基于潛標(biāo)資料的中南半島外海水文特征分析

張洪欣，唐聲全，劉祥宇，張小波，張瑩，陳學(xué)恩

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033；2.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

基于潛標(biāo)資料的中南半島外海水文特征分析

張洪欣1，唐聲全2，劉祥宇1，張小波1，張瑩1，陳學(xué)恩2

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033；2.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

基于2012年9月—2013年12月中南半島外海累計16個月的長時間序列潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合AVISO海表面高度異常(sea level anomaly，SLA)數(shù)據(jù)，首次詳細(xì)分析了中南半島外海典型中尺度渦的運動規(guī)律和垂向特征及其對環(huán)境水文特征的影響，揭示了該海域深層海流的時間變化特征。在觀測期間共捕捉到3次中尺度渦過程，中尺度渦對站位所在海域主溫躍層深度變化的最大影響振幅可達(dá)50 m。研究發(fā)現(xiàn)：1)觀測站位所在海域各深度的溫度異常時間變化與站位SLA時間變化的相關(guān)性隨深度增加逐漸減弱。2)上層和中層的海水流動受中尺度渦影響顯著。1 500 m和2 000 m的深層環(huán)流主要表現(xiàn)為季節(jié)變化；在強中尺度渦暖渦經(jīng)過期間，中尺度渦能影響到1 500 m的環(huán)流場，同時出現(xiàn)30 d周期震蕩。2 000 m流場則不受中尺度渦影響。3)中南半島以東南海1 500 m處深層海流月平均流速夏季大于冬季，月平均可達(dá)3.5 cm·s-1；2 000 m處深層海流最大流速出現(xiàn)在冬季，月平均可達(dá)2.6 cm·s-1。深層海流受潮汐影響顯著，潮汐作用主要影響深層海流東西向流速的變化。

南海； 潛標(biāo)； 中尺度渦； 深層環(huán)流； 季節(jié)變化

引言

南海位于中國大陸南端、呂宋海峽以西，是西北太平洋最大的邊緣海。受季風(fēng)、地形以及黑潮入侵等因素的影響，南海呈現(xiàn)出復(fù)雜的多渦結(jié)構(gòu)。多渦結(jié)構(gòu)對于南海的溫鹽、流速分布以及動量、熱量的輸送有重要影響[1]。Wang等[1]利用1993—2000年的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)進(jìn)行南海中尺度渦的統(tǒng)計工作，發(fā)現(xiàn)中南半島外海在西南季風(fēng)時期存在中尺度渦偶極子現(xiàn)象。程旭華等[2]基于衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)分析了南海中尺度渦的季節(jié)和年際變化特征，指出5月在南海中部會有2個暖渦成對出現(xiàn)，8月在越南以東因上升流作用會產(chǎn)生冷渦現(xiàn)象。為分析南海中尺度渦的產(chǎn)生機制，Hwang等[3]將T/P高度計數(shù)據(jù)與風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度進(jìn)行相干分析，指出渦的角速率與風(fēng)應(yīng)力旋度成正相關(guān)關(guān)系。除受風(fēng)應(yīng)力旋度的影響外，南海東部的中尺度渦還受由陸地山脈所產(chǎn)生的地形風(fēng)的影響[4]。

南海深層環(huán)流是指南海海盆內(nèi)1 500 m以深的環(huán)流，是南海深海大尺度、中尺度、小尺度和微尺度等多尺度動力過程以及復(fù)雜突變海底地形相互作用的宏觀表征[5]。南海深層環(huán)流會受到較強中尺度渦的影響，同時也存在自身的時空變化規(guī)律[6]。Zhang等[7]利用長時間序列的潛標(biāo)數(shù)據(jù)分析臺灣西南部的中尺度渦現(xiàn)象以及渦對深層環(huán)流的影響。王斌[8]運用HYCOM模式模擬呂宋海峽及南海深層環(huán)流，揭示南海深層環(huán)流沿等位渦線(等深線)流動，在整個南海深海盆呈氣旋式結(jié)構(gòu)。Wang等[9]利用GDEM-Version3.0月平均氣候態(tài)數(shù)據(jù)，分析南海深層中央緯向(經(jīng)向)斷面的水文特征，也得出南海深層環(huán)流呈氣旋式結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

上述關(guān)于南海中尺度渦以及深層環(huán)流的研究，為認(rèn)識南海環(huán)流的總體特征奠定了良好基礎(chǔ)。但是，針對中南半島外海中尺度渦、該海域深層環(huán)流時間變化特征[10]以及中尺度渦對該海域局地深層環(huán)流影響的研究尚未見報道。本文收集和分析了中南半島外海2012年8月—2013年12月長時間序列的潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合法國航空局AVISO(Archiving, Validation, and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)的海表面高度異常(SLA)數(shù)據(jù)，捕捉到3個典型的中尺度渦，研究了觀測期間觀測站位所在海域局地深層環(huán)流的時間變化特征，分析了中尺度渦對該海域局地深層環(huán)流的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 潛標(biāo)數(shù)據(jù)

