利用Argo浮標(biāo)的海面軌跡對慣性流的研究

趙云霞，魏澤勛，王新怡

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

利用Argo浮標(biāo)的海面軌跡對慣性流的研究

趙云霞，魏澤勛，王新怡

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

利用Argo浮標(biāo)在海面漂流的軌跡信息，通過最小二乘法對軌跡進行擬合（主要是背景流和慣性流兩者的擬合），得到了慣性流的流速和軌跡，從而對不同海域處海表的慣性流進行了研究分析。以5900465號浮標(biāo)軌跡為例進行計算分析，結(jié)果表明在 130°～140°E，30°～40°N 范圍的海區(qū)內(nèi)，慣性流的最大值為 43 cm/s，最小值為 3 cm/s，平均值為16 cm/s。同時發(fā)現(xiàn)，擬合的軌跡與原始軌跡偏差較小，這說明了此方法的穩(wěn)定性及可靠性。利用Argo浮標(biāo)在海面漂流的軌跡信息提供了一個新的研究方面，可以有效利用現(xiàn)在布放在各個海區(qū)的浮標(biāo)漂流軌跡資料，提取關(guān)于慣性流更多的信息，同時也為研究慣性流對其它海洋動力過程的影響及其相互關(guān)系等提供了一個較好辦法。

慣性流；Argo浮標(biāo)；海面軌跡

慣性流是海洋中最普通的流動之一，已經(jīng)在全球不同緯度、不同深度的海區(qū)都有過觀測。一般情況下，慣性流是較為短暫的，并在數(shù)天內(nèi)消亡。不同深度或者不同海區(qū)的慣性流一般也是不相關(guān)的。慣性流多由海表面風(fēng)場的快速變化而誘發(fā)，一個海面大風(fēng)快速變化的過程往往產(chǎn)生較為劇烈的慣性流。慣性流是海洋中(尤其在上層海洋中)比較重要的一個動力過程，它是內(nèi)部海洋對外部風(fēng)場響應(yīng)的一個較為明顯的表現(xiàn)方式，即慣性流只受科氏力影響，再無其它力施加于海水微團之上。慣性流的運動軌跡是一個圓形，在北半球順時針旋轉(zhuǎn)，南半球則相反。其運動半徑與緯度有關(guān)，緯度越高，半徑越??；運動周期也是隨著緯度增高而減小。

關(guān)于慣性流的發(fā)現(xiàn)和研究，前人已經(jīng)作了很多工作[1-8]。早期主要利用錨定海流計進行定點觀測，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，又提出了利用衛(wèi)星定位浮子在海面的漂移軌跡來估計海洋的慣性流[6-7，9]。近期出現(xiàn)的下放式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler簡稱LADCP)和溫鹽深剖面儀(Conductivity Temperature Depth，簡稱CTD)對整個水柱的流速及水文特征的同步觀測，對海洋中慣性流及其它問題的研究做出了重大貢獻[8]。但是以上幾種方法都有它們各自的不足之處，主要表現(xiàn)在觀測時間的持續(xù)長度和觀測范圍的覆蓋廣度之間的矛盾，即如果定點實施長時間連續(xù)觀測，必然導(dǎo)致觀測海區(qū)范圍的減小，反之如果獲得海區(qū)內(nèi)大面觀測，必然影響在一點處采樣的時間長度。

Argo浮標(biāo)的出現(xiàn)為海洋研究提供了一個良好的平臺，它主要提供了兩種信息，一是定位信息，二是溫鹽深的剖面信息。利用定位信息，可以估算大洋中層或者深層處的流場情況[10-12]，利用溫鹽深剖面信息，結(jié)合外部的氣象參數(shù)觀測，可以得到海洋內(nèi)部對外部環(huán)境的一個響應(yīng)情況[13]。這樣，在海洋中布放的大量Argo浮標(biāo)在空間上覆蓋了較大的海區(qū)范圍，同時，每個Argo浮標(biāo)在某個時間段內(nèi)基本在一定海區(qū)范圍內(nèi)工作，可以近似地認(rèn)為保證了觀測時間長度的持續(xù)。但是利用Argo浮標(biāo)對海洋中慣性流的研究卻是提及較少，而本文正是利用Argo浮標(biāo)的海面漂流軌跡來估計海區(qū)內(nèi)的慣性流情況，為進一步獲取慣性流更多的信息及對其它海洋動力過程的影響及其相互關(guān)系提供一個較好的辦法。

1 數(shù)據(jù)與方法

Argo浮標(biāo)是一種自律式拉格朗日環(huán)流剖面觀測浮標(biāo)，當(dāng)它被布放到某海域后，它會自動潛入浮標(biāo)預(yù)定的最大深度(約2000 m)等密度層上，隨深層海流保持中性漂浮，大約經(jīng)過10 d后，它又會自動上浮，在上浮過程中利用攜帶的傳感器進行垂向連續(xù)的溫度、鹽度、深度剖面測量。當(dāng)浮標(biāo)到達海面后，一般在海面上漂移大約8～19 h，通過衛(wèi)星將觀測數(shù)據(jù)傳送到地面接收站。在表層漂移的過程中，Argo衛(wèi)星會對浮標(biāo)進行定位，通常在5～20次之間，且間隔不等(從幾分鐘到幾小時)。完成數(shù)據(jù)傳輸后，浮標(biāo)開始下潛到預(yù)定的漂流深度上，下潛時間大約為6～13 h。至此，Argo剖面浮標(biāo)完成一個觀測循環(huán)。如果沒有特殊情況，一個Argo浮標(biāo)在海上正常工作的時間可長達2～3 a。

