黑潮区表面漂流浮标观测结果分析

Argos 漂流浮标的若干观测结果刘增宏 1，2 许建平 1，2 朱伯康 1，2（1、国家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012）（2、国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学重点实验室 杭州 310012）摘 要： 表层漂流浮标是一种利用 Argos 卫星系统定位与传送数据的海洋观测设备，它可以利用 Lagrangian 法则连续观测表层海流及表层水温。本文利用近些年在南海和西太平洋投放的部分卫星跟 踪表层漂流浮标所取得的观测资料，分析观测海域的表层海流特征及其漂移路径上的温度变化。结果 表明：（1）由浮标的漂移轨迹看出，黑潮表层流路年际变异相当大；（2）2003 年1 月份，黑潮表层水 有入侵南海的趋势，似无西北太平洋表层水深入南海的迹象。夏季，南海表层水由南海流出经吕宋海 峡汇入黑潮主干； （3）秋季，台湾东北海区存在一个强反气旋涡，空间尺度约 270 km； （4）黑潮 主干在秋末冬初经过东海时明显呈弯曲流动，并形成许多小尺度的气旋式涡； （5）在九州西南海域， 黑潮表层流并无分支北上进入对马暖流区； （6）2003 年春季，黑潮在日本以南的弯曲不明显，并伴 随有冷、暖涡产生，暖涡的强度和空间尺度都要比冷涡大得多； （7）由漂流浮标观测的表层海水的 温度分布明显呈日变化和季节变化的特征。在浮标漂移路径呈反气旋或气旋式转动的区域，表层水温 对应出现高或低温区。但出现在台湾以东的低温区，则与此时期的台风过境有关。关键词 Argos 表层漂流浮标；黑潮；海流中图分类号文献标识码：A关于黑潮表层海流的特征，国内外有许多研究。日本学者近滕正人和玉井一寿1，根据GEK （电磁海流计）观测资料，绘制了冬、夏两季黑潮表层路径图，并结合漂流瓶资料，讨 论了东海的海流状况。我国学者孙湘平2，3也曾分析了东海黑潮表层流路和黑潮下游段的表 层流路。近十年来，随着卫星跟踪观测技术的发展，越来越多的卫星跟踪浮标（主要有表层 漂流浮标及 ARGO 剖面浮标）被用来观测海流。本文则利用近几年来在南海和西北太平洋海 域布放的 Argos 表层漂流浮标所取得的漂移路径和表层温度资料，来分析观测海域的海流及 其表层温度的分布特征，以期对黑潮表层海流及其流路等有进一步的认识和了解。1 资料来源与观测误差近些年来，我国在南海和西北太平洋海域投放了一批Argos表层漂流浮标。这里我们选 择 3 条沿黑潮路径具有代表性的浮标07070、 26707 和 27613 进行分析研究，其漂移路径见 图 1。其中07070 和 26707 号浮标布放于南海东北部海域，而27613 号浮标布放于吕宋岛以 东125.8E附近海域。三个浮标的观测时间跨度分别为1995年510月、2000年812月 及2003年16月。Argos表层漂流浮标每天大约有6组数据，包括时间、经纬度、温度等。 通过剔除明显错误的定位数据，可以计算出浮标每天的平均位置，从而计算出浮标 1 天的平 均流速。浮标设计观测深度约为15 m。由于受到风应力、波浪及水阻力等因素的影响，浮 标的运动速度与水质点的运动速度有一定的差异，由此引起的浮标测流误差约为2 cm/s 4， 5。因 Argos 定位系统对浮标的定位误差在 1km 以内6，由此引起的浮标测流误差为 5cm/s。 另外，通过剔除明显有误的海水表层温度（SST）观测值，算出每天的平均温度，最后得到 浮标表层温度的观测时间序列。2 浮标漂移轨迹与速度分析浮标的漂移轨迹见图 1。由图可以看出，3 个布放位置不同的浮标均向北漂移，在台湾 岛东南漂移路径开始趋向一致，沿黑潮表层流轴经东海到达九州以南并继续向东北漂移。其 中26707号浮标到达九州以南后没有再收到数据。通过计算发现，从台湾以东22N附近到 九州以南130E附近，07070号浮标漂移仅33d（7月8日8月9日），其轨迹最稳定；7613 号浮标用时42 d （2003年2月8日3月21日），其轨迹也比较稳定；26707号浮标用时最 长，达107 d （9月5日12月21日），其轨迹有较多旋转。在130E以东，07070号浮标 漂移速度仍然很快，但明显有大的弯曲；而27613号浮标的漂移轨迹在四国和本州以南不停 地旋转。下面把浮标的漂移轨迹划分为A、B、C三段（图2,表1、2）来讨论。A段指25N以南 海区；B段为25N以北至九州以南130E附近这一海区；C段为130E以东的海区，称为黑 潮的下游区3。2.1 25N 以南海区该海区分别指菲律宾以东的西北太平洋海域和南海东北部海域。07070号浮标（由国家海洋技术中心研制）于1995年5月 22日投放，其投放点位于 114.4E，20N的东沙群岛西南海域。由图2a可见，该浮标先向南漂移，在18. 5N附近快 速转向东，抵达117.5E后转向东北，似受吕宋岛西北侧气旋向流圈的影响作逆时针旋转。 浮标到达南海东北部的台湾西南方后， 7月中旬作反气旋转动，沿台湾岛南岸折向东并汇入 黑潮主干向北漂移。在这期间，南海受西南季风的控制（图3a），风向在台湾岛西南和吕宋 海峡转为向北，但强度已减弱。