南海北部臺(tái)風(fēng)和中尺度暖渦對(duì)近慣性振蕩的影響

于璐莎，翟榮偉，魯遠(yuǎn)征，郭雙喜，屈玲，岑顯榮，張康，

黃鵬起1,2，尚曉東1,3，周生啟1,3*

( 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；3. 中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510301)

1 引言

圖 1 南海北部2014 年9 月19 日海平面高度異常的分布Fig. 1 Sea level anomaly in the northern of South China Sea on September 19th, 2014

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 潛標(biāo)數(shù)據(jù)

本文采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所的開(kāi)放航次，該航次于2014 年8 月1 日至9 月27 日在南海東北部東沙群島附近放置了2 套錨定潛標(biāo)A 和B。站位A 位于20.736°N，117.745°E，水深1 249 m 處；站位B 位于20.835°N，117.56°E，水深848 m 處（圖1），兩個(gè)站位相距約22 km。站位A 的潛標(biāo)上放置了3 個(gè)ADCP：在440 m 處布放了向上觀測(cè)的WHS75 kHz ADCP，在450 m 布放了向下觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP。這兩個(gè)ADCP 的垂向分辨率為16 m，時(shí)間分辨率為2 min。在950 m 布放了向下觀測(cè)的WHS150 kHz ADCP，垂向分辨率為8 m，時(shí)間分辨率為1.5 min。站位B 的潛標(biāo)上放置了2 個(gè)ADCP：在500 m 布放了向上觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP，以及在520 m 布放了向下觀測(cè)的WHLS75 kHz ADCP。這兩個(gè)ADCP 的垂向分辨率為16 m，時(shí)間分辨率為2 min。觀測(cè)期間，有兩個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入南海，分別為“海鷗”和“鳳凰”。臺(tái)風(fēng)“海鷗”生成于西北太平洋，9 月14 日在呂宋島登陸，繼而以約30 km/h 的速度向西北方移動(dòng)（圖1），于9 月15 日早上進(jìn)入南海，早上6 時(shí)，距離站位A 最近，下午14 時(shí)，距離站位B 最近，距離分別為278 km 和292 km。臺(tái)風(fēng)“海鷗”于9 月16 日上午離開(kāi)南海。臺(tái)風(fēng)“鳳凰”生成于西太平洋，9 月18 日在呂宋島登陸，之后以約25 km/h 的速度向西北偏正北方移動(dòng)（圖1），于9 月19 日0 時(shí)前后進(jìn)入南海，9 月20 日0 時(shí)，距離站位A 和B 最近，距離分別為209 km 和230 km。臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于9 月21 日0 時(shí)前后離開(kāi)南海。2014 年9 月27 日回收潛標(biāo)時(shí)分別在站位A 和B 處進(jìn)行了CTD 的測(cè)量，獲得了溫度、鹽度和深度等數(shù)據(jù)。

2.1.2 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和歐洲天氣數(shù)據(jù)

本文基于2014 年8-9 月的海平面高度異常（Sea Level Anomaly, SLA）和地轉(zhuǎn)流流速數(shù)據(jù)分析中尺度渦旋的基本特征。數(shù)據(jù)來(lái)源于AVISO (http://www.aviso.oceanobs.com)，融合了多種衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為（1/4）°×（1/4）°，時(shí)間分辨率為1 d。同時(shí)也利用歐洲天氣預(yù)報(bào)中心ERA-Interim 的海表上空10 m 處的風(fēng)速數(shù)據(jù)，分析臺(tái)風(fēng)進(jìn)入南海時(shí)兩個(gè)站位所處的大氣環(huán)境。

2.2 研究方法

2.2.1 斜壓近慣性流的提取

正壓流體是指流體內(nèi)部任何一點(diǎn)的壓力只與密度有關(guān)，而除了與密度有關(guān)之外，還與其他熱力學(xué)參量，如溫度、鹽度等有關(guān)的流體是斜壓流體。為了研究海洋內(nèi)部的動(dòng)力過(guò)程，對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的海流U(z,t)，可將其分解為正壓流和斜壓流實(shí)測(cè)海流的深度平均即是正壓流，

