双核心吕宋潜流的特征与形成：数值模式研究

《Ocean Modelling》：Characteristics and Formation of the Double-core Luzon Undercurrent: Numerical modeling study

　　

摘要

吕宋潜流（LUC）和棉兰老岛潜流在菲律宾以东汇合，为热带西太平洋中向东流动的北赤道潜流输送水体。作为西边界沿岸向赤道方向次表层输运的关键通道，吕宋潜流与邻近海流之间存在密切的相互作用。多源观测揭示了吕宋潜流在18°N处显著的双核结构，但其时间变率和形成动力学机制仍知之甚少。利用经验证且物理合理的海洋环流模型，我们成功重现了黑潮之下的这一双核结构。附着于菲律宾海岸的近岸核（近岸-LUC）的最大流速大于位于其东侧约100公里处的离岸核（离岸-LUC）。季节上，冬季近岸和离岸吕宋潜流合为一体，产生最大总输运量；而其余季节两者保持分离，秋季输运量最小。近岸-LUC的输运来源于吕宋海峡中层外流和北赤道流深层部分（DNEC），且具有显著的季节信号；离岸-LUC主要由DNEC供给，并表现出明显的季节内变率。地转流主导了近岸和离岸吕宋潜流，而年龄转贡献占近岸-LUC输运的约8%，这归因于边界层非线性和摩擦力。非对称的海面高度倾斜和等密度面倾斜导致正压和斜压压力梯度力之间的不平衡，从而维持了向南的近岸-LUC/离岸-LUC以及两者之间的北向流。本研究在Li和Gan（2022）运动学描述的基础上，阐明了近岸和离岸吕宋潜流各自独特的时空特征和动力学成因。

引言

西太平洋上层环流主要以北赤道流（NEC，本文常用的缩写列于表1）、黑潮（KC）和棉兰老岛流为特征（Hu et al. 2020; Nitani 1972; Qu et al. 1998; Toole et al. 1988; Toole et al. 1990; Wang et al. 2022; Zhai et al. 2014）。通过观测测量、海洋再分析产品和海洋一般环流模型的大量文献已广泛记录了该上层环流系统在调节水和能量输运、影响边缘海和全球海洋环流以及促成气候变率方面的重要作用（Chern et al. 1990; Hu et al. 2020; Kashino et al. 2009; Nan et al. 2015; Nitani 1972; Qiu and Lukas 1996; Sch?nau et al. 2015; Xue et al. 2004）。

相比之下，由吕宋潜流（LUC）、棉兰老岛潜流和北赤道潜流（NEUC）构成的次表层潜流系统直到20世纪90年代才得到较大程度的探索。吕宋潜流和棉兰老岛潜流分别逆流于其上覆的黑潮和棉兰老岛流，首次是利用黑潮合作项目（Cooperative Study of the Kuroshio）巡航期间获得的船载电导率-温度-深度（CTD）测量数据识别出来的（Hu and Cui 1989; Hu et al. 1991; Qu et al. 1997）。随后，通过积累的多源观测数据集和21世纪10年代的原位系泊式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）记录得到了佐证（Hu et al. 2013; Lien et al. 2015; Ren et al. 2018; Wang et al. 2015; Zhang et al. 2014）。这两支潜流在向东的北赤道潜流（NEUC）急流源头处汇合，将次表层水体输运至中太平洋和东太平洋（Li and Gan 2020; Qiu et al. 2013b; Zhang et al. 2017）。

吕宋潜流作为西太平洋西部边界沿岸向赤道方向次表层水输运的关键通道（Li and Gan 2022; Lien et al. 2015），位于黑潮（KC）下方约700米深处。基于多种观测资料，其年平均最大流速约为0.01至0.1米/秒，向南输运量约为1至3.6 Sverdrup（Sv）（Li and Gan 2022; Lien et al. 2015; Ma et al. 2022; Qu et al. 1998）。一个独特的空间特征——双核速度结构——已通过船载CTD测站和历史水文数据推导的地转速度在18°N断面被识别出来（Qu et al. 1998; Wang et al. 2015）。西侧核（近岸-LUC）附着于海岸，流速强于位于约100公里离岸处的东侧核（离岸-LUC）（Qu et al. 1998; Wang et al. 2015）。在123°E以西近岸部署的配备ADCP和CTD的原位系泊观测仅捕捉到了狭窄的近岸-LUC，显示流速为0.1至0.2米/秒，并伴随显著的变率（Hu et al. 2013; Lien et al. 2015; Ma et al. 2022; Wang et al. 2014）。然而，由于123°E以东缺乏系泊观测，离岸-LUC尚未通过ADCP直接观测到。