浮标的平均速度约20.0 cm/s,最大速度达106.7 cm/s （在 台湾以南），最小速度仅0.3 cm/s （出现在台湾西南）。另外，由天津海洋技术中心研制的 一个试验型ARG0剖面浮标（平台号：08718；循环时间：5 d；观测深度：350 m ）于2003 年12月底布放在台湾岛西南方海域（图4），其漂移轨迹和07070号浮标极为相似，自台湾 岛西南绕台湾南部向北汇入黑潮主干。可见，黑潮在这期间并没有直接分支进入台湾海峡。26707号浮标（图2a）于2000年8月5日布放于吕宋岛以西的南海东北部海域，大约 在9月初从吕宋岛西北进入巴布延海峡后，沿黑潮折向西，似有退入南海的趋势。但或许由 于此时期黑潮侵入南海的势力较弱，浮标作反气旋转动后，在20.5N附近退出南海沿黑潮 主干向北漂移。期间，海面风场由西南转为东北，吕宋海峡和台湾岛附近的风速增大（图 3b，3d）。Centurioni等人在利用19862002年表层漂流浮标历史资料分析菲律宾海表层 海水通过吕宋海峡进入南海的研究中也发现，表层水在 79 月份并没有向西进入南海。9 月中旬，浮标抵达25N附近，此时浮标并没有继续向北前进，而是在台湾岛以东作反气旋 转动，中间还有2次小的反气旋转动。该反气旋式转动持续了将近52 d （9月14日11月 5日），其中心位于23.5N，123E，空间尺度约270 km，最大漂移速度约55 cm/s，这一现 象与薛惠洁等9利用数值模拟的结果相当吻合，而管秉贤指出，黑潮在跨越台湾东北角的海 脊时将发生右偏10。27613号浮标（图2a）于2003年1月2日投放于吕宋岛以东的西北太平洋海域，这 期间南海主要受东北季风的控制。 1 月初从吕宋岛以东向吕宋海峡方向漂移，沿黑潮主轴在 吕宋海峡中部有明显的入侵南海的趋势，但最终未能进入南海，而是在到达台湾岛南部后呈 反气旋式转动，旋涡的空间尺度约57 km。Centurioni等人发现，在1986-2002年间有29 个表层漂流浮标向西越过吕宋岛和台湾岛之间的120.8E经线（都发生在103月份间）， 其中有相当一部分浮标在越过该经线后向东又折回太平洋。可以看出，在103月份，黑潮 表层水有入侵南海的趋势，但其强度可能跟东北季风的强度有相当密切的关系。其后，该浮 标沿台湾岛以东黑潮主轴向北漂移。在这过程中，平均速度为41.5 cm/s，最大速度约70.2 cm/s （出现在台湾以东），最小速度约11.9 cm/s （出现在反气旋涡处，表1）。2.2 东海黑潮区东海黑潮是黑潮流系的重要组成部分。由图2b可以看出，浮标在经过东海黑潮区时， 漂移路径相对比较稳定，无大的摆动和旋涡。3个浮标的轨迹基本一致，这也反映了东海黑 潮表层的路径在这一海区相当稳定。在九州西南海域，浮标向东漂移，并无北向流的存在， 因而认为黑潮表层流并无分支进入对马暖流区。07070号浮标于1995年7月26日左右进入东海，经过15 d （7月26日一8月9日） 后到达九州南部屋久岛附近。在这过程中，平均速度为79.8cm/s,最大速度94.1 cm/s （出 现在九州南部种子岛附近），最小速度64.7 cm/s （出现在奄美岛以西，见表2）。浮标沿着 东海大陆架外缘北上，至屋久岛以西约129 E附近呈90左右向右偏转并穿过吐噶喇海峡。 孙湘平2曾根据表层流轴路径的特点，把129 E附近的黑潮流轴分为三种类型。07070号浮 标与III类流轴非常相似，即在129 E附近流轴北伸最甚，而流入吐噶喇海峡时，流轴方向 偏东南，呈现较大的弯曲。26707号浮标经过46 d （11月5日一12月21日）到达屋久岛附近。浮标轨迹并不稳 定，在26 N28.5 N之间的海区连续地作气旋式的转动，旋涡尺度很小，最大直径约52 km。 浮标于128 E附近就折向东，直到屋久岛，弯曲不甚明显。平均速度为28.2 cm/s，最大速 度约51.2 cm/s，最小速度为7.7 cm/s，分别出现在屋久岛以西128 E附近和奄美岛以西旋 涡处。27613号浮标从25 N至九州南部，漂移了 37 d （2月13日一3月22日）。与其他两个 浮标不同的是，该浮标在台湾岛东北海域呈现一个反气旋式的弯曲。管秉贤11指出，在台湾 的东北方，秋、冬季黑潮表层流轴总出现一个不大的反气旋式的小弯曲。浮标的观测结果恰 好证实了该弯曲的存在。浮标在29 N，127.5 E附近就开始向吐噶喇海峡弯曲漂移，发生弯 曲的位置比其他两个浮标偏南约88 km，并从吐噶喇海峡中部进入太平洋。2.3黑潮下游段黑潮下游区位于日本以南海域。由于26707号浮标在该海区没有数据，所以在这里不 予讨论。从图2c看出，07070号浮标和27613号浮标在黑潮下游区漂移的轨迹存在明显的 差异。07070号浮标的轨迹总体上比较稳定，只存在几个弯曲。孙湘平3根据该海区黑潮40 多年的分布特点，把“下游段”路径划分为平直型和弯曲型两类。平直型又可分为N1型和 N2型。N1型在九州、四国近海距岸较近，但在远州滩近海流轴距岸较远；N2型在九州东岸 出现小弯曲，距岸较远，远州滩外流轴离岸较近。很明显，07070号浮标的漂移路径类似于 N2型，但在伊豆诸岛以南140 E附近呈现一个明显的弯曲，这又与N2型有所不同，似与这 里的冷水团有关。浮标的平均速度为46.6 cm/s，最大速度约133.5 cm/s,出现在四国以南。