南海環(huán)流多尺度動力過程演變特征與機(jī)制研究進(jìn)展

王東曉，邱春華，舒業(yè)強(qiáng)，王 強(qiáng)，俎婷婷，梁長榮，李明婷，張志鵬，張小波

（1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082；3.中國科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州 510301）

南海是西太平洋邊緣最大的邊緣海，連接著太平洋和印度洋。其中南海貫穿流是太平洋-印度洋水交換的重要分支，在南海熱量、鹽度運(yùn)輸中起到重要作用[1-2]。南海貫穿流的跨海盆輸運(yùn)將從太平洋進(jìn)入的低溫高鹽度水體變?yōu)楦邷氐望}度水體隨后流出南海，通過與印尼貫穿流接觸的2 個分支調(diào)節(jié)著印尼貫穿流的變率[2-8]，從而影響太平洋向印度洋的水體、熱量輸運(yùn)，調(diào)節(jié)2 個大洋間的物質(zhì)、能量平衡。

南海地處東亞季風(fēng)區(qū)，其穩(wěn)定強(qiáng)大的季風(fēng)性大氣環(huán)流是南海上層環(huán)流的主要驅(qū)動力[9]。冬季盛行東北季風(fēng)，南海環(huán)流總體表現(xiàn)為一個大的氣旋式環(huán)流；夏季盛行西南季風(fēng)，總環(huán)流大致表現(xiàn)為北部氣旋式而南部反氣旋式的偶極子式環(huán)流特征，并在二者中間的越南中部沿岸形成離岸東向急流[1,10-19]。由于風(fēng)應(yīng)力旋度是南海上層環(huán)流的主要驅(qū)動力，黑潮入侵與呂宋海峽水交換的相對貢獻(xiàn)較小，因此，南海上層海盆尺度環(huán)流的形成可以通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)Sverdrup 平衡以及斜壓Rossby 波的快速調(diào)整得到很好的解釋[20-22]。

除具有明顯的季節(jié)性環(huán)流之外，南海環(huán)流還具有多尺度特性，如：具有大尺度（空間尺度＞100 km）的西邊界流、中尺度（空間尺度約為O（10～100 km））渦旋/鋒面/上升流、亞中尺度（O（1～10 km））過程及湍流混合（空間尺度O（0.01～100 m））等多種運(yùn)動。從動力角度上看，大尺度運(yùn)動滿足地轉(zhuǎn)平衡，中尺度運(yùn)動滿足準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡，而亞中尺度過程打破了地轉(zhuǎn)平衡理論，伴隨有強(qiáng)的垂向速度（O（10～100 m/s））。

近些年來，海洋環(huán)流的多尺度特征這一科學(xué)問題成為了海洋學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)。海洋環(huán)流多尺度演變特征的研究可加強(qiáng)我們對海洋能量從大中尺度串級到小尺度這一完整過程的認(rèn)識[23-28]?；诖?，本文主要從南海貫穿流特征、南海陸架陸坡流和西邊界流特征、主流系對中尺度渦旋的影響、（亞）中尺度對湍流混合的影響四個方面取得的進(jìn)展展開論述。

1 南海貫穿流的跨海盆輸運(yùn)

南海貫穿流是太平洋-印度洋貫穿流的重要分支[19,29-30]。太平洋水經(jīng)呂宋海峽進(jìn)入南海之后成為南海貫穿流的主要來源。南海貫穿流通過2 個分支通向印度尼西亞海域，其中第一分支為流經(jīng)卡里馬塔海峽到達(dá)爪哇海，第二分支經(jīng)過民都洛-錫布圖通道從而到達(dá)蘇拉威西海。

呂宋海峽位于南海的東北側(cè)，處于臺灣島與呂宋島之間，海檻深度約為2 200～2 400 m，最大水深超過3 000 m，是直接溝通南海和西北太平洋的唯一深水通道，也是南海與外海間體積、熱量、鹽度輸運(yùn)最大的通道，呂宋海峽的水交換對南海環(huán)流的維持有重要的影響[17,31-33]。觀測以及數(shù)值模式結(jié)果表明[6,34-38]，從太平洋經(jīng)呂宋海峽流入南海的總流量為2～6Sv，且有明顯的季節(jié)和年際變化，表現(xiàn)為冬季和El Ni?o 期間流量較大，夏季和La Ni?a 期間流量較小。此外，呂宋海峽的水交換具有明顯的垂向分層結(jié)構(gòu)特征[39]，具體表現(xiàn)為上層（小于500～750 m）為太平洋水進(jìn)入南海，流量約為3～6Sv[33,40-41]，中層（約750～1 500 m）是南海水出流進(jìn)入太平洋，中層水流出呂宋海峽的流量約為1～2Sv[41]。呂宋海峽底層水交換為密度較大的太平洋深層水穿過兩千多米水深的呂宋海峽海檻進(jìn)入南海，其深層水交換流量為1～2Sv，是南海深層環(huán)流的主要驅(qū)動力[42-44]。基于14 a 的衛(wèi)星觀測海底壓力時間序列，Zhu 等[45]研究表明呂宋海峽深層水交換流量在2003年到2016 年間以每十年0.43Sv的速度減弱，該減弱趨勢可能對南海深層產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