式中，z為深度；t為時(shí)間；H為海水總深度。實(shí)測(cè)海流減去正壓流即可得到斜壓流

對(duì)斜壓流進(jìn)行帶通濾波處理，采用Butterworth 濾波器，濾波函數(shù)為Matlab 自帶的filtfilt 濾波程序，濾波頻帶為(0.85～1.15)f0，獲得近慣性流的變化。其近慣性動(dòng)能(Near-Inertial Kinetic Energy, NIKE)表示為

式中，u、v分別為濾波得到的近慣性流的東西和南北向流速分量；ρ0為海水的參考密度，取1 024 kg/m3。

2.2.2 能譜分析

基于Gonella[14]闡述的譜分析方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可知，任一水平流速矢量可表達(dá)為對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，得到其順時(shí)針?lè)至繛?/p>

逆時(shí)針?lè)至繛?/p>

流速橢圓可表達(dá)為

式中，

那么，定義順時(shí)針譜為

逆時(shí)針譜為

全能譜為

式中，t表示時(shí)間，i 為虛數(shù)單位，a1、b1、a2、b2為常數(shù)，表示振幅，σ表示頻率，*表示共軛復(fù)數(shù)。

2.2.3 渦旋中心的檢測(cè)

本文參照Halo 等[15-16]的自動(dòng)檢測(cè)渦旋的方法，運(yùn)用兩個(gè)判據(jù)去確定渦旋以及渦旋的中心。一個(gè)判據(jù)是閉合的海表面高度[17]。另一個(gè)是Okubo-Weiss 參數(shù)小于0[18-19]，其中Okubo-Weiss 參數(shù)定義為

3 結(jié)果

3.1 近慣性流場(chǎng)的分析以及對(duì)比

圖 2 2014 年9 月10-27 日期間站位A（a，b）和站位B（c，d）近慣性流東西向（a，c）、南北向（b，d）分量隨時(shí)間和深度的分布Fig. 2 The distribution of the near-inertial current zonal (a, c) and meridional (b, d) velocity at Station A (a, b) and Station B (c, d) from September 10th to 27th, 2014

為了研究?jī)蓚€(gè)臺(tái)風(fēng)對(duì)近慣性流速的影響，濾波后站位A 和B 的近慣性流速如圖2 所示。從圖2 可以看出，臺(tái)風(fēng)“海鷗”過(guò)后，兩個(gè)站位的近慣性流速并沒(méi)有明顯的增強(qiáng)，直至9 月19 日臺(tái)風(fēng)“鳳凰”進(jìn)入南海，兩個(gè)站位的近慣性流速才開(kāi)始明顯增強(qiáng)。其中站位A 的近慣性流速在約158 m 深度處達(dá)到最大，最大流速值約為0.41 m/s。站位B 的近慣性流速則在約207 m深度處達(dá)到最大，最大流速值約為0.36 m/s，深度較站位A 深49 m。站位A 的近慣性流速東西向和南北向都比站位B 的流速大，分別大0.07 m/s 和0.06 m/s 左右。并且，350 m 以深兩個(gè)站位的近慣性流速均已較小，平均流速約為0.05 m/s，最大不超過(guò)0.1 m/s。由于潛標(biāo)觀測(cè)的原因，上層50 m 未采集到數(shù)據(jù)，所以接下來(lái)，我們重點(diǎn)對(duì)50～400 m 深度范圍的近慣性振蕩特征進(jìn)行研究。

圖 3 整個(gè)觀測(cè)期間站位A 和B 上空10 m 處的風(fēng)速大?。╝）和兩個(gè)站位深度（50 m≤d≤350 m）積分后的近慣性動(dòng)能（b）隨時(shí)間變化的分布Fig. 3 Time evolution of the 10 m wind speed (a) and the integrated near-inertial kinetic energy between 50 m and 350 m (b) at Station A and Station B during the entire observational period

