南海北部相干內(nèi)潮和非相干內(nèi)潮演變特征

翟榮偉，陳桂英，尚曉東

(1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

南海北部相干內(nèi)潮和非相干內(nèi)潮演變特征

翟榮偉1，2，陳桂英1*，尚曉東1

(1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

通過南海北部跨越陸坡和陸架區(qū)的3套潛標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)全日和半日相干、非相干內(nèi)潮的動(dòng)能變化特征進(jìn)行了研究。研究表明，全日內(nèi)潮沿陸坡區(qū)向陸架區(qū)傳播的過程中，在陸坡區(qū)主要以全日相干內(nèi)潮生成為主，平均動(dòng)能生成率為2.32 J/(m3·s)；在陸架區(qū)以全日相干內(nèi)潮耗散為主，平均動(dòng)能耗散率為0.44 J/(m3·s)。全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能在陸坡和陸架區(qū)均增長(zhǎng)，平均動(dòng)能生成率分別為0.39 J/(m3·s)和0.03 J/(m3·s)。全日與半日相干內(nèi)潮動(dòng)能在陸坡和陸架區(qū)的表現(xiàn)不同，陸坡區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能明顯大于陸架區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能，而半日相干內(nèi)潮動(dòng)能在陸坡和陸架區(qū)沒有明顯差別；陸架區(qū)的全日和半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能要大于陸坡區(qū)的全日和半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能。

南海北部；相干內(nèi)潮；非相干內(nèi)潮；內(nèi)潮

1 引言

內(nèi)潮是一種具有天文潮周期的海洋內(nèi)波[1]，主要是由天文潮流經(jīng)過陡峭的海底地形時(shí)受地形的強(qiáng)迫作用激發(fā)的[2-3]。由于來自西北太平洋的強(qiáng)大潮流與呂宋海峽復(fù)雜地形的相互作用，造成了南海北部是世界上最強(qiáng)的內(nèi)潮區(qū)之一[4-5]，大量的數(shù)值模式結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果均表明南海北部的內(nèi)潮來自于呂宋海峽[4-7]。內(nèi)潮在呂宋海峽生成后，會(huì)以窄內(nèi)潮束的形式傳到南海北部，繼而在東沙島附近的陸坡區(qū)增強(qiáng)，最后演化成高頻非線性內(nèi)波(NIW)[8-9]。

南海北部的內(nèi)潮一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，近年來，南海北部的相干、非相干內(nèi)潮特性的研究引起了較多的關(guān)注[10-11]，對(duì)相干內(nèi)潮和非相干內(nèi)潮的研究可以更好地揭示內(nèi)潮的變化特征。相干內(nèi)潮是指相位與天文潮保持一致的內(nèi)潮[12]，非相干內(nèi)潮主要是相位與天文潮不一致的內(nèi)潮。非相干內(nèi)潮可以顯示非局地產(chǎn)生內(nèi)潮的存在[13-14]，也有研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)潮在非源地會(huì)有更少的相干性[15]，非相干內(nèi)潮的動(dòng)能可以反映內(nèi)潮和層結(jié)等背景狀態(tài)的相互作用[16]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)潮從源地向外傳播時(shí)，會(huì)因?yàn)橹車鷮咏Y(jié)改變或者經(jīng)過中尺度渦而失去相干性，表現(xiàn)出非相干性[17]。通過利用南海東北部8個(gè)月的ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，Lee等[18]發(fā)現(xiàn)非相干內(nèi)潮占到內(nèi)潮總能量的3/4，此研究突出了非相干內(nèi)潮的重要性。Xu等[11]發(fā)現(xiàn)在南海西北部，全日相干內(nèi)潮占全日內(nèi)潮能量的40%，但是半日相干內(nèi)潮只占半日內(nèi)潮能量的10%。通過數(shù)值模式模擬發(fā)現(xiàn)，在呂宋海峽西部，全日內(nèi)潮的相干性要高于半日內(nèi)潮[15]。觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在呂宋海峽的西南部，半日相干內(nèi)潮占半日內(nèi)潮能量的63%，而全日相干內(nèi)潮占全日內(nèi)潮能量的77.8%[10]。所以，全日和半日內(nèi)潮的相干性和非相干性具有地域特征。

