南海西北陸坡區(qū)內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波觀測(cè)研究

梁輝，鄭潔，田紀(jì)偉*

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

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南海西北陸坡區(qū)內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波觀測(cè)研究

梁輝1，鄭潔1，田紀(jì)偉1*

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

通過(guò)對(duì)2006年南海西北部海域近3個(gè)月的全水深流速觀測(cè)資料的分析，研究了該海區(qū)正壓潮、內(nèi)潮及近慣性內(nèi)波的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，全日內(nèi)潮明顯強(qiáng)于半日內(nèi)潮，且最大潮流均出現(xiàn)在海洋上層；內(nèi)潮的主軸方向基本沿東南-西北方向，近似與局地等深線垂直；內(nèi)潮能量顯示出明顯的時(shí)間長(zhǎng)度約為半月的大小潮調(diào)制周期；全日內(nèi)潮的coherent部分占全日內(nèi)潮能量的70%，而半日內(nèi)潮的coherent部分占半日內(nèi)潮能量的53%；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)半日內(nèi)潮主要由第一模態(tài)主導(dǎo)，而全日內(nèi)潮第三模態(tài)能量占總能量的比例僅次于第一模態(tài)且量值上與之相當(dāng)；強(qiáng)風(fēng)過(guò)程可激發(fā)出強(qiáng)的近慣性運(yùn)動(dòng)，暖渦使得近慣性內(nèi)波能量更有效地向海洋深層傳播，冷渦則不利于近慣性內(nèi)波能量向下傳播。

南海；內(nèi)潮；近慣性內(nèi)波

1 引言

內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部的典型波動(dòng)現(xiàn)象。海洋內(nèi)波不但是物質(zhì)和能量傳播的有效載體，也是驅(qū)動(dòng)海洋湍流混合的動(dòng)力源泉[1—2]，并對(duì)海洋工程設(shè)施、水聲通訊和潛艇水下航行等具有重大影響[3—5]。鑒于內(nèi)波研究的重要性，不少學(xué)者已經(jīng)在全球海洋的某些海區(qū)開(kāi)展了內(nèi)潮和近慣性內(nèi)波的研究。Kunze和Toole[6]基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料探究?jī)?nèi)潮與混合的關(guān)系，表明內(nèi)潮產(chǎn)生區(qū)域會(huì)出現(xiàn)混合率增強(qiáng)的現(xiàn)象。Lien和Gregg[7]在Monterey海底峽谷進(jìn)行的內(nèi)波觀測(cè)實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，混合率的高值區(qū)與始于海山頂端的內(nèi)波射線具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Klymak等[8]根據(jù)在Kaena洋脊的觀測(cè)對(duì)內(nèi)潮破碎導(dǎo)致混合過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)潮不僅自身存在明顯的時(shí)間變化特征，且其對(duì)混合過(guò)程具有明顯的調(diào)制作用。近慣性內(nèi)波在海洋中的含能也較大，對(duì)海洋中的混合過(guò)程以及維持大洋環(huán)流與內(nèi)潮有著同樣重要的作用。Jing和Wu[9]基于西北太平洋CTD觀測(cè)的密度剖面資料證明風(fēng)生近慣性運(yùn)動(dòng)對(duì)深?；旌嫌兄匾饔?。

