南海中尺度渦對(duì)深層流調(diào)控作用的個(gè)例研究*

鄒 童 徐勤博 周 春,3,4① 張冬青

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266100; 2. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 山東青島 266100;3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266299; 4. 中國(guó)海洋大學(xué)三亞海洋研究院 海南三亞 572025)

南海是西北太平洋區(qū)域最大的半封閉邊緣海,總面積達(dá)到了350 萬(wàn)km2。南海具有廣闊的深海盆,其中大于2 000 m 水深的海盆面積超過(guò)100 萬(wàn)km2(Wyrtki, 1961)。呂宋海峽是南海深海盆與外部開(kāi)闊大洋連接的唯一深水通道, 深度大約為2 400 m。前人研究指出, 太平洋深層水在壓強(qiáng)梯度力驅(qū)動(dòng)下經(jīng)呂宋海峽進(jìn)入南海(Quet al, 2006; Zhaoet al, 2014,2016; Zhouet al, 2014), 在南海深層形成海盆尺度的氣旋式深層環(huán)流(Quet al, 2006; Wanget al, 2011; Lanet al, 2013; Xieet al, 2013; Shuet al, 2014; Xuet al,2014; Ganet al, 2016)。在南海深層強(qiáng)混合作用下深層水上升, 一部分在中層通過(guò)呂宋海峽重新回到太平洋(Chaoet al, 1996; Chenet al, 1996; Quet al, 2000;Liet al, 2006; Tianet al, 2006; Zhanget al, 2015), 另一部分在上層通過(guò)民都洛海峽、巴拉巴克海峽和加里曼丹海峽進(jìn)入蘇祿海和爪哇海, 最終匯入印尼貫穿流(Quet al, 2009; Yaremchuket al, 2009)。因此, 南海對(duì)太平洋和印度洋的熱鹽環(huán)流起到重要的作用, 其中, 南海深層環(huán)流作為這一過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 具有極其重要的研究意義。對(duì)于南海深層環(huán)流季節(jié)變異特征, 前人開(kāi)展了一系列研究, 取得了一些初步認(rèn)知。但是對(duì)于南海深層近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)季節(jié)內(nèi)振蕩(Shuet al, 2016; Zhouet al, 2017, 2020; Zhenget al, 2021), 目前對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)制認(rèn)知尚淺且大多聚焦在深海波動(dòng)過(guò)程。近年來(lái), 中尺度過(guò)程對(duì)深層的影響在全球多處海域被揭示, 在東太平洋海隆(Lianget al, 2011)、墨西哥灣(Kolodziejczyket al, 2012; Fureyet al, 2018; Tenreiroet al, 2018; Zhuet al, 2020)、南海(Zhanget al, 2013)和黑潮延伸區(qū)(Liuet al, 2019)附近的觀(guān)測(cè)結(jié)果證明一些比較強(qiáng)的中尺度渦可以影響到深海。南海是中尺度過(guò)程極為活躍的海域, 平均每年有32.8 個(gè)中尺度渦旋生成, 其中某些存活時(shí)間超過(guò)150 d, 這些渦旋對(duì)南海中的熱量輸送和水團(tuán)輸送起重要作用(Chenet al,2011)。中尺度渦大多在呂宋海峽西部生成, 生成原因?yàn)楹Ｅ璩叨鹊男眽翰环€(wěn)定或黑潮的影響。渦旋大多比較強(qiáng), 影響深度較大, 西向傳播的速度接近第一斜壓模的羅斯貝波(Wuet al, 2007)。探討中尺度過(guò)程對(duì)深層環(huán)流產(chǎn)生的影響對(duì)揭示深層環(huán)流的時(shí)間變異特征存在潛在的科學(xué)意義。

