岸分支存在不同形态, 分为转向型(由南向北入侵, 在长江口外水下峡谷转向长江口, 如图 4a、图 4b、图 4d)和非转向型(由南向北不转向入侵, 如图 4c); 2、台湾暖流向岸分支跨越长江口外水下峡谷的位置也存在差异, 分为中心跨越(跨越点在峡谷中心)和东侧跨越(跨越点在峡谷东侧); 3、台湾暖流向岸分支前锋位置存在变化, 处于31.5°N(图 4b、图 4d)— 32.5°N(图 4a、图 4c)。前人的研究多基于个别航次的调查或者气候态平均结果, 不利于研究台湾暖流向岸分支流轴和前锋的变化, 因此, 对于这些变化特征缺乏详细研究。为解决这些问题, 在未来的研究中以观测数据为主, 结合数值模拟详细研究台湾暖流的前锋和主轴变化特征及变化机制。