3.2 臺(tái)風(fēng)激發(fā)的近慣性動(dòng)能的分布特征以及對(duì)比

觀測(cè)期間，站位A 和B 上空10 m 處的風(fēng)速變化如圖3a 所示，可知，9 月15 日上午，臺(tái)風(fēng)“海鷗”過(guò)境時(shí)，風(fēng)速顯著增大，由臺(tái)風(fēng)之前的小于10 m/s 變化至19 m/s 和18.5 m/s。而臺(tái)風(fēng)“鳳凰”過(guò)境時(shí)，風(fēng)速并沒(méi)有明顯增大。為了研究臺(tái)風(fēng)激發(fā)的近慣性振蕩的基本特征，對(duì)近慣性動(dòng)能進(jìn)行深度（50 m≤d≤350 m）積分，得到其總的近慣性動(dòng)能隨時(shí)間的變化（圖3b）。由圖3b 可知，臺(tái)風(fēng)“海鷗”過(guò)境后，兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能雖有所增加但不明顯，臺(tái)風(fēng)“鳳凰”過(guò)境之前近慣性動(dòng)能一直在增加，臺(tái)風(fēng)“鳳凰”過(guò)境時(shí)，風(fēng)速雖沒(méi)有明顯增大，但兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能仍在一直增加，直到站位A 于9 月21 日下午13 時(shí)達(dá)到峰值553.4 J/m3，站位B 滯后約14 個(gè)小時(shí)達(dá)到峰值636.2 J/m3，較站位A 大15%。兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能變化明顯存在時(shí)間上的延遲。這可能與兩個(gè)站位相距臺(tái)風(fēng)的距離不同有關(guān)，站位B 距離臺(tái)風(fēng)較遠(yuǎn)。

由于“鳳凰”過(guò)境時(shí)，站位A 和B 處于中尺度暖渦中，風(fēng)速雖沒(méi)有明顯增大，但近慣性動(dòng)能卻一直持續(xù)增加至峰值。我們推測(cè)，近慣性動(dòng)能的峰值可能是兩個(gè)臺(tái)風(fēng)共同作用的結(jié)果，也可能是受到中尺度渦的影響。Zhao 等[20]利用平板混合層模型提出，各項(xiàng)同性風(fēng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的近慣性振蕩，由于應(yīng)力的存在，能量會(huì)從中尺度渦向近慣性振蕩傳遞。并且指出黑潮延伸區(qū)是發(fā)生這種現(xiàn)象的一個(gè)顯著的海域，且由于受渦度的影響，暖渦的能量傳遞效率是冷渦的2 倍。但是，由于近慣性振蕩存在一定的延遲，而兩個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)間相距很近，潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)也有限，無(wú)法將兩個(gè)臺(tái)風(fēng)單獨(dú)的作用以及中尺度渦的作用分離出來(lái)，現(xiàn)階段無(wú)法給出更為合理的解釋?zhuān)孕枰M(jìn)一步探討。

