基于潛標(biāo)觀測(cè)的牛郎海山的深海海流的低頻變化特征

曠芳芳，張俊鵬，周喜武，陳航宇，靖春生

(1.自然資源部第三海洋研究所 海洋動(dòng)力學(xué)研究室,福建 廈門 361005)

1 引言

熱帶海洋中低頻波動(dòng)是研究熱帶海氣相互作用中一個(gè)重要的問題。研究認(rèn)為，在周期短于150 d 的波動(dòng)中，海面高度（SSH）的主振蕩周期在全球海洋中呈顯著的帶狀分布，從近赤道的1 個(gè)月逐步增加至南北緯30°附近的4 個(gè)月，1、2、3、4 個(gè)月周期的主振蕩分別位于7°N（S）、14°N（S）、21°N（S）和28°N（S）左右[1-3]。在西太平洋以20°N 為中心的緯度帶為向東的副熱帶逆流的影響區(qū)域[4-8]，該海域渦旋頻繁，平均渦動(dòng)動(dòng)能達(dá)到黑潮延伸體處的平均渦動(dòng)動(dòng)能的一半[9]；在以20°N為中心,120°E～150°W 的緯度帶內(nèi)，SSH 有明顯的準(zhǔn)90 d振蕩，80～109 d 的變化與總的變化之比達(dá)到0.3 以上[10]；海流也具有顯著的準(zhǔn)90 d 振蕩特征，該振蕩信號(hào)主要存在于150 m 以淺的海洋次表層，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為865 km，沿19.81°N 該振蕩信號(hào)自東向西傳播，相速度約為0.09 m/s[11]。

深層海洋與上層海洋相比可能存在不同的動(dòng)力環(huán)境和機(jī)制，近年來(lái)深海在全球海洋氣候變化中的作用得到越來(lái)越多海洋學(xué)家的重視。利用潛標(biāo)觀測(cè)資料，Yoshioka 等[12]發(fā)現(xiàn)西馬里亞納海盆（12.5°N，137°E）的4 040 m 深的海流存在60 d 左右周期的季節(jié)內(nèi)振蕩，作者分析認(rèn)為與斜壓羅斯貝波的傳播有關(guān)；梁楚進(jìn)等[13]分析了熱帶東太平洋的中國(guó)多金屬結(jié)核開辟區(qū)的潛標(biāo)資料，發(fā)現(xiàn)近底層流動(dòng)表現(xiàn)出51 d 左右的波動(dòng)，地形對(duì)離底50 m 以內(nèi)的低頻流動(dòng)有明顯的影響；Kawabe 等[14]發(fā)現(xiàn)威克島（20°N，170°E）通道東側(cè)的深層流速及其變化遠(yuǎn)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(gè)月左右的變化周期可能與深海中尺度渦的經(jīng)過(guò)有關(guān)；Liu 等[15]研究了黑潮延伸體海域深層海流的季節(jié)內(nèi)振蕩，表明該海域海流變化的周期為23～38 d，與海表地轉(zhuǎn)流之間存在正相關(guān)關(guān)系；渦旋的經(jīng)過(guò)使得2 000 m 到4 000 m 的深層海流沿著渦旋的方向運(yùn)動(dòng)且流速增強(qiáng)；Wang 等[16]研究了菲律賓海西邊界流（8.0°N，127°E）的垂直結(jié)構(gòu)和時(shí)間變化，發(fā)現(xiàn)從海面到海底60～80 d的季節(jié)內(nèi)信號(hào)較為普遍，太平洋西邊界的海面經(jīng)向流變化可以通過(guò)低頻過(guò)程到達(dá)海底；曠芳芳等[17]分析了呂宋海峽以東（19.75°N，126.75°E）的深海海洋環(huán)境特征，發(fā)現(xiàn)中上層海流表現(xiàn)出81～85 d 的周期振蕩，近底層海流變化周期為51 d。