鉴于吕宋潜流在西太平洋次表层水输运中的重要性，其变率、来源和形成动力学已通过综合观测和数值模拟方法得到研究。已有季节性调制的记录，吕宋潜流冬季增强，春夏减弱，该行为归因于受局地风应力控制的大尺度环流（Hu et al. 2013; Wang et al. 2014）。45至80天周期的季节内变率与局地次表层中尺度涡及从南方传播而来的涡旋有关（Hu et al. 2013; Wang et al. 2014）。关于吕宋潜流的来源，已开展多项数值模拟研究（Gao et al. 2012; Lien et al. 2015; Wang and Hu 2012）。Gao等人（2012）采用ECCO（Estimating the Circulation and Climate of the Ocean）模型及伴随示踪剂分析，提出吕宋潜流的41%来源于黑潮延伸体。同年，Wang和Hu（2012）基于混合坐标海洋模型应用Lagrange轨迹方法，将吕宋潜流追溯至黑潮（KC）与亲潮的交汇处。随后，Lien等人（2014）利用MIT一般环流模型得出类似结论，指出吕宋潜流包含了来自菲律宾海西部的水体。总体而言，这些研究一致认为吕宋潜流来源于东部，由太平洋内部水体供给。最近，吕宋海峡中层外流（LSMO）被识别为吕宋潜流的另一来源，从吕宋岛东北角进入（Li and Gan 2022）。LSMO位于吕宋海峡（LS）约500至1500米深度，代表夹在上层向西流和深层向西流之间的向东输运（Gan et al. 2016b; Tian et al. 2006）。它在吕宋海峡以东与北赤道流的深层部分（DNEC）汇合，为吕宋潜流和台湾以东的北向黑潮深层（DKC）提供中层水（图1），这一格局已获Li和Gan（2022）利用World Ocean Atlas数据的佐证。北向黑潮下方南向吕宋潜流的形成已被解释为东西向密度梯度引起的斜压效应的结果（Li and Gan 2022; Wang et al. 2015）。Qiu等人（2015）提出了一个关于北太平洋低纬度西部边界流的次温跃层新范式，认为吕宋潜流与交替的东西向NEUC急流（Qiu et al. 2013a; Qiu et al. 2013b）有关，并通过上覆风驱动的黑潮的斜压不稳定性产生（Qiu et al. 2015）。然而，此前关于吕宋潜流形成动力学的研究尚未涉及其独特的双核结构。

尽管早期研究已阐明了吕宋潜流的一般特征，但双核结构——尤其是离岸-LUC——仍缺乏充分表征，这主要归因于原位系泊ADCP观测的空间覆盖范围有限。此外，以往模型模拟很少重现出清晰的吕宋潜流双核构型，从而阻碍了对近岸和离岸-LUC的来源和形成机制的独立研究。本研究利用中国海多尺度海洋建模系统（CMOMS），成功捕捉到吕宋潜流的双核结构，并独立揭示了近岸-LUC和离岸-LUC的各自时空特征和来源。此外，本研究通过评估地转和年龄转速度分量以及诊断正压和斜压压力梯度力（PGF），探索了双核结构背后的形成动力学。

模型描述

中国海多尺度海洋建模系统（CMOMS）（Gan et al. 2016a; Gan et al. 2016b）用于研究西太平洋双核吕宋潜流和邻近次表层海流的特征和动力学。CMOMS基于区域海洋模型系统（Shchepetkin and McWilliams 2005），采用2.5阶湍流动能闭式方案（Mellor and Yamada 1982）进行垂直混合参数化。模型区域涵盖中国海区域，

速度场

图1中的黑色方框显示了我们研究区域：吕宋潜流的源区。与吕宋潜流密切相关的邻近海流用彩色虚线箭头示意表示。该黑色方框的边界分别对应18°N、23°N、121°E和125°E断面，在本分析中分别作为考察吕宋潜流、DKC、LSMO和DNEC的参考断面。

基于GLORYS12V1海洋气候态平均（1993至2022年）速度数据，

季节变化

18°N断面春季（3、4、5月）、夏季（6、7、8月）、秋季（9、10、11月）和冬季（12、1、2月）的平均经向速度剖面揭示了近岸和离岸吕宋潜流在季节时间尺度上显著的空间和时间变率（图4）。空间上，春季至秋季近岸和离岸吕宋潜流之间保持着分隔的北向流，而冬季两者合为一体。

地转和年龄转贡献

吕宋潜流的空间尺度表明其应主要由地转平衡控制。然而，附着于海岸边界的近岸-LUC可能会经历不可忽略的年龄转贡献。为了量化近岸和离岸吕宋潜流中的地转和年龄转分量，我们分析了CMOMS中的动力学项。CMOMS中的动量方程可表示为：

ACC = PGF + COR + HADV + VADV + HVISC + VVISC

其中ACC表示加速度，PGF表示

总结

基于船载CTD测量和历史水文数据的观测研究揭示了南向吕宋潜流在北向黑潮之下于18°N处的独特双核结构（Qu et al. 1997; Qu et al. 1998; Wang et al. 2015）。然而，近期集中部署于菲律宾海岸附近的系泊观测未能捕捉到离岸速度核（Hu et al. 2013; Lien et al. 2015; Ma et al. 2022）。此外，以往的数值模拟研究几乎难以重现

CRediT作者贡献声明

Junlu Li：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，资源，方法学，研究，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的可能影响本论文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金（42406001）和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）（SML2024SP009, 311024005）支持。我们感谢香港科技大学海洋科学系提供CMOMS数据，以及天津和广州国家超级计算中心的支持。

Junlu Li
中山大学海洋科学学院，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），中国珠海