在赤道東太平洋地區(qū), 數(shù)值模擬結(jié)果表明, 渦旋接近東太平洋隆起時(shí), 會(huì)沿著海脊的方向拉伸, 并產(chǎn)生較強(qiáng)的沿海脊的徑向流動(dòng)。斜壓渦旋向下傳遞信號(hào),深層流速會(huì)受其影響(Adamset al, 2010)。實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)(Lianget al, 2011), 接近東太平洋隆起的深層水平流速與海洋表層流速在大部分時(shí)間呈負(fù)相關(guān), 符合第一斜壓模態(tài)垂向結(jié)構(gòu); 相關(guān)系數(shù)變化較大, 渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)負(fù)相關(guān)達(dá)到最強(qiáng); 流速特征時(shí)間尺度為1～3 個(gè)月,與海表面高度變化的特征時(shí)間尺度接近。地形羅斯貝波可以解釋亞慣性頻率下大部分深層流動(dòng)的變異(Rhines, 1970), 而地形羅斯貝波的一個(gè)動(dòng)力來(lái)源就是渦旋與底地形的相互作用。Kolodziejczyk 等(2012)在墨西哥灣海域, 利用錨定海流計(jì)共記錄了十次間斷的1 000 m 以下0.1～0.4 m/s 的強(qiáng)烈流動(dòng), 發(fā)生在海表很強(qiáng)的渦旋區(qū)域。

在南海臺(tái)灣島西南部海域, Zhang 等(2013)發(fā)現(xiàn)中尺度渦對(duì)深層流動(dòng)具有很大影響。在中尺度渦經(jīng)過(guò)時(shí)期, 潛標(biāo)觀(guān)測(cè)到的深層流速顯著增強(qiáng), 且表層流速與底層流速呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。反氣旋經(jīng)過(guò)時(shí), 深海溫度升高, 氣旋經(jīng)過(guò)時(shí), 溫度降低, 表明中尺度渦可以產(chǎn)生很強(qiáng)的下降流或上升流。Zhao 等(2015)研究顯示, 海表的中尺度渦會(huì)調(diào)節(jié)南海深層環(huán)流的類(lèi)型, 具體表現(xiàn)為使流動(dòng)增強(qiáng)、在超過(guò)1 000 m 水深處由于渦旋的傾斜結(jié)構(gòu)使流動(dòng)轉(zhuǎn)向。Wang 等(2019)使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)、潛標(biāo)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和HYCOM 模式數(shù)據(jù)分析了一個(gè)影響較深的反氣旋的時(shí)空變化特點(diǎn), 在該非線(xiàn)性較強(qiáng)、生存時(shí)間很長(zhǎng)的反氣旋經(jīng)過(guò)潛標(biāo)附近時(shí), 觀(guān)測(cè)到1 500 m 以下有流動(dòng)轉(zhuǎn)向和冷水上升的現(xiàn)象發(fā)生。

近年來(lái), 大量觀(guān)測(cè)顯示南海深層存在顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩, 這些振蕩有的受到斜壓羅斯貝波、地形羅斯貝波的調(diào)控(Shuet al, 2014; Zhouet al, 2017, 2020;Wanget al, 2019; Quet al, 2020; Zhenget al, 2021; Xuet al, 2022), 而有的則無(wú)法完全通過(guò)上述理論機(jī)制解釋?？紤]到南海存在的活躍的中尺度渦以及其對(duì)深層的影響, 本文將通過(guò)海表面高度計(jì)資料, 識(shí)別南海區(qū)域中尺度渦, 并結(jié)合潛標(biāo)觀(guān)測(cè)資料初步分析中尺度渦對(duì)深層流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的影響, 針對(duì)南海中尺度渦對(duì)深層環(huán)流變異的調(diào)控作用進(jìn)行探討。

1 數(shù)據(jù)方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

1.1.1 潛標(biāo)觀(guān)測(cè)資料 本文的流速、溫度數(shù)據(jù)來(lái)自于3 套潛標(biāo)(DD2, DG7, DT5), 潛標(biāo)位置如圖1 所示,DD2 觀(guān)測(cè)區(qū)間為2015 年8 月2 日至2016 年6 月7日, DG7 觀(guān)測(cè)區(qū)間為2016 年6 月24 日至2017 年8月6 日, DT5 觀(guān)測(cè)區(qū)間為2014 年1 月13 日至2014年5 月22 日。潛標(biāo)系統(tǒng)上的儀器包括海流計(jì)、溫鹽深儀(conductive temperature depth, CTD)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profiler, ADCP)。海流計(jì)能記錄單層的流速、溫度數(shù)據(jù), ADCP 可以測(cè)量大約500 m 水層厚度的流速, 層厚為16 m, CTD 用來(lái)觀(guān)測(cè)海水溫度、鹽度、壓強(qiáng)等水文要素。其中, DD2和DG7 的ADCP 采樣間隔為5 min, CTD 的采樣間隔為30 min, 海流計(jì)采樣間隔為1 h; DT5 的ADCP 采樣間隔為3 min, CTD 采樣間隔為20 s, 海流計(jì)采樣間隔為3 min。