在南海北部，大部分的研究利用單點(diǎn)的海流數(shù)據(jù)，研究全日和半日相干、非相干內(nèi)潮的能量貢獻(xiàn)。全日和半日相干、非相干內(nèi)潮在陸坡和陸架區(qū)的傳播特征及其相關(guān)的能量變化率則較少見報(bào)道。本文通過利用南海北部跨越陸坡和陸架區(qū)的3套潛標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)全日和半日相干、非相干內(nèi)潮進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了陸坡和陸架區(qū)的全日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能及其變化率的特征。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

我們?cè)谀虾１辈繓|沙島附近跨越陸坡和陸架區(qū)布放了3套潛標(biāo)，其觀測(cè)站位A、B和C的具體位置見圖1a。站位A和B位于陸坡區(qū)，站位C位于陸架區(qū)，它們的海底地形如圖1b所示。站位A的潛標(biāo)上放置了3個(gè)ADCP：在440 m布放了向上觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP，在450 m布放了向下觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP，在950 m布放了向下觀測(cè)的WHS150 kHz ADCP。站位B的潛標(biāo)上設(shè)有在500 m向上觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP以及在520 m向下觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP。站位C的潛標(biāo)上設(shè)有在260 m向上觀測(cè)的WHS150 kHz ADCP。3個(gè)站位ADCP的觀測(cè)時(shí)間是從2014年8月1日至2014年9月26日，3個(gè)站位ADCP的其他詳細(xì)觀測(cè)信息見表1。利用SBE 911 Plus CTD在站位A、B和C測(cè)得了溫度、鹽度以及壓力的垂直剖面信息，由此計(jì)算出3個(gè)站位的浮力頻率和密度垂直剖面。

圖1 站位A、B和C在南海北部的具體位置(a)以及站位A、B和C連線的海底地形(b)Fig.1 The mooring positions of sites A, B and C (red stars) in the South China Sea(a) and seafloor topography of sites A, B and C(b)

站位觀測(cè)類型觀測(cè)深度/m深度間隔/m時(shí)間間隔/s緯度經(jīng)度A向上86～4061612020．737°N117．745°EA向上470～9181612020．737°N117．745°EA向下958～107889020．737°N117．745°EB向上105～4731612020．835°N117．560°EB向下551～7911612020．835°N117．560°EC向上65～24189021．558°N116．544°E

2.2 方法

2.2.1 模態(tài)分解

對(duì)于水深為H的海洋，且在已知垂直浮力頻率剖面N(z)的情況下，垂直位移Фn(z)的模態(tài)結(jié)構(gòu)和特征速度Cn可以通過以下方程確定[19]：

(1)

式中，Фn(0)=Фn(-H)=0是邊界條件；Фn(z)是特征函數(shù)；Cn是特征速度[20]；n是模態(tài)數(shù)。模態(tài)對(duì)應(yīng)的斜壓速度u′(z,t)為：

(2)

(3)

式中，ω是內(nèi)潮頻率；f代表慣性頻率。群速度代表能量傳遞的速度。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)波數(shù)譜

旋轉(zhuǎn)譜分析是診斷水平流速隨時(shí)間或深度旋轉(zhuǎn)方向的一種譜分析方法，由Gonella[23]首次提出。旋轉(zhuǎn)譜分析的基本理論如下[24]：

將流速矢量寫成復(fù)數(shù)形式：

W(t)=u(t)+iv(t)，

(4a)

經(jīng)過Fourier 變換后，u(t)和v(t)分別寫成如下形式：

u(t)=a1cosσ1+b1sinσ1，

(4b)

v(t)=a2cosσ1+b2sinσ1.