南海是西太平洋最大的邊緣海，季風(fēng)和呂宋海峽突變海底地形與正壓潮相互作用的聯(lián)合影響，使得南海北部蘊(yùn)含著非?；钴S的內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波。邱章等[10]利用南海北部定點(diǎn)觀測(cè)資料分析了內(nèi)潮的主要成分和傳播方向，結(jié)果表明該海區(qū)內(nèi)潮以全日內(nèi)潮為主要成分，且主要向北傳播。方國(guó)洪等[11]利用數(shù)值方法并結(jié)合驗(yàn)潮站觀測(cè)資料分析了南海正壓潮的分布特征，指出南海的潮能主要是從太平洋通過(guò)呂宋海峽傳入的。張效謙等[12]基于南海北部450 m以淺海域的定點(diǎn)錨系觀測(cè)，分析了內(nèi)潮及近慣性內(nèi)波的時(shí)空特征，指出內(nèi)潮能量主要由海底向海表傳播，而近慣性內(nèi)波能量主要由海表傳向海洋深層。Yang等[13]基于潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了南海北部?jī)?nèi)潮模態(tài)結(jié)構(gòu)的時(shí)間變化特征，結(jié)果顯示內(nèi)潮的第二模態(tài)更容易在冬季出現(xiàn)，而夏季則以第一模態(tài)絕對(duì)占主。Guo等[14]對(duì)南海大陸架上的內(nèi)潮季節(jié)變化特征做了分析，結(jié)果表明全日內(nèi)潮在局地起主導(dǎo)作用，其中以第一模態(tài)占主，而半日內(nèi)潮在秋季會(huì)出現(xiàn)明顯的第二模態(tài)結(jié)構(gòu)。Lee等[15]根據(jù)東沙群島附近連續(xù)8個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，對(duì)內(nèi)潮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在該海域內(nèi)潮中，與天文潮相位不一致的部分可占到總能量的75%。Chiang等[16]利用數(shù)值模式實(shí)驗(yàn)闡明了中尺度渦對(duì)海洋熱力學(xué)響應(yīng)的重要調(diào)制作用。Sun等[17]在臺(tái)風(fēng)“風(fēng)神”(2008)過(guò)后，在南海北部陸架海域布放了3套潛標(biāo)，觀測(cè)到上層海洋較強(qiáng)的近慣性流速響應(yīng)，并結(jié)合衛(wèi)星高度計(jì)資料分析了背景渦度對(duì)近慣性運(yùn)動(dòng)的調(diào)制作用。Chen等[18]基于連續(xù)3年的潛標(biāo)流速觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)近慣性能量在秋季最強(qiáng)且主要與臺(tái)風(fēng)過(guò)境有關(guān)，并重點(diǎn)分析了中尺度渦對(duì)近慣性內(nèi)波傳播的調(diào)制作用。

目前對(duì)南海內(nèi)波的研究大都集中在淺水區(qū)，且受限于全水深長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)資料的稀缺，人們對(duì)南海內(nèi)潮及近慣性內(nèi)波的時(shí)空特征認(rèn)知水平較為有限。本文基于近3個(gè)月的南海西北部海區(qū)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波的時(shí)間變化規(guī)律和空間分布特征進(jìn)行了分析，同時(shí)探討了中尺度渦對(duì)近慣性內(nèi)波能量傳播的調(diào)制作用。

2 數(shù)據(jù)介紹

2.1 潛標(biāo)觀測(cè)資料

2006年8月17日到11月11日在南海西北陸坡區(qū)進(jìn)行了近3個(gè)月的錨系潛標(biāo)觀測(cè)。該錨系潛標(biāo)觀測(cè)地點(diǎn)的經(jīng)緯度為19°59′N，115°30′E，水深約為1 319 m(圖1)。高分辨率地形數(shù)據(jù)為ETOPO1網(wǎng)格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自Global Relief Model (2009)，該數(shù)據(jù)下載地址為：https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html。潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)在水深640 m左右設(shè)置了兩個(gè)分別向上和向下觀測(cè)的75 kHz聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)，觀測(cè)深度為46～1 231 m，共觀測(cè)了114層，層間距為10 m，儀器觀測(cè)時(shí)間的采樣間隔為20 min。由于儀器觀測(cè)深度的兩端會(huì)存在一定的奇異值，我們只采用第2層到第104層的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于儀器在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)會(huì)發(fā)生起伏，為方便后續(xù)計(jì)算與分析，我們將所有ADCP觀測(cè)的流速數(shù)據(jù)垂向插值到5 m標(biāo)準(zhǔn)層上。

圖1 南海北部地形圖和潛標(biāo)觀測(cè)位置(以紅色五角星表示)Fig.1 Bathymetry of the northern South China Sea and the location of mooring (red pentagram)

在得到全深度水平流速場(chǎng)之后，為了提取內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波流速信息，首先將流速場(chǎng)進(jìn)行深度平均，獲得正壓流速[〈u(t)〉z(mì)，〈v(t)〉z(mì)]。隨后，將正壓流速?gòu)脑剂鲌?chǎng)中減去，以獲得斜壓流速：

(1)