27613号浮标的轨迹比较复杂，在日本以南出现大的旋转。浮标自3月21日从吐噶喇 海峡进入日本以南海区，其漂移轨迹相对比较平直，但离岸较远（图1c）。至远州滩以南 137.5 E附近，浮标折向西南，绕至132.5 E附近又转向东北，沿黑潮路径漂移，作一个反 气旋式的旋转，空间尺度可达500 km。当到达伊豆诸岛附近，浮标又作气旋式旋转，其空 间尺度比反气旋涡要小得多，仅280 km，中心位置位于138 E， 33 N附近。由卫星高度计 观测到的海面高度异常和多年平均海面动力高度（相对于1000db ）合成得到的日本以南海 面动力高度场（图5）也可以看出，2003年5月15-28日，在本州以南明显存在一个冷水团， 其强度有不断增大的趋势。由此可见，黑潮的主轴内、外两侧分别存在一个冷水团和一个大 的暖水团，黑潮主轴在本州以南的弯曲并不明显。至于表层速度，反气旋涡的平均速度约42.1 cm/s,而气旋涡的平均速度只有24.7 cm/s。所以，反气旋涡无论是尺度还是强度， 都要比气旋涡大得多。3 表层温度分布由3个表层漂流浮标观测的表层温度分布见图6 (a,b,c)。07070号浮标(图6a)的表层温度变化较小，平均温度约29.9C，温度最高出现在6 月29日-7月5日，位于台湾西南海域。26707号浮标(图6b)自10月底开始，由于受冬季冷空气的影响，表层温度呈明显下 降的趋势。9月1520日，在台湾以东海区(124.0E, 24.8N)附近有一个比较明显的低 温过程，其位置与上面提到的反气旋涡相近，但这里表层温度为何呈现低温还有待进一步研 究，也有可能与2000年9月910日经过该海区的宝霞(Bopha)台风有关。整个过程观测 的平均温度为26.8C，最高温度出现在吕宋岛以北巴布延海峡附近海域，而屋久岛附近温 度最低。27613号浮标(图6c)的表层温度变化较大，变化最快。2月14日开始温度明显下降， 至4月中旬温度上升，这时浮标位于日本以南的暖涡区。而5月 10日左右，表层温度开始 下降，其位置靠近伊豆诸岛附近的冷水团。该浮标观测的表层平均温度为22.7C，最高温 度约27.2C，出现在吕宋岛以东125.8C附近。4 结论通过对上述3个表层漂流浮标漂移轨迹和表层温度分布的分析，可以得到以下几点结论：(1) 由它们的漂移轨迹看出,黑潮表层流路的年际变异相当大。(2) 2003 年 1 月份，黑潮表层水有入侵南海的趋势，但无西北太平洋表层水深入南 海。反之，由 07070和26707号2个浮标的轨迹可以看出，在夏季，南海表层水由南海流出 经吕宋海峡汇入黑潮主干。(3) 秋季，台湾东部海区存在一个强反气旋涡，空间尺度约270 km。(4) 黑潮主干在秋末冬初经过东海时明显呈弯曲流动，并形成许多小尺度的气旋式 涡。(5) 在九州西南海域，黑潮表层流并无分支北上进入对马暖流区。(6) 2003 年春季，黑潮在日本以南的弯曲并不明显，在黑潮主轴内、外两侧分别出 现冷、暖涡，暖涡的强度和空间尺度都要比冷涡大得多。(7) 由漂流浮标观测的表层海水的温度分布明显呈日变化和季节变化的特征；而地 理位置的变化似乎对表层水温的影响不大。在浮标漂移路径呈反气旋或气旋式转动的区域， 表层水温对应出现高或低温区。但出现在台湾以东的低温区，则与此时期的台风过境有关。目前，沿黑潮路径的表层漂流浮标资料相对还比较少，如果能有更多的浮标在该海区布 放，相信对深入研究黑潮表层流的特性会有重要的价值。致 谢 国家海洋技术中心余立中高级工程师为本研究工作提供了部分宝贵的资料，谨致谢忱！国30N海平南洋海中国20N115E 120E 125E 130E 135E 140E 145E 150E 155E 160E 165E26707 27613 07070图 1 Argos 漂流浮标漂移轨迹 代表起始位置1. 屋久岛 2. 种子岛 3. 远州滩 4. 伊豆诸岛 5. 奄美大岛Fig.1 Trajectories of the Argos drifters40N35N30N130E135E140E145E150E155E160E165E图2各海区表层漂流浮标漂移轨迹a.25N以南b.东海黑潮区c.黑潮下游段Fig.2 Trajectories of the drifters in different areasa. South of 15 N b. Kuroshio area in the East China Sea c. Kuroshio area to the south of Japan图3西太平洋季节平均风速场(1000hPa 1948-2003年单位：m/s )a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季Fig.3 Seasonal mean wind speed vectors in the Western Pacific (1000hpa, from 1948-2003, units: m/s)a. Spring b. Summer c. Autumn d. Winter图 4 08718 号 Argo 剖面浮标漂移轨迹 (2003.12.30 2004.03.30)Fig.4 Trajectory of the Argo profiling float (PTT: 