然而，相比海洋上層，海洋深層的觀測(cè)資料較少，研究成果也較少。另外，深海海山區(qū)由于地形變化劇烈，可能具有特殊的動(dòng)力學(xué)特征。為了解西太平洋牛郎海山區(qū)深層的環(huán)流特征及其對(duì)深海生態(tài)環(huán)境的影響，我們自2017 年8 月至2018 年7 月在海山的山頂和山底各布放了一套深海潛標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期的海流觀測(cè)，獲得了近1 年的連續(xù)觀測(cè)資料。以下將對(duì)潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討該海域深海海流的垂向分布以及低頻變化特征。

2 數(shù)據(jù)和方法

中國(guó)大洋45 航次科考在西太平洋牛郎平頂海山區(qū)共布放了兩套潛標(biāo)（MX1、MX2），對(duì)海山區(qū)的海流進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)，潛標(biāo)位置見圖1。兩個(gè)潛標(biāo)站位相距約70 km，觀測(cè)深度覆蓋了海洋上表層至深海近底層。編號(hào)為MX1 的潛標(biāo)布放于牛郎海山山頂，布放水深為2 618 m，位置為20°28′N，160°50′E，布放和回收日期分別為2017 年8 月4 日和2018 年7 月24 日；共放置1 臺(tái)75KADCP、3 臺(tái)闊龍海流計(jì)進(jìn)行海流的觀測(cè)；75KADCP 放置在200 m 的深度往上觀測(cè)海流剖面，觀測(cè)的深度范圍為4～196 m；闊龍海流計(jì)放置的深度分別為533 m、1 071 m以及2 096 m。編號(hào)為MX2 的潛標(biāo)布放于牛郎海山山底盆地，布放水深為5 050 m，位置為20°11′N，161°27′E，布放和回收日期分別為2017 年8 月5 日和2018 年7 月25 日；共放置3 臺(tái)75KADCP、4 臺(tái)闊龍海流計(jì)用于觀測(cè)海流；其中兩臺(tái)75KADCP 放置在120 m 的深度，分別往上和往下觀測(cè)海流剖面，觀測(cè)的深度范圍分別為18～106 m和138～530 m；另一臺(tái)75KADCP 放置在630 m 的深度往下觀測(cè)，觀測(cè)的深度范圍為652～1 036 m；闊龍海流計(jì)的放置深度分別為1 826 m、4 018 m、4 330 m和4 953 m。75KADCP 觀測(cè)的層厚為8 m，觀測(cè)時(shí)間間隔為1 h，1 min 采樣。闊龍海流計(jì)的觀測(cè)時(shí)間間隔為30 min，1 min 采樣。

圖1 潛標(biāo)位置和地形Fig.1 Mooring sites and topography

由于75KADCP 所在主浮球的垂直位移，每個(gè)時(shí)刻觀測(cè)的深度層次各不相同。我們首先選取觀測(cè)期間最大觀測(cè)深度和最小觀測(cè)深度作為標(biāo)準(zhǔn)層深度的上下限、8 m 作為標(biāo)準(zhǔn)層的層距，在垂向上使用線性插值來(lái)獲取各標(biāo)準(zhǔn)層的觀測(cè)數(shù)據(jù)；由于某些標(biāo)準(zhǔn)層在某些時(shí)刻數(shù)據(jù)會(huì)有缺失，接下來(lái)我們挑選有效數(shù)據(jù)超過(guò)60%的深度層次作為有效數(shù)據(jù)層次，通過(guò)內(nèi)插對(duì)這些層次缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊，最終獲得有效數(shù)據(jù)層次的完整時(shí)間序列。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，MX1 的1 個(gè)75KADCP 觀測(cè)的有效數(shù)據(jù)層次為11～195 m，有效數(shù)據(jù)時(shí)間為2017 年8 月5 日0 點(diǎn)至2018 年7 月24 日23 點(diǎn)，共354 d；MX2 的3 個(gè)75KADCP 觀測(cè)的有效數(shù)據(jù)層次分別為19～99 m、145～529 m 和660～1 004m，有效數(shù)據(jù)時(shí)間為2017年8月6日0點(diǎn)至2018年7月25日23點(diǎn)，共354d。