圖4a 和4b 分別為兩個(gè)臺(tái)風(fēng)期間，即9 月15-27日期間，站位A 和B 近慣性動(dòng)能隨時(shí)間和深度的分布。可知，兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能分布特征存在明顯的差異，尤其是在垂向方向上。將15-27 日的近慣性動(dòng)能進(jìn)行時(shí)間積分，得到其在垂向上的分布，如圖4c。由圖4c 可知，在臺(tái)風(fēng)的激發(fā)下，兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能都快速增加，站位A 的近慣性動(dòng)能在158 m 處達(dá)到最大，最大值為3.01×105J/m3。隨著深度的增加，對(duì)應(yīng)深度處的近慣性動(dòng)能逐漸減小。站位B 的近慣性動(dòng)能在同樣深度158 m 也達(dá)到最大，最大值為2.14×105J/m3，比站位A 的小29%。隨著深度的增加，對(duì)應(yīng)深度處的近慣性動(dòng)能緩慢減小，至191 m 的深度，能量相對(duì)于最大值僅減小1.66×104J/m3，約為同樣深度處站位A 能量減小的15%。站位B 在191 m 以深，近慣性動(dòng)能反而略有增大，至223 m 處達(dá)到第二個(gè)峰值，能量增加至2.07×105J/m3。223 m 以深，隨著深度的增加，能量才開(kāi)始迅速的減小。整體而言，站位B 在158～223 m 的深度范圍內(nèi)，近慣性動(dòng)能的分布存在兩個(gè)峰值，能量衰減較少。站位A 的能量則隨著深度的增加而逐漸減小。關(guān)于兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能在垂向上分布的差異，接下來(lái)我們將從中尺度暖渦以及兩個(gè)站位所處的層結(jié)狀態(tài)這兩方面進(jìn)行研究。

圖 4 2014 年9 月15-27 日期間站位A（a）和站位B（b）近慣性動(dòng)能隨時(shí)間的分布和兩站位15-27 日時(shí)間積分后的近慣性動(dòng)能在垂向上的分布（c）Fig. 4 The time evolutions of near-inertial kinetic energy from September 15th to 27th, 2014 at Station A (a) and StationB (b), and the vertical profiles of time integrated near-inertial kinetic energy of them during this period (c)

3.3 中尺度暖渦

3.3.1 暖渦的基本特征分析以及對(duì)流場(chǎng)的影響

基于Halo 等[15-16]自動(dòng)檢測(cè)渦旋的方法，在觀測(cè)期間我們檢測(cè)出有1 個(gè)中尺度暖渦于9 月11 日形成，直至觀測(cè)結(jié)束，該暖渦都一直存在。9 月15 日早上臺(tái)風(fēng)“海鷗”到達(dá)南海時(shí)，站位A 和B 已經(jīng)受到暖渦的影響（圖5 的渦度變化也能顯示出）。由圖1 可知，9 月19 日臺(tái)風(fēng)“鳳凰”到達(dá)南海時(shí)，站位A 和B 處在暖渦的內(nèi)部。暖渦的平均半徑為67 km。圖5a 展示了暖渦中心9 月11-30 日期間的移動(dòng)軌跡以及速度，可知，9 月21-22 日，暖渦的中心移動(dòng)至兩個(gè)站位附近，且距離站位A 更近。如圖5a 所示，暖渦中心最初向西北方向移動(dòng)，9 月21 日轉(zhuǎn)向西南方向移動(dòng)。暖渦中心的平均移動(dòng)速度為0.12 m/s。渦度為其中ug和vg分別為地轉(zhuǎn)流的東向和北向分量，計(jì)算出的平均渦度為-9.45×10-6s-1。

為研究中尺度暖渦對(duì)兩個(gè)站位流速的影響，對(duì)流速進(jìn)行72 h 的低通濾波，得到其低頻流速隨時(shí)間的分布，如圖6 所示。站位A 和B 的東西向流速較小，最大值分別為0.12 m/s 和0.19 m/s；兩個(gè)站位南北向流速較大，并且站位A 北向流速明顯較站位B 小，北向最大流速分別為0.16 m/s 和0.36 m/s；而站位A 南向流速明顯較站位B 大，南向流速絕對(duì)值最大分別為0.22 m/s 和0.18 m/s。由圖6b 和6d 可知，由于暖渦的移動(dòng)，造成兩個(gè)站位在9 月22 日前后流速方向由北向轉(zhuǎn)為南向。并且，兩個(gè)站位南北向流速的垂向分布特征表現(xiàn)出明顯的不同。在9 月19-21 日臺(tái)風(fēng)“鳳凰”期間，站位A 受北向流場(chǎng)的影響深度最大只有約200 m，且隨著時(shí)間推移，越來(lái)越淺，減小至100 m 上下；而站位B 受北向流場(chǎng)的影響深度最大可達(dá)250 m，且隨著時(shí)間推移，深度減小較少，維持在約200 m 的深度。由站位A 和B 垂向上的流速分布可知，在近慣性振蕩影響的深度范圍內(nèi)，中尺度暖渦引起的站位A 水體的剪切程度較站位B 大。這與上述兩個(gè)站位近慣性動(dòng)能的垂向分布特征相一致，即站位B 在158～223 m 的深度范圍內(nèi)，能量相對(duì)集中，而站位A 的能量則隨著深度增加而減少。關(guān)于中尺度暖渦對(duì)近慣性動(dòng)能分布的影響，本文接下來(lái)會(huì)給出詳細(xì)的解釋。

