海洋棱镜

北赤道潜流从何而来?因何而立?

研究内容

      太平洋暖池位于西北太平洋的赤道和亚热带地区,蕴含了丰富的热量和能量,暖池中的海洋洋流对热量和能量的分配起到了关键性的作用。在东北信风的驱动下,北赤道流在菲律宾东岸约13°N的位置分叉,形成两条西边界流:北向的黑潮和南向的棉兰老流。黑潮将高温高盐高密度的暖池水团携带至中纬度区域,而棉兰老流将亚热带水团带往赤道区域,和新几内亚沿岸流汇聚形成东向的北赤道逆流。这个主要由北赤道流、黑潮以及棉兰老流组成的西北太平洋表层环流系统对全球海洋环流乃至全球气候变化都有着深刻的影响。基于经典的Sverdrup理论框架以及自90年代以来的卫星观测数据,辅以定点挂载/走航船载流速计观测数据,人们对西北太平洋表层的环流以及动力机制已有较清晰的认识。

      20世纪末,基于少量的航次观测,学者们发现在北赤道流,黑潮以及棉兰老流下方均有一条较弱的反向潜流。这些潜流意味着西北太平洋中层有与上层完全相反的海水、热量、能量分配过程,其背后的动力机制与风生环流截然不同。21世纪以来,人们大力发展西北太平洋区域的中层水观测系统,包括全球海洋观测网络计划Argo,让我们对西北太平洋的中层洋流有了更深的了解。北赤道潜流多射流结构的发现以及吕宋潜流和棉兰老潜流季节内变化的揭示,成为近年来对西北太平洋潜流系统研究最具突破性的进展。

      在西北太平洋潜流系统中,北赤道潜流的地位乃是重中之重。它不仅负责将西部太平洋中层水往东部输送,而且连接了西边界潜流和大洋内区的次表层水。目前的观测数据绝大多数只能提供温盐剖面及其反演的地转流速度场,忽视了非地转部分的流动。同时,现有观测手段的时空分辨率以及覆盖范围尚不足以展现完整的潜流系统特征。因此,人们对北赤道潜流从何而来,因何而立,还未有明确的答案。

      为了进一步探索西北太平洋的潜流系统,尤其是北赤道潜流的时空特征,来源以及动力机制,香港科技大学甘剑平教授团队(http://ocean.ust.hk)基于合理的物理假设建立了理想化北太平洋数值模型,辅以现有的观测数据,对北赤道潜流进行了过程及动力导向的研究,最终揭示了较清晰完整的西北太平洋潜流系统,同时,对北赤道潜流的形成和维持提出了全新的动力解释。

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北赤道潜流的形成和动力机制概念图

研究结果

     研究结果表明,东向的北赤道潜流由西至东逐渐减弱且贯穿整个北太平洋。该洋流主要出现在下半年,而上半年则被较缓慢的西向流替代。北赤道潜流根据经向特征长度可以分为占比90%的大尺度和占比10%的中尺度部分。根据过往的研究,北赤道潜流的中尺度部分是由来自东部太平洋的中尺度涡西向传播形成的。而对西部、中部以及东部太平洋的压强梯度力研究表明,下半年出现的北赤道潜流大尺度部分是由密度梯度产生的斜压作用克服海表面高度梯度产生的正压作用产生的。在夏季和秋季,北赤道潜流的总输运主要由吕宋潜流和棉兰老潜流分别通过北部和南部的北赤道潜流供给。除了吕宋潜流和棉兰老潜流作为最主要的驱动力外,西边界非线性作用,风应力旋度通过表层流衰减后提供的摩擦力以及密跃面倾斜产生的压力矩等也共同影响着北赤道潜流的变化特征。

研究关键点

1. 由西至东逐渐减弱的北赤道潜流贯穿北太平洋,主要出现在下半年:夏季由北部的吕宋潜流而来;秋季由南部的棉兰老潜流而来。
2. 在海表面倾斜和密度场梯度的共同作用下,由斜压效果建立起的动力骨架支撑着北赤道潜流的东向输运。
3. 由吕宋潜流和棉兰老潜流带来的行星涡度通量是北赤道潜流的主要驱动力,同时,西边界动力产生的非线性作用,风应力旋度经过表层流衰减后提供的摩擦效果,以及密跃面倾斜和波动带来的压力矩对北赤道潜流的变化特征也有相当程度的影响。

 

文章详细信息:
Li, J., & Gan, J. (2020). On the formation dynamics of the North Equatorial Undercurrent. Journal of Physical Oceanography, 50(5), 1399-1415.
https://doi.org/10.1175/JPO-D-19-0142.1