在海洋學(xué)中，各種水文氣象因子都可以看作是隨時(shí)間有周期性變化的信號(hào)。本文主要使用了小波分析、互譜分析等方法對(duì)潛標(biāo)觀測(cè)的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。面對(duì)一個(gè)時(shí)間序列，小波分析方法能夠有效識(shí)別信號(hào)的周期和振幅隨時(shí)間的變化情況，并能準(zhǔn)確提取出相應(yīng)周期信號(hào)的時(shí)間變化序列。互譜分析用于在頻域內(nèi)描述兩個(gè)不同信號(hào)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)程度，從互譜密度可獲得兩個(gè)信號(hào)相應(yīng)的頻率分量之間的關(guān)系，幅值越大，說(shuō)明相應(yīng)頻率分量關(guān)聯(lián)度越高；此外還可獲得兩個(gè)信號(hào)相應(yīng)頻率分量的相位差值。小波和互譜分析方法在海洋學(xué)中被廣泛應(yīng)用，其原理方法可參考文獻(xiàn)[18]，在此不再詳述。

3 結(jié)果與討論

以MX1 代表山頂海域，MX2 代表山底海域，首先對(duì)觀測(cè)海流進(jìn)行3 d 低通濾波提取其低頻信號(hào)，分析低頻段海流的平均特征及其時(shí)間變化。

3.1 海流的總體特征和平均值

圖2 和圖3 分別是山頂處潛標(biāo)MX1 和山底處潛標(biāo)MX2 觀測(cè)的各代表深度層次的3 d 平均海流矢量。為便于描述，以200 m 以淺的層次代表上層、200～900m代表中層、900～2000m代表中深層、2000～5000m代表深層，MX1的2096m和MX2 的4 953 m 分別代表山頂和山底的近底層。山頂處（圖2），上層海流的季節(jié)變化明顯，且各層次流向的時(shí)間變化基本一致；中層和中深層海流變化在2017 年的下半年與上層一致，在2018 年的上半年與上層的一致性相對(duì)較差；近底層海流與其他層次的差異明顯，流速較小，為較穩(wěn)定的南向流。在山底處（圖3），潛標(biāo)MX2 觀測(cè)的上層和中層海流的季節(jié)變化明顯，且各層次流向的時(shí)間變化基本一致；中深層海流較弱；深層和近底層海流流向與上層和中層差異明顯，流速比中深層要大。

圖2 MX1 觀測(cè)的不同深度層次的3 日平均流矢圖Fig.2 Time series of 3-day averaged flow vectors from MX1 at different depths

圖3 MX2 觀測(cè)的不同深度層次的3 日平均流矢圖Fig.3 Time series of 3-day averaged flow vectors from MX2 at different depths

低頻海流的流速流向的時(shí)間平均值和流速的標(biāo)準(zhǔn)差如圖4 所示。在上層和中層，山頂和山底處的平均流速流向接近，在150 m 以淺平均流向?yàn)闁|向，平均流速在表層約為8 cm/s，隨深度的增加而減??；在150 m 以深轉(zhuǎn)為西偏北向，流速隨深度的增加而增加，在山頂?shù)?00 m 層流速達(dá)到最大，接近2 cm/s，在山底處的250 m 層流速達(dá)到最大，接近4 cm/s，之后隨著深度的增加流速減?。▓D4a,圖4b）；上層海流在150 m 以淺為東向的副熱帶逆流，在150 m以深的上層和中層則為西向流（圖4b）。MX1 的中深層的流向?yàn)楸?，近底層的流向?yàn)槟?；中層和中深層的平均流速?～3 cm/s；MX2 的中深層海流為西偏北或西偏南向，平均流速較小，約為1 cm/s；深層和近底層海流為西南向，深層的平均流速約為2 cm/s，近底層平均流速約為3 cm/s。緯向流速和經(jīng)向流速的標(biāo)準(zhǔn)差均顯示海流的變化幅度在上層較大且隨深度的增加而減小，在中深層達(dá)到最小，之后隨著深度的增加而增大；經(jīng)向流速的變化略大于緯向流速（圖4c）。