本文的觀測數(shù)據(jù)來源于布放在中南半島外海的潛標(biāo)，其地理坐標(biāo)為：12°58′N、111°31′E(圖1)；水深為2 442 m。觀測時段為：2012年8月30日10：00：00—2013年12月11日10：00：00。潛標(biāo)上掛載的儀器包括自容式溫鹽深儀(SBE 37-SM CTD)，溫度儀(SBE 56)，75k聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)，海洋衛(wèi)士海流計(RCM)，分別用于測量潛標(biāo)站位上各層的溫度、鹽度、密度、壓力和水平流速等，相關(guān)測量精度、范圍和采樣間隔見表1。

表1 儀器信息

Table 1 Informations of the instruments

儀器精度測量范圍采樣時間/min設(shè)備深度/mSBE37-SMCTD±0 002℃-5℃～+35℃100～2000SBE56±0 002℃-5℃～+45℃10100～40075kADCP±1%±5mm·s-10～10m·s-160500(upanddown)RCM±0 15cm·s-10～300cm·s-1301500，2000

注：up和down分別代表ADCP向上采集數(shù)據(jù)和向下采集數(shù)據(jù)。

儀器所在深度：100 m、200 m、300 m、400 m、1 500 m、2 000 m各懸掛一個SBE 37-SM CTD；100 m～200 m之間平均懸掛有9個SBE 56測溫儀，200 m～300 m之間平均懸掛有9個SBE 56測溫儀，300 m～400 m之間平均懸掛有8個SBE 56測溫儀；500 m處懸掛有2個ADCP(1個向上采集數(shù)據(jù)，1個向下采集數(shù)據(jù))，用于測量100 m～1 000 m之間的流速；1 500 m和2 000 m處各懸掛一個海洋衛(wèi)士海流計(RCM)，用于測量深層海流的水平流速。

1.2 海表面高度異常數(shù)據(jù)和中尺度渦判別標(biāo)準(zhǔn)

為分析觀測期間經(jīng)過潛標(biāo)站位附近的中尺度渦，收集了2012年9月—2013年12月法國航空局AVISO的SLA數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 d。

分析SLA數(shù)據(jù)時采用的中尺度渦判別標(biāo)準(zhǔn)為：

1)在海面高度異常圖上，必須有封閉的等值線；

2)渦中心的水深要大于1 000 m；

3)渦的中心與其最外圍閉合等值線的高度差要大于7.5 cm；

4)在上述3個標(biāo)準(zhǔn)下，渦的持續(xù)存在時間須大于20 d；

5)如果前4個標(biāo)準(zhǔn)都滿足，追蹤渦的發(fā)展期間，渦中心與最外圍等值線的高度差也須大于4 cm。

2 觀測期間的中尺度渦過程及其對潛標(biāo)站位垂向溫度、流場的影響

2.1 觀測期間捕捉到的中尺度渦過程

利用AVISO提供的SLA數(shù)據(jù)，基于上述中尺度渦判別標(biāo)準(zhǔn)，可識別和分析在觀測期間出現(xiàn)的中尺度渦。觀測海域出現(xiàn)中尺度渦的時間分別為：2012年9月—2012年10月、2013年4月—2013年5月、2013年9月。

2012年9月—2012年10月期間(圖2a-i)，在中南半島以東海域出現(xiàn)冷渦現(xiàn)象。9月上半月，11°N以北的冷渦A與以南的暖渦B成對出現(xiàn)，形成偶極子現(xiàn)象。潛標(biāo)站位此時位于冷渦A的東部，靠近冷渦A中心。冷渦A中心與最外圍閉合等值線的高度差為18 cm。從9月17日開始，冷渦A逐漸向南移動，對站位水文的影響逐漸減小。9月底—10月初，原冷渦分裂成東西兩個冷渦A1、A2，西部的冷渦A1繼續(xù)向南移動，而東部的冷渦A2則轉(zhuǎn)向北移動。在10月15日，冷渦A2再次移動到11°N以北位置，從而潛標(biāo)站位再次受到冷渦的影響。

圖2 第1個中尺度渦(冷渦)期間(2012年9—10月)海表面高度異常SLA(單位：cm)(a. 9月1日，b. 9月9日，c. 9月17日，d. 9月25日，e. 10月1日，f. 10月9日，g. 10月17日，h. 10月25日，i. 11月1日)Fig.2 SLA (unit: cm) during the first mesoscale eddy (from September to October 2012)(a. Sep. 1st， b. Sep. 9th， c. Sep. 17th， d. Sep. 25th， e. Oct. 1st， f. Oct. 9th， g. Oct. 17th， h. Oct. 25th，i. Nov. 1st)