(4c)

流速的橢圓方程可寫成下式：

u(t)+iv(t)=W+eiθt+W-e-iθt,

(4d)

其中，

(4e)

(4f)

定義順時(shí)針譜和逆時(shí)針譜分別為

(5a)

(5b)

式中，*表示共軛復(fù)數(shù)。流速垂向空間序列的旋轉(zhuǎn)譜稱之為旋轉(zhuǎn)波數(shù)譜。

2.2.3 水平動(dòng)能和動(dòng)能變化率

水平動(dòng)能(Horizontal Kinetic Energy, HKE)通過以下公式計(jì)算得到[15]：

(6)

式中，尖括號(hào)代表1個(gè)小時(shí)平均；ρ表示密度。

動(dòng)能的變化率通過以下公式計(jì)算：

(7)

式中，EA和EB代表站位A和B的深度平均動(dòng)能；EB-EA、tB-tA分別表示從站位A到站位B的動(dòng)能和時(shí)間差；RAB代表站位A到站位B的動(dòng)能變化率。站位B到站位C的動(dòng)能變化率RBC也是類似的算法。

3 觀測(cè)結(jié)果

3.1 調(diào)和分析結(jié)果

對(duì)站位A、B和C的斜壓潮進(jìn)行帶通濾波處理，分離出全日內(nèi)潮頻率帶(0.8～1.2 cpd)和半日內(nèi)潮頻率帶(1.8～2.2 cpd)。為了研究站位A、B和C的全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮的特性，對(duì)站位A、B和C的全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮進(jìn)行調(diào)和分析，3個(gè)站位全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮主要分潮潮流橢圓隨深度的變化如圖2和圖3所示。

站位A、B和C的全日內(nèi)潮的主要分潮是O1和K1，它們的潮流橢圓隨深度的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，站位A、B和C中K1的振幅都要比O1的振幅大，說明K1分潮占主導(dǎo)。站位A和B中，O1和K1的振幅都是在上層和底層較大。站位C中O1的振幅在上層較大，K1的振幅在140 m和底層較大。陸坡區(qū)(站位A和B)中K1和O1的振幅要遠(yuǎn)大于陸架區(qū)(站位C)中K1和O1的振幅，說明在陸架區(qū)K1和O1明顯減弱。陸坡區(qū)的K1和O1主要是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，這和北半球自由傳播內(nèi)波的旋轉(zhuǎn)方向一致[21]。陸架區(qū)的K1和O1在底層表現(xiàn)出更多的逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，這是由于地形強(qiáng)迫作用，改變了自由傳播的旋轉(zhuǎn)方向特性。

圖3為站位A、B和C的半日內(nèi)潮主要分潮橢圓隨深度的變化，從圖中可以看出，站位A、B和C的M2振幅都要比S2振幅大，說明M2分潮占主導(dǎo)。站位A、B和C中M2和S2的振幅都呈現(xiàn)出上層最大的特征，M2和S2都是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

3.2 全日相干和非相干內(nèi)潮

對(duì)站位A、B和C的全日內(nèi)潮進(jìn)行調(diào)和分析的結(jié)果即為全日相干內(nèi)潮，用全日內(nèi)潮減去全日相干內(nèi)潮即為全日非相干內(nèi)潮，半日相干內(nèi)潮和半日非相干內(nèi)潮也是用同樣的方法得到[25]。

圖2 站位A、B和C全日內(nèi)潮的主要分潮潮流橢圓Fig.2 Diurnal baroclinic tidal current ellipses (O1 and K1) in sites A, B and C

圖3 站位A、B和C半日內(nèi)潮的主要分潮潮流橢圓Fig.3 Semidiurnal baroclinic tidal current ellipses (M2 and S2) in sites A, B and C

為了研究站位A、B和C的全日相干內(nèi)潮速度在時(shí)間和空間上的特征，圖4給出了站位A、B和C的全日相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布。從圖4a和4b可以看出，站位A和B的全日相干內(nèi)潮速度u呈現(xiàn)出上層和底層大的特征，這與圖2中調(diào)和分析的結(jié)果一致。站位A和B的全日相干內(nèi)潮速度u在上層和底層都有14 d的大小潮周期。圖4a顯示站位A的全日相干內(nèi)潮速度相位向上傳播，能量向下傳。站位B的全日相干內(nèi)潮速度u相位向下傳播，能量向上傳(圖4b)。站位C的全日相干內(nèi)潮速度u相位既向上傳播，也向下傳播(圖4c)。陸坡區(qū)的全日相干內(nèi)潮速度u要明顯大于陸架區(qū)的全日相干內(nèi)潮速度u，這與上文中潮流橢圓的分析一致(圖2)。

圖4 站位A、B和C的全日相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布Fig.4 Depth-time maps of diurnal coherent west-east velocity in sites A, B and C

