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东海与南海的黑潮入侵

Chau-Ron Wu , You-Lin Wang , Yong-Fu Lin1amp; Shenn-Yu Chao

北流的黑潮往往侵入西部，调节南海和东海的水团。这些入侵在时间和空间上超越了多个尺度，我们在这里使用各种独立的数据集进行演示。有两个入侵节点，一个在吕宋海峡，另一个在台湾东北部，这些入侵在冬季上游黑潮减弱时发生。除了季节性时间尺度之外，这两种侵入在1993 - 2013年期间并不同步。虽然入侵南中国海引起了太平洋十年涛动，但台湾东北部的入侵在2002年之前明显减少，但在之后常常入侵到大陆架。这种变化是由于来自公海的西风冲击影响到黑潮干流而不是反气旋涡旋。在1993 - 2001年期间，减少的气旋涡流冲击使黑潮远离台湾东北部，削弱了黑潮侵入东海的陆架的水体。此后，2002 - 2013年期间强化的气旋涡流冲击减弱了黑潮运输，使其更靠近陆架并加强其侵入东海。

黑潮从热带向极地运输水和热。在沿途，它偶尔会通过吕宋海峡侵入南中国海（南海），并且侵入台湾东北部的东海（ECS）陆架（图1a）。 因此，太平洋与南海和南太平洋海域之间通过黑潮入侵交换水体，影响海水，海水盐度和养分平衡。

黑潮侵入体的季节性和年际变化性已经从观测和模型中得到证实。例如，10月至12月期间，发现漂流浮标通过吕宋海峡进入南海，而不是在7月至9月。最近的模拟工作证实，侵入性黑潮水在冬季能够进一步向西（〜114°E），但局限于夏季东经118°E以东的地区。侵入水体的垂直结构也已被表征，数值模拟和有限的观测揭示了年际变化。进入南海的冬季黑潮入侵往往在厄尔尼诺现象期间加强并在拉尼娜期间减弱。Wu使用绝对动态地形描述了黑潮侵入南海和太平洋十年振荡（PDO）指数之间的强相关性。就空间变化而言，从卫星高度计数据中也可以发现黑潮入侵南海的不同类型和路径。

在船舶声学多普勒电流剖面仪（ADCP）1995年至1997年中的观测表明，黑潮入侵台湾东北部的ECS陆架在冬季占主导地位，但在黑潮向海移动时，夏季入侵相对不活跃。进一步的研究表明，加强的黑潮海流向海移动与其西向入侵的减少同时发生。而随着向西侵入的加强，黑潮向西移动减弱。这种记录的黑潮海流流动也使用高分辨率的海洋模式得到证实，似乎超越了天气带，季节和年际时间尺度。迄今为止的研究仅对两个入侵地点进行了单独调查，而它们之间的联系以前未被调查过。

图1a中划分为KIS（115-120°E，15-20°N）和KIE（121.9-122.5°E，25.5-26.4°N）的两个区域被用来计算黑潮变率指数分别侵入SCS和ECS。KIS指数是整个地区的月平均海平面（以厘米为单位）。KIS（吕宋岛西部）的海平面偏低与黑潮入侵南海有很大关系。KIE中的黑潮侵入电流通常是东北向的，东向（u）和北向（v）分量。KIE（台湾东北部）每月平均速度指数准确地反映了黑潮入侵ECS货架的情况，这两项入侵指数均用于下述调查。

图1 季节性黑潮入侵中国海域平均在1993 - 2013年。（a）从Argos测量（15米深度）获得的冬季（Dec-Jan-Feb）表面电流（矢量和阴影，单位为cm s-1）。 200米等深线（黑色轮廓），吕宋海峡（LS），东海（ECS）和南中国海（南海）有标记。用红色和绿色分别表示KIE和KIS，用来指示黑潮入侵。网格数据少于24个月的网格将被忽略。（b）除夏季期间（6月 - 7月 - 8月）外，与图1a相同。（c，d）与图1a和b相同，但对于源自AVISO的表面地转电流。（e）KIE和KIS指数的时间序列，分别以cm s-1和cm为单位。所有图形都是用MATLAB生成的。

黑潮受太平洋大气环流驱动。在过去的二十年中，全球范围内能观测到大气环流和地面风的明显变化，如太平洋贸易风的加强。热带太平洋的风力驱动的环流反应了东太平洋加强的水流和冷却的贸易风。此外，热带海洋环流通过北太平洋副热带环流影响黑潮，黑潮波动影响了南海和对南海的侵入。这项研究主要集中在入侵的年代变化上，这种变化目前仍然知之甚少。侵入SCS和ECS陆架的情况在过去二十年的不同时期都表现出明显的趋势。不同的强制机制负责两个入侵。在这项研究中，我们展示了两种入侵的季节和年际变化以及剩余趋势。在年际和十年的时间尺度上，两个入侵地点在1993 - 2013年期间大多彼此独立。我们提出差异强迫机制，并讨论导致黑潮侵入ECS陆架的其他大气因素的年代趋势。

