台湾岛东北黑潮入侵回流和东海陆坡逆流是东海海洋环流系统的重要组成部分。黑潮在台湾岛东北入侵东海陆架后，一部分水体会回流至黑潮主轴，另一部分水体继续向近岸浅水区域入侵。回流是台湾岛东北黑潮入侵的关键动力过程，回流的流量直接决定了台湾岛东北黑潮入侵中国近海的净水通量。东海陆坡逆流存在于东海黑潮主轴之下的陆坡区域，是一支与黑潮流向相反的深层逆流，受台湾岛东北区域上升流的影响，很可能会对黑潮入侵和回流产生影响。长久以来，上述过程的形成机理、时空变异特征及其动力机制尚不清晰，存在较大的认识盲区，对其开展研究不仅可以深化对台湾岛东北部黑潮入侵及东海环流系统变化的理论认知, 而且可为东海生态环境的变化提供更可靠的动力学过程支撑。

本文基于ROMS（Regional Ocean Model System）建立了东海高分辨率海洋数值模式，并根据观测资料和公开数据集进行了模拟结果验证，成功模拟再现了上述过程。在此基础上，进一步从海洋环流理论出发，结合模拟结果，通过理想模型和理论推导揭示了上述过程的动力机制，主要研究结果如下：

通过对前人提出的理论模型进行分析评估，提出了新的“入侵回流模型”（下称新模型）。新模型满足地转平衡、位涡守恒、流量守恒以及沿陆架和跨陆架两个方向的动量守恒关系，给出了台湾岛东北黑潮入侵及回流流场结构的定量表达，从理论上圆满回答了台湾岛东北黑潮入侵回流的动力机制这一重要科学问题。动量收支分析结果表明，在陆架之上的区域必须存在黑潮入侵回流，才能使新模型同时满足沿陆架和跨陆架的两个方向的动量守恒关系而处于稳定状态。此外，新模型能够在稳定状态下给出入侵角度（θ ）与黑潮主轴碰撞陆架角度（α ）以及地形坡度之间的解析表达式。结合该表达式，对比模式结果、卫星高度计数据以及WOA18（World Ocean Atlas 2018）温盐数据可知，θ 的季节变化主要受黑潮主轴的摆动调制，当黑潮主轴远离（靠近）岸界时，α 偏小（大），θ 偏小（大）。新模型首次给出了台湾岛东北黑潮入侵净通量的计算公式，从理论上指出该入侵净通量的季节变化也是由黑潮主轴的摆动调制的。回流在涡度方程中存在动力学一致性，垂向积分涡度方程诊断关系表明，回流反映了位涡平流与地形与斜压联合效应、非线性平流以及底摩擦三者之间的平衡关系。该平衡关系在新模型中表现为对模型地转平衡等假设的高阶修正。示踪物实验结果表明，回流的主要来源为黑潮入侵水体，来自台湾暖流的部分水体可以与黑潮入侵水体在夏季发生混合，加入回流并汇入黑潮主轴。

基于ROMS数值模拟并结合观测资料结果,发现冲绳海槽深层存在气旋式环流,提出存在一支连续的东海陆坡逆流,指出该逆流是深层气旋式环流的一部分。本文使用位涡收支关系阐释了这一现象存在的动力机制，即进入冲绳海槽深层正的净位涡通量需要正的侧摩擦力矩项抵消，在这种平衡关系下在冲绳海槽深层边界处表现为气旋式环流，该过程由地形罗斯贝波将扰动环绕冲绳海槽边界传播。发现在春夏（秋冬）季节，冲绳海槽深层净位涡通量较大（小），气旋式环流(即逆流)整体较强（弱）。模拟结果表明该气旋式环流存在西侧强化特征，西侧的东海陆坡逆流强于东侧分支。该西侧强化是通过上方黑潮两侧的涡度梯度导致的，黑潮主轴左侧与右侧的涡度差异导致东海陆坡逆流区域在跨陆架方向存在垂向流速梯度，导致等密度面的过度倾斜进而加强东海陆坡逆流。

本文的研究成果丰富了对东海海洋环流系统的科学认识；同时也为海洋生态、地质、化学等交叉学科的研究提供了更可靠的动力学支撑。

目  录

第1章  引言... 1

1.1  研究背景及意义... 1

1.2  国内外研究现状... 5

1.2.1  台湾岛东北黑潮入侵的研究进展... 5

1.2.2  东海陆坡逆流的研究进展... 7

1.3  本文要解决的科学问题... 8

第2章  研究方法. 9

2.1  数据使用    9

2.1.1  卫星高度计数据... 9

2.1.2  世界海洋资料集... 9

2.1.3  东海PN断面观测资料... 9

2.1.4  东海DH6断面观测资料... 10

2.2  大洋环流理论模型... 10

2.2.1  海洋1.5层约化重力模型... 11

2.2.2  海洋两层行星地转模型方程组... 12

2.2.3  包辛尼斯克近似下的线性方程组和地形罗斯贝波    13

2.2.4  正压模式下的位势涡度收支... 13

2.3  数据分析方法... 14

2.4  海洋数值模式... 15

第3章  东海数值模式... 17

3.1  模式配置    17

3.2  模拟结果验证... 18

3.2.1  流场    18

3.2.2  温度和盐度... 19

3.3  本章小结    21

第4章  台湾岛东北黑潮入侵及回流... 22

4.1  模式验证    23

4.2  海洋西边界流撞击陆架的理论模型... 24

4.3  理论模型结果及局限性... 29

4.4  模型框架修正与改进... 36

4.5  入侵回流模型应用... 44

4.6  动力学等价性... 50

4.7  回流的来源... 54

4.8  讨论... 60

4.9  本章小结    67

第5章  东海陆坡逆流的产生和西侧强化... 69

5.1  模式验证    69

5.1.1  流场    69

5.1.2  温度和盐度... 74

5.2  东海陆坡逆流的时空特征... 77

5.2.1  区域地形... 78

5.2.2  东海陆坡逆流的空间结构... 80

5.2.3  东海陆坡逆流的季节变异... 81

5.3  动力机制    85

5.3.1  东海陆坡逆流形成的动力机制... 85

5.3.2  东海陆坡逆流西侧强化的机理... 92

5.4  讨论... 101

5.4.1  一致性... 102

5.4.2  敏感性... 104

5.5  本章小结    105

第6章  结论与展望... 107

6.1  结论... 107

6.1.1  台湾岛东北黑潮入侵及回流... 108

6.1.2  东海陆坡逆流... 108

6.2  创新点... 109

6.3  不足与展望... 109

参考文献        111

附录  行星地转两层模式方程组... 120

附录  地形罗斯贝波群速度推导... 120

附录  正压模式位势涡度收支方程推导... 122

附录  黑潮撞击陆架理论模型推导... 123

附录  冲绳海槽气旋式环流的西侧强化推导... 128

致谢        130

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果    132