利用式(5a)和式(5b)算出站位A、B和C全日相干內(nèi)潮流速時(shí)間平均的垂向波數(shù)譜，其中垂向波數(shù)譜的順時(shí)針和逆時(shí)針分量分別代表向下和向上傳播的能量[23]。圖5a顯示，站位A全日相干內(nèi)潮速度的垂向波長(zhǎng)大于128 m時(shí)(波數(shù)<0.007 8 cpm)，順時(shí)針譜值明顯大于逆時(shí)針譜值，說明大尺度全日相干內(nèi)潮能量主要是垂直向下傳播的。當(dāng)垂向波長(zhǎng)小于128 m時(shí)，上傳和下傳能量大致相等。站位B全日相干內(nèi)潮速度的垂向波長(zhǎng)大于66 m時(shí)，逆時(shí)針譜值明顯大于順時(shí)針譜值，這說明全日相干內(nèi)潮能量主要是垂直向上傳播的(圖5b)。圖5c顯示，站位C全日相干內(nèi)潮速度的垂向波長(zhǎng)大于43 m時(shí)，順時(shí)針譜值大于逆時(shí)針譜值，說明大尺度全日相干內(nèi)潮能量主要是垂直向下傳播的；而波長(zhǎng)小于43 m，上傳和下傳能量大致相等。從以上分析可知，站位A和C的全日相干內(nèi)潮能量以向下傳為主，而站位B的全日相干內(nèi)潮能量以向上傳為主，這與圖4的分析結(jié)果基本一致。

圖5 站位A、B和C全日相干內(nèi)潮流速時(shí)間平均的垂向波數(shù)譜Fig.5 Time-average wavenumber spectra of diurnal coherent velocity in sites A, B and C

通過模態(tài)分解方法，算出站位A、B和C全日相干內(nèi)潮流速的第一、二和三斜壓模態(tài)流速，并求得深度平均的站位A、B和C全日相干內(nèi)潮流速的第一、二和三斜壓模態(tài)動(dòng)能，如圖6所示。從圖6a可知，站位A的全日相干內(nèi)潮是以第一斜壓模態(tài)為主，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)第三斜壓模態(tài)動(dòng)能要大于第二斜壓模態(tài)。站位B的全日相干內(nèi)潮則以第二斜壓模態(tài)為主，第二斜壓模態(tài)的動(dòng)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一和第三模態(tài)斜壓動(dòng)能(圖6b)。而圖6c顯示站位C的全日相干內(nèi)潮是以第三斜壓模態(tài)為主，第一和第二斜壓模態(tài)動(dòng)能相當(dāng)。由以上分析可知，陸架區(qū)(站位C)的全日相干內(nèi)潮是高模態(tài)占主導(dǎo)，而陸坡區(qū)(站位A和B)的全日相干內(nèi)潮是低模態(tài)占主導(dǎo)。

圖6 站位A、B和C全日相干內(nèi)潮速度模態(tài)動(dòng)能的深度平均，圖中動(dòng)能值是24 h時(shí)間平均的結(jié)果Fig.6 Depth-averaged modal horizontal kinetic energy of diurnal coherent velocity in sites A, B and C, the kinetic energy values in the diagram are the results of averaged over a 24-hour period

圖7 站位A、B和C的全日非相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布Fig.7 Depth-time maps of diurnal incoherent west-east velocity in sites A, B and C

圖8 站位A、B和C的全日正壓動(dòng)能和全日斜壓動(dòng)能(深度平均)，圖中動(dòng)能值是24 h時(shí)間平均的結(jié)果Fig.8 Depth-averaged diurnal horizontal kinetic energy (red line) and diurnal barotropic horizontal kinetic energy (blue line) in sites A,B and C, the kinetic energy values in the diagram are the results of averaged over a 24-hour period

圖9 站位A和B的深度平均全日內(nèi)潮動(dòng)能密度Fig.9 Depth-averaged diurnal horizontal kinetic energy density of sites A and B

圖10 全日相干(a)、非相干(b)內(nèi)潮動(dòng)能變化率及其整個(gè)時(shí)間段平均(c)，其中a和b是24 h時(shí)間平均的結(jié)果Fig.10 Changing rates of diurnal coherent (a) and incoherent (b) horizontal kinetic energy from site A to site B (blue line) and site B to site C (red line) and their time average (c), the kinetic energy values in the a and b are the results of averaged over a 24-hour period