驅(qū)動呂宋海峽水交換的主要機(jī)制包括季風(fēng)、地形的強(qiáng)迫和黑潮的入侵，以及中尺度渦旋的影響[17,41,46-47]。南海季風(fēng)活動影響著南海上層環(huán)流的基本狀況，決定南海上層環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換[19]。黑潮入侵南海的動力機(jī)制可歸結(jié)為風(fēng)場驅(qū)動[48]、跨太平洋-南海的壓力梯度[49]、遲滯效應(yīng)[50]、位渦守恒[51]和渦旋活動[52]。Wang 等[42]指出南海深層的熱鹽環(huán)流上升運(yùn)動對調(diào)控上層風(fēng)驅(qū)環(huán)流有重要的作用。作為南海環(huán)流的上游通道，呂宋海峽的輸運(yùn)變化在南海水交換過程中起著重要作用，實際上下游出流通道也是南海環(huán)流的重要組成部分，目前對于南海南部出流海峽通道的研究較多集中在卡里馬塔海峽，而對于民都洛海峽的水交換研究較少。

卡里馬塔海峽為連接南海和爪哇海的通道，其寬約350 km，最大水深約50 m，方國洪等[29]研究指出卡里馬塔海峽是南海南部海區(qū)的主要出流通道，對于維持南海的熱鹽平衡起著重要作用[2]。從2007 年至2016年中國-印度尼西亞-美國三方合作開展的南海-印尼海水交換觀測項目（The SCS-Indonesian Seas Transport/Exchange,SITE）開展了對卡里馬塔海峽流速的持續(xù)觀測[53-55]。近十年（2007 年至2016 年）的觀測數(shù)據(jù)表明卡里馬塔海峽的年平均流量為-0.74Sv，從南海流向爪哇海，冬季平均流量達(dá)到-2Sv,而夏季則從爪哇海流向南海，平均流量為0.69Sv[56]。影響卡里馬塔海峽水交換的主要因素為局地風(fēng)場的強(qiáng)迫，其季節(jié)及年際變化主要受東亞季風(fēng)的影響[6,30]。雖然卡里馬塔海峽的年平均流量較小，但其淡水輸運(yùn)量卻高達(dá)-30.87 mSv，相當(dāng)于冬季印度尼西亞海降水量的42%[57]。數(shù)值模式研究表明，和另一分支民都洛海峽相比，卡里馬塔海峽年平均淡水輸運(yùn)量超過民都洛海峽的2 倍，占年進(jìn)入南海淡水總量的26.3%[56]，因此卡里馬塔海峽的水交換對南?？绾Ｅ璧牡斶\(yùn)起到重要作用。

民都洛海峽為南海與蘇祿海的連接通道，其深度約為500 m?？ɡ锺R塔海峽和臺灣海峽的深度都小于100 m，只涉及南海表層環(huán)流。因此，民都洛海峽是南海的主要出流通道之一，也是南海環(huán)流溫躍層和溫躍層深度以下唯一的出流通道。模式模擬和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究表明，民都洛海峽多年平均的南向輸送約為3Sv[2,33,41,58-59]。2007 年至2009 年菲律賓海峽動力學(xué)實驗（PhilEx）計劃期間的潛標(biāo)數(shù)據(jù)提供了目前唯一觀測到的民都洛海峽流速剖面[60]，其2008 年向南流量為0.1Sv，這與潛標(biāo)的位置及觀測年份有關(guān)。由于缺乏對民都洛海峽的長期觀測，所以，目前尚不清楚民都洛海峽水交換對南海環(huán)流的相對貢獻(xiàn)和水文變化特征。關(guān)閉海峽的模式敏感性實驗有助于理解海峽與環(huán)流之間的動態(tài)關(guān)系[4,61-62]?；诟叻直媛屎Ｑ竽Ｊ降难芯勘砻鳎绻穸悸?錫布圖通道關(guān)閉，則呂宋海峽的流量減少75%，上層環(huán)流特別是南海貫穿流大幅減弱[63]（圖1）。由于上層與中層環(huán)流的垂向耦合[46]，關(guān)閉民都洛-錫布圖通道后南海上層環(huán)流減弱使得南海中層反氣旋式環(huán)流也減弱，而深層環(huán)流沒有顯著改變[64]（圖2）。

圖1 模式中關(guān)閉呂宋海峽和關(guān)閉民都洛-錫布圖通道后南海海表面高度及表層流場變化Fig.1 Distribution of sea surface height and surface flow field in the South China Sea after the closure of Luzon Strait and Mindoro-Sibutu Channel in the model

圖2 關(guān)閉民都洛-錫布圖通道后南海緯向平均流速以及經(jīng)向平均流速垂向結(jié)構(gòu)分布的變化Fig.2 The vertical structure distribution of the zonal mean velocity and meridional mean velocity in the South China Sea after the closure of Mindoro-Sibutu Channel

此外，民都洛-錫布圖通道為低頻海浪從西太平洋傳播到南海提供了路徑[62,65-66]。與厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）相關(guān)的西太平洋赤道Rossby 波到達(dá)菲律賓沿岸后激發(fā)沿岸Kelvin 波。沿岸Kelvin 波主要通過民都洛-錫布圖海峽進(jìn)入南海，調(diào)節(jié)南海東部海平面高度，將ENSO 信號傳遞到南海，進(jìn)而影響呂宋海峽的入流，影響多層環(huán)流的年際變化[64]。因此，民都洛海峽的水交換對南海與西太平洋間海洋波動的傳播起到至關(guān)重要的作用。