3.3.2 暖渦渦度對(duì)近慣性頻率的調(diào)制

圖 5 2014 年9 月21 日海平面高度異常的分布（a）及觀測(cè)期間站位A 和B 的渦度分布（b）Fig. 5 The distribution of sea level anomaly on September 21st, 2014 (a), and variation of vortices at A and B stations during the observation period (b)

圖 6 2014 年9 月10-27 日期間站位A（a，b）和站位B（c，d）72 h 低通濾波后的低頻流速隨時(shí)間和深度的分布Fig. 6 The distribution of low-frequency flow (filtered by 72 h low-pass filter) over time and depth at Station A and Station B during Sptember 15th to 27th, 2014

前人的研究指出，臺(tái)風(fēng)激發(fā)的近慣性振蕩的頻率并不會(huì)嚴(yán)格等于局地的慣性頻率f0，而是會(huì)受到背景渦度的調(diào)制作用，從而導(dǎo)致近慣性頻率增加（藍(lán)移）或減?。t移）[4,6,13]。Chavanne 等[21]指出近慣性振蕩的頻率取決于參照系的選取，不同的參照系下，比如旋轉(zhuǎn)參照系、非旋轉(zhuǎn)參照系以及與地球一起旋轉(zhuǎn)的參照系等，對(duì)應(yīng)的頻率不同。而Whitt 和Thomas[22]利用平板混合層模型和二維數(shù)值模擬，研究出地轉(zhuǎn)流的垂直渦度會(huì)修正有效科里奧利頻率。Kunze[6]指出近慣性振蕩激發(fā)的有效頻率fe與局地的慣性頻率f0之間存在關(guān)系：其中，ζ為背景渦度。若近慣性振蕩發(fā)生在中尺度暖渦（冷渦）內(nèi)部，背景水體的負(fù)（正）的渦度會(huì)使得近慣性振蕩的有效頻率fe小于（大于）局地的慣性頻率f0，即造成近慣性頻率的紅移（藍(lán)移）。9 月15 日臺(tái)風(fēng)“海鷗”進(jìn)入南海時(shí)，暖渦已經(jīng)形成，其邊緣靠近站位A 和B，由圖1 展示的海平面高度異常分布可知，9 月19 日臺(tái)風(fēng)“鳳凰”進(jìn)入南海時(shí)，兩個(gè)站位已經(jīng)在暖渦的內(nèi)部，并且直至觀測(cè)結(jié)束，該暖渦均一直存在（圖5a）。為了研究臺(tái)風(fēng)對(duì)近慣性振蕩的影響，以及暖渦對(duì)近慣性頻率的調(diào)制作用，兩個(gè)站位在臺(tái)風(fēng)（暖渦）之前（2014 年8 月26 日至9 月11 日）和之后（2014 年9 月15-27 日）的動(dòng)能譜隨深度的分布如圖7 所示。圖7b 和7d 表明，臺(tái)風(fēng)顯著增加了近慣性頻率的能量，且站位A 的較站位B 的大。站位A 在78～142 m 深度范圍內(nèi)，近慣性頻率小于局地慣性頻率f0，即發(fā)生了近慣性頻率的紅移（圖7b）。由0.710 1 周/d 紅移至0.659 2 周/d，減小了7.2%；站位B 在79～175 m 的深度范圍內(nèi)，近慣性頻率也發(fā)生紅移（圖7d）。由0.713 3 周/d 紅移至0.659 2 周/d，減小了7.6%。由此可知，中尺度暖渦對(duì)站位B 近慣性頻率的調(diào)制作用較站位A 的大，并且站位B 紅移的深度較站位A 深32 m。兩個(gè)站位的背景水體的渦度隨時(shí)間的分布如圖5b 所示。9 月15 日臺(tái)風(fēng)“海鷗”和9 月19 日“鳳凰”進(jìn)入南海后，兩個(gè)站位的背景水體的渦度逐漸由正轉(zhuǎn)負(fù)，并且負(fù)的渦度的絕對(duì)值越來(lái)越大。9 月15-27 日期間，兩站位背景水體的渦度的平均值分別為-6.57×10-6s-1和-2.05×10-6s-1，參照Kunze[6]提出的關(guān)系式，對(duì)有效近慣性振蕩頻率fe的平均貢獻(xiàn)分別為-0.045 2 周/d 和0.014 1 周/d。截至9 月27 日，兩個(gè)站位負(fù)渦度達(dá)到的絕對(duì)值的最大值分別為9.94×10-6s-1和1.03×10-5s-1，對(duì)近慣性頻率的調(diào)制與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果相吻合。