圖7為站位A、B、C的全日非相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布，從圖7中可以看出，站位A、B、C的大部分時(shí)間段全日非相干內(nèi)潮速度u相位向上傳播，能量向下傳。但站位A也有一部分的全日非相干內(nèi)潮速度u相位向下傳，能量向上傳(見圖7a中藍(lán)框)。從圖7a可以看出，站位A的全日非相干內(nèi)潮速度u主要是在400 m以淺較大。通過對(duì)站位A、B、C全日非相干內(nèi)潮速度的時(shí)間平均垂向波數(shù)譜分析可知，站位A、B、C的全日非相干內(nèi)潮速度在大部分的垂向尺度上都是能量向下傳播，這與圖7的分析一致。站位A、B、C的全日非相干內(nèi)潮斜壓模態(tài)動(dòng)能顯示，站位A和站位C的全日非相干內(nèi)潮以第三斜壓模態(tài)為主，而站位B的全日非相干內(nèi)潮以第二斜壓模態(tài)為主。

圖8為站位A、B、C的全日正壓動(dòng)能和全日斜壓動(dòng)能(深度平均)對(duì)比圖，從中可以看出，站位A、B、C的全日正壓動(dòng)能和全日斜壓動(dòng)能(深度平均)存在相位差，說明站位A、B、C的全日內(nèi)潮的大部分能量是非局地產(chǎn)生的。劉倩[26]利用本文相同的數(shù)據(jù)，計(jì)算了站位A、B、C的全日和半日內(nèi)潮帶的能通量矢量，發(fā)現(xiàn)站位A和B的時(shí)間平均全日內(nèi)潮能通量都是向北偏西45°方向傳播，幾乎和站位A、B和C的方向(北偏西42°)一致。說明全日內(nèi)潮是從站位A傳到站位B，再傳到站位C。半日內(nèi)潮主要是向西傳播，即半日波束從站位A向西傳播，并不向站位B傳播。因此，下文中將重點(diǎn)分析陸坡區(qū)(從站位A傳播到站位B)和陸架區(qū)(從站位B傳播到站位C)的全日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能的變化率。

利用式(3)算出站位A全日內(nèi)潮第一模態(tài)的群速度為1.67 m/s以及站位B全日內(nèi)潮第一模態(tài)的群速度為1.15 m/s，站位A和站位B相距22.13 km，站位B和站位C相距132.35 km。由此可算出站位A到站位B的傳播時(shí)間為tB-tA=3.66 h，這與圖9中站位A和B的深度平均全日內(nèi)潮動(dòng)能的相位差一致。站位B到站位C的傳播時(shí)間為tC-tB=31.98 h，由于站位C的深度平均全日內(nèi)潮動(dòng)能并不具有14 d的周期，因此不便把站位B和C的深度平均全日內(nèi)潮動(dòng)能的相位進(jìn)行比較。再利用式(7)算出陸坡區(qū)(從站位A傳播到站位B)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率RAB(圖10a中藍(lán)線)，以及陸架區(qū)(從站位B傳播到站位C)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率RBC(圖10a中紅線)。從圖10a中可以看出，藍(lán)線大部分時(shí)間對(duì)應(yīng)的值都大于0，說明陸坡區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能以生成為主，陸坡區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率極大值達(dá)到7.28 J/(m3·s)。而圖10a中紅線大部分時(shí)間對(duì)應(yīng)的值都小于0，表明陸架區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能被耗散，陸架區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能耗散率極大值達(dá)到1.32 J/(m3·s)。圖10a中藍(lán)線和紅線有明顯的14 d周期，但兩者存在1 d的相位差，這和陸坡和陸架區(qū)的1 d傳播時(shí)間差一致。

同樣，利用式(7)算出陸坡區(qū)(從站位A到站位B)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率(圖10b中藍(lán)線)，以及陸架區(qū)(從站位B到站位C)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率(圖10b中紅線)。從圖10b中可以看出，藍(lán)線和紅線大部分時(shí)間對(duì)應(yīng)的值都大于0，說明全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能在陸坡和陸架區(qū)都以生成為主，陸坡區(qū)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率極大值達(dá)到1.09 J/(m3·s)，陸架區(qū)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率極大值達(dá)到0.34 J/(m3·s)。

