基于潛標觀測的呂宋海峽以東深海海流的低頻變異

曠芳芳，潘愛軍*，張俊鵬，黃獎，蔡尚湛，李家軍，李墨

( 1. 自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2. 國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

1 引言

從20 世紀80年代起，研究者們通過大規(guī)模的深海環(huán)境調(diào)查及環(huán)流實驗試圖獲取深層海洋的水文環(huán)境及深海環(huán)流信息[1–7]。深海潛標能提供長時間序列的海流的直接觀測資料，對深海海流的研究具有重要作用。Yoshioka 等[8]分析了位于西太平洋西馬里亞納海盆的潛標資料，發(fā)現(xiàn)4040m 深的海流存在約60 d 周期的季節(jié)內(nèi)振蕩，作者分析認為與斜壓羅斯貝波的傳播有關(guān)；梁楚進等[9]分析了熱帶東太平洋的中國多金屬結(jié)核開辟區(qū)的潛標資料，發(fā)現(xiàn)近底層流動表現(xiàn)出約51 d 的波動，地形對離底50m 以內(nèi)的低頻流動有明顯的影響；Kawabe 等[10]分析了位于威克島通道東側(cè)和西側(cè)的兩個潛標資料，發(fā)現(xiàn)通道東側(cè)的深層流速及其變化遠大于西側(cè)，這可能與水道的地形以及周邊海山的分布有關(guān)，而海流顯示出的4 個月左右的變化周期可能與深海中尺度渦的經(jīng)過有關(guān)；Yanagimoto和Kawabe[7]使用5 個潛標觀測的海流和水溫數(shù)據(jù)對南極底層水在西北太平洋海盆的輸運路徑進行了研究；Zhai 等[11]通過分析菲律賓以東的潛標數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該海域近底層海流具有明顯的季節(jié)變化。

深層海洋與上層海洋存在著截然不同的動力環(huán)境和機制，近年來深海在全球海洋氣候變化中的作用得到越來越多海洋學(xué)家的重視，深海對海洋熱量的再分配引起了全球變暖的停滯，深刻影響著全球的氣候變異。副熱帶西太平洋上層海洋流系復(fù)雜，主要有北赤道流、黑潮、副熱帶逆流、黑潮延伸體以南的再循環(huán)流，并存在豐富的海洋中尺度渦旋，針對該海域表層和次表層已經(jīng)有非常多的研究成果，但對深海的綜合環(huán)境信息仍知之甚少。為了解呂宋海峽東側(cè)深層環(huán)流特征及其對深海生態(tài)環(huán)境的影響，我們于2015年5月26 日在該海域布放了一套深海潛標進行了長時間的海流和水溫的觀測，并于2016年5月25 日成功回收，獲得了長達1年的連續(xù)觀測資料。本文將對潛標觀測數(shù)據(jù)進行分析，探討該海域海流的垂向分布以及時間變化特征。

2 觀測數(shù)據(jù)及其背景

潛標位于西太平洋呂宋海峽以東約500km 的菲律賓海，地理位置為19.75°N，126.75°E，總水深約5200m（圖1a）。全球地形數(shù)據(jù)GEBCO 顯示，潛標周邊50km 的范圍內(nèi)水深為4800～5810m（圖1b），局地地形為西北?東南走向。潛標在上層水深160m的位置掛載了一個ADCP 海流剖面儀，ADCP 往上觀測海流剖面，觀測的深度范圍為60～160m，垂向間隔為4m，在160m 處同時掛載了一個溫深儀用來觀測水溫；在中層和深層的810m、1550m、2560m 和4040m 掛載了單點海流計和溫深儀觀測海流和水溫。觀測時間為2015年5月27 日至2016年5月24 日，時間頻率為1 h。圖1c 是潛標所在位置經(jīng)向斷面（0o～40°N，126.75°E）年平均水溫分布，可以看到該海域溫躍層深度約為200m；圖1d 是潛標所在海域多年平均的月平均風(fēng)矢量圖，可以看到4?8月為東南風(fēng)或偏南風(fēng)，9月至翌年3月為東北風(fēng)。

圖1 潛標位置(a)、區(qū)域水深(b)、潛標所在斷面水溫及觀測層次(c)和氣候態(tài)風(fēng)場(d)Fig. 1 Location of themooring (a), water depth around themooring (b), temperature of section 126.75°E and observation layers of themooring (c), and climatologicmonthly winds at themooring position (d)