季节变化

图1a和b分别显示了冬季（12月 - 2月）和夏季（6月 - 8月）的Argos漂流浮标的速度复合资料。吕宋海峡地区出现明显的季节性模式。在冬季东北季风的作用下，北流的黑潮在南海地区有很大程度的蜿蜒曲折（图1a）。在夏季（图1b），相应的曲流明显减少并局限在东经120°E的地区。观测数据清楚地表明了这种对比的冬夏行为。侵入太平洋的水可以在冬季在吕宋海峡以西发现，但在夏季不太清楚。

在吕宋海峡以北，黑潮在台湾东海岸冬季削弱（图1a），但在夏季增强（图1b）。基于这种行为，冬季削弱的黑潮将导致其向上的入侵加强，而夏季黑潮的加强将导致其向海移动和减少入侵。图1a和b显示，这种预期的季节性对比度在台湾东北部的规模上显得太小。更具体地说，冬季侵入在陆架上广泛存在，但夏季黑潮主流保持搁架休息（200米等深线）。这种季节模式也与10年船载ADCP观测的速度组合相一致。

图1c和d分别显示了冬季和夏季的基于高度计的地转速度。这些海-气流型和强度与Argos漂流物（图1a和b）相似，特别是在吕宋海峡地区，包括黑潮的入侵位置和通道。但是，高度计数据显示的速度比Argos数据更低。Argos速度的幅度更接近系泊和船载ADCP测量的速度; 基于高度计的地转速度较弱，与该地区早期的研究一致。

图1e显示1993 - 2013年期间来自该区域KIS和KIE的两个黑潮入侵指数的时间序列。这两个系列在季节性时间尺度上相关。然而，KIS和KIE中的指标显示每月到每年的变化，整体相关系数（R）降至-0.41的中等值，显着性水平gt;99％。低于预期的R来自季节以外的变化。仅关注季节变化，KIS指数达到顶峰，而KIE指数在夏季达到最低，冬季则出现逆转。因此，两种入侵在季节性时间尺度上或多或少同步发生;然而，这些机制似乎有所不同。强烈的冬季季风加强了黑潮入侵南海。冬季北赤道潮汐分岔向北迁移导致吕宋岛上的黑潮减弱，同时也加强了对南海的侵入。然而，黑潮侵入ECS陆架可能与该地区的纬向地表热通量梯度和风应力密切相关。冬季东部台湾地区较慢的黑潮也促进了机载入侵。

年际变化率和年代际变化趋势

由于这两个地点的入侵通常发生在冬季，因此我们将重点研究KIS和KIE的冬季指数（通过对12月至次年2月的平均值进行平均得出）的年际和年代际变化。图2a和b显示了1993-2013年冬季的KIS和KIE指数。乍看之下，图2a中冬季入侵南海的指数表现为低KIS指数，并在1993-1997和2001-2006期间加剧，但在1998-2000和2007-2013期间有所减弱。这些事件反映了PDO的相位变化（图2a中的红色和蓝色条）。年平均PDO指数（虚线）与1993 - 2013年冬季KIS指数相关，R值为-0.75高于99％的显着性水平。正PDO通常与冬季KIS指数偏低和冬季侵入南加州的情况相一致，而负的PDO导致相反的模式。然而，图2b中PDO指数与KIE冬季指数（R = 0.29，统计显着性低于90％置信水平）存在弱相关性。因此，PDO通常未能指示冬季黑潮侵入ECS陆架。

另外，用集合经验模式分解（EEMD）提取KIS和KIE指数的最后一个固有模式函数（IMF），以推断1993年到2013年的年际变化趋势。也称为希尔伯特-黄变换，EEMD以时变分辨率分解振荡以更有效地保持非平稳性和非线性。因此，它对于保持时间变化的时间尺度是有用的，这些时间尺度本质上是由特定时刻的主流物理学决定的。对于IMF的每种模式，极值和过零点的数量（去除平均值后）必须相等或相差不超过1。每个IMF包含来自数据的线性或非线性信号，并且是完整的，主要是正交的和自适应的。从KIS或KIE指数开始，EEMD先后从时间序列中删除剩余的最高波数IMF，直到最后一个（最不波动的IMF）出现。我们专注于图2c和d所示的最后IMF的趋势。仅冬季KIS指数的最后一个IMF显示出明显的年代际变化趋势，从1993年到2013年增加gt; 11 cm（图2c）。这一增长在之前研究报告的范围内。KIS低海平面通常有利于冬季黑潮入侵南海。随着海平面上升，冬季黑潮入侵应相应减弱。

图2 冬季期间，黑潮侵入中国海域（1993年 - 2013年12月 - 2月）。（a）冬季KIS指数的时间序列（单位为厘米）。正（负）PDO指数也显示在红色（蓝色）彩条中。虚线是年均PDO指数。（b）仅冬季KIE指数的时间序列（单位为cm s-1）。（c，d）与图2a和b中带黑点的黑线相同，但分别仅有冬季KIS和KIE指数的残差趋势。所有图形都是用MATLAB生成的。