2 南海北部陸坡流與西邊界流演變特征

南海西邊界流與北部陸坡環(huán)流是南海貫穿流的重要組成部分，其形成與變化不僅與東亞季風(fēng)息息相關(guān)，還受到呂宋海峽、民都洛海峽等的跨海盆輸運(yùn)，以及黑潮入侵、渦旋活動的調(diào)制。尤其是西邊界流，其季節(jié)與年際變化均與呂宋海峽通量變化有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)[67]。

2.1 南海西邊界流

受風(fēng)應(yīng)力與β 效應(yīng)影響，南海環(huán)流存在顯著的西向強(qiáng)化現(xiàn)象，被稱為南海西邊界流[9,68-69]，其深度可達(dá)600 m，最大流速超過1 m/s,是南海環(huán)流的主要組成部分[67,70-71]。Chen 和Xue[72]利用理想數(shù)值模型研究指出南海存在強(qiáng)的西邊界流，而其他一些邊緣海（如墨西哥灣）卻未被觀測到存在強(qiáng)西邊界流，其主要原因是其他一些邊緣海缺少風(fēng)、流和地形的合理配置。

南海西邊界流具有顯著的季節(jié)變化特征：冬季向南，夏季向北。冬季南海西邊界流路徑和形態(tài)分布顯示，南海西邊界流起源于南海北部并沿陸坡向西南流動，在越南東部沿岸流速加強(qiáng)、流輻變窄，到達(dá)南部海盆后形成氣旋型環(huán)流結(jié)構(gòu)[13]。夏季，受局地風(fēng)應(yīng)力旋度和越南沿岸地形影響[73-75]，西邊界流由南向北運(yùn)動，在越南沿岸分離形成東向急流，并伴隨偶極子的形成[19]。

除此之外，南海西邊界流還有顯著的年際變化特征[67]。在厄爾尼諾年份，冬季受東亞季風(fēng)減弱的影響，海盆尺度氣旋環(huán)流減弱[69]，西邊界流強(qiáng)度與范圍均顯著減弱，其在南部海盆的年際變化比北部海盆更為顯著，不封閉的“U”型環(huán)流結(jié)構(gòu)在厄爾尼諾發(fā)展期的冬季可變?yōu)榉忾]的“O”型氣旋環(huán)流結(jié)構(gòu)[76]。夏季受季風(fēng)與呂宋海峽入侵變化的共同調(diào)制，東向急流的位置和強(qiáng)度及其伴隨的偶極子的強(qiáng)弱有顯著變化[68,77-79]。越南沿岸的東向急流與西邊界流的北向分支呈反相關(guān)變化，厄爾尼諾發(fā)展期的夏季，較強(qiáng)的夏季風(fēng)和呂宋海峽輸運(yùn)有利于更強(qiáng)的東向急流，而厄爾尼諾衰退期的夏季，較弱的夏季風(fēng)與呂宋海峽輸運(yùn)有利于更強(qiáng)的北向分支[80]。

2.2 南海北部陸架陸坡流

南海暖流、夏季沿岸上升流系統(tǒng)以及冬季沿岸下降流系統(tǒng)構(gòu)成了典型的南海北部陸架流系[81]。南海暖流是一支出現(xiàn)在廣東外海、流向東北的海流，由于其流向與冬季東北風(fēng)方向相反，也被稱為“冬季逆風(fēng)海流”[82]。南海暖流的形成機(jī)制目前還存在爭議，其大體分為4 種觀點(diǎn)：①南海暖流是由黑潮入侵和與南海北部地形相互作用所產(chǎn)生[83-87]；②風(fēng)應(yīng)力松弛為南海暖流的形成提供一種瞬變的作用力，是南海暖流產(chǎn)生的主要原因，而黑潮入侵起到加強(qiáng)的作用[69,88]；③風(fēng)應(yīng)力引起的Ekman 輸送受到海岸的阻擋使海水在海南島以東海域產(chǎn)生堆積，從而使得在海南島以東到浙東近海形成明顯的沿陸架等深線走向的坡度形成暖流[89-90]；④其他觀點(diǎn)，譬如：Fang 等[13]認(rèn)為順流的海面坡度在形成南海暖流中具有控制作用；Ye[91]認(rèn)為南海北部冬季環(huán)流主要是由斜壓作用導(dǎo)致的密度流；Yang 等[92]認(rèn)為臺灣海峽常年的北向流是產(chǎn)生南海暖流的主要機(jī)制。