最后對(duì)斜壓流速做譜分析，以確定不同頻帶內(nèi)波的濾波范圍。圖2顯示了75 m深度處的內(nèi)波流速功率譜。如圖2所示，南海西北部海域內(nèi)波以近慣性內(nèi)波(f)、全日內(nèi)潮(O1、K1)和半日內(nèi)潮(M2、S2)為主，其中全日內(nèi)潮的強(qiáng)度最強(qiáng)。為準(zhǔn)確提取不同頻帶的內(nèi)潮與近慣性流速信息，我們根據(jù)流速譜分析結(jié)果，利用4階Butterworth濾波器，帶通濾波分別提取慣性、全日和半日頻帶的流速。全日內(nèi)潮流速的濾波范圍為[0.85， 1.06]K1(指K1分潮潮頻率)；半日內(nèi)潮流速的濾波范圍為[0.92， 1.1]M2(指M2分潮潮頻率)，近慣性內(nèi)波流速的濾波范圍設(shè)為[0.85， 1.15]f(f是觀測(cè)位置的局地慣性頻率)，選取的濾波頻帶在圖2中用不同顏色標(biāo)出。如圖2所示，南海還存在明顯的波-波相互作用而產(chǎn)生的次級(jí)波動(dòng)，但這不是本文所關(guān)注的主要內(nèi)容，因此這里不予考慮。濾波范圍的選擇標(biāo)準(zhǔn)是既能最大限度的保留該頻帶的流速信號(hào)，又能避免其他臨近頻帶信號(hào)的干擾。由于近慣性流速所在頻帶與全日內(nèi)潮流速所在頻帶較為接近，因此在確定濾波范圍時(shí)要尤其注意，本文選取的濾波范圍能較好地滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 潛標(biāo)位置75 m深度處內(nèi)波能量譜(藍(lán)色和紅色分別代表東西方向和南北方向流速的功率譜，不同頻帶內(nèi)波的濾波范圍用不同顏色代表)Fig.2 Spectra for zonal (blue line) and meridional (red line) components of raw velocity at 75 m，different wavebands are distinguished with different colors

圖3 觀測(cè)海區(qū)的海洋層結(jié)與動(dòng)力模態(tài)分解結(jié)果Fig.3 Buoyancy frequency and dynamical modes in the study areaa.根據(jù)WOA13月平均溫鹽數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的4個(gè)月的浮性頻率剖面；b.以10月浮性頻率計(jì)算獲得的前5個(gè)模態(tài)的垂向結(jié)構(gòu)，該結(jié)果已用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了歸一化a.Buoyancy frequency calculated from WOA13 monthly temperature and salinity data， b.the normalized the first five baroclinic dynamical modes in October

圖4 正壓流速隨時(shí)間的變化(藍(lán)色和紅色分別代表東西和南北方向的正壓流速分量)Fig.4 Temporal variations of the zonal (blue) and meridional (red) components of the barotropic velocity

2.2 其他數(shù)據(jù)

由于缺乏溫鹽觀測(cè)資料，這里我們使用美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心(NationalOceanographicDataCenter)發(fā)布的高精度(1/4)°氣候態(tài)月平均溫鹽剖面數(shù)據(jù)WorldOceanAtlas2013(WOA13)來(lái)描繪觀測(cè)地點(diǎn)處的層結(jié)情況(圖3a)。WOA13氣候態(tài)年平均及月平均溫鹽資料的水平空間分辨率為0.25°×0.25°，垂向空間分辨率在水深100m以淺處為5m，隨著深度加深逐漸增大。為與潛標(biāo)數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一起來(lái)以方便計(jì)算，將氣候態(tài)溫鹽剖面也垂直線性插值到5m間隔的標(biāo)準(zhǔn)層上。數(shù)據(jù)下載地址為：http://www.nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html。

本文還使用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(EuropeanCenterforMedium-RangeWeatherForecasts，ECMWF)10m高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)、AVISO(Archiving，Validation，andInterpretationofSatelliteOceanographic)海表面高度異常(SeaLevelAnomaly，SLA)和地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)來(lái)探究大氣中的風(fēng)和海洋中的中尺度渦對(duì)近慣性內(nèi)波能量生成與傳播的影響。風(fēng)速數(shù)據(jù)的水平空間分辨率為0.125°×0.125°，時(shí)間分辨率為6h。海表面高度異常數(shù)據(jù)與地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)的水平空間分辨率分別為(1/4)°和(1/3)°，時(shí)間分辨率均為1d。數(shù)據(jù)的下載地址分別為：http://apps.ecmwf.int/datasetsdatainterim-full-daily，http://www.aviso.oceanobs.com。

