浅析南海海流对冬季风应力的影响特征

摘 要 我国是典型的季风气候，处于亚洲季风区。受到赤道西风的影响，我国南部的南中国海是季风盛行的区域。5月开始，南海夏季风爆发，海面上西南风盛行。到了10月，南海开始受冬季风的影响，盛行东北风。季风动荡产生的风应力作用会对南海的海况产生很大的影响，本文通过使用美国普林斯顿海洋模式（POM）的南海版本（SCS-POM）模拟南海海流在持续冬季风应力作用下的影响特征。

关键词 南海海流；冬季风应力；影响特征

从静止的海洋出发，南海海流在冬季风风应力的驱动下具有明显的时间变化。垂直积分后的海流大约需要4个月的时间才能达到稳准定态，海洋的表层、次表层、深层的时间演变也有类似的特征。SCS-POM可以模拟出南海的沿岸流、边界流和涡旋状结构，研究出在南海地形、形状、地理位置条件下，海洋对冬季风应力的影响过程和稳准定态下海洋的垂直（水平）分布。

1 美国普林斯顿大学海洋模式（POM）的概况

POM是一个三维的原始方程海洋模式，POM模式的發展过程和模式方程组可以参阅Mellor和Blumberg的文章，这是美国常用于研究海湾的海洋模式之一。POM在国际互联网的版本中是一个箱体模式，只有温盐垂直分布和动力过程。使用这种模式可以研究南海的海气相互作用，形成一种南海海洋模式。研究人员根据南海海底的复杂情况代入压力梯度计算格式，大大提升了压力梯度的计算精度。在模式的水平方向使用经纬度网格，可以简化计算步骤。POM使用了TKE湍流闭合方法，得到垂直湍流的交换系数。垂直方向采用δ坐标系[1]。时间积分采用分离算法，对外波分量采用较短的时间步长，对内波分量采用较长的时间步长，POM的计算效率较高。经过改造后的SCS-POM是在原POM的基础上取分辨率为0.5°×0.5°，垂直方向非均匀分布23层，内波的时间步长为2400s，外波时间步长60s。

2 数值实验方案

在使用POM模式的研究中人们只关注南海海流在冬季风应力作用下的影响特征，所以将海气之间的感热、辐射和水汽交换设置为零，此等状态下的海水热能守恒。由于，南海为半封闭海峡，与热带太平洋相连的马六甲海峡较小，台湾海峡、卡里马塔海峡和巴士海峡属于开放式边界，其余海峡都是封闭海峡。开放的边界给定了全流的法向分量，实现了该区域内海水的质量守恒[2]。根据海水的质量输送计算出海峡开放边界的全流法向分量。因此，可以确定南海海流内台湾海峡的全流法向分量为0.25m/s，巴士海峡的全流法相分量为0.05m/s，卡里马塔海峡的全流法向分量为0.3m/s。将台湾海峡称为北部海峡、巴士海峡为冬部海峡、卡里马塔海峡为南部海峡。北部海峡和东部海峡都是流入边界，南部海峡为流出边界。

3 南海海流对冬季风应力的影响特征

南海又受季风影响，大概5～9月以西南季风为主：11～3月以东北季风为主。4月与10月是季风转换季节。南海的表层海水，因受季风的吹拂等原因，冬夏的流向亦有所不同。夏季（以八月为例），从爪哇海通过卡里马塔海峡和加斯帕海峡流入南海的海水，因受西南季风的吹送，转向东北流，经巴士和巴林塘海峡汇入太平洋的黑潮中，或通过台湾海峡进入东海。而在北部湾、退罗湾和南海的东部各有顺时针方向的局部小环流。至于冬季（以二月为例）情况恰相反，那时从东海通过台湾海峡南下的海水和从太平洋通过巴士和巴林塘海峡的海水，进入南海之后，因受东北季风的吹送，向南海西侧南下，至越南中部海岸流速最大，有时每小时可达二公里，抵马来半岛后折向东南流，经过卡里马塔等海峡流入爪哇海。此时，北部湾与退罗湾二处亦有小环流，唯流向与夏季不同而作逆时针方向。而南海东部则有由苏禄海通过民都洛与巴克巴拉海峡的水形成由东向西的补充流。

3.1 全流的时间演变

全流是海洋整层垂直平均流，也称输送流，主要负担海水质量的输送。在数值积分的前30个模式中，只有南部较浅和开放边界区域才有较大的海流。全流存在于南海中部的深盆区与浅水区。台湾海峡与巴士海峡的开放边界会出现逆时针涡旋流，开放边界的向内海水质量输送造成了北部深海盆区域的海水堆积，同时也是因为风应力产生的深海向南流较小。南部海峡的开口处海水向外输送，风应力产生的海流较明显，全流流速可以达到81cm/s。在第60个模式中南海的全流分布呈现出明显的变化，全流主要集中在南海中部的深海盆和浅水区，最大全流流速降低为57cm/s。全流的涡旋结构明显南海中部深海盆地区有三个涡流，两个边缘位置的为反气旋性，中间位置的为气旋性。南部浅水区的全流分布简单，不过仍然存在涡旋结构。SCS-POM研究发现，海水质量输送多发于南海内部，开放边界处的出入流较小。

3.2 表层流的时间演变

POM第一模式层上的海流被称为表层流，平均深度为10m。冬季风的风应力直接作用于海表时可以驱动表层海流。除了开放边界以外，海水的流动都是先从表层开始的，表层流的大小取决于第一模式层的厚度以及风应力的大小。当积分到30天的表层流，其风应力和海流的方向比较贴近，深海区的表层流较小，浅海区较大。台湾海峡会出现明显的入流，巴士海峡的入流较小，卡里马塔海峡则是明显的出流。南海海流的涡旋状结构不明显，海流流速最大在84cm/s左右。到了第60天，表层流会发生较大的变化，南海海域内的涡旋流会增多，深海区的海流增大，出入开放边界流减小。30m深的浅层海流，它的演变特征、流型分布与表层流很相似，最大流速比表层流小。在定常的冬季风应力作用下，表层流需要经过4个月的时间才可以达准稳定态。从研究的演变特征来看，南海的深层海流响应时间长，浅表层海流和全流对风应力的响应时间约为4个月。通过此次研究，我们可以了解到海洋海流的概况，了解南海海流对冬季风应力的影响特征，为日后的数值实验提供参考资料。

参考文献

[1] 关皓，周林，薛彦广，等.南海中尺度大气-海流-海浪耦合模式的建立及应用[J].热带气象学报，2012，28（02）：211-218.

[2] 刘萌，王永红，李三忠.晚更新世以来南海冬季古海流分布格局和演化机制[J].海洋地质与第四纪地质，2015，35（05）：87-94.