南海北部陸架和粵港澳大灣區(qū)近岸海洋環(huán)流系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。夏季，以東北向陸架流為主；冬季以西南向陸架流為主，跨陸架水交換表現(xiàn)出明顯的夏季上升流和冬季下降流特征[93-94]。南海北部上升流系統(tǒng)主要包括粵東上升流與瓊東上升流。夏季沿岸西南風(fēng)被認(rèn)為是南海北部上升流產(chǎn)生的主要機(jī)制[95-98]。同時上升流的空間分布受到地形、沿岸流、沖淡水等因素的調(diào)制[99-101]。在脈沖狀西南風(fēng)作用下，下層上升流和上層剪切混合過程使得鹽度收支空間分布不均勻，造成珠江沖淡水脫離出孤立的低鹽水，在遙感圖像和航次觀測大面分布圖中表現(xiàn)為斑塊狀的珠江沖淡水[102]。當(dāng)粵東上升流充分發(fā)展時，上升流鋒面處由于熱成風(fēng)作用形成射流，當(dāng)珠江沖淡水東向延展時被卷入此射流，進(jìn)而形成射流狀珠江沖淡水[103]。當(dāng)粵東上升流較弱時，東向延展的珠江沖淡水穿過粵東上升流和淺灘上升流之間的地帶；當(dāng)粵東上升流充分發(fā)展時，其鋒面處強(qiáng)地轉(zhuǎn)流向外海延展，此時珠江沖淡水將向淺灘上升流以東海域遷移[104]。Gan 等[94]研究了在理想風(fēng)的條件下南海北部加寬的陸架地形對上升流的影響，發(fā)現(xiàn)粵東區(qū)域加寬的陸架地形誘導(dǎo)了西向壓強(qiáng)梯度力，進(jìn)而加強(qiáng)了汕頭附近風(fēng)生上升流的強(qiáng)度。Liu 和Gan[105]基于觀測和多層嵌套模式進(jìn)一步指出，臺灣海峽風(fēng)場可以通過建立大尺度背景環(huán)流維持南海北部跨陸架水交換。沿岸流在變化的地形區(qū)域通過底Ekman 輸運(yùn)與底Ekman 抽吸驅(qū)動驅(qū)使地形誘導(dǎo)的上升流，調(diào)制南海北部上升流的空間分布，并對上升流年際變化產(chǎn)生影響[81,106]（見圖3）。

圖3 南海北部底Ekman 輸運(yùn)與底Ekman 抽吸對地形誘導(dǎo)上升流的貢獻(xiàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the contribution of bottom Ekman transport and Ekaman suction to topographic induced upwelling in the northern South China Sea

冬季，在東北季風(fēng)作用下，廣東沿岸出現(xiàn)水位的堆積，產(chǎn)生東南方向的壓強(qiáng)梯度力，從而產(chǎn)生西南方向的沿岸流[22]。堆積的冷水在近岸下沉，形成南海北部下沉流[107]。馬文濤等[108]通過模型模擬發(fā)現(xiàn)南海的溶解有機(jī)碳與季風(fēng)關(guān)系密切，冬季強(qiáng)混合可引起陸坡區(qū)域溶解有機(jī)碳濃度的增高。Gan 等[93]通過數(shù)值模擬實驗研究粵東加寬陸架地形對冬季下降流的加強(qiáng)作用，結(jié)果表明：粵東區(qū)域西向收斂的地形導(dǎo)致沿岸流加速，形成增強(qiáng)的向沿岸壓強(qiáng)梯度力，進(jìn)而導(dǎo)致加強(qiáng)的向岸地轉(zhuǎn)輸運(yùn)；同時西向加強(qiáng)的沿岸流增加了東向的底摩擦力，增強(qiáng)了底層Ekman 離岸輸送。

3 南海背景流對中尺度渦旋的調(diào)制研究

3.1 中尺度渦與黑潮入侵的動力關(guān)聯(lián)

中尺度渦能夠在任何季節(jié)從黑潮脫落并進(jìn)入南海，并且冬季發(fā)生的頻率更高[31,109]。利用1.5 層約化重力準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模型研究在遲滯狀態(tài)下西邊界流流經(jīng)寬口縫隙時中尺度渦對西邊界流的影響，發(fā)現(xiàn)遲滯現(xiàn)象為周期性的由入侵和跨越造成的渦度平衡所控制，而在遲滯狀態(tài)時中尺度渦從東邊海盆靠近豁口會對西邊界流在豁口內(nèi)的路徑產(chǎn)生顯著的影響[110-111]。

西太平洋的中尺度渦能否穿越黑潮進(jìn)入南海一直是一個重要的科學(xué)問題。Song 等[112]認(rèn)為，從理論上，中尺度渦無法穿越穩(wěn)定的跨越式黑潮，但是，Yuan 等[113]認(rèn)為當(dāng)黑潮處于入侵形態(tài)的時候，無論是氣旋渦還是反氣旋渦均能夠穿越黑潮進(jìn)入南海。Xie 等[114]發(fā)現(xiàn)西太平洋信號能夠以羅斯貝波的形式進(jìn)入南海。Zu等[115]通過能量診斷計算發(fā)現(xiàn)，2006 年冬季的一個反氣旋渦能夠長時間維持在臺灣島西南部的主要是由黑潮通過斜壓不穩(wěn)定將平均動能向渦動能轉(zhuǎn)化所致。另外，黑潮以次表層流速極大值入侵的方式調(diào)控南海北部斜壓不穩(wěn)定性，當(dāng)黑潮次表層流速極大值入侵增強(qiáng)時，南海北部背景環(huán)流的垂向剪切也會加強(qiáng)，進(jìn)而通過斜壓轉(zhuǎn)換過程增強(qiáng)大尺度能量向中尺度能量的轉(zhuǎn)化，激發(fā)南海北部活躍的中尺度渦活動[116]。