3 正壓潮

本文使用的潛標(biāo)近似為全水深流速觀測(cè)，因此我們將各個(gè)時(shí)刻的流速剖面進(jìn)行垂向平均，得到正壓流速隨時(shí)間的變化(圖4)。從圖中可以看出，在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，正壓流速的東西方向分量要明顯大于南北分量：東西方向分量在9月下旬發(fā)生轉(zhuǎn)向之前，最大流速可達(dá)到0.15m/s，在轉(zhuǎn)向之后，最大流速超過(guò)了0.23m/s；南北方向分量除了在10月中下旬部分時(shí)間超過(guò)了0.14m/s，在其他大部分觀測(cè)時(shí)間流速都小于0.05m/s，且基本以南向流為主。

在得到正壓流后，對(duì)其進(jìn)行濾波以濾掉長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)和高頻振蕩，只保留近慣性和潮汐頻率的部分，這里的濾波范圍選取為[0.8， 3.5]f。對(duì)濾波后的東西與南北方向的正壓流速分別進(jìn)行調(diào)和分析，具體方法如下：

(2)

其中，天文潮流為U(t)，ω為離散的分潮頻率，這里考慮了8個(gè)主要分潮(K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2)，Uω和Φω分別為各個(gè)分潮的振幅與位相，即潮汐分析中待求解的分潮“調(diào)和常數(shù)”。使用最小二乘法對(duì)流速進(jìn)行擬合，可以獲取主要天文分潮的調(diào)和常數(shù)，繼而獲得各主要分潮的流速。圖5展示了8大主分潮的正壓潮流橢圓。全日分潮中以K1和O1為主，最大潮流可達(dá)2.2cm/s，半日潮中以M2分潮最為顯著，最大潮流約為1.2cm/s，此外，P1和S2分潮也較強(qiáng)，最大潮流可達(dá)0.7和0.75cm/s，其他分潮能量均較弱，最大潮流均小于0.4cm/s。從潮流橢圓長(zhǎng)軸與水平方向的夾角可以看出，除O1之外，其他幾個(gè)最為顯著的主分潮的主軸方向基本沿東西方向，這也與該地東西向正壓流明顯大于南北向流的特征相符合。

圖5 潛標(biāo)觀測(cè)位置處8大主分潮的正壓潮流橢圓Fig.5 Tidal-current ellipses of the eight major constituents

圖6 內(nèi)潮4大主分潮K1、O1、M2、S2分潮潮流橢圓隨深度的變化Fig.6 Tidal-current ellipses at different depths for the four major constituents K1， O1， M2 and S2

4 內(nèi)潮

4.1 潮流橢圓

為提取各個(gè)深度層上的內(nèi)潮流速信息，我們首先將正壓流從原始流速中減掉而獲得斜壓流，再將各深度層上的時(shí)間平均流速減掉而獲得斜壓脈動(dòng)流速，最后對(duì)每一深度層上的斜壓脈動(dòng)流速用上一節(jié)的方法進(jìn)行最小二乘擬合分析，得到各主分潮潮流橢圓隨深度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖6。從圖中可以看出，局地正壓潮相比于內(nèi)潮是個(gè)小量，與此同時(shí)，與正壓潮流類似，全日內(nèi)潮要明顯強(qiáng)于半日內(nèi)潮，全日內(nèi)潮與半日內(nèi)潮的最大潮流均出現(xiàn)在溫躍層深度處(圖6)，K1分潮最大潮流可達(dá)18.2cm/s，O1可達(dá)16.6cm/s，M2可達(dá)5.9cm/s，S2可達(dá)3.2cm/s。對(duì)全日內(nèi)潮來(lái)說(shuō)，潮流大小在溫躍層以下隨深度增加迅速減小，最小潮流出現(xiàn)在350m上下，之后K1分潮潮流隨深度的增加又逐漸增大，在底部保持為6.5cm/s的潮流流速，而O1分潮潮流隨深度的增加先逐漸增大，在700m上下達(dá)到較大值，之后隨深度又逐漸減小至4.1cm/s；對(duì)半日內(nèi)潮來(lái)說(shuō)，潮流大小在溫躍層以下隨深度增加逐漸減小，最小潮流出現(xiàn)在650m上下，之后隨著深度的增加潮流又逐漸增大。從長(zhǎng)軸與水平方向的夾角來(lái)看，全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮的主軸方向基本沿東南-西北方向，近似與局地等深線垂直。