圖4 低頻海流（3 d 低通濾波）的平均流速（a）、平均流向（b）和流速標(biāo)準(zhǔn)差（c）Fig.4 Averaged current (3 d low-pass filtered) velocity (a),direction (b) and stand deviation (c)

3.2 海流的低頻變化特征

為進(jìn)一步分析深海海流的低頻變化特征，對(duì)日均流速進(jìn)行小波分析。因?yàn)榻?jīng)向流速的變化幅度相比緯向流速略大，因此選取經(jīng)向流速作為代表。圖5 是最強(qiáng)振蕩所對(duì)應(yīng)的周期（下文稱主振蕩周期）隨深度的變化。由圖可見兩處海流在各深度層次均表現(xiàn)出80～130 d 的振蕩周期，并在山頂?shù)闹袑?、中深層（圖5a）以及山底的上層、中層和深層均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。在山頂處，中層和中深層的主振蕩周期為94 d，在近底層為83 d；在山底處，上層和深層的主振蕩周期均為99 d，中層為94 d 和125 d。

圖5 MX1 和MX2 各深度層次日平均經(jīng)向流速的主振蕩周期Fig.5 Periods of the dominant oscillations of daily-averaged meridional velocity at MX1 and MX2

圖6 和圖7 分別是山頂和山底處各代表層次海流的小波譜和全球功率譜，由圖可見，在山頂和山底，各深度層次海流100 d 左右周期的振蕩幾乎可持續(xù)全年。

圖6 MX1 觀測(cè)的山頂各層次日平均經(jīng)向流速的小波譜（WPS）和全球功率譜（GWS）Fig.6 Wavelet power spectrum (WPS) and global wavelet spectrum (GWS) analysis of daily meridional currents at different depths from MX1

圖7 MX2 觀測(cè)的各深度層次日平均經(jīng)向流速的小波譜和全球功率譜Fig.7 Wavelet power spectrum (WPS) and global wavelet spectrum (GWS) analysis of daily meridional currents at different depths from MX2

為進(jìn)一步分析海流的100 d 左右周期振蕩的垂向結(jié)構(gòu)，對(duì)經(jīng)向海流進(jìn)行80～120 d 的帶通濾波，結(jié)果如圖8 所示。在山頂處（圖8a），海流的100 d 振蕩在垂向上的位相基本一致，振蕩幅度在表層最強(qiáng)、隨深度的增加而減小。山底與山頂類似（圖8b），2 000 m 以淺海流振蕩的位相基本一致，幅度隨深度的增加而減小；然而，在2 000 m 以深的位相與2 000 m 以淺相反，振蕩幅度在4 000 m 左右最大。

圖8 經(jīng)向流速的近100 d 振蕩的垂向結(jié)構(gòu)（80～120 d 濾波）Fig.8 Vertical structures of meridional currents at about 100 d bands (80-120 d bandpass filtered)

3.3 不同深度層次海流的相互關(guān)系

以山底處MX2 為代表，對(duì)各深度層次日平均的海流進(jìn)行矢量相關(guān)分析，計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)和偏角結(jié)果如圖9 所示。圖9a 顯示，上層（200 m 以淺）各層次之間的海流變化高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.8 以上；深層（4 000 m 以深）各層之間的海流變化強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.7 以上；上層、中層和深層的海流的相關(guān)性較好，相互間的相關(guān)系數(shù)均在0.5 以上；而中深層（900 m 和1 826 m）與其他層次的海流相關(guān)性相對(duì)較弱，相關(guān)系數(shù)均在0.5 以下。圖9b 顯示，上層和中層各層次海流相互之間的偏角均在10°以內(nèi)，深層各層次海流相互之間的偏角不大于35°；深層海流與上層和中層海流之間的偏角為154°～178°，說(shuō)明深層海流與上層和中層海流方向是相反的，與圖8 的分析結(jié)果一致。綜合以上分析，我們認(rèn)為上層和中層海流的一致性較好，深層海流與上層和中層相關(guān)性好但流向相反，中深層海流與其他層次的聯(lián)系相對(duì)較弱，可能與中深層流速較小有關(guān)。