3.2 中尺度渦與南海西邊界流的動力關(guān)聯(lián)

Wang 等[117]分析2004 年1 月至4 月南海北部陸坡區(qū)域的一個浮標(biāo)發(fā)現(xiàn)：該浮標(biāo)一直被反氣旋渦所捕獲（78 d），并且該浮標(biāo)除了受反氣旋渦的控制而旋轉(zhuǎn)外，同時也受到大尺度環(huán)流的調(diào)制；該反氣旋渦個例表現(xiàn)出顯著的渦-流相互作用的特征。中國科學(xué)院南海海洋研究所在西沙海域長時間連續(xù)潛標(biāo)的布放，為認(rèn)識南海西邊界流與中尺度渦的相互作用提供了極大助力。Wang 等[118]利用潛標(biāo)觀測資料定量評估了中尺度渦對西沙海域西邊界流能量變化的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該海區(qū)西邊界流季節(jié)內(nèi)能量的波動主要受中尺度渦的調(diào)制，并且中尺度渦對其能量的貢獻(xiàn)最大能夠達(dá)到90%。Zhu 等[119]通過觀測重構(gòu)南海西邊界流流量數(shù)據(jù)[120]，很好地推動了南海西邊界流變率的研究。Xu 等[121]最新研究發(fā)現(xiàn)，南海北部流場變率以10～110 d 變率為主導(dǎo)。Chu 等[72]發(fā)現(xiàn)2010 年西沙出現(xiàn)極端暖渦，渦流相互作用的能量診斷表明，西邊界流通過正壓、斜壓轉(zhuǎn)換將能量傳遞給渦旋，其中季風(fēng)期間正壓轉(zhuǎn)換更強(qiáng)，從而導(dǎo)致渦旋不斷北移并增大、增強(qiáng)。Qiu 等[122]基于模型的結(jié)果顯示該區(qū)域的暖渦發(fā)生了形變，該形變過程主要由西邊界流的斜壓不穩(wěn)定能量傳遞引起。Su 等[123]對入侵陸坡的渦旋進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)能量密度大的渦旋更易進(jìn)入東沙、西沙等陸坡區(qū)域；潛標(biāo)及模型結(jié)果揭示，在南海西邊界流影響下，反氣旋在陸坡區(qū)域有所增強(qiáng)，而氣旋能量削弱。Hu 等[124]研究發(fā)現(xiàn)，越南東側(cè)的中尺度渦形成與沿岸急流緊密相關(guān)。

3.3 南海西邊界流區(qū)域中尺度渦旋引起的跨陸坡輸運(yùn)

Wang 等[116,125-128]進(jìn)行了一系列渦致跨陸坡輸運(yùn)的研究，比如：基于大量現(xiàn)場觀測，在東沙群島附近發(fā)現(xiàn)了中層跨陸坡急流的存在，并利用數(shù)值模型解釋了其動力成因[126]；基于模型對南海北部跨陸坡流動的診斷研究發(fā)現(xiàn)，西沙群島海域以東的陸坡區(qū)域以爬坡運(yùn)動為主，而在西沙群島以西以下坡運(yùn)動為主；通過動力診斷分析發(fā)現(xiàn)，沿陸坡方向的正壓壓強(qiáng)梯度力是控制跨陸坡運(yùn)動的主要動力因子[127]；2018 年基于陸坡潛標(biāo)陣列的分析發(fā)現(xiàn)，中尺度渦結(jié)構(gòu)的不對稱性以及非線性特征能夠引起顯著的跨陸坡水體輸運(yùn)[125]（圖4），并且該渦致跨陸坡運(yùn)動占總體運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差的74.6%[116]；該跨陸坡運(yùn)動中10～20 d 的擾動分量能夠顯著激發(fā)東沙群島附近的深海地形羅斯貝波[128]。Chen 等[129]通過分析高度計、CTD 和Argo 資料觀測到的中尺度渦旋，發(fā)現(xiàn)由于上層海洋的強(qiáng)混合和深海很小的溫鹽梯度的存在，渦旋引起的溫鹽輸運(yùn)分別主要發(fā)生在溫躍層和鹽躍層；較大的極向渦致熱輸運(yùn)發(fā)生在夏季的越南東部海域、冬季的呂宋島西部海域，而較大的赤道向渦致熱輸運(yùn)發(fā)生在冬季的呂宋海峽西部海域。Yang 等[130]觀測發(fā)現(xiàn)，從黑潮脫落的渦旋能夠裹挾黑潮高鹽水體輸運(yùn)到南海北部。

圖4 南海北部渦致跨陸坡速度Fig.4 Eddy-induced cross slope velocity in the northern South China Sea

4 南海（亞）中尺度過程對湍流混合的影響

海洋湍流混合能改變水團(tuán)性質(zhì)，重新分布營養(yǎng)物質(zhì)和微生物，在海洋熱量、動量的傳遞和能量的平衡過程中扮演著重要的角色。南海是全球中小尺度過程最活躍的海域之一，正壓潮與呂宋海峽陡峭地形相互作用，不僅產(chǎn)生出強(qiáng)大的內(nèi)潮波[131-136]，而且激發(fā)出大振幅的內(nèi)孤立波[137-142]。此外，盛行的季風(fēng)和頻繁的熱帶氣旋使得南海的近慣性內(nèi)波非?；钴S[143-146]。這些中小尺度過程可以為南海湍流混合提供大量能量。