4.2 能量變化

為得到內(nèi)潮能量在垂向上的分布和時(shí)間上的變化特征，我們首先根據(jù)流速譜分析結(jié)果(圖2)對(duì)斜壓流速進(jìn)行帶通濾波以得到全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮流速。內(nèi)潮的水平動(dòng)能可按下式計(jì)算獲得：

(3)

其中，尖括號(hào)〈·〉φ代表位相內(nèi)平均(對(duì)于內(nèi)潮來(lái)說(shuō)，時(shí)間長(zhǎng)度統(tǒng)一取為14d，對(duì)于近慣性內(nèi)波來(lái)說(shuō)，取局地慣性周期，這里約為35h)，H為水深，ρ0為海水密度，由于海水密度的變化對(duì)內(nèi)潮能量的計(jì)算結(jié)果影響非常小，因此在本文中，海水密度ρ0取為常數(shù)1 024kg/m3。圖7展示了全日和半日內(nèi)潮水平動(dòng)能的時(shí)間變化特征和垂向分布結(jié)構(gòu)。如圖所示，全日內(nèi)潮能量明顯強(qiáng)于半日內(nèi)潮能量(子圖色標(biāo)范圍不一致)，在垂向分布結(jié)構(gòu)中，內(nèi)潮能量大都集中在海洋上層(200m以淺)；在時(shí)間變化特征上，內(nèi)潮能量顯示出明顯的時(shí)間長(zhǎng)度約為半月的大小潮調(diào)制周期，這主要是由各主分潮之間的相互干涉作用引起的。

通過(guò)對(duì)原始觀測(cè)的斜壓流速進(jìn)行調(diào)和分析以提取出潮流的coherent部分，這里具體包括8大分潮，原始斜壓流剩余的部分即為incoherent部分。圖8展示了全日和半日內(nèi)潮coherent和incoherent部分動(dòng)能的深度積分值隨時(shí)間的變化。內(nèi)潮的coherent部分顯示出明顯的時(shí)間長(zhǎng)度約為14d的大小潮調(diào)制周期，incoherent部分則無(wú)明顯的時(shí)間變化規(guī)律。與此同時(shí)，我們對(duì)內(nèi)潮能量進(jìn)行了時(shí)間平均，結(jié)果表明，對(duì)于全日內(nèi)潮來(lái)說(shuō)，coherent部分占全日內(nèi)潮能量的70%，而對(duì)于半日內(nèi)潮來(lái)說(shuō)，coherent部分占半日內(nèi)潮能量的53%。

4.3 模態(tài)結(jié)構(gòu)

我們分別對(duì)全日和半日內(nèi)潮流速進(jìn)行動(dòng)力模態(tài)分解，以揭示內(nèi)潮的模態(tài)結(jié)構(gòu)。動(dòng)力模態(tài)結(jié)構(gòu)可通過(guò)求解Sturm-Liouville特征值問(wèn)題來(lái)獲得[19]。在水深為H的海洋中，內(nèi)潮可以用多個(gè)離散的斜壓模態(tài)的疊加來(lái)表示。而斜壓模態(tài)的求解主要依賴于浮性頻率剖面N(z)。需求解的模態(tài)方程為：

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求解的邊界條件為Φ(0)=Φ(-H)=0。其中，cn為特征值，N2為Brunt-Vaisala頻率，Φn(z)為垂向起伏與垂向流速的斜壓模態(tài)結(jié)構(gòu)，n代表模態(tài)數(shù)。壓強(qiáng)與水平流速相對(duì)應(yīng)的斜壓模態(tài)結(jié)構(gòu)Πn(z)可依照下式計(jì)算獲得：

(5)

式中，ρ0為海水密度，由于計(jì)算結(jié)果對(duì)海水密度不敏感，這里設(shè)為常數(shù)值1 024kg/m3。為使得計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，在動(dòng)力模態(tài)分解方法里使用的浮性頻率N2一律根據(jù)WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)的月平均溫鹽剖面資料進(jìn)行計(jì)算獲得，并且在計(jì)算過(guò)程中，使用與觀測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)月份的浮性頻率。圖3a即為觀測(cè)海區(qū)的浮性頻率剖面結(jié)構(gòu)，圖3b以10月份為例對(duì)模態(tài)垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示。

