2003年冬季帕里西维拉海盆区上层水体中尺度涡的温盐特征*

高 微 王珍岩 尹孟山

(1. 中国科学院海洋研究所 青岛 266071; 2. 中国科学院海洋地质与环境重点实验室 青岛 266071;3. 中国科学院大学 北京 100043)

中尺度涡(mesoscale eddy)在全球海洋中广泛存在, 空间尺度为几十至几百公里, 时间尺度为数十至数百天, 是目前海洋动力环境研究的热点之一。中尺度涡对周围海水的温度、盐度以及叶绿素分布等都具有重要作用, 进而影响所在海区的物质、能量输送以及海洋中的生物、化学过程, 甚至对大洋环流过程产生影响(Martin et al, 2003; Qiu et al, 2005; Almazán-Becerril, 2012)。

在北半球, 中尺度涡按涡旋旋转方向分为呈逆时针旋转的气旋涡(cyclonic eddy, CE)和顺时针旋转的反气旋涡(anticyclonic eddy, AE)。气旋涡中心的海面动力高度通常比周围水体低, 涡旋中心形成垂直向上的水体运动, 涡内水体温度较低, 也被称为冷涡;反气旋涡中心的动力高度则比周围水体高, 涡旋中心处的水体向下运动, 涡内水体温度较高, 又称暖涡。中尺度涡在平面上表现为若干条闭合等温线, 温度场是其最好的表征要素(孙湘平等, 1997)。中尺度涡活动产生的上升流或下降流, 会引起海水上、下层之间的物质能量交换, 影响海洋中跃层的分布(Richardson, 1980; Small et al, 2008)。运动流体的能量(机械能)包括势能和动能: 势能是流体的位能(位置水头)和压强能(压强水头或静压水头)之和; 动能指的是流体的速度水头, 涡旋内水体上涌或下沉会产生势能变化, 但目前为止对于中尺度涡势能的研究并不常见。通常认为涡旋中心势能最大, 距中心越远, 势能越小, 涡旋边缘势能几乎为零。

帕里西维拉海盆区(Parece Vela Basin)位于远离陆地的大洋深海区, 迄今对该海区的研究大多集中在沉积地质学(Harigane et al, 2011; 明洁等, 2012)和构造地质学等领域(Sdrolias et al, 2004; Okino et al,2009), 对该海域水文动力环境的研究较少, 对其中尺度涡现象的观测和研究更是少见。另外, 大洋中尺度涡现象本身也是一种具有较大空间尺度的动态水文过程, 通常难以针对性地对其水文环境进行直接观测。本文根据“科学一号”考察船在 2003年冬季对帕里西维拉海盆区上层水体(指 200m以浅水体)进行悬浮体沉积环境现场调查所获得的水文观测资料,对该海域上层水体的温、盐特征进行分析, 探讨在调查期间该海域中尺度涡过程对上层水体水文环境的影响。

1 研究区域

帕里西维拉海盆区位于菲律宾海盆东部, 西临九州海脊和帕劳海脊, 东侧为帕里西维拉裂谷。本文的研究海区(18°—20°N、135°—140°E)位于帕里西维拉海盆的北部(见图 1, 虚线所示矩形框内为本文研究区域), 平均水深约为 4800m, 最大水深超过6000m。

图1 研究区域地理位置概况(改自靳宁, 2007)Fig.1 The oceanographic sketch of the study area

研究海区大致处于北赤道流(North Equatorial Current, NEC, 图1中向西的黑色箭头所示)和副热带逆流(Subtropical Countercurrent, STCC, 图1中向东的黑色箭头所示)的交汇位置。其中, 北赤道流介于8°—20°N之间, 是一支稳定的西向浅层流。副热带逆流的范围大致界定在 18°—27°N 附近, 厚度约 150m,夏强冬弱(管秉贤, 1987; 李凤荣等, 2004)。刘秦玉(2000)指出副热带逆流不是一支位置稳定的东向流,而是呈现为多变的多涡结构, 经常表现为气旋和反气旋式涡旋成对出现。一些学者认为 STCC与 NEC之间的垂直剪切造成的斜压不稳定是该海域中尺度涡频发的主要原因(管秉贤, 1987; Qiu et al, 2010)。

前人研究(Talley, 1993; Suga et al, 2000)发现, 研究海区存在的水团主要为次表层北太平洋热带水(North Pacific Tropical Water, NPTW)和北太平洋中层水(North Pacific Intermediate Water, NPTW)。其中, 北太平洋热带水位于10°—20°N之间, 从东向西延伸且由强变弱。它形成于北太平洋副热带环流的中部海域,该海域过量的蒸发使其具有高盐(S＞34.8)特征, 核心盐度大概为35.1。在北太平洋副热带环流的平流之下,大部分NPTW潜沉后汇入向西流动的北赤道流(Toole et al, 1988; Sato et al, 2004)。同时, 该海域由于中尺度涡的存在, 研究区也会受到位于 NPTW 之下的中层低盐(S＜34.3)的北太平洋中层水的影响。