2013年4—5月期間(圖3a-i)，在中南半島以東海域出現(xiàn)中尺度暖渦現(xiàn)象。4月，兩個暖渦C、D結(jié)構(gòu)分別分布在113°E東西兩側(cè)。潛標(biāo)站位此時主要受西部暖渦C的影響。隨著時間的推移，暖渦C快速向東北移動，而暖渦D則緩慢向西南移動，兩渦中心間距離逐漸減小。5月初，兩渦合并為一個更強的暖渦CD。暖渦CD中心位于潛標(biāo)站位東北部，渦中心與最外圍閉合等值線的高度差達(dá)到20 cm。合成之后的暖渦CD繼續(xù)向西移動，潛標(biāo)站位由暖渦CD的西南部位置逐漸變?yōu)榕瘻u的東南部位置，站位處流速的方向也發(fā)生相應(yīng)的改變(參見圖7中虛框內(nèi)流速的變化)。圖4為暖渦期間兩個暖渦中心與潛標(biāo)站位的距離變化圖，由圖4可見，在合并過程中，暖渦C渦中心的SLA等值線與暖渦D渦中心附近的SLA等值線融合，兩渦渦中心并沒有重合。4月27日，暖渦C完全并入暖渦D，暖渦C渦中心消失，對應(yīng)的暖渦C渦中心與潛標(biāo)站位的距離也不再存在(圖4中虛線)。6月，暖渦CD開始向北移動，渦中心與潛標(biāo)站位的距離逐漸增大，對潛標(biāo)站位水文的影響也會迅速減弱。

圖3 第2個中尺度渦(暖渦)期間(2013年4—5月)海表面高度異常SLA(單位：cm)(a. 4月1日，b. 4月9日，c. 4月17日，d. 4月25日，e. 5月1日，f. 5月9日，g. 5月17日，h. 5月25日，i. 6月1日)Fig.3 SLA (unit: cm) during the second mesoscale eddy (from April to May 2013)(a. Apr. 1st， b. Apr. 9th， c. Apr. 17th， d. Apr. 25th， e. May 1st， f. May 9th， g. May 17th， h. May 25th， i. Jun. 1st)

圖4 2013年4—6月，暖渦期間渦中心與潛標(biāo)站位的距離(單位：km)(實線表示暖渦D與站位距離；虛線表示暖渦C與站位距離；4月27日暖渦C完全并入暖渦D，對應(yīng)的暖渦C渦中心與站位的距離不再統(tǒng)計)Fig.4 Distance (unit: km) between the warm-eddy center and the mooring site during the warm-eddy from April to June 2013(The solid line denotes the distance between the center of warm-eddy D and the site; the dashed line denotes the distance between the center of warm-eddy C and the site;On April 27, as the warm-eddy C fully incorporates into the warm-eddy D, the distance between the warm-eddy C and the site is given up counting)

在2013年9月期間(圖5a-i)，與2012年9月相似，在中南半島以東海域出現(xiàn)偶極子現(xiàn)象。11°N以北為冷渦E，11°N以南為暖渦F。此次冷渦E強度較弱(渦中心與最外圍閉合等值線的高度差為10 cm)，持續(xù)時間較短(24 d左右)，對潛標(biāo)站位的影響較弱。在這段時間內(nèi)，冷渦E相對潛標(biāo)站位靜止，并沒有太大移動，10月初冷渦E消失。

此次觀測期間出現(xiàn)的3個中尺度渦均屬于南海典型中尺度渦，類似的中尺度渦在前人研究工作中均有提及。例如，對于每年9月出現(xiàn)的冷渦結(jié)構(gòu)及伴隨其出現(xiàn)的偶極子結(jié)構(gòu)，Hwang等[3]、Wang等[1]、程旭華等[2]利用長時間的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計南海中尺度渦也發(fā)現(xiàn)類似冷渦現(xiàn)象。在冷渦對環(huán)境的影響方面，鐘超等[6]研究了南海西部浮游植物對于此冷渦的響應(yīng)。在5月暖渦及暖渦對結(jié)構(gòu)研究方面，Chu等[11]利用1995年5月在南海進(jìn)行的溫度調(diào)查數(shù)據(jù)，證明南海中央暖池結(jié)構(gòu)的存在，Hwang等[3]和程旭華等[2]的統(tǒng)計工作中也提到類似暖渦及暖渦對結(jié)構(gòu)的存在。前人的研究有力地支撐了文中的分析，然而，前人的研究僅僅提到了上述中尺度渦的存在，很少就中尺度渦和環(huán)境場的相互影響做深入分析，此文將利用長時間的現(xiàn)場潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)對上述過程及研究海域深層環(huán)流的特征進(jìn)行深入分析。