圖7 全日內(nèi)潮(a)和半日內(nèi)潮(b)水平動(dòng)能的時(shí)間變化特征和垂向分布結(jié)構(gòu)(各子圖中的黃色實(shí)線代表內(nèi)潮水平動(dòng)能的深度積分值，這里為內(nèi)潮能量的14 d低通結(jié)果)Fig.7 The temporal variations and vertical distributions of the HKE of the diurnal (a) and semidiurnal (b) internal tides. The yellow solid lines represent 14 d low-passed components of the depth-integrated HKE of the diurnal and semidiurnal internal tides

圖8 內(nèi)潮水平動(dòng)能深度積分值隨時(shí)間的變化Fig.8 Time series of the depth-integrated coherent and incoherent HKE at diurnal and semidiurnal frequency bandsa.全日，coherent；b.全日，incoherent；c.半日，coherent；d.半日，incoherent。藍(lán)色為原始時(shí)間序列，紅色為14 d低通結(jié)果a.Coherent diurnal component; b. incoherent diurnal component; c.coherent semidiurnal component; d. incoherent semidiurnal component. Blue lines show raw HKE. Red lines indicate low-frequency components obtained by low-pass filter with fortnight period

圖9 內(nèi)潮前5模態(tài)動(dòng)能的時(shí)間變化序列(a， c)以及占總能量的百分比(b， d)(a， b為全日內(nèi)潮；c， d為半日內(nèi)潮，不同模態(tài)能量用不同的顏色加以區(qū)別)Fig.9 Time series of the HKE of the first five modes diurnal (a) and semidiurnal (c) internal tides and modal partition of HKE of the (b) diurnal and (d) semidiurnal internal tide，the percentage of each mode is given at the top of the bar，different normal modes are distinguished with different colors

各模態(tài)斜壓流速均可用斜壓模的垂向結(jié)構(gòu)及時(shí)間變化來(lái)表示，即為:

(6)

式中，u′n(t)表示模態(tài)的時(shí)間變化序列。在每一個(gè)時(shí)刻，時(shí)間系數(shù)都可以用最小二乘法對(duì)流速剖面進(jìn)行求解[20]。對(duì)流速模態(tài)結(jié)構(gòu)而言，n=0，即表示正壓結(jié)果。圖9展示了內(nèi)潮前5個(gè)模態(tài)動(dòng)能隨時(shí)間的變化及其占總能量的比例。結(jié)果表明，全日內(nèi)潮模態(tài)組成相對(duì)復(fù)雜，第一和第三模態(tài)占優(yōu)，可占到總能量的65%，其余3個(gè)模態(tài)比例相當(dāng)，而半日內(nèi)潮第一模態(tài)即可占到總能量的一半，隨著模態(tài)數(shù)的增加，能量占總能量的比例逐漸減小。

5 近慣性內(nèi)波

為了探究近慣性運(yùn)動(dòng)在錨系海區(qū)的特點(diǎn)以及大氣中的風(fēng)與海洋中的中尺度渦過(guò)程對(duì)近慣性內(nèi)波能量生成與傳播的影響，我們提取近慣性流速以計(jì)算近慣性內(nèi)波的水平動(dòng)能(圖10c)，并利用ECWMF提供的海表面上10m高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)對(duì)海表面近慣性運(yùn)動(dòng)的能量輸入(圖10a)，同時(shí)利用海表面高度異常和地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)刻畫(huà)出不同時(shí)刻的中尺度渦情況(圖10b，圖11)。

為分析海洋中近慣性內(nèi)波對(duì)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)，本文通過(guò)一個(gè)混合層模型(SlabMixed-layerModel)[21—22]對(duì)風(fēng)向海表近慣性運(yùn)動(dòng)的能量輸入進(jìn)行了估算。該模型的基本控制方程為:

(7)

式中，T=ρ-1(τx+iτy)為海表面風(fēng)應(yīng)力，f為局地慣性頻率，r為阻尼系數(shù)，H為混合層深度，Z即為我們要求的海面慣性流速Z=u+iv。這里的混合層深度定義為密度與海表面密度相差0.125kg/m3所在的深度。根據(jù)前人研究，此處r取為0.15f[23]。

基于10m高度風(fēng)速資料，按照以下公式對(duì)海表面風(fēng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算[24—25]:

(8)

式中，U10為海表面上10m高度處風(fēng)速，ρ為空氣密度(這里取1.3kg/m3)，CD為拖曳系數(shù)。其具體表達(dá)式[26]為：

(9)