2 数据与方法

本文使用的数据主要有三个来源: 一是在研究海区布设92个站位进行现场调查获得的区内上层水体(200m以浅)温度、盐度等水文数据; 二是在现场调查期间由 T/P、Jason-1、ERS-2和 Envisat四颗高度计卫星测得的研究区及附近海域海面测高资料融合而成的准同步(2004年1月中旬)海面高度数据; 三是2003年10月至2004年1月期间西北太平洋的月平均降雨量数据。

2003年12月12日到2004年1月27日期间, 中国科学院海洋研究所“科学一号”考察船在帕里西维拉海盆区北部海域设置 7个断面、92个观测站位进行现场观测调查, 各相邻调查站位间距约为 30公里(站位分布见图 2)。此次海上调查主要使用 SBE9/11型 CTD进行现场剖面水文观测; 使用仪器自带的数据处理软件SBE Data Processing对获得的温度、盐度等数据按1m层平均进行处理; 使用ArcGIS、Grapher等软件进行数据绘图分析。

卫星观测资料来自法国测高数据用户服务网站(Aviso/Altimetry)提供的北太平洋准同步(2004年1月中旬)海表面测高影像产品。该网站提供的影像数据已扣除多年平均海面高度值, 并插值到全球 0.25°×0.25°网格上, 形成格点化的海面高度数据集(时间分辨率为7天)。利用地理信息系统ArcGIS对该网站提供的海表面卫星测高影像数据进行数据读取、矢量转换和编绘, 生成研究区及邻近西北太平洋海区海表面高度异常影像(图3)。

月平均降雨量资料来自网站(www.esrl.noaa.gov)由 CPC Merged Analysis of Precipitation (CMAP)提供的西北太平洋2003年10月至2004年1月期间的月平均降雨量数据。该网站提供的降雨量数据由五颗卫星(GPI, OPI, MSU, SSM/I scattering and SSM/I emission)共同获得, 覆盖范围包括 88.75°N—88.75°S, 1.25°E—178.75°W, 空间分辨率为 2.5°×2.5°。

图2 采样站位分布图(图中虚线L1、L2、L3表示以下讨论中涉及到的典型断面位置)Fig.2 Deployment of the sampling sites

图3 2004年1月中旬的西北太平洋海表面高度异常卫星图像(图中虚线矩形框内表示研究区)Fig.3 The SSH satellite image of the northwest Pacific in mid-January, 2004

3 结果与讨论

3.1 研究海区的中尺度涡现象

图3为2004年1月中旬西北太平洋(包括研究区)的海表面高度异常图像。分析图像可以发现在卫星过境期间, 整个西北太平洋海区中尺度涡活动频发。其中, 中尺度涡海表面高度异常值的高值区出现在西北太平洋的北部, 异常值变化范围普遍超过±20cm;海表面高度异常值的低值区出现在南部, 异常值介于–10至10cm之间。从图中还可以发现, 2004年1月中旬在研究区内(图3所示虚线矩形框内)同时存在冷、暖涡活动过程。冷涡活动区位于研究区西部, 海表面高度异常值表现为负值, 最低值约为–15cm; 暖涡活动区位于研究区东部, 海表面高度异常值表现为正值, 最高值约为+13cm, 范围略小于西部的冷涡。

3.2 研究区水体温盐分布特征

3.2.1 平面分布 结合现有数据及前人研究成果,按等温线间隔为0.2°C、等盐线间隔为0.02绘制在调查期间研究区典型水深层位(表层、50m、100m、150m、200m)上的温度、盐度平面分布图(图4)。

温度平面分布图显示(图4a至e), 研究区各典型层位的等温线分布趋势基本相似, 温度在平面上均呈现西高东低的特征。前人指出研究区所属海区表层水可能受到向东流动的副热带逆流影响, 而观测数据表明研究区 50m以浅的西部高温水体有由西北向东南流动的趋势(图 4中箭头所示), 东部水体的流向较西部水体稍显复杂, 整体上表现为向正东方向流动。136°—138°E 之间、0707 站位(19.24°N, 137.32°E,图 4中星形所示)附近出现的低温中心在各层一直存在, 且其范围随着深度的加深沿北东-南西方向逐渐扩大。该低温中心即冷涡存在的证据, 而 0707站位就是冷涡活动区的中心位置。冷涡中心水体上升, 引起下层温度较低的海水上涌, 导致冷涡中海水较其周围水体的温度降低,形成此低温中心。100m层处138°—139°E 之间、0812 站位(18.97°N, 138.71°E, 图4中黑点所示)附近存在一个封闭的高温中心(即暖涡活动区中心位置)。暖涡中心水体向下运动, 上层温度较高的水体下沉, 致使其中心的海水温度高于周围水体, 形成该高温中心。随着深度继续增加, 此暖涡一直存在, 且范围略有增大。