圖 7 站位A（a，b）和B（c，d）臺(tái)風(fēng)之前（a，c）和之后（b，d）的動(dòng)能譜斷面分布Fig. 7 Power spectra before (a,c) and after (b,d) typhoon of Station A (a,b) and Station B(c,d)

3.3.3 暖渦對(duì)近慣性動(dòng)能的分布和傳播的影響

臺(tái)風(fēng)向海洋的混合層輸入近慣性能量，這部分能量會(huì)通過(guò)水平輻散、垂向傳播和局地耗散等途徑最終衰減掉[1-2]。近慣性動(dòng)能由最大值減少到最大值的1/e 所用的時(shí)間定義為e 折時(shí)間尺度。由此我們估算，站位A 和B 的e 折時(shí)間尺度分別為4.3 d 和3.9 d，相差約9 h。

站位A 和B 相距僅22 km，近慣性動(dòng)能在垂向上的分布特征卻明顯不同（圖4）。由圖6 可知，中尺度暖渦會(huì)造成水體垂向上的強(qiáng)水平剪切，改變水體的層結(jié)狀態(tài)。近慣性動(dòng)能在向下傳播的過(guò)程中，不同的層結(jié)對(duì)能量的傳播具有不同程度的折射作用，即水體的層結(jié)狀態(tài)會(huì)影響近慣性動(dòng)能的分布和傳播。為了評(píng)估層結(jié)對(duì)能量分布和傳播的影響，參照1975 年Leaman 和Sanford[23]提出的方法，我們對(duì)近慣性流速和近慣性動(dòng)能進(jìn)行了“Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB)”近似。其中，近慣性流速的WKB 近似公式如下式所示，