4.1 內(nèi)潮對湍流混合的調(diào)制

內(nèi)潮是南海湍流混合重要能量來源之一，正壓潮與呂宋海峽陡峭地形相互作用產(chǎn)生大量的內(nèi)潮波，其中高模態(tài)內(nèi)潮波易于局地耗散，低模態(tài)內(nèi)潮波易于傳播[131,133-134]。Niwa 和Hibiya[134]估計呂宋海峽半日潮的轉(zhuǎn)換率為14 GW，其中50%以內(nèi)潮波的形式輻射出去（4.2 GW 進(jìn)入南海，3.2 GW 進(jìn)入西太平洋）；Jan 等[133]估計半日潮和全日潮的轉(zhuǎn)換率分別為11 GW 和19 GW，共計30 GW，其中約40%以內(nèi)潮波的形式輻射出去（7 GW 進(jìn)入南海，6 GW 進(jìn)入西太平洋）；Alford 等[137]估計呂宋海峽內(nèi)潮的轉(zhuǎn)換率為24.1 GW，其中60%以內(nèi)潮波的形式輻射出去（向西和向東的總能量通量分別為7.89 GW 和6.05 GW）。向西傳入南海的內(nèi)潮波可以穿越深海海盆，到達(dá)南海北部陸架和越南海岸[136]。

內(nèi)潮波在深海盆傳播過程中會發(fā)生非線性波-波相互作用（如參數(shù)化次調(diào)和不穩(wěn)定），將能量傳遞到更高模態(tài)的內(nèi)波[147-149]。到達(dá)陸架、陸坡的內(nèi)潮波則與地形相互作用，部分能量因底地形摩擦直接耗散，另一部分能量反射回深?；蚶^續(xù)向更淺的陸架海域傳播[150-152]。南海北部大陸坡相對于全日潮為臨界地形，相對于半日潮為亞臨界地形，全日潮的能量更易于反射回深海，而半日潮的能量則傾向于向更淺海域傳播[153]。通過與地形的線性相互作用和非線性相互作用，南海內(nèi)潮波將大量的能量級串到高模態(tài)內(nèi)波，從而為南海湍流混合提供大量能量。

海洋數(shù)值模式、細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案等間接方法的研究均表明南海湍流混合的時空分布和南海內(nèi)潮波分布均與南海地形相關(guān)[142,154-157]。Wang 等[157]基于海洋數(shù)值模式的研究表明，產(chǎn)生于呂宋海峽的內(nèi)潮是南海內(nèi)潮耗散的主要能量來源，內(nèi)潮引起的強(qiáng)湍流混合主要發(fā)生在呂宋海峽、陸架坡折處和海底邊界層。Sun 等[156]利用細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案研究了南海北部（118°30′E,20°54′N）湍流混合的時間變化特征，結(jié)果表明南海北部湍流混合的季節(jié)性變化與內(nèi)潮波和風(fēng)致近慣性內(nèi)波有關(guān)。Liu 等[155]采用細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案估算了南海18°N斷面的湍流混合，結(jié)果表明，內(nèi)潮波主導(dǎo)著深層湍流混合，在粗糙地形海域內(nèi)潮波可以增強(qiáng)整個水深的湍流混合。Lu 等[154]也采用細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案研究了南海湍流混合的空間分布特征，結(jié)果表明，強(qiáng)湍流混合主要出現(xiàn)在內(nèi)潮生成區(qū)的呂宋海峽和強(qiáng)非線性相互作用的東沙群島海域。Wang 等[142]利用聲學(xué)多普勒流速儀（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）觀測數(shù)據(jù)間接估算了南海北部陸坡處底邊界層的湍流混合，結(jié)果表明，底邊界層的湍流混合強(qiáng)度受內(nèi)潮影響，在觀測期間其湍動能耗散率從7.6×10-6W/kg 增加至5.6×10-4W/kg。