圖1圖1 潛標(biāo)站位分布圖Fig.1 Positions of the mooring sites

1.1.2 衛(wèi)星高度計(jì)資料 高度計(jì)是用來(lái)測(cè)量地球表面相對(duì)高度的傳感器。而中尺度渦的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生比較顯著的海平面變化, 因此, 本文使用了高度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別中尺度渦。本文采用的高度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自法國(guó)空間局?jǐn)?shù)據(jù)中心, 為融合多顆衛(wèi)星高度計(jì)(Jason-3,Sentinel-3A, HY-2A, Saral/AltiKa, Cryosat-2, Jason-2,Jason-1, T/P, ENVISAT, GFO, ERS1/2)的網(wǎng)格化海平面異常數(shù)據(jù)(sea level anomaly, SLA)和表層地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)(surface geostrophic velocity, SGV)。選取的衛(wèi)星高度計(jì)資料時(shí)間區(qū)間與潛標(biāo)觀(guān)測(cè)區(qū)間一致, 該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°, 時(shí)間分辨率是1 d。

1.2 方法介紹

在識(shí)別海洋中的中尺度渦時(shí), 本文使用Okubo-Weiss (O-W)方法(Okubo, 1970; Weiss, 1991)。O-W 方法中, 變量W定義為W=sn2+ss2–ω2, 其中ω為相對(duì)渦度的垂向分量,sn2和ss2分別代表應(yīng)力變形和剪切變形。

式中,gu′和gv′ 是通過(guò)地轉(zhuǎn)平衡由SLA 計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)流速異常。在中尺度渦出現(xiàn)的區(qū)域,W場(chǎng)由相對(duì)渦度主導(dǎo)且為負(fù)值。使用W＜–0.2σw作為評(píng)定渦旋出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn),σw為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)W的標(biāo)準(zhǔn)差。

在O-W 方法識(shí)別的每個(gè)渦旋范圍里, 定義海表面高度異常極值為渦旋中心, 渦旋半徑為渦旋中心至渦旋內(nèi)部最大地轉(zhuǎn)流速的距離。潛標(biāo)位置在渦旋范圍內(nèi)的時(shí)間段即為渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)期, 該時(shí)間段內(nèi)的平均速度即為渦旋經(jīng)過(guò)期間的平均流速, 渦旋經(jīng)過(guò)期間的最大速度同理; 而沒(méi)有渦旋經(jīng)過(guò)的時(shí)期, 各層的平均速度即為無(wú)渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)期的平均流速。

此外, 為了去除高頻信號(hào), 本文中用到的流速、溫度序列進(jìn)行了3 d 低通濾波, 以便重點(diǎn)關(guān)注與中尺度過(guò)程有關(guān)的信號(hào)。

2 結(jié)果與分析

南海深海盆內(nèi)區(qū)深層環(huán)流的平均流比較弱, 但通過(guò)分析潛標(biāo)流速數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 其在某些時(shí)間存在明顯的季節(jié)內(nèi)變異, 流動(dòng)顯著增強(qiáng)。利用Okubo-Weiss方法通過(guò)分析海面高度異常數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 部分流動(dòng)異常發(fā)生時(shí), 海表有中尺度渦經(jīng)過(guò)。按照發(fā)生時(shí)間順序?qū)⑵涿麨楫惓?、異常2、異常3。其中異常1 發(fā)生在南海東部、菲律賓以西的位置, 異常2 出現(xiàn)在南海海盆西南區(qū)域, 異常3 出現(xiàn)在南海海盆北部。為了探尋流速增強(qiáng)是否與渦旋有關(guān), 下面對(duì)三次異常進(jìn)行具體討論分析。