圖9 MX2 日平均海流矢量相關(guān)系數(shù)（a）和偏角（b）Fig.9 Complex vector correlation coefficients (a) and rotation angles in degrees (b) of current from different depths at MX2

為了進(jìn)一步研究各深度層次的海流變化在不同頻段上的關(guān)系，用各層次的經(jīng)向流速與表層（19 m）的經(jīng)向流速進(jìn)行互譜分析，結(jié)果如圖10 所示。圖中，表層、中層和深層的互譜密度在100 d 左右的周期達(dá)到最大，在該頻段深層海流與表層海流的相干系數(shù)達(dá)到0.5 以上，相位差約為π 或-π，說(shuō)明深層海流與表層海流反向的特征在100 d 左右周期的頻段下最為明顯。海流在深層與上層的流向相反以及深層強(qiáng)化的現(xiàn)象在其他海域也有觀測(cè)到，可能由渦旋出現(xiàn)時(shí)第一斜壓模態(tài)振幅的增加導(dǎo)致[15,19]，也可能與中尺度渦的渦旋中心在垂向上傾斜的三維結(jié)構(gòu)有關(guān)[20]，還可能是由地形羅斯貝波引起[21-22]；由于觀測(cè)資料相對(duì)缺乏，對(duì)該現(xiàn)象及其形成機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)研究。

圖10 各層次與表層（19 m）的經(jīng)向流速的互譜分析Fig.10 Cross spectrum analysis between the surface meridional current (19 m) and those at other depths

本次的潛標(biāo)觀測(cè)表明深層海流與表層海流具有接近的變化周期、位相相反，且在2 000 m 上下的海流較弱、深層較強(qiáng)，似乎符合第一斜壓模的垂向特征。為進(jìn)一步研究海流分布的正斜壓特性，我們對(duì)經(jīng)向流速進(jìn)行垂直模態(tài)分解。各垂直模態(tài)使用的海水層結(jié)（即N2）由WOA2013 資料的溫度和鹽度數(shù)據(jù)計(jì)算得到。分解結(jié)果中，第零階模態(tài)為正壓模態(tài)；第一模態(tài)為第一斜壓模態(tài)（Mode 1），速度方向沿深度出現(xiàn)一次變換；第二模態(tài)為第二斜壓模態(tài)（Mode 2）,速度方向沿深度出現(xiàn)兩次變換。以此類推,越高階的斜壓模態(tài)沿水深方向越復(fù)雜,其信號(hào)也通常越弱。本研究借鑒前人的研究方法，選取正壓模態(tài)和前4 個(gè)斜壓模態(tài)進(jìn)行分析[16]，標(biāo)準(zhǔn)化之后的各模態(tài)的垂向結(jié)構(gòu)如圖11 所示。圖12 為經(jīng)向流速的觀測(cè)值以及正壓模態(tài)與前4 個(gè)斜壓模態(tài)的重構(gòu)值，可以發(fā)現(xiàn)重構(gòu)值可表征經(jīng)向流速的主要特征。圖13 是正壓模態(tài)和前4 個(gè)斜壓模態(tài)振幅的時(shí)間序列，如圖所示，經(jīng)向流速整體由第一斜壓模態(tài)主導(dǎo)，其次為正壓模態(tài)；正壓模態(tài)和第一斜壓模態(tài)至第四斜壓模態(tài)的時(shí)間平均振幅分別為3.21 cm/s、6.79 cm/s、2.48 cm/s、1.88 cm/s 和1.20 cm/s，也說(shuō)明最大模態(tài)為第一斜壓模態(tài)；另外，第一斜壓模態(tài)振幅的時(shí)間序列也表現(xiàn)出顯著的100 d 左右的振蕩周期（圖略）。綜合以上分析，深層海流與上層海流的流向相反且出現(xiàn)深層強(qiáng)化，主要是受第一斜壓模態(tài)的主導(dǎo)。

