2018年3月27日

北太平洋西邊的輸送帶―黑潮

(本文與臺灣大學海洋所-科技部自然司海洋學門資料庫合作)

詹森/任教臺灣大學海洋研究所。
郭天俠/任職臺灣大學海洋研究所科技部自然司海洋學門資料庫。

黑潮是北太平洋靠近東亞大陸邊緣的海洋高速公路,以每天80公里左右的速度將大量高溫、高鹽的海水由低緯度輸送到中緯度海域,不僅主宰沿途海洋環境,也影響各地氣候。

2008年,一個風和日麗的春日上午,8名潛水客在墾丁南方七星岩海域被洋流沖走失蹤,海上接駁船找不到人,只好通報海巡署求助。在緊急組織海空搜救行動的同時,還要決定往哪裡找人,東西南北、求神拜鬼、眾說紛紜。幸好約36小時後這群潛水客在臺東太麻里海域被當地海巡隊全數救起,而讓這群有經驗的潛水客身不由己漂流百里的洋流就是北太平洋的西方邊界流──黑潮(Kuroshio)。

北太平流西邊洋流的高速公路──黑潮,如漂流浮標「義大利麵圖」中紅色線條聚集成的帶狀漂流軌跡位置所示,像輸送帶般由低緯傳輸巨量的水體、熱能、鹽份、懸浮質等物質到中緯度海洋。

黑潮研究緣起
黑潮是靠近東亞大陸邊緣一支由南往北之強勁海流,始於菲律賓東方,穿過呂宋海峽,沿著臺灣東岸及東海大陸棚緣,直到日本東南方,屬北太平洋副熱帶環流(Subtropical Gyre)的西段。黑潮流速大於1公尺/秒,宛如海洋的高速公路一般,輸送大量的水體、熱能、鹽份和懸浮質等物質到中緯度海洋,主宰沿途的海域環境、漁業資源、天氣及氣候等。它不只影響臺灣附近海域的海洋生態和路過颱風的強度變化,也影響東北亞地區之氣候,在全球之熱平衡和水量南北交換甚至氣候變遷上,黑潮都扮演著舉足輕重的角色。因此研究黑潮、了解黑潮變動的物理機制,進而提升數值預報準確度,自有其許多不同層面的重要性。

日本學者北野清光(Kiyomitsu Kitano)在1980年出版的Oceanography: The Past書中談到,早在17世紀德國地理學家瓦倫紐斯(Bernhardus Varenius)就注意到這支沿著東亞陸地邊緣流動的強流,而「黑潮」這名稱則是大約18世紀末日本人對這支洋流的稱呼,取其海水的顏色看起來近乎黑色之意。川合英夫(Kawai Hideo)在1972年出版的《黑潮及親潮之海況學》一書中提到,黑潮流系從南到北依地理位置由呂宋海流、臺灣海流、黑潮、黑潮延伸流(Kuroshio Extension)以及北太平洋洋流等海流所構成。不過現今從菲律賓呂宋島東邊起,經臺灣東側到日本南方的這段北太平洋西方邊界流被泛稱為「黑潮」,這是目前一般人對黑潮地理位置的認知,至於兼顧習慣用法以及地理位置的海流名稱,可參考臺大海洋所出版的《臺灣區域海洋學》。

黑潮誕生
北緯10~40度之間北太平洋副熱帶環流的形成,並非簡單地由風推海水移動所能解釋清楚的。首先,低緯度信風和中緯度西風吹拂在海面上,各自產生朝往風向右方的淨海水輸送(學理上稱艾克曼輸送,Ekman transport),大洋中間水位因而堆高隆起,而這個中間高、四周低的海面高差使得「水往低處流」,但因持續受到地球旋轉的作用(即科氏力,Coriolis force),形成龐大的順時針旋轉環流系統。而由於科氏力製造的向右偏轉效應對中緯度洋流比對低緯度洋流效應大,因此環流北邊東流水向南的輸送水量多於南邊西行海水向北偏的量,造成大洋環流區內平均水流向低緯區移動(向南)的趨勢。這麼大量的水南行到赤道以北後通通要轉向西集中,產生西行強化現象(Westward intensification),接著再右轉沿著北太平洋西側邊緣往北流回中緯度海域,因而製造出像黑潮這般的大洋西邊界強流。事實上,南北半球各大洋的西邊界強流如北大西洋灣流(Gulf Stream)或南太平洋東澳洋流(East Australian Current)等,都是循這個複雜的動力機制形成的,差異只在科氏力作用方向南北半球相反,因此在南半球大洋環流是反時針旋轉。

由多年漂流浮標的軌跡與速度圖明顯可見沿著北緯10度附近由東向西的北赤道洋流,碰到菲律賓時分為南北兩支,往南流者稱為民答那峨海流(Mindanao Current),往北者即為黑潮的起源,黑潮由此開始一路成長,到脫離日本東南沿岸,成為黑潮延伸流。

北半球低至中緯度大洋環流動力示意圖。這個在海洋上層大約400公尺厚、順時針方向旋轉的大尺度洋流系統,基本上是信風帶與西風帶之間風應力的順時向旋度、海水艾克曼輸送向大洋中間集中、海水面高低差形成的壓力梯度力、科氏力隨緯度變化大小不同的差異、摩擦力等攪和在一起炒出來的一道菜,過程相當複雜。

黑潮體檢
關於黑潮計畫性的海上觀測,大致可追溯到1893年日本學者和田雄二(Yuzi Wada)的實驗觀測,他利用漂流瓶追蹤黑潮行進動向。自此以後觀測資料量逐年累積,對於黑潮的輪廓也越來越了解。往後較大規模的合作探測包括1960年代聯合國教科文組織(UNESCO)所主辦的國際科學合作黑潮探測計畫(A Cooperative Study of the Kuroshio Current and Adjacent Region, CSK),這個計劃在幾個黑潮斷面測線進行水文測量,許多重要的成果出版在施托梅爾(Henry Stommel)和吉田孝造(Kozo Yoshida)共同編著的《黑潮的物理面》(Kuroshio: Its Physical Aspects)書中。1974~1975年間,臺大海洋所創所所長朱祖佑帶領我國研究船「九連號」,對花蓮至琉球石垣島間的黑潮流量(即海水體積通量)進行長期調查,由海水溫鹽水文剖面觀測資料推算出黑潮流量約在18~42百萬立方公尺∕秒之間變化,平均流量則為29百萬立方公尺∕秒,此外又推論這一段黑潮的流量年際變化較大,但季節變化並不明顯。......【更多內容請閱讀科學月刊第580期】


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