2.2 觀測站位附近中尺度渦的形成機制分析

在4月、5月期間所出現(xiàn)的暖渦對結(jié)構(gòu)(之后合并為一較強的暖渦)，其出現(xiàn)時期正是西南季風(fēng)爆發(fā)期[12]，即為春-夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期。在這期間產(chǎn)生的較強風(fēng)應(yīng)力旋度使南海中央海水形成反氣旋流動，導(dǎo)致中尺度渦暖渦現(xiàn)象的出現(xiàn)。Chu等[13]利用ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecast)風(fēng)應(yīng)力旋度和NCEP SST數(shù)據(jù)，得到海面風(fēng)應(yīng)力旋度與海表面溫度異常有很大的正相關(guān)性，證明風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致了南海中央暖渦的形成。此外，反氣旋環(huán)流引發(fā)的下降流阻礙深層海水的向上運動，也起到了加強南海中央暖渦的效應(yīng)。

在2012年9月和2013年9月都出現(xiàn)的越南冷渦現(xiàn)象表明，此冷渦是有規(guī)律的年循環(huán)現(xiàn)象。同時2013年的冷渦比2012年的冷渦要弱，表明冷渦的強度有年際變化規(guī)律。該冷渦的形成原因是：西南季風(fēng)存在向北的分量，因?？寺?yīng)在中南半島外海產(chǎn)生離岸流，從而引發(fā)深層冷水補充上涌，形成冷渦結(jié)構(gòu)，冷渦的產(chǎn)生時間可向前追溯到8月。9月下旬冷渦出現(xiàn)的時期一般伴隨有偶極子結(jié)構(gòu)(在南部有一暖渦結(jié)構(gòu))，同時也正是西南—東北季風(fēng)相互轉(zhuǎn)換的時期，在中南半島外海有較強的東向風(fēng)。此期間，在東向風(fēng)以南產(chǎn)生的負(fù)風(fēng)應(yīng)力旋度促使暖渦的形成。

2.3 中尺度渦對上層海洋溫度的影響

繪制潛標(biāo)所在站位處的溫度時間序列和溫度異常時間序列，可以獲得中尺度渦對于該海域溫躍層的影響。為此，首先利用WOA13溫度數(shù)據(jù)，計算得到潛標(biāo)所在海域主溫躍層典型深度為150 m，主溫躍層典型溫度值為17 ℃。因此，使用17 ℃等溫線代表潛標(biāo)站位所在海域的主溫躍層深度。圖6是繪制潛標(biāo)所在站位處400 m以淺的溫度時間序列和溫度異常時間序列。由圖6a可見，在2012年9—10月和2013年9—10月期間，受中尺度渦冷渦的影響，主溫躍層深度變淺，最淺時為100 m，環(huán)境溫度降低；在2013年4—6月期間，受中尺度渦暖渦的影響，主溫躍層深度變深，最深時達(dá)到了180 m，環(huán)境溫度升高。在不受中尺度渦影響的時間段里，主溫躍層深度穩(wěn)定在150 m左右。由此可以得到結(jié)論：在該海域，受中尺度渦的影響，主溫躍層深度水下浮動最大振幅可達(dá)50 m。由溫度異常時間序列圖6b可見，在中尺度渦影響期間，主溫躍層附近出現(xiàn)較大的溫度異常值，且冷渦導(dǎo)致的溫度異常影響深度大于暖渦導(dǎo)致的溫度異常影響深度。在2012年9—10月期間和2013年9—10月期間，冷溫度異常影響深度分別達(dá)到380 m和400 m。而在2013年4—6月期間，暖溫度異常影響深度最深僅達(dá)到350 m；在上混合層以及主溫躍層附近，溫度異常最大值達(dá)到4 ℃，隨著深度的增加，溫度異常值逐漸減小，表明隨著深度的增加，中尺度渦對溫度的影響作用逐漸減弱。

圖5 第3個中尺度渦(冷渦)期間(2013年9月)海表面高度異常SLA(單位：cm)(a. 9月10日，b. 9月13日， c. 9月16日， d. 9月19日， e. 9月22日；f. 9月25日， g. 9月28日， h. 10月1日，i. 10月3日)Fig.5 SLA (unit: cm) during the third mesoscale eddy (in September 2013)(a. Sep. 10th， b. Sep. 13th， c. Sep. 16th， d. Sep. 19th， e. Sep. 22th， f. Sep. 25th， g. Sep. 28th， h. Oct. 1st， i. Oct. 3rd)

2.4 中尺度渦對上層海洋流場的影響

基于潛標(biāo)上ADCP所測得流速數(shù)據(jù)，結(jié)合SLA數(shù)據(jù)，可以分析潛標(biāo)站位處垂向各層流場隨時間的變化情況。圖7是潛標(biāo)上ADCP所測得800 m以淺各層流速的變化圖，時間間隔為1 d。由圖7可見，2012年9—10月，潛標(biāo)站位所在海域受冷渦的影響，9月上半月，冷渦在這段時間內(nèi)向西北方向移動，但站位的位置始終位于冷渦的東北部，因此在表層100 m對應(yīng)的流場為西北方向。隨著深度的增加，流速方向在下層逐漸轉(zhuǎn)為正北方向，可能原因是該冷渦的垂向結(jié)構(gòu)隨深度增加發(fā)生傾斜，導(dǎo)致流場方向也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。雖然流場方向隨深度增加有相應(yīng)的變化，但流速大小變化不大，表明該冷渦能一直影響到站位所在海域中層的海水。10月下半月—11月初，潛標(biāo)站位位于冷渦的西部，對應(yīng)的流速方向為向南流動。