08173; 2003.12.30-2004.03.30)图5 2003年5月15日和28日的海面动力高度(相对于1000db X 10 cm)Fig.5 Sea Surface Dynamic Height field on May 15 and May 28 of 2003 (referred to 1000db, X 10 cm)3230282018p 262206/1207/0207/2208/1108/3109/2010/1010/30日期05/22图 6 表层漂流浮标实测温度时间序列 (标记为纬度)a: 07070 号浮标 b: 26707 号浮标 c: 27613 号浮标Fig.6 Time series of sea surface temperature measured by the drifters (shaded square indicates latitude)表 1 各漂流浮标的观测时段Table 1 Periods of observing for all drifters浮标编号全程观测25N以南东海日本以南起止时间总天数起止时间总天数起止时间总天数起止时间总天数070701995.5.221995.10.311621995.5.221995.7.25641995.7.251995.8.9151995.8.91995.10.3183267072000.8.52000.12.261432000.8.52000.11.5922000.11.52000.12.21462000.12.212000.12.265276132003.1.22003.6.81572003.1.22003.2.13422003.2.132003.3.22372003.3.222003.6.878表 2各浮标漂移速度(5 天平均)的特征分布Table 2 Feature of drifting velocity for all drifters海区浮标编号平均流速(cm/s)最大流速(cm/s)最大流速位置最小流速(cm/s)最小流速位置25N以南0707027.0106.7(120.5 E, 22.0 N)0.3(120.1E, 22.3 N)2670728.261.3(121.7 E, 21.8 N)7.3(123.2 E, 22.7 N)2761341.570.2(122.1E, 23.8 N)11.9(121.7 E, 21.7 N)东海0707079.894.1(131.3 E, 30.0 N)64.7(126.1E, 27.6 N)2670726.651.2(128.2 E, 30.3 N)7.7(126.5 E, 29.1 N)2761332.251.7(130.4 E, 29.1 N)15.3(126.3 E, 27.5 N)日本以南0707046.6133.5(134.0 E,32.6N)2.8(160.3 E,30.9N)26707/2761338.179.6(132.5 E,30.3N)17.3(13 8.6 E, 34.0 N)参考文献近滕正人，玉井一寿，1975.东扌海海况,海洋科学7(1)： 27-322 孙湘平, 1987. 东海黑潮表层流路(途径)的初步分析. 黑潮调查研究论文集, 1-133 孙湘平, 1990. 黑潮下游段表层流路(途径)的初步分析. 黑潮调查研究论文选(一), 287-2994 Patterson S L, 1985. Surface circulation and kinetic energy distributions in the southern hemisphere oceansfrom FGGE drifting buoys. J Phys Oceanogr, 15:865-8835 Ishikawa Y, Awaji T, Akitomo K, 1997. Global surface circulation and its kinetic energy distribution derivedfrom drifting buoys. J Oceanogr, 53:489-5166 Service Argos, Inc. Basic Description of the Argos System7 Fang G, Fang W, Fang Y et al, 1998. A survey of studies on the South China Sea upper ocean circulation. Acta Oceanographica Taiwannica, 37(1):1-168 Luca R Centurioni, Pearn P Niiler et al, Observations of Inflow of Philippine Sea Surface Water into the South China Sea through the Luzon Strait. J Phys Oceanogr, 34:113-1219 薛惠洁, 柴扉, 2001. 南海海流数值计算. 中国海洋学文集(13): 1-1310 管秉贤,1978. 我国台湾及其附近海底地形对黑潮途径的影响. 海洋科学集刊(14):1-2111 管秉贤等，1979.