隨后，風(fēng)向海洋中近慣性運(yùn)動(dòng)的能量輸入可根據(jù)海表面風(fēng)應(yīng)力和慣性流計(jì)算獲得，方法如下：

(10)

式中，τ為海表面風(fēng)應(yīng)力的矢量表達(dá)，u為海面慣性流Z的矢量表達(dá)。近慣性能通量為正則表示能量由大氣向海洋中輸入。

如圖10c所示，兩個(gè)較強(qiáng)近慣性動(dòng)能出現(xiàn)在不同時(shí)間的不同位置：一個(gè)大約出現(xiàn)在9月28日，近慣性內(nèi)波能量從混合層(約30m)向下傳播，并在混合層以下隨著深度的增加迅速衰減；另一個(gè)則出現(xiàn)在8月18日，近慣性內(nèi)波能量集中在約140m水深處，說(shuō)明此時(shí)近慣性內(nèi)波能量可傳至溫躍層以深海域。通過(guò)與風(fēng)向海洋輸入的近慣性能量比較(圖10a)，9月28日出現(xiàn)的強(qiáng)近慣性能量應(yīng)該是由強(qiáng)風(fēng)過(guò)程(臺(tái)風(fēng)Xangsane)導(dǎo)致的，然而出現(xiàn)在海洋內(nèi)部約140m水深處的強(qiáng)近慣性能量與風(fēng)場(chǎng)能量輸入并無(wú)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)與海表面高度異常(圖10b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此時(shí)近慣性能量增強(qiáng)對(duì)應(yīng)一個(gè)較強(qiáng)的中尺度暖渦。10月底也有一個(gè)較強(qiáng)風(fēng)過(guò)程發(fā)生，近慣性內(nèi)波能量并無(wú)明顯加強(qiáng)，而此時(shí)潛標(biāo)位于較強(qiáng)中尺度冷渦的影響范圍內(nèi)。

圖10 潛標(biāo)觀測(cè)位置處風(fēng)向海洋混合層近慣性運(yùn)動(dòng)的能量輸入(a)，海表面高度異常(b)和近慣性動(dòng)能隨時(shí)間和深度的變化(c)，黃色實(shí)線代表近慣性能量全深度積分值的慣性周期平均結(jié)果Fig.10 The wind-induced energy flux to near-inertial motions in the surface mixed layer(a)， SLA(b)， the temporal variations and vertical distributions of the HKE of the NIW(c) at mooring site. The yellow solid lines represent low-frequency components of the depth-integrated HKE of the NIW obtained by low-pass filter with local inertial period

圖11 南海北部不同觀測(cè)時(shí)間的海表面高度異常(cm)和地轉(zhuǎn)流(m/s)Fig.11 SLA and geostrophic currents in the northern South China Sea at different timea.暖渦， b.無(wú)渦， c.冷渦， 灰色圓點(diǎn)代表本文使用潛標(biāo)的位置， 100 m以淺海域的數(shù)據(jù)被去掉a. Warm eddy， b.none， c.cold eddy， the gray dot denotes the location of mooring used in this paper， regions shallower than 100 m are masked

單從海表面高度異常的時(shí)間序列，很難直觀地看到中尺度渦的出現(xiàn)位置及傳播路徑，因此，基于海表面高度異常數(shù)據(jù)和海表面地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)，我們刻畫(huà)出不同時(shí)刻的中尺度渦結(jié)構(gòu)。圖11展示了3種不同的中尺度渦情況，分別是暖渦、無(wú)渦和冷渦。結(jié)合圖10，我們可以初步得出結(jié)論，風(fēng)可以為海洋混合層內(nèi)的近慣性運(yùn)動(dòng)提供能量；中尺度暖渦的存在使得近慣性內(nèi)波能量迅速穿過(guò)混合層向海洋深層傳播，對(duì)海洋深層混合過(guò)程有潛在影響；中尺度冷渦則不利于近慣性內(nèi)波能量向海洋深層傳播。