2.1 異常1

在2015 年10 月25 日至2015 年11 月15 日, 一個(gè)氣旋式中尺度渦在南海東北部約17°N 的位置由南向北移動(dòng), 經(jīng)過(guò)DD2 站位(圖2a～2d), 在11 月初DD2站位海表面高度異常達(dá)到最低值(圖2e)。

圖2 異常1 發(fā)生時(shí)海表面高度異常變化Fig.2 Sea level anomaly during Abnormal Event 1

在渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)期, 海洋上下層的流速一致增強(qiáng)。其中, 因?yàn)闈摌?biāo)位于氣旋式渦旋西側(cè), 所以南向流明顯增強(qiáng), 深層流速與海洋上層呈相反態(tài)勢(shì), 渦旋經(jīng)過(guò)期間呈現(xiàn)北向流增強(qiáng)特征(圖3a)。DD2 位置3 855 m處無(wú)渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)(2015 年10 月20 日至24 日)的平均流速為1.5 cm/s, 在渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)(2015 年10 月25 日至11 月15 日)的平均流速為4.9 cm/s, 最大流速達(dá)到了7.0 cm/s。渦旋經(jīng)過(guò)期間, 水文結(jié)果顯示(圖3b～3f), 海洋上層520 m 處位勢(shì)溫度由8.5 °C 降至8 °C, 呈現(xiàn)明顯的冷異常特征, 這與北半球氣旋式渦旋海洋上層等溫面的上凸特征相符。但在深層海洋, 2 528 和3 876 m處的位勢(shì)溫度都呈上升趨勢(shì), 增幅都為0.02 °C。渦旋經(jīng)過(guò)期間溫度的變異趨勢(shì)上下層的相反特征與上下層流速的反位相特征一致。

圖3 DD2 站位不同深度流速(a)和位勢(shì)溫度(b～f)變化Fig.3 Velocity (a) and potential temperature (b～f) at different depths at DD2 site

為了進(jìn)一步探尋渦旋的結(jié)構(gòu)特征, 基于DD2 站位的全水深CTD 數(shù)據(jù)(圖4a), 使用動(dòng)力模態(tài)分解方法進(jìn)行分析。首先設(shè)置邊界條件為平底和剛蓋近似,解決Sturm-Liouville 特征值問(wèn)題(Gill, 1982)得到不同的動(dòng)力模態(tài)(圖4b), 然后將DD2 處每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的緯向和經(jīng)向流速投影到這些模態(tài)上, 計(jì)算得出深度積分的動(dòng)能時(shí)間序列(圖5)?？紤]到高模態(tài)的動(dòng)能很小,重點(diǎn)放在正壓模態(tài)和前五個(gè)斜壓模態(tài)上。結(jié)果顯示:在氣旋經(jīng)過(guò)前, 每個(gè)模態(tài)的動(dòng)能比較低; 但在氣旋經(jīng)過(guò)時(shí), 第一斜壓模態(tài)的動(dòng)能迅速增加, 其動(dòng)能大于其他模態(tài), 此時(shí)動(dòng)能由第一斜壓模態(tài)主導(dǎo); 氣旋經(jīng)過(guò)后,第一斜壓模態(tài)動(dòng)能快速減小, 失去主導(dǎo)地位。這證明異常1 的氣旋由第一斜壓模態(tài)主導(dǎo), 該結(jié)果也能解釋氣旋經(jīng)過(guò)期間表層和深層流速呈現(xiàn)相反態(tài)勢(shì)、海表溫度降低而深層溫度升高的現(xiàn)象。

圖4 DD2 處平均位勢(shì)密度剖面和浮性頻率(a)與前五個(gè)斜壓動(dòng)力模態(tài)(b)Fig.4 Profile of the mean potential density and buoyancy frequency at site DD2 (a) and the first five baroclinic dynamical modes (b)

圖5 正壓模態(tài)和前五個(gè)斜壓模態(tài)深度積分的動(dòng)能Fig.5 Depth-integrated kinetic energy of the barotropic and the first five baroclinic modes