3 結(jié)果分析

3.1 海流和水溫的年平均特征及季節(jié)變化

圖2 是潛標觀測的各層次的日平均和月平均海流矢量，其中以100m 和160m 的觀測值代表表層、810m 層代表中層，1550～4040m 層代表深層。如圖2 所示，2560m 以淺的海流的季節(jié)變化明顯，主要流向有西、西南、西北向，其中表層100m 和160m 的流速的時間變化基本一致；深層的1550～2560m 層海流主要為西南、南向和東北向，4040m 層為較穩(wěn)定的西南向流。年平均海流矢量如圖3 所示，其相應(yīng)的統(tǒng)計值見表1，可見表層（100～160m）的平均流向為西偏北，平均流速為12.5 cm/s；中層（810m）為西向流，平均流速為2.6 cm/s；在深層，4040m 的平均流速相對較大，流向為西南，流速為2.3 cm/s，1550m 和2560m 層的平均流速均在1 cm/s 以內(nèi)。

圖2 日均（a）和月均（b）潛標觀測各層次海流矢量時間序列Fig. 2 Daily averaged (a) andmonthly averaged (b) time series of observed current vectors

圖3 潛標觀測各層次年均海流矢量Fig. 3 Annually averaged current vectors at different layers observed bymooring

表1 各層次海流及動能年平均統(tǒng)計值(3 d 低通濾波后計算)Table 1 Statistics of currents and kinetic energy at different layers (calculated after 3 d averaged)

對各層次逐時的海流和水溫進行3d低通濾波后統(tǒng)計其平均值及最大流速，并計算各層次海流的平均動能、渦動動能和總動能。統(tǒng)計結(jié)果見圖4 和表1。渦動動能（TKE）、平均動能（KEmean）、總動能（KEtotal）的計算公式如下：

式中，u和v分別表示緯向流速和徑向流速。

統(tǒng)計表明，3 d 低通濾波后的最大流速在表層為41～55 cm/s，中層為12 cm/s，深層為6～10 cm/s；年平均 水 溫 在 表 層 為20.36℃， 中 層 為5℃， 深 層 為1.59～2.64℃。各層次海流的總動能、平均動能、渦動動能均在表層最大，中層次之、深層最小；在深層，總動能在2560m層最小，平均動能在1550m 層最小，渦動動能在2560m 層最?。桓鲗哟螠u動動能均大于平均動能，在1550m 和2560m 層渦動動能占總動能的90%以上，其他層次渦動動能占比超過50%。

圖4 各層次海流的動能統(tǒng)計Fig. 4 Kinetic energy of the currents at different layers

為進一步分析各層次海流的季節(jié)變化特征，使用3 d 低通濾波后的海流計算逐月的平均動能、渦動動能和總動能，結(jié)果如圖5 所示。在海洋表層，1月和7月的總動能相對其他月份較大，且以平均動能為主，5月和9月總動能較??；在中層，總動能變化范圍為5～38 cm2/s2，在1月最大，是其他月份的兩倍以上，且以平均動能為主，總動能在10月和11月最??；在深層的1550m，總動能變化范圍為1～12 cm2/s2，與中層相似，總動能也是在1月最大，在10月最??；在2560m，總動能變化范圍為0～5 cm2/s2，4月的總動能最大；在4040m，總動能變化范圍為1～10 cm2/s2，3?5月總動能較大，9月最小。整體上看，各層次海流無明顯的季節(jié)變化規(guī)律?？梢钥闯?，海洋表層的海流表現(xiàn)出了半年周期變化的特征，在冬季和夏季海流較強，春季和秋季較弱，這可能與季風(fēng)的強弱變化有關(guān)；中層和深層海流未表現(xiàn)出顯著的四季變化規(guī)律，但能看出一些季節(jié)變化特征，如在4040m 的深層春季海流較強且比較穩(wěn)定。

圖5 各層次海流平均動能和渦動動能季節(jié)變化Fig. 5 Seasonal variation of average kinetic energy and eddy kinetic energy at different layers

3.2 海流和水溫的低頻變化特征

為了解海流和水溫的時間變化規(guī)律，首先，對垂向平均的經(jīng)向流速、緯向流速和水溫進行頻譜分析（圖6）。如圖所示，3 d 左右的周期出現(xiàn)譜密度的低谷，因此以3 d 為界分為高頻段和低頻段，可以看到在高頻段各變量在0.5 d、1 d、1.48 d 出現(xiàn)譜密度峰值，這與潮和慣性頻率的周期相對應(yīng)；在低頻波段，經(jīng)向流速和緯向流速在45 d 和90 d 左右都出現(xiàn)了譜密度的峰值。

圖6 垂向平均海流和水溫頻譜分析Fig. 6 Frequency-spectrum of vertically averaged current andtemperature