圖1 5900465號Argo浮標(biāo)布放海區(qū)及本文所用的漂流軌跡段的序號

假定Argo浮標(biāo)在海表面的漂流軌跡為背景流速度和慣性流速度之和的時間積分，則有下式：

在實際的計算過程中，式(1)應(yīng)該離散為如下形式：

因此可以得到慣性流的流速：

式中：（xkobs，ykobs）為實際的觀測位置；σk為其標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果及分析

對于選取的5900465號浮標(biāo)的各個時間段的漂流軌跡資料，應(yīng)滿足以下兩個條件：一是時間長度超過14 h，二是在海面軌跡點的個數(shù)超過10個，這兩個條件是(4)式得到較高準(zhǔn)確度解的保證，這里共選取了24個漂流軌跡段(圖1)。提取出的慣性流的軌跡、速度以及擬合軌跡與原始軌跡的比較見圖2(展示部分剖面，其它結(jié)果類似)及圖3。

結(jié)果表明慣性流在北半球呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖中顯示的提取到的慣性流運動軌跡與理論解的軌跡，即圓形具有較小的偏差，這可能是由于局地的運動情況比較復(fù)雜，不是簡單地只包含背景流和慣性流兩部分，這與前面的假設(shè)具有一定的偏差，這也許是引起提取到的慣性流運動軌跡與理論解的軌跡具有較小偏差的一個原因。利用得到的6個未知量擬合得到的慣性流運動軌跡與原始運動軌跡的多次比較，可以看出二者的偏差均小于1 km，這說明了結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性。提取得到的慣性流的流速最大值約為43 cm/s，最小值約為3 cm/s，平均值約為16 cm/s，這與Park等[14]在日本海和東海得到的最大值40 cm/s，平均值12 cm/s較為接近。由圖3可以看出，慣性流的大部分流速范圍在10～30 cm/s之間，涵蓋了浮標(biāo)20個海面漂流軌跡段，約占總漂流段數(shù)的83%，具有顯著的統(tǒng)計特征。最大值出現(xiàn)在第75個漂流軌跡段，流速達到43 cm/s，這可能由于局地風(fēng)場的快速變化，引起一個較強的慣性流。在第28，36和40漂流軌跡段，慣性流的流速均小于10 cm/s，這可能由于局地風(fēng)場較弱，并且長時間穩(wěn)定，不容易激發(fā)比較明顯的慣性流。

3 結(jié)語

本文利用Argo剖面浮標(biāo)的海面漂移軌跡資料，研究了海洋中慣性流的運動情況，通過對浮標(biāo)海面漂流軌跡進行最小二乘法擬合，主要是背景流和慣性流兩個運動的擬合，得到了所用Argo浮標(biāo)所處海區(qū)的慣性流的流速和軌跡。文中以5900465號浮標(biāo)的不同漂流軌跡段為例進行了計算分析，結(jié)果表明在 130°～140°E，30 °～40°N 范圍的海區(qū)內(nèi)， 慣性流的最大值達到43 cm/s，最小值為3 cm/s，平均值為 16 cm/s。同時發(fā)現(xiàn)，擬合的軌跡與原始軌跡偏差可以忽略，這說明了此方法的穩(wěn)定性及可靠性。本文為充分利用Argo浮標(biāo)在海面漂流的軌跡信息提供了一個新的研究方面，可以有效利用現(xiàn)在布放在各個海區(qū)的浮標(biāo)軌跡資料，提取關(guān)于慣性流更多的信息，同時也為研究慣性流對其它海洋動力過程的影響及其相互關(guān)系等提供了一個較好辦法。

圖2 提取得到的慣性運動軌跡(上圖)，及擬合軌跡與原始軌跡的比較(下圖)

圖3 提取得到的漂流軌跡段處的慣性運動的流速

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Study of Inertial Motions Using Surface Trajectories of Argo Floats

ZHAO Yun-xia,WEI Ze-xun,WANG Xin-yi
（The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao Shandong 266061,China）

The study about the inertial motions in the ocean is conducted using the surface trajectories of Argo profiling floats by fitting the orbit information with the method of the least squares(mainly fitting background current and inertial current).The analysis of No.5900465 Argo float’s orbit shows that the maximum velocity of inertial motions are 43 cm/s,with a minimum value of 3 cm/s and a mean value of 16 cm/s in the region of 130°E to 140°E and 30°N to 40°N.Meanwhile,the little difference between the fitting trajectory and the original trajectory proves the method is stable and reliable.In principle,the more effective utilizing the Argo floats’drifting orbits data,the more information about inertial current we can obtain,furthermore,it also provides a new method to study the effect and relation between inertial current and other dynamic processes in the ocean.

inertial current;Argo float;surface trajectories

P731.21

A

1003-2029（2011）02-0072-04

2010-07-19

國家“863”計劃重點課題——南海油氣開發(fā)極端海洋動力環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究與示范（2008AA09A401-05）

趙云霞(1987-)，女(漢族)，黑龍江省牡丹江人，碩士研究生，主要從事物理海洋相關(guān)方向研究。Email:zhaoyx@fio.org.cn.