2.2 異常2

2017 年5 月1 日至2017 年5 月30 日, 在南海西南部約13°N 附近, 北部較強(qiáng)的一個(gè)反氣旋渦在DG7附近停留了一段時(shí)間, 經(jīng)過(guò)增強(qiáng)、分裂等過(guò)程向西南移動(dòng), 離開(kāi)潛標(biāo)站位(圖6a～6d), DG7 位置的海表面高度異常在渦旋經(jīng)過(guò)期間不斷增大(圖6e)。

圖6 異常2 發(fā)生時(shí)海表面高度異常變化Fig.6 Sea level anomaly during Abnormal Event 2

在渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)期, 海洋上下層流速一致增強(qiáng)。潛標(biāo)先后位于反氣旋式渦旋西側(cè)和東側(cè), 所以先后出現(xiàn)北向流增強(qiáng)、南向流增強(qiáng)的現(xiàn)象, 深層流速與海洋上層呈相反態(tài)勢(shì), 渦旋經(jīng)過(guò)期間呈現(xiàn)先南向流增強(qiáng)、后北向流增強(qiáng)的特征(圖 7a)。DG7 位置最深層3 614 m 處流速變化不太明顯, 但在2 598 m 處無(wú)渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)(2017 年4 月21 日至30 日)的平均流速為2.2 cm/s, 在渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)(2017 年5 月1 日至30 日)的平均流速為2.8 cm/s, 最大流速達(dá)到了5.4 cm/s。水文結(jié)果顯示(圖7b～7f), 海洋上層575 m 處位勢(shì)溫度由8.4 °C 上升至8.6 °C, 呈現(xiàn)明顯的暖異常特征, 這與北半球反氣旋式渦旋海洋上層等溫面的下凹特征相符。但在深層海洋, 最深層3 614 m 處溫度呈下降趨勢(shì), 降幅約為0.01 °C。渦旋經(jīng)過(guò)期間溫度的變異趨勢(shì)上下層的相反特征與上下層流速的反位相特征一致。

圖7 DG7 站位不同深度流速(a)和位勢(shì)溫度(b～f)變化Fig.7 Velocity (a) and potential temperature (b～f) at different depths at DG7 site

同樣, 基于DG7 站位的全水深CTD 數(shù)據(jù)(圖8a),使用動(dòng)力模態(tài)分解方法(圖8b), 將DG7 處每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的緯向和經(jīng)向流速投影到各個(gè)模態(tài)上, 計(jì)算得出深度積分的動(dòng)能時(shí)間序列(圖9)。結(jié)果顯示: 在反氣旋經(jīng)過(guò)前, 每個(gè)模態(tài)的動(dòng)能都很低; 但在反氣旋經(jīng)過(guò)時(shí), 第一斜壓模態(tài)的動(dòng)能迅速增加, 其動(dòng)能遠(yuǎn)大于其他模態(tài), 此時(shí)動(dòng)能由第一斜壓模態(tài)主導(dǎo); 反氣旋經(jīng)過(guò)后, 第一斜壓模態(tài)動(dòng)能快速減小, 恢復(fù)無(wú)渦旋時(shí)的低值。這證明異常2 的反氣旋也由第一斜壓模態(tài)主導(dǎo)。

圖8 DG7 處平均位勢(shì)密度剖面和浮性頻率(a)與前五個(gè)斜壓動(dòng)力模態(tài)(b)Fig.8 Profile of the mean potential density and buoyancy frequency at site DG7 (a) and the first five baroclinic dynamical modes (b)

圖9 正壓模態(tài)和前五個(gè)斜壓模態(tài)深度積分的動(dòng)能Fig.9 Depth-integrated kinetic energy of the barotropic and the first five baroclinic modes

2.3 異常3

2014 年1 月20 日至2014 年2 月15 日, 在南海北部約20°N 附近, 一個(gè)反氣旋渦由東北向西南移動(dòng)經(jīng)過(guò)潛標(biāo)站位(圖10a～d), DT5 位置的海表面高度異常在1 月底達(dá)到最大值(圖10e)。