圖6 站點溫度時間序列(a，黑實線表示17 ℃等溫線)和站點溫度異常時間序列(b，原始溫度時間序列減去各層平均溫度)(黑虛線為150 m深度所在位置)Fig.6 Temperature (unit: ℃) time series at the site (a, the black solid line denotes the 17 ℃ isotherm) and temperature anomaly (unit: ℃) time series at the site (b, calculated by subtracting the mean temperature of the observed temperature series)(The black dashed lines in each plot are the isobaths of 150 m)

圖7 站點各層速度矢量分布(箭頭向上方向為正北方向，單位：cm·s-1；虛框中為2013年4月底中尺度渦C和中尺度渦D合并時的流速變化情況)Fig.7 Stick plots of the velocity at different depths at the mooring site (unit: cm·s-1; The upward direction of stick represents northward. The velocity in the black frame indicates the variation of velocity during the period of the warm-eddy C merging with the warm-eddy D)

2013年4—5月，潛標(biāo)站位所在海域受暖渦的影響。潛標(biāo)站位位于西側(cè)暖渦右邊，100 m～800 m層的流速方向向南。4月末—5月初，西側(cè)暖渦與東側(cè)暖渦合并成一個較強的中尺度暖渦，此時站位位于暖渦西南部，對應(yīng)100 m～800 m層流速方向為西北方向。隨著暖渦向西移動，潛標(biāo)站位位置變?yōu)榕瘻u東部，對應(yīng)100 m～800 m層流速方向為正南方向。

2013年9月，潛標(biāo)站位所在海域受冷渦影響。潛標(biāo)站位位于冷渦的西部，對應(yīng)100 m～800 m層流速方向為正南方向。該冷渦的強度較弱(冷渦中心與外圍等值線高度差約為9 cm)，持續(xù)時間較短(24 d左右)，因此這時間段內(nèi)向南的流速較小。

中層(800 m)流速的大小受中尺度渦影響時段明顯大于不受中尺度渦影響時段。中尺度渦影響期間，中層流速方向與表層流速方向基本一致，100 m～800 m層的流速大小隨深度變化不大；而不受中尺度渦影響期間，100 m～800 m層的流速大小隨深度增加迅速減小(如2012年12月—2013年2月)，表明上、中層的海水流速受中尺度渦影響顯著。

2.5 中尺度渦對深層海洋溫度的影響

利用1 500 m和2 000 m的CTD所測得的深層溫度，繪制海域深層溫度時間變化序列以及溫度異常時間序列，結(jié)合潛標(biāo)站位SLA數(shù)據(jù)，分析中尺度渦對于深層海水溫度的影響。圖8a和圖8b給出了1 500 m和2 000 m深度處CTD獲得的溫度時間序列。由圖8a-b可見，第1次冷渦期間(2012年9月)，1 500 m溫度有所上升，溫度異常值達(dá)到+0.17 ℃，與表層負(fù)的溫度異常值相反，與潛標(biāo)站位海表面高度異常變化成負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合CTD儀器深度變化，分析其原因為：中尺度渦會對深層海水產(chǎn)生垂向抽吸作用，2012年9月冷渦期間，氣旋渦經(jīng)過潛標(biāo)系統(tǒng)而影響到其姿態(tài)，使CTD所測溫度產(chǎn)生正異常值(1 500 m的CTD深度向上抬升了20 m，2 000 m的CTD深度向上抬升了4 m)。在暖渦最強盛期間(2013年5月)，1 500 m處的溫度異常值為正(達(dá)到+0.19 ℃)，與站位海表面高度異常變化成正相關(guān)關(guān)系，其原因為：反氣旋暖渦期間，海表面高度抬升，產(chǎn)生下降流，將上層暖水帶入深層；同時結(jié)合CTD深度分析，在此暖渦最強盛期間，CTD深度仍保持在1 500 m左右(原因可能與儀器所受浮力有關(guān))，因此此次CTD所測溫度受CTD深度變化的影響不大，僅與下降流有關(guān)。在第2次冷渦期間(2013年9月)，1 500 m深度并沒有出現(xiàn)明顯的溫度異常，結(jié)合前文分析，再次證明此次冷渦強度較弱，對深層海水影響不大。

圖8 1 500 m(a)和2 000 m(b)溫度時間序列(單位： ℃)Fig.8 Temperature time series (unit: ℃) at1 500 m (a) and 2 000 m (b)