為了比較陸坡區(qū)(從站位A到站位B)和陸架區(qū)(從站位B到站位C)的全日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率的量級(jí)，圖10c顯示的是陸坡和陸架區(qū)的全日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率的時(shí)間平均。從圖10c中可以看出，陸坡區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率為2.32 J/(m3·s)，陸架區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能耗散率為0.44 J/(m3·s)，這表明全日相干內(nèi)潮動(dòng)能主要是在陸坡區(qū)生成，在陸架區(qū)耗散。陸坡區(qū)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率為0.39 J/(m3·s)，陸架區(qū)全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率為0.03 J/(m3·s)，這說明全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能在陸坡和陸架區(qū)都有增強(qiáng)。在陸坡區(qū)，全日相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率要大于全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率，表明全日相干內(nèi)潮生成主導(dǎo)陸坡區(qū)全日內(nèi)潮生成。同樣，在陸架區(qū)，全日相干內(nèi)潮動(dòng)能耗散率要大于全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)一步表明全日相干內(nèi)潮耗散主導(dǎo)陸架區(qū)全日內(nèi)潮耗散。

為了研究站位A、B和C全日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能的時(shí)間變化特征，圖11顯示了站位A、B、C全日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能的深度平均。從圖11a可以看出陸坡區(qū)(站位A和B)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能要大于陸架區(qū)(站位C)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能。圖10a的分析顯示站位A到站位B的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率大于0，與之對(duì)應(yīng)的是圖11a中站位B的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能大于站位A；而站位B到站位C的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率小于0，在圖11a中表現(xiàn)為站位B的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能大于站位C。圖11a中站位B的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能大于站位A，這可能是由于站位A的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能在向下傳的過程中在底層與地形發(fā)生作用耗散掉一部分能量(圖5a)，而站位B的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能主要是向上傳，能量耗散較少(圖5b)。圖11a中站位A和站位B呈現(xiàn)出相同的變化特征，兩者都有14 d的周期，但兩者的峰值相位并不是相差4 h，而是存在1 d的相位延遲或超前，這是因?yàn)閯?dòng)能是24 h時(shí)間平均，分辨率降低導(dǎo)致的。圖10b的分析顯示站位A到站位B以及站位B到站位C的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能變化率都小于0，在圖11b中表現(xiàn)為站位B的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能大于站位A以及站位C的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能大于站位B。而圖11b顯示，陸架區(qū)(站位C)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能要大于陸坡區(qū)(站位A和B)的全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能。由此說明與陸坡區(qū)的全日內(nèi)潮相比，陸架區(qū)的全日內(nèi)潮有更多的能量與地形發(fā)生非線性相互作用，這是由陸架區(qū)的地形造成的，在討論中會(huì)有進(jìn)一步的說明。

圖11 站位A、B和C的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能(a)和全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能(b)的深度平均，圖中動(dòng)能值是24 h時(shí)間平均的結(jié)果Fig.11 Depth-averaged diurnal coherent (a) and incoherent (b) horizontal kinetic energy in sites A, B and C, the kinetic energy values in the diagram are the results of averaged over a 24-hour period

3.3 半日相干和非相干內(nèi)潮分析結(jié)果

為了研究站位A、B和C半日相干和非相干內(nèi)潮速度的時(shí)間和空間分布特征，圖12和圖13給出了站位A、B和C半日相干和非相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布圖。圖12a～c顯示站位A、B和C半日相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布比較一致，大值都集中在上層。站位A和B的半日非相干內(nèi)潮速度u分布較為復(fù)雜(圖13a和13b)，而從圖13c可以看出，站位C的半日非相干內(nèi)潮速度u在上層和底層較大。

為了研究站位A、B和C半日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能的時(shí)間變化特征，圖14展示了站位A、B和C半日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能的深度平均。從圖14a可以看出，3條線大小無明顯差異，說明陸坡區(qū)(站位A和B)和陸架區(qū)(站位C)的半日相干內(nèi)潮動(dòng)能沒有明顯的差別。圖14b中黑線要明顯大于藍(lán)線和紅線，意味著陸架區(qū)(站位C)的半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能要大于陸坡區(qū)(站位A和B)的半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能。