另外，直接的湍流微結(jié)構(gòu)觀測亦表明南海湍流混合的時空分布與南海內(nèi)潮分布和南海地形相關(guān)[158-167]。Shang 等[160]利用湍流微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析了南海上層湍流混合的空間分布特征，結(jié)果表明南海上層湍流混合自北向南逐漸減弱，這種空間分布與呂宋海峽形成的內(nèi)潮波在南海的分布和傳播路徑相關(guān)（見圖5）。南海的一個強(qiáng)湍流混合區(qū)是內(nèi)潮波的生成區(qū)——呂宋海峽，Lozovatsky 等[162]觀測發(fā)現(xiàn)呂宋海峽附近密躍層的平均湍動能耗散率高達(dá)10-7W/kg，比開放大洋高2 個數(shù)量級，Tsutsumi 等[165]的觀測也表明呂宋海峽海脊處的湍動能耗散率和垂向擴(kuò)散率比開放大洋高2 個數(shù)量級。南海另一個強(qiáng)湍流混合區(qū)是南海北部發(fā)生強(qiáng)非線性相互作用的陸架和陸坡區(qū)。St.Laurent[164]的觀測結(jié)果表明南海北部陸架坡折區(qū)的湍動能耗散率高達(dá)10-6W/kg，強(qiáng)湍流混合與斜壓潮和底地形有關(guān)；Yang等[167]的觀測結(jié)果表明半日潮和全日潮引起的剪切不穩(wěn)定控制著南海陸架上的強(qiáng)湍流混合；Cui 等[158]分析南海北部多個跨陸架陸坡的斷面觀測數(shù)據(jù)認(rèn)為，密度躍層中存在強(qiáng)湍流混合的湍流斑塊，這些湍流斑塊的強(qiáng)湍流混合由高頻內(nèi)波引起的對流驅(qū)動，主要出現(xiàn)在陸架坡折處；St.Laurent 等[163]的湍流混合微結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果表明，源自呂宋海峽的內(nèi)波能量大部分耗散于南海北部的陸架和陸坡海域，在波浪振幅最大的東沙群島海域，湍流能量耗散高達(dá)1 W/m2。

圖5 南海溫躍層平均垂向擴(kuò)散率（〈 k 〉 T）的空間分布Fig.5 Spatial distribution of the average vertical diffusivity of the thermocline in the South China Sea

4.2 近慣性內(nèi)波對湍流混合的調(diào)制

近慣性內(nèi)波是南海湍流混合的另一個重要能量來源，盛行的季風(fēng)和頻繁的熱帶氣旋導(dǎo)致南海的近慣性內(nèi)波非常活躍，觀測已表明，在南海夏季風(fēng)盛行期間出現(xiàn)顯著的近慣性內(nèi)波、過境的熱帶氣旋也常伴隨著強(qiáng)烈的近慣性內(nèi)波[78,168-169]。熱帶氣旋引起的近慣性內(nèi)波與熱帶氣旋強(qiáng)度、移動速度和最大風(fēng)力半徑等有關(guān)[143,169-171]，同時受到中尺度渦和背景流等的影響[100,172-174]。Yang 和Hou[171]通過潛標(biāo)觀測到熱帶氣旋引起的近慣性內(nèi)波的垂向范圍達(dá)到300 m，垂向相速度和群速度分別為0.27 和0.08 cm/s；Sun 等[145]和Huang 等[172]的觀測發(fā)現(xiàn)中尺度渦和背景流可以導(dǎo)致近慣性內(nèi)波頻率發(fā)生偏移；Li 等[173]的觀測表明地形慣性波和陸坡流可以增強(qiáng)熱帶氣旋引起的近慣性內(nèi)波。熱帶氣旋引起的近慣性內(nèi)波以第二模態(tài)為主，其指數(shù)衰減時間為幾天到十幾天[143,169,171-172,175-176]。近慣性內(nèi)波在衰減期間通常會發(fā)生非線性相互作用，將能量傳遞到更高模態(tài)的內(nèi)波[176-178]。Guan 等[176]的觀測表明，熱帶氣旋引起近慣性內(nèi)波（頻率為f）伴隨著強(qiáng)高諧頻內(nèi)波（頻率為fD1，fD1=f+D1，其中D1 為全日潮頻率），這些高諧頻內(nèi)波由近慣性內(nèi)波和全日潮之間的非線性相互作用產(chǎn)生；Lin 等[178]的觀測表明，熱帶氣旋引起的強(qiáng)近慣性波也可以與半日潮（頻率為D2）發(fā)生非線性相互作用，產(chǎn)生高諧頻內(nèi)波（頻率為fD2，fD2=f+D2）；Liang 等[177]的觀測表明，熱帶氣旋引起近慣性內(nèi)波亦可以激發(fā)全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮之間的非線性相互作用，產(chǎn)生高諧頻內(nèi)波（頻率為D3，D3=D1+D2，圖6）。近慣性內(nèi)波及其期間通過非線性相互作用產(chǎn)生的高諧頻內(nèi)波往往具有強(qiáng)剪切[179]，使得水體容易發(fā)生剪切不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生強(qiáng)湍流混合[155-156]。Sun 等[156]基于細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案的研究發(fā)現(xiàn)，南海北部的強(qiáng)湍流混合與風(fēng)致近慣性內(nèi)波有關(guān)；Liu 等[155]基于細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案的研究結(jié)果表明近慣性內(nèi)波對南海18°N 斷面上層的強(qiáng)湍流混合起到重要作用。

圖6 臺風(fēng)前、臺風(fēng)期間和臺風(fēng)后觀測站位（110°31′12″E，13°59′24″N）48～152 m 水深的平均動能譜Fig.6 Average kinetic energy spectrum between 48—152 m at observation station（110°31′12″E，13°59′24″N）before,during and after the typhoon

4.3 中尺度渦旋/亞中尺度過程對湍流混合的調(diào)制

近期研究表明中尺度渦旋對湍流混合也有影響。Yang 等[180]研究發(fā)現(xiàn)渦旋邊界上的垂向混合率比渦旋中心處高5～7 倍。在利用水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)研究中尺度渦旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，Qi 等[181]發(fā)現(xiàn)在渦旋邊界存在鋒面的區(qū)域垂向混合強(qiáng)，而在溫度梯度較小的渦旋西邊界處垂向混合較弱。Yang 等[130]利用數(shù)值模型模擬了中尺度渦旋在陸坡區(qū)域耗散至亞中尺度過程并最終以湍流混合形式耗散掉的過程，發(fā)現(xiàn)中尺度渦旋邊界上湍動能耗散率較強(qiáng)。