东海G断面二十年(1956-1975)来黑潮表层流速的变动.科学通报(21): 990-994Observations of Argos Satellite-tracked drifters LIU Zeng-hong1,2, XU Jian-ping1,2, ZHU Bo-kang1,2 (1. Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China； 2. Key Laboratory of Ocean Dynamic Processes and Satellite Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China)Abstract: Argos satellite-tracked drifter is an ocean observing instrument using Argos satellite system for drifter positing and data transmitting. This kind of drifter can observe surface current and sea surface temperature (SST) continuously based on Lagrangian method. In this study, the characteristics of surface current and SST variation along the tracks of the drifters are analyzed using observing data obtained from some drifters, which were deployed in the South China Sea and Western Pacific ocean in recent years. The result shows that: (1)The trajectories of drifters indicate that the inter-annual variability of the surface path of the Kuroshio is large; (2) In January of 2003, the sea surface water of the Kuroshio had a tendency of intruding into the South China Sea, but not entering the interior of the South China Sea. In summer, the sea surface water in the South China Sea flowed eastward through Luzon Strait and joined the Kuroshio; (3) In autumn, there was a strong anti-cyclone northeast of Taiwan, with 270 km of spatial scale; (4) The Kuroshio flowed crookedly when it passed through the East China Sea in the late of summer and early of autumn, and formed many small cyclone; (5) There wasnt a surface branch of the Kuroshio flowing northward and entering the area of the Tsushima Warm Current, southwest of Kyushu; (6) The Kuroshio bended weekly south of Japan in autumn of 2003, and was accompanied by cold and warm cyclones, in which the strength and spatiality of warm cyclone was larger than that of cold cyclone; (7) The observed SST distribution demonstrated the characteristics of changing daily and seasonally. Corresponding to the anti-cyclone or cyclone areas where the drifter passed, the SST showed high or low. But the low temperature area east of Taiwan was related to typhoon passing at this period.Key Words: Argos satellite-tracked drifter; Kuroshio; current