近慣性動(dòng)能的WKB 近似公式如下式所示，

圖8a 顯示了WKB 因子隨深度的變化，可知，A 和B 兩站位WKB 近似之后的近慣性動(dòng)能，與原始的近慣性動(dòng)能相比，在不同層結(jié)中相差約0.5～3 倍。管守德[1]利用南海北部潛標(biāo)數(shù)據(jù)分析層結(jié)對(duì)能量分布的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)在WKB 近似后，近慣性動(dòng)能在不同層結(jié)中相差0.5～2.5 倍。與原始近慣性動(dòng)能相比，站位A 在WKB 近似之后的近慣性動(dòng)能在158 m 達(dá)到峰值，之后隨著深度的增加，近慣性動(dòng)能依然迅速減小。而站位B 在WKB 近似之后的近慣性動(dòng)能在158 m達(dá)到峰值之后先減小，在200 m 附近又開(kāi)始增加，在238 m 深度處，由于較弱的層結(jié)，較小的WKB 因子，近慣性動(dòng)能增加至原來(lái)的3 倍，達(dá)到第二個(gè)峰值，并且能量比第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的能量大?？梢?jiàn)，如若排除層結(jié)的影響，站位B 的近慣性動(dòng)能在垂向上的分布具有雙峰結(jié)構(gòu)。上層的能量峰值來(lái)源于臺(tái)風(fēng)的激發(fā)作用，下層的峰值則原因不明，我們推測(cè)可能是有能量的外源輸入，具體原因仍需進(jìn)一步探討。從另一個(gè)角度說(shuō)，也正是因?yàn)橹谐叨扰瘻u改變水體的層結(jié)狀態(tài)，而水體層結(jié)對(duì)能量的折射作用，才使得站位B 的近慣性動(dòng)能在158～223 m 之間減小較少，得以往更深處傳播，而站位A 的近慣性動(dòng)能則隨著深度增加迅速減小。

圖8 WKB 因子垂向上兩個(gè)站位原始的近慣性動(dòng)能(實(shí)線)和WKB近似后的近慣性動(dòng)能(虛線)(b)Fig. 8 The WKB scaling facto raw near-inertial kinetic energy(solid lines) andWKB-scaled near-inertial kinetic energy (dash lines) of Station A and Station B (b)

另外，由圖2 可知，臺(tái)風(fēng)激發(fā)的近慣性流速的分布明顯向右上方傾斜，說(shuō)明近慣性流速的相位具有明顯的上傳趨勢(shì)。在連續(xù)介質(zhì)中傳播的內(nèi)波的一個(gè)重要特征就是群速度與相速度垂直[3]。相位上傳，則說(shuō)明其垂向群速度是向下的，能量以近慣性?xún)?nèi)波波群的形式向海洋深層傳播。為了估算近慣性動(dòng)能在垂向上的傳播，根據(jù)Qi 等[24]提出的方法，在WKB 因子近似下，如圖9 所示，我們估算了兩個(gè)站位近慣性?xún)?nèi)波的垂向群速度Cg(z)，站位A 大于站位B，分別約為15.2 m/d 和14.1 m/d。如果只考慮近慣性動(dòng)能在垂向上的傳播，即不考慮其在水平方向上的輻散，參照管守德[1]的計(jì)算方法，兩個(gè)站位350 m 以淺近慣性動(dòng)能衰減的理論e 折時(shí)間尺度分別為9.2 d 和9.9 d，遠(yuǎn)大于實(shí)際e 折時(shí)間尺度（4.3 d 和3.8 d），因此，在總近慣性動(dòng)能衰減至其1/e 時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)，忽略能量水平輻散的情況下，近慣性?xún)?nèi)波的垂向傳播使得站位A 的近慣性動(dòng)能衰減了約47%，站位B 的近慣性動(dòng)能衰減了約38%，較站位A 的少。管守德[1]也得出類(lèi)似結(jié)論，指出近慣性?xún)?nèi)部的垂向傳播使得近慣性動(dòng)能只衰減了約33%。其余近慣性動(dòng)能將通過(guò)內(nèi)波破碎或是非線性的波波相互作用在局地耗散掉。

圖 9 2014 年9 月15-27 日期間站位A（a，b）和站位B（c，d）WKB 近似后近慣性振蕩東西向（a，c）和南北向（b，d）流速隨時(shí)間和深度的分布Fig. 9 The distribution of the WKB-scaled near-inertial current (a, c) and meridional (b, d) velocity at Station A (a, b) and Station B (c, d)from September 10th to 27th, 2014

