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探秘“海洋中的河流”

2020-12-07 10:10:18    来源: 中国自然资源报    作者:方正飞

浩瀚的海洋中,除了有潮涨潮落、波浪起伏,还有一部分海水,像是陆地上的大江大河,朝着一定的方向奔流。这就是海流,被称为“海洋中的河流”。

海流在全球海洋物质输送和热平衡中起着重要作用。因此,海流的研究,对于气候变化、生态环境、渔业捕捞、海上运输、油气勘探……都有着极为重要的现实意义。

近期,自然资源部卫星海洋环境动力学国家重点实验室副研究员赵瑞祥在英国学术期刊《科学报道》上发表了关于中日韩联合开展琉球海流观测的论文,阐述了琉球海流结构和时空变化特征。该论文通讯作者为实验室研究员朱小华,实验室兼职“海星”学者、韩国仁荷大学教授Park Jae-Hun为该论文合作者。

朱小华介绍,海水大规模的定常运动形成了海洋环流,西边界流是海洋环流的重要组成部分,在全球海洋物质输送和热平衡中起着重要作用。琉球海流与黑潮(日本暖流)同属北太平洋西边界流,琉球海流沿琉球群岛东侧向东北流动,对我国气候变化产生了重要的影响。

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中方科研人员布放观测设备现场。受访者供图

科学认识待加强

琉球群岛海域是连通我国东海与太平洋之间的重要通道,也是全球台风活动较为频繁的地区。因此,了解掌握琉球群岛周边海域的海洋动力环境是开展海洋环境预测预报的重要基础。

朱小华说:“琉球岛链位于东海陆坡外沿,将西北太平洋的西边界流分成东海黑潮、琉球海流两个部分。琉球群岛被这两支西边界流包夹起来,如同一个‘三明治’。”

黑潮以强流而闻名、琉球海流以潜流而著称。这两支动力特征迥异的西边界流通过岛屿间的海峡进行物质和能量交换。

庆良间海峡、吐噶喇海峡是琉球岛链中最深和最宽的关键通道,在太平洋和东海水交换过程中扮演了重要角色。研究琉球岛链关键通道的水交换过程及其机制,对保障我国东海海洋渔业发展、海上运输安全、海上油气勘探等具有较大的现实意义。

黑潮通过自南向北的热量和水量输送,在全球气候变化中发挥了重要作用。琉球海流作为北太平洋重要的西边界流,弥补了日本四国岛以南黑潮流量和东海黑潮流量的差,是一支可和黑潮相匹敌的海流。

近期研究发现,虽然琉球海流流量小于黑潮,但由于其特殊的潜流结构,营养盐输送量和黑潮相当。因此,黑潮和琉球海流对于全球气候变化、海洋物质循环具有重要的科学意义。

多年来,我国研究人员对黑潮尤其是东海黑潮开展了长期系统的研究,取得了一系列研究进展,加深了对黑潮的科学认识。我国对于琉球海流的研究起步较晚,上世纪90年代开始对琉球海流的特征、变异、与黑潮的水交换等科学问题有了一定的研究和认识。由于我国对黑潮和琉球海流的长期系统观测还较缺乏,对这一海区的海洋动力过程缺乏详尽的了解和认识。

联合观测获进展

上世纪80年代,中日科研人员合作开展黑潮观测,为双方联合开展琉球海流研究奠定了基础。

据朱小华介绍,上世纪80~90年代,中日海洋科学家联合开展了“中日黑潮合作调查研究”和“中日副热带环流合作调查研究”两个海洋科技合作项目,中国科学院院士、自然资源部第二海洋研究所研究员苏纪兰负责中方科技研究项目的组织实施。海洋二所研究员袁耀初与日本筑波大学、九州大学、鹿儿岛大学、广岛大学的科研人员开展了多次联合观测和研究项目,在国际合作方面取得了一系列成果。自1986年起,中日海洋科学家开展了为期7年的黑潮联合调查研究。按照安排,双方每年组织4个航次大规模海上调查,苏纪兰担任该课题中方首席科学家。