圖11 MX2 觀測(cè)位置的正壓模態(tài)和前4 個(gè)斜壓模態(tài)Fig.11 The barotropic mode and the first four baroclinic modes at the mooring site of MX2

圖12 經(jīng)向流速的時(shí)間-深度分布觀測(cè)值（a）、正壓模態(tài)和前4 個(gè)斜壓模態(tài)重構(gòu)值（b）Fig.12 Meridional velocity along the time-depth section observation (a),reconstructed from the barotropic mode and the first four baroclinic modes (b)

圖13 正壓模態(tài)和前4 個(gè)斜壓模態(tài)的振幅Fig.13 Amplitudes of the barotropic mode and the first four baroclinic modes

3.4 山頂處與山底處低頻海流的相互關(guān)系

通過(guò)計(jì)算MX1 和MX2 鄰近深度層次的低頻海流（3 d 低通濾波后再進(jìn)行逐日平均）的矢量相關(guān)系數(shù)來(lái)分析兩處海流的相互關(guān)系，其中1 000 m 層MX1和MX2 的鄰近層次的深度分別為1 071 m 和948 m，2 000 m 層MX1 和MX2 的鄰近層次的深度分別為2 096 m 和1 826 m。計(jì)算結(jié)果如表1 所示，可見1 000 m層以淺兩處海流的相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)大部分在0.5 以上，500 m 層以淺的偏角不超過(guò)11°，1 000 m層的流向偏角不超過(guò)30°。2 000 m 層二者的相關(guān)性較弱，因?yàn)镸X1 位于海山山頂，2 000 m 層距底約500 m，海流變化可能受局地地形的影響，而與MX2（山底處）相應(yīng)深度層次的海流變化有所差異。

表1 MX1 和MX2 鄰近深度層次低頻海流的矢量相關(guān)系數(shù)Table 1 Complex vector correlation coefficients and rotation angles of current at adjacent depths from MX1 and MX2

4 討論

通過(guò)本文的分析可得到以下結(jié)論：

（1）平均海流及其變化幅度在上層最大、中層和深層次之、中深層最小。150 m 以淺為東向的副熱帶逆流，150 m 以深和中層為西向流；上層和中層海流的時(shí)間變化明顯，且各深度層次的流向變化基本一致；深層海流也表現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化特征；在山頂處近底層海流為較穩(wěn)定的弱南向流，在山底處近底層海流為西南向流。

（2）在山頂和山底，各深度層次的海流在全年均表現(xiàn)出100 d 左右的周期振蕩；在2 000 m 以淺，各深度層次海流振蕩的位相基本一致，振蕩幅度在表層最強(qiáng)、隨深度的增加而減小；在2 000 m 以深，海流變化的位相與2 000 m 以淺相反，振蕩幅度在4 000 m 最強(qiáng)。

（3）兩處海流在大部分深度層次的相關(guān)性均較好，山頂近底層的海流可能受局地地形的影響，而與山底處相應(yīng)深度層次的海流有所差異。

已有研究表明，在西太平洋以20°N 為中心的緯度帶內(nèi),海面高度和表層海流都表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)90 d 振蕩[10-11]。我們的觀測(cè)進(jìn)一步表明，該海域海流的主振蕩周期為100 d，該振蕩不僅出現(xiàn)在表層，同時(shí)也出現(xiàn)在深層，在2 000 m 以深海流振蕩的位相與2 000 m 以淺相反且出現(xiàn)深層強(qiáng)化現(xiàn)象，這主要是受第一斜壓模態(tài)的主導(dǎo)。另外，由于在近底層觀測(cè)的海流層次較少，目前還不能判斷深層海流是否還受到地形羅斯貝波的影響，有待于將來(lái)的進(jìn)一步研究。