圖12 站位A、B和C半日相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布Fig.12 Depth-time maps of semidiurnal coherent west-east velocity in sites A, B and C

圖13 站位A、B和C半日非相干內(nèi)潮速度u的時(shí)空分布Fig.13 Depth-time maps of semidiurnal incoherent west-east velocity in sites A, B and C

圖14 站位A、B和C的半日相干內(nèi)潮動(dòng)能(a)和半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能(b)的深度平均Fig.14 Depth-averaged semidiurnal coherent (a) and incoherent (b) horizontal kinetic energy in sites A, B and C圖中動(dòng)能值是24 h時(shí)間平均的結(jié)果The kinetic energy values in the diagram are averaged over a 24-hour period

4 討論

全日內(nèi)潮從站位A傳到站位B再傳到站位C的過程中，站位A、B和C的地形陡峭程度會(huì)影響全日內(nèi)潮在傳播過程中和地形的相互作用，判別地形陡峭程度的參數(shù)為地形坡度與內(nèi)潮波特征線坡度的比值[27-28]。假設(shè)地形坡度為s，內(nèi)潮波特征線坡度為α，地形坡度和內(nèi)潮波特征線坡度的比值ε如下：

(8)

式中，N為底邊界處浮力頻率，ω為潮頻率，f為慣性頻率。

當(dāng)ε<1、ε=1以及ε>1時(shí)，我們分別稱此時(shí)的地形為亞臨界地形、臨界地形和超臨界地形。臨界地形是耗散的最強(qiáng)地形[28]。內(nèi)潮傳播到亞臨界地形后，內(nèi)潮會(huì)發(fā)生散射并攜帶大部分能量繼續(xù)傳播。而內(nèi)潮傳播到超臨界地形后，大部分內(nèi)潮的能量被反射回深海[29]。

利用式(8)，可以算出站位A、B和C的地形坡度和全日內(nèi)潮波特征線坡度的比值分別為1.219 9、1.809 3和1.084 8，站位A、B和C的地形坡度和半日內(nèi)潮波特征線坡度的比值分別為0.608 5、0.285 5和0.556 8。由此可知對(duì)于全日內(nèi)潮，站位A和B是超臨界地形，站位C接近臨界地形；對(duì)于半日內(nèi)潮，站位A、B和C都是亞臨界地形，這與其他學(xué)者的結(jié)果一致[29-30]。對(duì)于全日相干內(nèi)潮，由于站位A和B對(duì)于全日內(nèi)潮是超臨界地形，陸坡區(qū)的大部分全日相干內(nèi)潮能量會(huì)反射回深海，繼而在深海與地形發(fā)生相互作用進(jìn)行耗散，因此陸坡區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能要大于陸架區(qū)的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能。陸坡區(qū)的小部分全日內(nèi)潮能量會(huì)傳到陸架區(qū)(站位C)后，由于陸架區(qū)對(duì)于全日內(nèi)潮是臨界地形，這會(huì)導(dǎo)致全日相干內(nèi)潮動(dòng)能耗散。另外，全日內(nèi)潮從陸坡區(qū)傳到陸架區(qū)的過程中，有一部分低模態(tài)的全日相干內(nèi)潮演變成了高模態(tài)的全日相干內(nèi)潮(圖6c)，高模態(tài)的全日相干內(nèi)潮更容易耗散。全日內(nèi)潮在陸坡區(qū)(超臨界地形)反射的過程中，導(dǎo)致全日非相干內(nèi)潮能量增強(qiáng)；全日內(nèi)潮在陸架區(qū)的臨界地形條件下，全日內(nèi)潮能量耗散的同時(shí)，伴隨著全日非相干內(nèi)潮能量的進(jìn)一步增強(qiáng)。

對(duì)于半日內(nèi)潮，站位A、B和C都是亞臨界地形，由于半日內(nèi)潮并不沿站位A、B和C方向傳播，因此這里不討論地形對(duì)半日內(nèi)潮的影響。