图4 典型水深层位的温度(左列)、盐度(右列)平面分布图(图中虚线表示以下讨论中涉及到的典型断面位置)其中, a、f: 表层; b、g: 50m; c、h: 100m; d、i: 150m; e、j: 200mFig.4 The horizontal distributions of temperature and salinity in typical layers of different depths

图4f至j为研究区典型层位的盐度平面分布图。从图中可以看到, 研究区50m以浅, 盐度在平面上整体呈现出东高西低的变化趋势, 最低盐度出现在调查海域西北部(即温度平面分布图中高温水体所在位置), 最高盐度出现在西南部, 随着水深的增加, 西北部高盐水体逐渐往北东方向延伸, 与冷涡所在位置渐渐重合。在 100m层, 136°—137°E之间、0905站位(18.64°N, 136.70°E, 图 4中三角所示)附近存在一个高盐中心, 冷涡引起的次表层 NPTW 高盐水(S＞34.8, 受向西流动的北赤道流的控制)的上涌是其形成的主要原因。100m层以深, 高盐中心逐渐向低盐中心转化, 且往北东方向延伸, 到达 150m 层时,这部分高盐水体完全消失。这是由于冷涡引起中层的低盐水 NPIW(S＜34.3)上涌, 稀释了该层位的次表层NPTW 高盐水(S＞34.8), 从而在此处出现低盐中心。与此同时, 100m层处, 138°—139°E之间、0812站位(18.97°N, 138.71°E, 图 4 中黑点所示)附近(即暖涡所在位置)还存在着一个低盐中心, 该低盐中心的形成是由于暖涡中盐度较低的表层水下沉引起的。这个低盐中心由于受到暖涡引起的次表层高盐水 NPTW 下沉的影响, 在150m层以深开始逐渐向高盐中心转化,到200m层时变为高盐中心。

为了更好地分析研究区中尺度涡的存在对上层水体温盐特征的影响, 以下特选取 L1、L2和 L3三个典型断面, 同样按等温线间隔为 0.2°C、等盐线间隔为0.02绘制温度、盐度断面图, 详细分析三个断面的温盐分布特征及其成因。

图5 L1断面温度(a)、盐度(b)分布(横坐标代表站位号)Fig.5 Distribution profiles of temperature (a) and salinity (b) across Section L1

3.2.2 典型断面分布 L1断面即19°N断面, 该断面位于调查海区中部(图2中虚线L1所示), 同时横切海区内的冷涡和暖涡的中心。

图5a为L1断面的温度分布图, 从图中可以看到,该断面80 m以浅大部分海水由于受到太阳辐射的影响温度普遍高于26°C。80 m以深水体温度随着水深的增加而逐渐降低, 等温线呈波状分布, 可见该海区涡旋活动十分显著, 冷暖涡交替出现。就整体而言,0806—0810站位之间的冷涡和0810—0813站位之间的暖涡最明显, 冷、暖涡内的等温线呈现出明显的上凸、下凹状。其中, 0807站位位于上凸中心区, 即冷涡中心附近; 0812站位位于下凹中心区, 即暖涡中心附近。冷涡与暖涡交界处等温线梯度明显, 同一深度冷涡区中心海水温度甚至比暖涡区中心海水温度低4°C。

从 L1断面的盐度分布图(图 5b)可以发现, 该断面80米以浅水体盐度分布较为复杂。其中, 0806站位以西表现为盐度低值区(S＜34.6), 且水体混合十分均匀; 0810站位以东盐度略高于0806站位以西, 且这两部分水体温盐分布特征表现十分一致; 而 0806站位和0810站位之间的水体温盐分布则有显著差别。根据研究区近两个月的降雨情况(图 6)得知, 调查工作开始的前两个月, 研究区西部发生显著的降雨过程, 导致西部盐度比东部低, 而中部水体由于尚未混合完全所以其盐度分布特征稍显复杂。另外, 调查期间短暂的强降雨可能是导致0808站位60m以浅出现明显盐度低值区的原因。80m以深为高盐水层(S＞34.8), 最高盐核出现在 135m 左右, 盐度可达35.1psu以上, 这部高盐水体就是潜沉入NEC且随之向西流动的 NPTW(Toole et al, 1988; Sato et al,2004)。对应于断面温度图(图 5a)中冷、暖涡的中心所在位置(0807、0812站位附近), 80m以深水体中盐度等值线也出现明显的上凸和下凹现象。