圖9a-c給出了潛標(biāo)站位100 m、1 500 m和2 000 m溫度異常變化分別與潛標(biāo)站位SLA變化的對比圖，探索了上層、下層溫度異常變化與站位SLA變化之間的相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步計算100 m、1 500 m和2 000 m溫度異常變化與站位SLA變化的相關(guān)系數(shù)分別為74.65%、43.54%和37.26%，可以得出：上層海水溫度異常變化與站位SLA變化成明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著深度的增加，相關(guān)性減弱，在深層海洋，相關(guān)性低于50%。分析原因：表層海水受中尺度渦影響，暖渦時海表面抬升，冷渦時海表面下沉，從而出現(xiàn)較大的正相關(guān)關(guān)系；結(jié)合前文分析，較強的中尺度渦能影響到深層海水(1 500 m以下)，而較弱的中尺度渦對于深層海水的影響較小，且渦的經(jīng)過而導(dǎo)致CTD深度的變化而測得與表層相反的溫度異常變化，從而導(dǎo)致溫度異常變化與站位SLA變化的相關(guān)性隨深度增加逐漸減弱。

圖9 站位100 m層(a)、1 500 m層(b)和2 000 m層(c)溫度異常(單位： ℃)變化與SLA(單位：cm)變化對比(黑虛線為SLA變化；黑實線為各層溫度異常變化)Fig.9 The comparison between SLA (cm) and temperature anomaly (unit: ℃) at 100 m (a), 1 500 m (b) and 2 000 m (c)(The black dashed line indicates the SLA at the site; the black solid lines indicates temperature anomaly at the different depths)

圖10 1 500 m流速(單位： cm·s-1)與表層100 m流速(單位： cm·s-1)對比(a)及2 000 m流速(單位： cm·s-1)與表層100 m流速(單位： cm·s-1)對比(b)(紅色箭頭為表層流速，綠色箭頭為深層流速)Fig.10 The comparison between velocity (unit: cm·s-1) at 1 500 m and that at 100 m(a), and the comparison between velocity (unit: cm·s-1) at 2 000 m and that at 100 m (b) (The green stick indicates the deepwater velocity; the red stick indicates the upper water velocity)

2.6 中尺度渦對深層海洋流場的影響

圖10a-b給出了潛標(biāo)站位單點1 500 m和2 000 m深處海流計所測的流速數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了中尺度渦對于深層環(huán)流的影響。第1次中尺度渦冷渦期間(2012年9—10月)，深層1 500 m流場為先向東北流動后轉(zhuǎn)為向南流動，而表層100 m流場為先向西北方向流動后轉(zhuǎn)為向南流動，結(jié)合前文分析，表明該冷渦雖然能影響到深層，但渦的垂向結(jié)構(gòu)可能隨深度增加發(fā)生了傾斜。在中尺度渦暖渦期間(2013年4—5月)，1 500 m流場方向隨時間變化情況與表層100 m流場相似，表現(xiàn)為先向南流動，再轉(zhuǎn)為西北流動，最后轉(zhuǎn)為向南流動，證明此次中尺度渦暖渦能顯著影響到1 500 m的環(huán)流場。在第2次中尺度渦冷渦期間(2013年9—10月)，1 500 m流場方向與表層100 m基本不同，表明此次較弱的冷渦對于1 500 m流場沒有明顯影響。中尺度渦期間， 2 000 m深處的流場變化規(guī)律與表層流場完全不同，表明中尺度渦不會對2 000 m流場產(chǎn)生明顯影響。中尺度渦會對深層環(huán)流產(chǎn)生影響，但同時深層環(huán)流也存在自身的運動規(guī)律，論文第3部分將具體分析深層環(huán)流的時間變化特征。

圖11 深層海流南北流速(單位：cm·s-1)、東西流速(單位：cm·s-1)、流速方向(單位：(°))時間序列圖(a. 1 500 m層的流場南北流速， b. 2 000 m層的流場南北流速， c. 1 500 m層的流場東西流速， d. 2 000 m層的流場東西流速， e. 1 500 m層的流場流速方向， f. 2 000 m層的流場流速方向；黑線為日平均)Fig.11 Deepwater south-north velocity (unit: cm·s-1), east-west velocity (unit: cm·s-1), velocity direction (unit: (°))(a. 1 500 m south-north velocity, b. 2 000 m south-north velocity, c. 1 500 m east-west velocity, d. 2 000 m east-west velocity, e. 1 500 m velocity direction, f. 2 000 m velocity direction. The black lines indicate daily mean time series)