5 結(jié)論

通過南海北部跨越陸坡和陸架區(qū)的3套潛標(biāo)數(shù)據(jù)，分析了陸坡區(qū)(站位A和站位B)和陸架區(qū)(站位C)的全日、半日相干和非相干內(nèi)潮動(dòng)能及其變化率。東沙島附近陸坡和陸架區(qū)的全日內(nèi)潮與全日正壓潮存在相位差，說明全日內(nèi)潮是非局地產(chǎn)生的，有可能來自呂宋海峽[8-9]。全日內(nèi)潮從陸坡區(qū)向陸架區(qū)傳播的過程中，在陸坡區(qū)以全日相干動(dòng)能生成為主，平均全日相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率為2.32 J/(m3·s)，平均全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率為0.39 J/(m3·s)；在陸架區(qū)以全日相干內(nèi)潮動(dòng)能耗散為主，平均全日相干內(nèi)潮動(dòng)能耗散率為0.44 J/(m3·s)，平均全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能生成率為0.03 J/(m3·s)。全日相干內(nèi)潮在陸坡區(qū)的超臨界地形上反射，在陸架區(qū)的臨界地形上耗散，這導(dǎo)致全日相干內(nèi)潮動(dòng)能從陸坡區(qū)到陸架區(qū)明顯減弱。半日相干內(nèi)潮動(dòng)能在陸坡和陸架區(qū)無明顯差別，這可能是因?yàn)榘肴障喔蓛?nèi)潮并不沿陸坡區(qū)和陸架傳播以及陸坡和陸架區(qū)對(duì)于半日內(nèi)潮都是亞臨界地形。全日內(nèi)潮在陸坡區(qū)被反射到深海時(shí)導(dǎo)致全日非相干內(nèi)潮能量增強(qiáng)，全日內(nèi)潮能量在陸架區(qū)耗散也伴隨著全日非相干內(nèi)潮能量的進(jìn)一步增強(qiáng)。陸架區(qū)的半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能要大于陸坡區(qū)的半日非相干內(nèi)潮動(dòng)能。

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Evolution characteristics of coherent and incoherent internal tides in the northern South China Sea

Zhai Rongwei1,2, Chen Guiying1, Shang Xiaodong1

(1.StateKeyLaboratoryofTropicalMarineEnvironment,SouthChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Three sets of mooring Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) data across the continental slope and shelf area in the northern South China Sea are used to study the kinetic energy characteristics of diurnal and semidiurnal coherent and incoherent internal tides (ITs). Research shows that when diurnal ITs spread along continental slope and continental shelf, it is dominated by diurnal coherent ITs kinetic energy generation in the continental slope and the average diurnal coherent ITs kinetic energy generation rate is 2.32 J/(m3·s). It is dominated by diurnal coherent ITs kinetic energy dissipation in the continental shelf and the average diurnal coherent ITs kinetic energy dissipation rate is 0.44 J/(m3·s). The kinetic energy of diurnal incoherent ITs increases in both the continental slope and the continental shelf and the average diurnal incoherent ITs kinetic energy generation rate are 0.39 and 0.03 J/(m3·s). The kinetic energy characteristics of diurnal and semidiurnal coherent ITs are different in the continental slope and continental shelf. It showed that the kinetic energy of diurnal coherent ITs in the continental slope is significantly greater than the kinetic energy of diurnal coherent ITs in the continental shelf, but the kinetic energy of semidiurnal coherent ITs energy had no significant difference in the continental slope and continental shelf. The kinetic energy of diurnal and semidiurnal incoherent ITs in the continental shelf is greater than that in the continental slope.

northern South China Sea; coherent internal tides; incoherent internal tides; internal tides

P731.24

A

0253-4193(2017)11-0024-13

翟榮偉, 陳桂英, 尚曉東. 南海北部相干內(nèi)潮和非相干內(nèi)潮演變特征[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(11):24-36,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.003

Zhai Rongwei, Chen Guiying, Shang Xiaodong. Evolution characteristics of coherent and incoherent internal tides in the northern South China Sea[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(11):24-36, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.003

2016-12-28；

2017-03-24。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41630970，41676022，41376022，41521005)。

翟榮偉(1991—)，男，江蘇省興化市人，從事海洋內(nèi)潮研究。E-mail：zhairongwei1991@163.com

*通信作者：陳桂英(1963—)，女，研究員，博士生導(dǎo)師，從事海洋中小尺度動(dòng)力過程，海洋湍流與海洋混合研究。E-mail：gychen@scsio.ac.cn