亞中尺度過程是中尺度過程與湍流混合之間能量傳遞的橋梁。亞中尺度過程一方面從中尺度過程或海氣界面處強(qiáng)迫吸收能量，另一方面伴隨出現(xiàn)能量耗散。Ramachandran 等[182]的數(shù)值模式結(jié)果顯示中尺度與亞中尺度耦合能引起垂向通量的增強(qiáng)；Callies 等[183]用數(shù)值模式分析了亞中尺度強(qiáng)迫產(chǎn)生湍流的2 種機(jī)制：中尺度驅(qū)動的表面鋒生和斜壓混合層不穩(wěn)定,并肯定了這2 種機(jī)制在不同尺度能量傳遞中的貢獻(xiàn)。

南海北部表層和次表層均存在亞中尺度結(jié)構(gòu)。甘子均和蔡樹群[184]分析表明南海北部的羅斯貝半徑約為50～100 km，即確定南海的亞中尺度空間尺度基本小于50 km。Zheng 等[185]對南海亞中尺度過程研究進(jìn)行了綜述，把亞中尺度過程分為亞中尺度波動（內(nèi)波、內(nèi)潮）、渦管（渦旋、地形波等）和陸架過程（河口鋒）等。Dong 和Zhong[186]統(tǒng)計4 a 的高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南海北部亞中尺度過程在冬季較強(qiáng)、夏季較弱，認(rèn)為強(qiáng)的流應(yīng)變和深的混合層可能會引起鋒生。鋒生過程能吸收中尺度渦旋的能量以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，也可通過不穩(wěn)定激發(fā)亞中尺度過程，在這些能量級串過程中伴隨著強(qiáng)的能量耗散[28]。Qiu 等[122]利用水下滑翔機(jī)觀測也發(fā)現(xiàn)中尺度渦旋邊界上有鋒生現(xiàn)象，布放的漂流浮標(biāo)也觀測到了亞中尺度渦旋。Lin 等[187]利用Massachusetts Institute of Technology General Circulation Model（MITgcm）結(jié)果發(fā)現(xiàn)潮汐對亞中尺度過程的能量變化有重要影響。Zhang 等[188]基于潛標(biāo)陣列觀測揭示了南海次表層的亞中尺度相干渦旋特征。

近年來，國內(nèi)對亞中尺度過程及湍流混合做了很多觀測。中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院大氣海洋相互作用團(tuán)隊與南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海）于2021 年組織了3 次中尺度渦旋與湍流混合、亞中尺度過程與湍流混合的觀測?；贛VP（Moving Vessel Profile）拖曳及VMP（Vertical Microstructure Profiler）湍流剖面儀觀測了亞中尺度過程與湍流混合，發(fā)現(xiàn)：在暖渦和冷渦交界處，湍動能耗散率較強(qiáng)；在背景流速剪切較大的區(qū)域，其湍動能耗散率也較大。該觀測為亞中尺度過程引起的湍流混合參數(shù)化研究提供了支持。

5 結(jié) 語

本文回顧了南海貫穿流特征、西邊界流特征、主流系與中尺度相互作用特征、中小尺度相互作用等方面取得的研究成果和進(jìn)展?fàn)顩r。大尺度環(huán)流主要通過斜壓不穩(wěn)定將能量傳遞給中尺度過程，中尺度渦旋的能量主要通過正壓不穩(wěn)定、剪切不穩(wěn)定等過程將能量傳遞給小尺度過程。但是，目前在南海的多尺度相互作用研究方面遇到了一些亟待解決的瓶頸問題，主要體現(xiàn)在以下2 方面。

1）“大尺度-中尺度-小尺度”之間能量傳遞過程的觀測存在難點(diǎn)。南海具有顯著的季風(fēng)強(qiáng)迫、復(fù)雜的地形以及由黑潮入侵等因素激發(fā)出的南海上層豐富的亞中尺度活動[40,189]。但是，由于亞中尺度活動的時空范圍都很小，對亞中尺度現(xiàn)象的觀測十分困難。傳統(tǒng)的船載斷面觀測分辨率低且無法獲得長期連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，但高分辨率的數(shù)值模式可以模擬出連續(xù)的亞中尺度現(xiàn)象，并可以被用來分析其動力過程[187-188]。中尺度渦旋能量如何通過亞中尺度運(yùn)動耗散，以及亞中尺度過程是否會導(dǎo)致鋒面的能量向小尺度耗散，并如何將能量串級至湍流尺度，到目前為止尚不清楚。

2）南海中小尺度過程研究對局地天氣與氣候的影響仍不明確。Wang 等[190]基于高分辨率數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)赤道太平洋亞中尺度渦旋對ENSO 發(fā)展起重要的抑制作用。目前在南海，亞中尺度過程對全球氣候的影響尚不明確，急需建立高分辨率數(shù)值模式開展研究。