圖10 異常3 發(fā)生時(shí)海表面高度異常變化Fig.10 Sea level anomaly during Abnormal Event 3

在渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)期, 海水上下流速一致增強(qiáng)。潛標(biāo)先后位于渦旋的西南側(cè)和東側(cè), 所以北向流和南向流先后增強(qiáng), 整體上深層流速與海洋上層呈相反態(tài)勢(shì), 渦旋經(jīng)過(guò)期間呈現(xiàn)先南向流增強(qiáng)、后北向流增強(qiáng)的特征(圖11a)。DT5 位置2 070 m 處無(wú)渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)(2014 年2 月16 日至20 日)的平均流速為1.8 cm/s, 在渦旋經(jīng)過(guò)時(shí)(2014 年1 月20 日至2 月15 日)的平均流速為2.6 cm/s, 最大流速達(dá)到了4.4 cm/s。渦旋經(jīng)過(guò)期間, 水文結(jié)果顯示(圖11b～11e), 渦旋經(jīng)過(guò)期間, 1 500 m以淺的海洋上層溫度升高, 呈現(xiàn)明顯的暖異常特征,這與北半球反氣旋式渦旋海洋上層等溫面的下凹特征相符。但在深層海洋2 070 m 處溫度呈下降趨勢(shì),降幅為0.02 °C。渦旋經(jīng)過(guò)期間溫度的變異趨勢(shì)上下層的相反特征與上下層流速的反位相特征一致。

圖11 DT5 站位不同深度流速(a)和位勢(shì)溫度(b～e)變化Fig.11 Velocity (a) and potential temperature (b～e) at different depths at DT5 site

基于DT5 站位的全水深CTD 數(shù)據(jù)(圖12a), 使用動(dòng)力模態(tài)分解方法(圖12b), 將DT5 處每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的緯向和經(jīng)向流速投影到各個(gè)模態(tài)上, 計(jì)算得出深度積分的動(dòng)能時(shí)間序列(圖13)。結(jié)果顯示: 在反氣旋經(jīng)過(guò)前, 高模態(tài)動(dòng)能比較大, 第三斜壓模態(tài)占優(yōu)勢(shì); 在反氣旋經(jīng)過(guò)時(shí), 第一斜壓模態(tài)的動(dòng)能迅速增加, 超過(guò)其他模態(tài)的動(dòng)能, 此時(shí)動(dòng)能由第一斜壓模態(tài)主導(dǎo), 正壓模態(tài)次之; 反氣旋經(jīng)過(guò)后, 第一斜壓模態(tài)動(dòng)能快速減小, 次于正壓模態(tài)。這也解釋了異常3 反氣旋經(jīng)過(guò)時(shí)上下層流動(dòng)呈現(xiàn)的相反態(tài)勢(shì)。

圖12 DT5 處平均位勢(shì)密度剖面和浮性頻率(a)與前五個(gè)斜壓動(dòng)力模態(tài)(b)Fig.12 Profile of the mean potential density and buoyancy frequency at site DT5 (a) and the first five baroclinic dynamical modes (b)

圖13 正壓模態(tài)和前五個(gè)斜壓模態(tài)深度積分的動(dòng)能Fig.13 Depth-integrated kinetic energy of the barotropic and the first five baroclinic modes

3 結(jié)論

南海深層存在極為活躍的季節(jié)內(nèi)振蕩, 其可能存在不同的潛在驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本文重點(diǎn)從南海廣泛存在的中尺度渦角度出發(fā), 基于全水深潛標(biāo)海流與溫鹽觀(guān)測(cè)時(shí)間序列, 初步分析了中尺度渦對(duì)深層環(huán)流的影響。潛標(biāo)觀(guān)測(cè)到的深層海流3 次較為明顯的異常發(fā)生時(shí), 海洋上層均有中尺度渦經(jīng)過(guò), 說(shuō)明中尺度渦影響海洋深層流并非偶然現(xiàn)象。此外, 當(dāng)反氣旋渦(異常2,異常3)經(jīng)過(guò)時(shí), 深層水溫度降低; 當(dāng)氣旋渦(異常1)經(jīng)過(guò)時(shí), 深層水溫度升高。這也與上層海洋溫度的變異特征相反。本文所觀(guān)測(cè)到的三個(gè)渦旋經(jīng)過(guò)期間, 均存在明顯的第一斜壓模態(tài)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的特征, 與海洋上層與深層的速度、溫度呈現(xiàn)相反態(tài)勢(shì)相符。