6 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)2006年南海西北部海域一點(diǎn)近3個(gè)月的近全水深流速觀測(cè)資料的分析，研究了該海區(qū)正壓潮、內(nèi)潮及近慣性內(nèi)波在時(shí)間和空間上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，全日正壓潮流明顯強(qiáng)于半日正壓潮流，且主要以東西方向?yàn)橹?；局地正壓潮相比于?nèi)潮是個(gè)小量，全日內(nèi)潮要明顯強(qiáng)于半日內(nèi)潮，且最大潮流均出現(xiàn)在海洋上層，之后隨深度減小，全日內(nèi)潮最小潮流出現(xiàn)在350m深度處，半日內(nèi)潮最小潮流出現(xiàn)在650m深度處，之后隨深度又逐漸增大；內(nèi)潮的主軸方向基本沿東南-西北方向，近似與局地等深線垂直；內(nèi)潮能量大都集中在海洋上層(200m以淺)，且顯示出明顯的時(shí)間長(zhǎng)度約為半月的大小潮調(diào)制周期；全日內(nèi)潮的coherent部分占全日內(nèi)潮能量的70%，而半日內(nèi)潮的coherent部分占半日內(nèi)潮能量的53%；全日內(nèi)潮第一和第三模態(tài)占優(yōu)，可占到總能量的65%，而半日內(nèi)潮第一模態(tài)占總能量的一半，其余模態(tài)的內(nèi)潮能量占總能量的比重隨著模態(tài)數(shù)的增加逐漸減?。伙L(fēng)可以為海洋混合層內(nèi)的近慣性運(yùn)動(dòng)提供能量，強(qiáng)風(fēng)過(guò)程可激發(fā)出強(qiáng)的近慣性運(yùn)動(dòng)，中尺度暖渦的存在使得近慣性內(nèi)波能量迅速穿過(guò)混合層向海洋深層傳播，對(duì)海洋深層混合過(guò)程有潛在影響，中尺度冷渦則不利于近慣性內(nèi)波能量向海洋深層傳播。

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Observation of internal tides and near-inertial internal waves on the continental slope in the northwestern South China Sea

Liang Hui1，Zheng Jie1，Tian Jiwei1

(1.KeyLaboratoryofPhysicalOceanography，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China)

The temporal variability and vertical distribution of barotropic tides， internal tides and near-inertial internal waves (NIW) were investigated on the basis of 3-month moored acoustic Doppler current profiler observations on the continental slope in the northwestern South China Sea in 2006. The diurnal baroclinic constituents are found to be more prominent than the semidiurnal baroclinic ones at mooring site， which are same with the barotropic tides， and amplitudes of the internal tides are stronger in the thermocline， and then decreases with depth. Almost all the major axes of the internal tidal ellipses are perpendicular to the local isobaths， that is， along the southeast-northwest direction approximately. Spring-neap oscillations of about 14 days can be seen at mooring site during observational periods. The coherent diurnal (semidiurnal) internal tidal motions could explain 70% (53%) of the total energy in the diurnal (semidiurnal) tidal band. Further analysis demonstrates that the semidiurnal internal tides are dominated by the first mode， whereas the diurnal internal tides show a variable multimodal structure: the third mode plays a secondary role and is comparable to the first mode. During the passage of Typhoon， the NIW became more energetic. Mesoscale warm eddies are the chimneys through which the near-inertial wind work penetrates rapidly into the deep ocean， and then cold eddies could probably inhibit the downward propagation of the near-inertial wind work.

South China Sea；internal tides；near-inertial internal waves

2015-04-15；

2015-11-12。

南海關(guān)鍵島嶼周邊多尺度海洋動(dòng)力過(guò)程研究(2014CB745003);南海海洋環(huán)流形成變異機(jī)理及其氣候效應(yīng)(GASI-03-01-01-03);內(nèi)波與混合精細(xì)化觀測(cè)系統(tǒng)集成與示范(2013AA09A502)，國(guó)家自然科學(xué)基金—呂宋海峽深層環(huán)流的調(diào)控機(jī)制及影響因素(41176010)。

梁輝(1987—)，女，山東省煙臺(tái)市人，博士研究生，從事海洋內(nèi)波與混合研究。E-mail：lhzy.1987@163.com

田紀(jì)偉(1956—)，男，教授，主要研究南海及大洋混合、內(nèi)波與深海環(huán)流。E-mail：tianjw@ouc.edu.cn

P731.24

A

0253-4193(2016)11-0032-11

梁輝，鄭潔，田紀(jì)偉. 南海西北陸坡區(qū)內(nèi)潮與近慣性內(nèi)波觀測(cè)研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2016， 38(11): 32-42，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.003

Liang Hui， Zheng Jie， Tian Jiwei. Observation of internal tides and near-inertial internal waves on the continental slope in the northwestern South China Sea[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 32-42， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.003