3 深層海流的變化

3.1 深層海流的周期性變化

潛標(biāo)觀測的深層海流時間序列數(shù)據(jù)為半小時記錄一次。圖11a-f給出了1 500 m和2 000 m深層海流南北流速、東西流速、總流速角度的時間序列及其日平均曲線，體現(xiàn)了深層海流的時間變化特征。原始數(shù)據(jù)相對于其日平均時間序列波動明顯，表明深層海流受潮汐作用影響顯著[14-16]。1 500 m處海流流向與南北、東西向流速的相關(guān)系數(shù)分別為2.56%和-69.19%；2 000 m處海流流向與南北、東西向流速的相關(guān)系數(shù)分別為1.02%和-66.69%，表明潮汐作用主要影響東西向流速的變化。1 500 m和2 000 m處南北(東西)向的流速平均值分別為-0.59 cm·s-1和-1.45 cm·s-1(-0.42 cm·s-1和0.43 cm·s-1)。在南北方向上，2 000 m的流速要大于1 500 m的流速；在東西方向上，2 000 m的流速與1 500 m的流速在數(shù)值上基本相同，但方向相反。因此，對于中南半島深層海洋海流，1 500 m處的流速方向與2 000 m處的流速方向并不相同。

利用小波分析法，分析潛標(biāo)觀測深層流速的時間變化特征，圖12a-d給出了1 500 m和2 000 m深層海流的小波分析圖。結(jié)合小波全譜圖分析，在1 500 m和2 000 m的深層海流場，都存在有較強的2 d短周期信號；對于長周期信號，較強的信號在15 d以上，且長周期信號隨季節(jié)變化明顯。在1 500 m層，較強的長周期信號(大于15 d)出現(xiàn)在夏秋季節(jié)；在2 000 m層，較強的長周期信號出現(xiàn)在冬季。

因此，得出結(jié)論：深層流場的變化主要表現(xiàn)為季節(jié)變化，體現(xiàn)為15 d以上的周期變化。

圖12 1 500 m流速小波分析圖(a)和對應(yīng)的小波全譜(b)及2 000 m流速小波分析圖(c)和對應(yīng)的小波全譜(d)(圖a、c中的黑實線與圖b、d中的紅虛線表示95%的置信度)Fig.12 The wavelet analysis of 1 500 m velocity(a) and global wavelet spectrum of 1 500 m velocity (b), wavelet analysis of 2 000 m velocity(c) and global wavelet spectrum of 2 000 m velocity (d) (The black solid lines in figure a, c and the red dashed lines in figure b, d both indicate the 95% confidence level)

圖13 1 500 m(a，單位：cm·s-1)和2 000 m流速(b，單位：cm·s-1)的15 d和120 d低通濾波時間序列及1 500 m和2 000 m溫度(c，單位： ℃)的15 d低通濾波時間序列Fig.13 The 15-day and 120-day low-passed velocity (unit: cm·s-1) at 1 500 m (a) and 2 000 m (b); the 15-day low-passed temperature (unit: ℃) at 1 500 m and 2 000 m (c)

3.2 深層海流的季節(jié)性變化

為分析深層流場的季節(jié)變化規(guī)律，對潛標(biāo)深層流速、深層溫度進(jìn)行15 d和120 d低通濾波，時間序列見圖13a-c。觀測期間，1 500 m流速較大(大于7 cm·s-1)的時期為：2012年9—10月，2013年5—6月，2013年9月。在時間上與中尺度渦發(fā)生時間相對應(yīng)，表明中尺度渦能影響1 500 m的海水流速；同時，結(jié)合1 500 m的小波分析圖，在2013年5月暖渦最強盛期間，流速出現(xiàn)強的30 d周期震蕩。在2012年9月冷渦最強盛期間，因受小波分析邊緣效應(yīng)的影響，無法分析這段時間內(nèi)1 500 m深層環(huán)流的周期震蕩規(guī)律。2 000 m流速較大的時間為每年的11月—次年1月，流速最大時可達(dá)到10 cm·s-1；流速較小的時間為每年的4月—6月，流速最小時僅為2.8 cm·s-1。結(jié)合2 000 m流速小波分析圖，冬季出現(xiàn)強的15 d以上周期震蕩特征。因此，得出深層海流周期變化規(guī)律：1 500 m層流場會受強中尺度渦影響，在中尺度渦發(fā)生期間出現(xiàn)30 d周期的震蕩；2 000 m層流場不受中尺度渦影響；2 000 m層流場變化規(guī)律以季節(jié)變化為主，夏季流速較小，冬季流速較大；2 000 m層流場在冬季出現(xiàn)強的15 d以上周期震蕩。

圖14給出了1 500 m和2 000 m深度處的潛標(biāo)觀測流速的月平均值分布。從深層海流的時間變化特征來說，1 500 m處，流速季節(jié)變化較明顯，9月—次年2月流速較小，平均流速為2.3 cm·s-1；3—8月，除7月流速小于2.3 cm·s-1以外，其他月份流速均在3.5 cm·s-1以上。2 000 m處，冬季流速最大(達(dá)到2.6 cm·s-1)，平均流速為2.2 cm·s-1。分析表明：中南半島以東南海1 500 m處深層海流月平均流速夏季大于冬季；2 000 m處深層海流最大流速出現(xiàn)在冬季。

圖14 1 500 m和2 000 m月平均流速分布(單位：cm·s-1)Fig.14 The distribution of the monthly mean velocity (unit: cm·s-1) at 1 500 m and 2 000 m

