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随季节变化的季风有可能抑制南海的西边界流

梁湘三

中国南京气象学院大气海洋动力研究中心

摘要

长期以来，基于经典风生环流理论，科学家们致力于在南海寻找西边界流。在该研究中，我们发现，随季节变化的季风应力旋度有可能会对这支流动产生削弱甚至抑制作用。

引言

南海（SCS）作为西太平洋最大的边缘海，拥有世界上最繁忙的航线之一，具有巨大的经济价值。南海周边的国家，即中国、越南、菲律宾、马来西亚和文莱，对该区域的领土管辖主权，特别是对该地大量存储的油气资源的开采权利进行了长期的竞争。南海极大的武装冲突风险使其成为世界上的军事热点。

从海洋科学的角度出发，南海同样是一个非常值得关注的地方。考虑到其是一个半闭合区域与上层海洋环流，特别是南海南部环流主要受风应力旋度驱动的事实，南海很容易被视作世界大洋的缩影。如果真的可以这样认为，那么南海便为风生环流理论——物理海洋学中最成功的理论之一——提供了理想的试验台。总之，世界大洋因其巨大的空间尺度而难以调查，而南海这么大的范围却是很合适的。

世界大洋的风生环流系统中，最重要的特征便是西边界流的存在，例如太平洋中的黑潮与大西洋中的湾流。因此很长时间以来，科学家们致力于在南海寻找这样一条边界流。事实上，从几十年以前开始，这便是许多南海调查项目的主要目的。这样的想法确实很有趣。然而，南海的环流并不是由稳定风场强迫的，而是由存在年变化的季风强迫的，因此通常意义上的西边界流是否真实存在是不确定的。长期以来诸多学者，如Pedlosky的研究结果表明，随时间变化的风应力旋度驱动出的环流，与由稳定风场驱动的环流，有可能是截然不同的。记下来，我们会利用Stommel在其著名的风生环流理论中使用到的正压准地转（QG）模型来阐述这个问题。

理想准地转模型对问题的分析

让我们考虑一个含牛顿摩擦力的准地转模型：

式中的符号均按惯例表示对应的物理量。式中的这类摩擦力由Stommel最先考虑到。首先，为简单起见，我们考虑一个底边界平坦的矩形区域。与Stommel的模型不同的是，式右侧的强迫是随时间变化的：

其中为变化的振幅，为角频率。我们用该式来代表季风强迫的季节变化。

为观察周期变化的风应力强迫如何激发南海，我们需要知道其线性响应如何。去掉非线性项的控制方程（1）变为

由于，其中且表示提取实部。该方程的解可得到为

其中。回代到（3）式可得

因此，

求解与得到

二式与的零边界条件（边界处），组成一组泊松方程。故最终解为

方程组（5）-（6）可以使用级数展开求解。但是在继续进行下一步之前，我们最好先检验一些特殊情况。

i）对应于风场定常的情况。当考虑零边界条件与零强迫时，式（6）只有一个零解，即。式（5）为简单的线性Stommel模型方程，其解便是著名的含强西边界流的形式。

ii）时，可将两个方程拆开。例如，满足以下方程：。该式给出了没有西向强化现象的解。含的解也是如此。

iii）在经典Stommel模型中，西边界流是由beta;效应与非常小（但不为零）的值导致的。而在本研究中，从（5）与（6）可以看出，尽管在这组方程中与不想等，但它们的变化相似。因此当很大时，西边界流便有可能被抑制。现在，我们来检验以下该结论是否正确。

我们使用beta;效应来平衡风应力旋度，并且取。图1所示为，时的与。该解含有西向强化特征，因此必定也是如此。然而，当增大时，对应的与大大改变。图2所示为的情况。我们可以看到此刻在x方向几乎是对称的，而却有较弱的西边界流存在的迹象（？）。图3显示了对应的。可以看到西边界流明显减弱并有消失的可能。此外，在时，在环流中甚至显示出一种东边界流的强化现象。

因此标准化的决定了环流的形式。现在我们给出一估计值。南海处于北纬15°附近，g艾纬度处的科氏参数为，其经向梯度。空间尺度定为L=500km时间尺度可由罗斯贝波速度。因此或。使用这些T作标准化处理，得到365天的周期分别为大约12和9，则和0.69。流函数与图3所示相似。如果L为1000km，更大一些，此时环流中几乎没有西向强化的现象。

结论

综上，随季节变化的季风应力旋度，若其频率足够大，可能会很大程度上减弱或完全抑制西边界流。在南海，会表现为边界处较弱的强化现象。

以上处理方法没有考虑非零均值的风应力旋度，以及时间非对称的强迫。但是随时间变化的季风会减弱西边界流的观点仍然是成立的。此外，该研究忽略了南海的特殊地形，而地形beta;效应较强会导致环流在南海海盆南边界的东侧发生强化。

决定南海环流形式的其他因素如斜压性、区域形状、风应力的不均一等，在这个简短的研究中同样没有考虑。我们确定的是，西边界流不存在并不是一个令人惊讶的信息；如果西边界流存在，那么用定常风生环流理论来解释该现象也许并不合适。

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