4 結(jié)論

本文基于2014 年8-9 月在南海北部東沙群島附近海域觀測(cè)的兩個(gè)不同水深站位A 和B 的潛標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)比研究了兩個(gè)站位在臺(tái)風(fēng)“海鷗”和“鳳凰”的激發(fā)下產(chǎn)生的近慣性振蕩的特征，并重點(diǎn)分析了中尺度暖渦對(duì)近慣性振蕩頻率的調(diào)制作用，以及對(duì)近慣性動(dòng)能的傳播和分布的影響，結(jié)果如下：

（1）9 月15 日臺(tái)風(fēng)“海鷗”進(jìn)入南海，站位A 和B 的近慣性流速?zèng)]有明顯變化，直至9 月19 日臺(tái)風(fēng)“鳳凰”進(jìn)入南海后，兩個(gè)站位的近慣性流速明顯增大。站位A 的近慣性流速最大可達(dá)0.41 m/s，站位B 最大可達(dá)0.36 m/s。兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能在垂向上的分布特征表現(xiàn)出明顯的差異。時(shí)間積分下的近慣性動(dòng)能從表層隨著深度增加，站位A 在158 m 處達(dá)到最大，最大值為3.01×105J/m3。站位B 在158 m 也達(dá)到最大，最大值為2.14×105J/m3，隨著深度增加，在158～223 m 的深度范圍內(nèi)，近慣性動(dòng)能的分布存在兩個(gè)峰值，能量減小較少。我們推測(cè)，這與層結(jié)對(duì)能量的折射作用有關(guān)。中尺度暖渦引起水體垂向上的強(qiáng)水平剪切，從而改變水體的層結(jié)狀態(tài)。兩個(gè)站位的近慣性動(dòng)能在不同層結(jié)中被縮小或放大了約0.5～3倍。若排除層結(jié)的影響，站位B 的近慣性動(dòng)能則具有雙峰結(jié)構(gòu)。具體原因仍需進(jìn)一步探討。

（2）中尺度暖渦的平均半徑為67 km，平均渦度為-9.45×10-6s-1，且站位A 更靠近暖渦中心。暖渦中心移動(dòng)的平均速度為0.12 m/s。兩個(gè)站位72 h 低通濾波后的低頻流速南北向較大，且中尺度暖渦引起的站位A 水體的剪切程度較站位B 強(qiáng)。暖渦的渦度對(duì)近慣性頻率具有調(diào)制作用，站位A 在78～142 m 的深度范圍內(nèi)，近慣性頻率出現(xiàn)了紅移。由0.710 1 周/d 紅移至0.659 2 周/d，減小了7.2%；站位B 在79～175 m的深度范圍內(nèi)，近慣性頻率出現(xiàn)了紅移。由0.713 3 周/d紅移至0.659 2 周/d，減小了7.6%。暖渦對(duì)近慣性頻率的調(diào)制作用與兩個(gè)站位所處的背景渦度值相吻合。

（3）臺(tái)風(fēng)激發(fā)的近慣性流速的相位具有明顯的上傳趨勢(shì)，垂向群速度是向下的，近慣性動(dòng)能以近慣性?xún)?nèi)波波群的形式向海洋深層傳播。兩個(gè)站位近慣性?xún)?nèi)波的垂向群速度Cg(z)分別約為15.2 m/d 和14.1 m/d，近慣性動(dòng)能衰減的理論e 折時(shí)間尺度分別為9.2 d 和9.9 d，遠(yuǎn)大于實(shí)際e 折時(shí)間尺度（4.3 d 和3.8 d），因此，在總近慣性動(dòng)能衰減至其1/e 時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)，忽略能量水平輻散的情況下，近慣性?xún)?nèi)波的垂向傳播造成了站位A 約47%的近慣性動(dòng)能衰減，站位B 約38%的近慣性動(dòng)能衰減。