4 結(jié)論

基于潛標(biāo)資料和SLA數(shù)據(jù)，采用低通濾波、小波分析、相關(guān)分析方法，分析了中南半島外海典型中尺度渦的運動規(guī)律和垂向特性，該海域深層海流的季節(jié)變化規(guī)律，以及該海域中尺度渦對深層海流的影響。得到如下主要結(jié)論：

1)在觀測期間一共捕捉到3次中尺度渦現(xiàn)象：第1次和第3次為每年9月出現(xiàn)的越南冷渦現(xiàn)象，并伴隨有冷暖渦偶極子現(xiàn)象；第2次為5月出現(xiàn)的南海中央暖渦及暖渦對結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。

2)觀測期間中尺度渦對站位所在海域主溫躍層深度變化的最大影響振幅可達(dá)50 m。觀測站位所在海域各深度的溫度異常時間變化與站位SLA時間變化的相關(guān)性隨深度增加逐漸減弱。

3)上、中層的海水流動受中尺度渦影響明顯。受中尺度渦影響期間，100 m～800 m層流速大小隨深度變化不大；不受中尺度渦影響期間，100 m～800 m內(nèi)流速大小隨深度迅速減小。

4)1 500 m和2 000 m的深層環(huán)流主要表現(xiàn)為季節(jié)變化。在強中尺度渦暖渦經(jīng)過期間，中尺度渦能影響到1 500 m的海流場，同時出現(xiàn)30 d周期震蕩；2 000 m流場則不受中尺度渦影響。

5)中南半島以東南海1 500 m處深層環(huán)流月平均流速夏季大于冬季，月平均可達(dá)3.5 cm·s-1；2 000 m處深層環(huán)流最大流速出現(xiàn)在冬季，月平均可達(dá)2.6 cm·s-1。深層海流受潮汐影響顯著，潮汐作用主要影響深層環(huán)流東西向流速的變化。

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Hydrological characteristics analysis of the Eastern Indochina Peninsula based on mooring measurements

ZHANG Hongxin1, TANG Shengquan2, LIU Xiangyu1, ZHANG Xiaobo1, ZHANG Ying1, CHEN Xueen2

(1.NorthChinaSeaMarineTechnicalSupportCenter,SOA,Qingdao266033，China; 2.CollegeofOceanicandAtmosphericSciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)

Using the 16 months’ mooring data measured from September 2012 to December 2013 and the AVISO sea level anomaly data (SLA), we study the hydrological characteristics of mesoscale eddy and the deepwater circulation variations east of Indochina Peninsula. During the observation period, three mesoscale eddies are captured. Maximum amplitude of thermocline depth displacements, which are induced by local mesoscale eddies, on the mooring site can reach up to 50 m. The main conclusions are as follows. 1) In the mooring region, the time series correlation between temperature anomaly and the SLA weakens with the depth. 2) In the mooring region, mesoscale eddies affect the upper and intermediate hydrological conditions significantly. Deepwater circulation at 1 500 m and 2 000 m is primarily characterized by seasonal variations. Strong warm mesoscale eddies can influence deepwater circulation at 1 500 m depth, in the meanwhile, the deepwater velocity has strong 30-day periodical oscillations. However, the deepwater circulation at 2 000 m is not influenced by mesoscale eddies. 3) In the mooring region, the monthly mean velocity of deepwater circulation at 1 500 m in summer is larger than that in winter, the monthly mean velocity is up to 3.5 cm·s-1. Strong velocity of the deepwater circulation at 2 000 m depth appears in winter, the monthly mean velocity is up to 2.6 cm·s-1. The tide significantly influences the deepwater circulation, and the influences can reach 2 000 m depth and mainly on zonal direction.

the South China Sea (SCS); mooring; mesoscale eddy; deepwater circulation; seasonal variation

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.006. (in Chinese)

2017-02-03；

2017-03-01

國家重點研發(fā)計劃重點專項項目(2016YFC1401300)；山東省超級計算科技專項項目；泰山學(xué)者計劃

張洪欣(1978—)，男，研究員，主要從事海洋調(diào)查觀測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析研究，zhxm40m@163.com。

陳學(xué)恩(1971—)，男，博士，教授，主要從事海洋環(huán)流動力學(xué)理論與數(shù)值模擬以及海洋儀器裝備海上試驗平臺技術(shù)的研究， xchen@ouc.edu.cn。

P731

A

2096-3599(2017)01-0054-13

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.006

張洪欣，唐聲全，劉祥宇，等.基于潛標(biāo)資料的中南半島外海水文特征分析[J].海洋氣象學(xué)報，2017，37(1)：54-66.

Zhang Hongxin, Tang Shengquan, Liu Xiangyu， et al. Hydrological characteristics analysis of the Eastern Indochina Peninsula based on mooring measurements[J]. Journal of Marine Meteorology,2017,37(1):54-66.