本文基于全水深潛標(biāo), 通過(guò)不同層次的流速, 基本可以判斷本文中3 個(gè)事件中, 不同深度流速出現(xiàn)變異的時(shí)間和中尺度渦發(fā)生的時(shí)間吻合, 如異常1 經(jīng)過(guò)DD2 潛標(biāo)時(shí), 上層南向流速快速增大, 同時(shí)中層(1 000 m 左右)流速出現(xiàn)北向的增強(qiáng), 底層(3 855 m)流速在對(duì)應(yīng)的時(shí)間由南向迅速轉(zhuǎn)為偏北向, 呈現(xiàn)明顯的第一斜壓結(jié)構(gòu)特征。異常2 和異常3 也存在類(lèi)似的現(xiàn)象, 所以我們初步判斷不同深度的流速變異是由同一中尺度渦過(guò)程導(dǎo)致。Kouketsu 等(2007)的研究結(jié)果顯示, 海洋中的中尺度過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)跨密度面混合, 最終導(dǎo)致中尺度過(guò)程在海洋上下層存在位相差異, 主要由斜壓不穩(wěn)定引起。Zhang 等(2013)指出黑潮入侵南海使得斜壓不穩(wěn)定性增強(qiáng), 影響較深的第一斜壓渦旋可能與其有關(guān)。本文通過(guò)模態(tài)分解也進(jìn)一步證實(shí)了三次中尺度渦事件中, 海洋均呈現(xiàn)第一模態(tài)占主的特征。

觀(guān)測(cè)中尺度渦的最優(yōu)方案是通過(guò)陣列式觀(guān)測(cè)同步獲取中尺度渦完整結(jié)構(gòu)的全水深觀(guān)測(cè)。前人通過(guò)潛標(biāo)陣列觀(guān)測(cè)研究表明在南海中尺度渦從海表至海底可能存在傾斜結(jié)構(gòu), 使得深層流動(dòng)信號(hào)超前(或滯后)于海洋上層信號(hào)(Zhanget al, 2015), 這意味著對(duì)于某些中尺度渦, 即使可以影響海洋的全水深變異, 但上下層并不一定同時(shí)變化。但本文中受觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的限制,無(wú)法通過(guò)陣列式觀(guān)測(cè)給出中尺度渦從表至底的完整觀(guān)測(cè), 因此, 結(jié)果尚存在一定的不確定性。比如, 上層海洋的流速變異可通過(guò)潛標(biāo)的單點(diǎn)連續(xù)觀(guān)測(cè)和海面大范圍的高度異常衛(wèi)星觀(guān)測(cè)與中尺度渦建立聯(lián)系,但深層海洋的流速異?？赡芘c僅在表層以下存在的渦旋(如Sunet al, 2022)、海洋深層的季節(jié)內(nèi)振蕩(如Xuet al, 2022)等多種因素有關(guān)。準(zhǔn)確地判斷本文中深層的流速異常是否直接由海面觀(guān)測(cè)到的中尺度渦引起, 還需要后續(xù)利用大范圍的潛標(biāo)陣列進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀(guān)測(cè)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文觀(guān)測(cè)結(jié)果初步揭示了中尺度渦會(huì)對(duì)深層流動(dòng)和水團(tuán)特性變異產(chǎn)生的影響, 為開(kāi)展南海乃至全球海洋深層環(huán)流季節(jié)內(nèi)變異特征的分析提供了一定參考。但由于本文使用的潛標(biāo)數(shù)據(jù)有限, 空間分辨率、覆蓋范圍、觀(guān)測(cè)時(shí)間均存在一定的不足, 結(jié)論有一定的局限性, 詳細(xì)分析中尺度渦對(duì)深層流的調(diào)控作用還需進(jìn)一步的觀(guān)測(cè)結(jié)果來(lái)支撐。