与冬季KIS显示的趋势相反，冬季KIE的最后一个IMF最初在1993 - 2001年期间下降，然后在2002 - 2013年期间上升（图2d）。 因此，在2002年之前，流入ECS的冬季黑潮倾向于远离货架，但之后变得更加侵扰。 根据以前的研究，ECS中的黑潮侵入应与台湾东部上游黑潮的强度成反比10。 为了验证这种反比关系是否超越了年际时间尺度，我们将1993-2013年划分为1993-2001和2002-2013两个时期。 利用来自卫星高度计数据（AVISO）的地表地转流计算两个时段上游黑潮强度的线性趋势。 1993 - 2001年期间的年代际变化趋势为正值（图3a），但2002年后为负值（图3b），与年际时间尺度上入海黑潮强度和陆架入侵之间的反比关系相似。

其他数据集也显示了类似的趋势。从包括四种海洋再分析产品（HYCOM，JCOPE-2，GODAS和ORAS4）的独立数据集中获取表面速度（接近15米深度），每个海洋再分析产品都来自不同的同化方法或模拟设置。所有的数据都一致表明上游黑潮在第一阶段（1993-2001）的集约化，但随后的减弱（在2002-2013期间），这取决于数据集（图3c和d），其变化幅度不同。图3c和d分别对应于1993 - 2001年和2002 - 2013年的时间段。对于每个周期，每个数据集产生了上游黑潮在不同覆盖区域（AVISO，JCOPE2和HYCOM 122-123°E和24-25°N; 123-124°E和22-24°的线性拟合N代表GODAS; 122-123°E和23-24°N代表ORAS4）。由于数据集的分辨率不同，每个数据集都会根据黑潮平均状态的不同路径宽度产生不同的覆盖率。然而，每个数据集的面积平均结果导致相同的趋势。

机制

对于剩余趋势，两个入侵地点在2001年之前都处于阶段，但南部地点之后变得更加不活跃，而北部地区变得更加活跃。两个侵入点之间的距离小于6°。干预动力过程预计会发生在两个地点之间的区域，最有可能是中尺度涡旋活动。 在亚热带逆流地区，源自内陆太平洋的西传涡漩经常靠近台湾东海岸。冲击黑潮，中尺度涡旋能够调节黑潮的强度。旋风涡旋削弱了黑潮，而反气旋涡旋加强了它。因此，中尺度涡旋的干预可能会改变台湾东北部侵入的强度和频率。

图3 台湾东部地区表层流速最后IMF的线性趋势。（a，b）分别使用AVISO高度计数据在1993-2001和2002-2013期间计算的最后IMF的线性趋势。 还显示了趋势（以cm s-1 yr-1为单位的阴影），平均速度（矢量，单位为cm s-1），200 m等深线（灰色轮廓）和KIE区域（三角形）。（c，d）分别来自1993-2001年和2002-2013年的5个独立数据集的上游黑潮国际货币基金组织的面积平均线性趋势（单位为cm s-1 yr-1）。 所有图形都是用MATLAB生成的

图4显示了Chelton等在副热带逆流（122-150°E和18-25°N）代用区内每个极性的年度涡流特征的时间序列，由图4a中的矩形表示。 图4b中相应数量的旋风（冷）涡在1993-2001年间有所下降，但之后有所增加，这与图2d中冬季KIE指数的趋势相似。 相反，1993 - 2011年期间反气旋（暖）涡的数量基本保持不变。 2002年至2013年期间增加的气旋涡旋活动与黑潮减弱以及侵入和侵入ECS的情况一致。

除了涡流极性之外，还检查了涡流强度的残差统计和每个极性的半径。 其中，只有气旋漩涡的半径在统计上显着。 1993-2013年期间气旋漩涡半径的单调增加应该会进一步削弱台湾东部的黑潮。

大气连接

一些大气因素也可能与黑潮入侵ECS货架有关。 其中Chao提出，冬季局部偏北风向Ekman偏移加剧了黑潮的侵入。 Oey等人 报道，黑潮的季节变化似乎与ECS陆架上的地表热通量梯度通过“斜压和缓解的联合作用”有关。 王等人最近的一项研究表明， 证明太平洋盆地风压力卷曲（WSC）的减弱减少了黑潮的运输并促进了入侵。

因此，我们检查了局部偏北风的剩余趋势，ECS架上的地表热通量梯度以及全流域WSC（数据未显示）。 其中，表面热通量梯度的变化在1993 - 2013年间没有统计学意义。 然而，1993 - 2001年期间局部偏北风和全流域自来水的剩余趋势基本保持不变，但在2002 - 2013年间增强。这与2001年后增加的对黑潮和相关货架入侵的气旋涡流冲击的影响相一致。

图4 副热带逆流地区的涡度特征由黑色矩形（122-150°E和18-25°N）划定。（a）1993 - 2013年期间涡流动能的年平均值。（b）年冷/暖涡数。虚线表示漩涡的数量。实线是最后一个国际货币基金组织。所有数据都是用FERRET生成的

结论

我们使用各种独立的数据集将黑潮入侵分析到SCS和ECS陆架上。在季节性时间尺度上，两个地点的入侵通常是同期的。 但是，在年际和年代

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