2000年~2006年,朱小华在日本工作期间随日本鹿儿岛大学水产学院“鹿儿岛丸”号船(旧船),参与了黑潮和琉球海流的海上观测航次。2014年10月,海洋二所与鹿儿岛大学水产学院签署合作协议,就联合开展黑潮和琉球海流观测达成合作共识。

2015年6月,中日韩科学家对日本宫古岛附近的琉球海流开展了首次联合海上观测,在琉球群岛东侧海域开展了22个站位的CTD(温盐深仪)、LADCP(下放式声学多普勒仪)等观测,布放了7套PIES/CPIES(倒置式回声仪)和3套ADCP(声学多普勒仪)锚系浮标等,获取了宫古岛附近琉球海流区和黑潮区的水文观测资料。

2016年6月,在第二次联合观测航次中,科研人员首次进行了CPIES遥测,完成了多个点位的深水锚系浮标的回收、布放作业,获取了宫古岛附近琉球海流区和黑潮区的CPIES、CTD和ADCP等水文观测资料。

2017年6月,在第三次联合观测航次中,科研人员收回了之前布放的锚系设备(包括7套CPIES、3套ADCP、2套锚系海流计潜标),开展了CTD观测和ADCP观测。航次期间,科研人员完成了46个站位的CTD和LADCP观测。

“通过这次联合观测,我们获取了为期两年的连续观测资料,包括海底压力、声传播时间和海流数据等。”朱小华说,联合观测为研究琉球海流时空变化获取了极佳的观测资料,对于阐明琉球海流起源等科学问题具有举足轻重的作用。

为进一步加强中韩海洋科学交流合作,2017年7月,海洋二所与韩国海洋科学技术研究院签订合作研究备忘录。

2017年底,海洋二所联合韩国海洋科学技术研究院在棉兰老流海区开展了锚系阵列观测。2019年底,科研人员将之前布放的仪器全部回收,相关数据分析和研究工作正在进行中。

国际合作再深化

中日韩联合观测发现,琉球群岛周边海域存在以次表层流核为特征的琉球海流。流核大致位于500米深度,平均流速达19.4厘米/秒。从太平洋西传的中尺度涡(海洋中的一种涡流)致使琉球海流存在很强的近100天周期变动。

研究发现,琉球海流相比同纬度的海流展示出更强的正压特征,首次基于锚系观测证实了琉球海流稳定地存在于冲绳以南海区。科研人员认为,琉球海流极有可能起源于台湾东北海区的黑潮东分支。

该实验室研究人员刘昭君基于观测资料和HYCOM(混合坐标海洋模式)再分析资料,揭示了庆良间海峡“深水瀑布”的时空变化特性及机制。研究发现,庆良间海峡“深水瀑布”的变化不仅受海峡两侧(东海和太平洋侧)密度差的影响,还受琉球岛链东侧琉球海流强弱及位置的影响。

目前,实验室琉球海流研究团队的“琉球岛链关键通道水交换及机制”项目已获得国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目资助。

据介绍,项目将通过中日韩国际合作,进一步在琉球岛链关键通道开展具有针对性的观测作业,在前期合作观测获得的长期锚系阵列观测资料基础上,结合走航ADCP、Argo浮标、卫星遥感资料和数值模式,研究琉球岛链两侧黑潮与琉球海流的相互作用及关键通道水交换的时空特征,阐明中尺度涡对西边界流和水交换的影响机制,分析与评价琉球岛链两侧水交换等过程对东海海洋动力环境的影响。

研究团队认为,项目的实施将对北太平洋西边界流及琉球群岛周边海洋环境研究具有重要的科学意义,对我国东海环境预测预报等具有较大的现实意义。

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关键词: 海洋科技
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