為進一步分析深海海流的低頻變化特征，對流速和水溫3～120 d 帶通濾波后再進行小波分析。各變量在做小波分析之前均進行了標準化處理。因為經(jīng)向流速的變化可以反映東西方向水位梯度的變化，能較好地反映向西傳播的波動特征，因此選取經(jīng)向流速作為代表。圖7 是各層次海流和水溫的小波譜和全球功率譜，表2 是各變量時間變化的顯著周期的統(tǒng)計值。由此可見，2560m 以淺的流速小波譜較為相似，全年均表現(xiàn)出70～90 d 的變化周期，顯著周期為81～85 d；根據(jù)潘愛軍等[12]的研究，該海域海流準90 d 的振蕩是一種在夏威夷群島西部出現(xiàn)的波長約為800km 的向西傳播的羅斯貝波。除此之外810～2560m 的海流還有50 d 左右的變化周期，并隨著深度的增加50 d 周期的信號逐漸增強(圖7b 至圖7d)；4040m 流速的變化周期為40～60 d，在春季和夏季相對明顯(圖7e)，顯著周期為51 d。各層次水溫的變化周期為76～90 d，4040m 層的水溫的小波譜與其他層次差別明顯(圖7f 至圖7j)。

由以上分析可知，在垂向上，2560m 以淺的海流和水溫的低頻變化特征表現(xiàn)出相似性，而更深的4040m 層與其他層次差別較大。Yoshioka 等[8]在西馬里亞納海盆（15°N）發(fā)現(xiàn)4040m 深的海流存在60 d左右周期的季節(jié)振蕩，梁楚進等[9]在對10°N 東太平洋的深海潛標數(shù)據(jù)分析時發(fā)現(xiàn)近底層海流（約5100m）存在51 d 左右的波動，與本文4040m 層的海流波動周期接近，但其振蕩原因還有待將來的進一步研究。

表2 3～120 d 帶通濾波各變量時間變化的顯著周期(單位：d)Table 2 Significant periods (unit: d) ofmeridional current and temperature (3～120 d filtered)

3.3 各層次海流互相關(guān)分析

為了研究各層次海流變化的相互關(guān)系，對各層次3 d 平均的海流進行矢量相關(guān)分析，計算得到的相關(guān)系數(shù)如圖8 所示。如圖所示，100m 和160m 層海流變化高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.95；810m、1550m、2560m 這3 個層次海流強相關(guān)，相互之間的相關(guān)系數(shù)均在0.69 以上；結(jié)合小波分析的結(jié)果我們認為這3 個層次海流變化的特征比較一致；160m 層與810m層海流的變化中等相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.59；4040m 層海流與2560m 層海流變化相關(guān)系數(shù)為0.60，與其他層次海流相關(guān)性弱，相關(guān)系數(shù)在0.40 以下。綜合以上分析，我們認為810～2560m 的中層和深層海流的變化具有一致性，而更深層的4040m 層海流與其他層次差異明顯。

4 討論

通過對呂宋海峽東側(cè)潛標觀測的長時間的海流和水溫數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

（1）表層的平均流向為西偏北，平均流速為12.5 cm/s；中層的平均流為西向，平均流速為2.6 cm/s；在深層，1550m 和2560m 層的平均流速均在1 cm/s 以內(nèi)，4040m 的平均流速相對較大，流向為較穩(wěn)定的西南向，流速為2.3 cm/s。

（2）總動能、平均動能、渦動動能均在表層最大，中層次之、深層最?。辉谏顚?，總動能和平均動能在4040m 層最大，2560m 層的總動能最小，平均動能在1550m 層最小，渦動動能在1500m 層最大、2560m 層最??；各層次渦動動能均大于平均動能。海流在季節(jié)上具有多變性，但無明顯的季節(jié)變化規(guī)律。

圖7 各層次經(jīng)向流速(a?e)、水溫(f?j)小波分析Fig. 7 Wavelet analysis ofmeridional currents (a?e) and temperature (f?j) at different layers填色圖為小波功率譜，曲線圖為全球小波譜。填色圖中粗黑線包圍的范圍通過了p=0.05 顯著性水平下的紅噪聲標準譜的檢驗；細黑線為影響錐曲線，在該曲線以外的功率譜由于受到邊界效應(yīng)的影響而不予考慮The color filledmaps represent wavelet power spectrum and the curves on the right represent global wavelet spectrum. In the colormaps, the thick black contours denote the 5% significance level against red noise. The cone of influence where edge effectsmight distort the picture is shown in lighter shades

（3）2560m 以淺的流速小波譜表現(xiàn)出相似性，全年均表現(xiàn)出70～90 d 的變化周期，除此之外810～2560m 層的流速還有50 d 左右的變化周期，隨著深度的增加50 d 周期的信號逐漸增強；4040m 流速的變化周期為40～60 d。相關(guān)分析也表明810～2560m的中層和深層海流的變化具有一致性。

圖8 3 d 平均海流矢量相關(guān)系數(shù)Fig. 8 Vector correlation coefficients of 3 d averaged current

根據(jù)本文的研究，4040m 的深層海流和水溫變化與其他層次差異明顯，可能有其相對獨立的動力學(xué)機制，中深層（810～2560m）與表層海流變化具有相似的頻譜特征，但其變化機理是否與表層相同、上層海洋（渦旋與風(fēng)的作用）能影響到多大深度等，這些問題還需要在將來通過更多的深海觀測以及數(shù)值模擬進一步的研究。