图6 西北太平洋2003年10月至2004年1月的月平均降雨量(单位: mm)(图中虚线矩形框内表示研究区)Fig.6 Monthly averaged precipitation of northwest Pacific during Oct. 2003 to Jan. 2004

L2断面位于研究海区西部(图 2中虚线 L2), 即137.3°E断面, 该断面纵切冷涡中心。

从该断面的温度分布(图7a)中发现, L2断面0807站以南、90m以浅大部分海水温度普遍高于 26°C。冷涡内水体温度明显低于周围水体, 温度梯度较小,温度差约 1°C。该断面纵切冷涡中心区域, 但由于各处的势能并不完全相同, 使得温度等值线表现出小幅度的波状起伏。0707站位位于冷涡中心区附近, 理论上该处具有最大的势能, 所以图中温度等值线在此处上凸的程度最大。

图7 L2断面温度(a)、盐度(b)分布(横坐标代表站位号)Fig.7 Distribution profiles of temperature (a) and salinity (b) across Section L2

图8 L3断面温度(a)、盐度(b)分布(横坐标代表站位号)Fig.8 Sectional distribution of temperature (a) and salinity (b) of section L3

L2断面的盐度分布(图7b)显示, 这条断面上盐度低值区位于 0807站位以南、80m以浅, 即温度的高值区所在位置, 盐度值普遍低于 34.7。正常情况下,120—160m之间的高盐水(NPTW)会近似水平的随北赤道流向西流动。然而, 由于该海域冷涡的存在, 由于涡旋在此断面上从北至南各处具有不同的势能,使得高盐水发生上涌的强度有所不同。断面温度分布图显示 0707站位附近(冷涡中心)势能最大, 而在盐度分布图中也有所体现, 即0707—0907站100m深处高盐水的高盐核向上倾斜的最为显著。

L3断面即138.7°E断面, 位于调查海区东部(图2中虚线L3所示), L3断面纵切暖涡中心。

图8a所示为L3断面的温度分布图, 该断面中等温线在100m深度以下出现明显的下凹, 表明暖涡在100m以深较为明显。0812站位(18.97°N, 138.71°E )附近为下凹中心区, 即暖涡中心区, 具有最大的势能。暖涡边界等温线梯度较大, 暖涡内水体温度明显高于周围水体, 温度差高达3—4°C。

从L3断面的盐度分布(图8b)可以看到, 断面80m以浅水体混合较均匀, 盐度值普遍低于34.7。80m深度向下, 盐度等值线在0812站位(18.97°N, 138.71°E)附近(暖涡中心所在位置, 具有最大的势能)下凹程度最大, 海水盐度明显低于周围水体, 这是由于暖涡将表层盐度较低的海水向下带至次表层, 冲淡了位于次表层的高盐水(NPTW)所致; 150m以深暖涡中心海水盐度变为高于周围水体, 是次表层的高盐水(NPTW)的高盐核下沉造成的。

3.2.3 T-S散点图 图9为调查期间研究区上层水体的T-S散点图, 该图更直观的展示了研究区的水团分布情况。调查海域80m以浅水体(表层水)温度总体上高于 25°C, 且表现为明显的低盐特征(S＜34.8);140m深度以下水体混合比较均匀, 表现为低温高盐(T＜24°C、S＞34.8)特征, 这部分高盐水几乎全部为次表层高盐(S＞34.8)的NPTW潜沉入NEC的部分(Toole et al, 1988; K Sato et al, 2004); 80—140m之间水体温盐性质比较复杂, 大部分水体表现为中等温度、高盐特征。特殊的是, 部分站位(如0812、0712站位)在这个深度也表现出高温低盐特征, 这是由于调查海区中暖涡引起表层的温度较高、盐度较低的海水下沉, 与次表层的NPTW高盐水混合后造成的。另外, 还有部分站位(如 0807站位、0707站位)表现为低温高盐特征, 这是冷涡引起深层温度较低但盐度较高的NPTW上涌所致。散点图所表现的调查海域的温盐特征与上文的断面图、平面图所示相符。

图9 研究区上层水体T-S 散点图Fig.9 T-S scatter diagram of upper water

4 结论

综上所述, 本文通过分析 2003年冬季帕里西维拉海盆区上层水体的 CTD观测数据, 发现在中尺度涡过程对海域水体的温盐分布特征有较大影响:

(1)在调查期间研究区冷、暖涡活动过程同时存在, 其中, 冷涡出现在调查区内 136°—138°E 之间,呈北东向延伸; 暖涡出现在区内138.5°—139°E之间,范围较小; 冷、暖涡的影响深度均大于200m;

(2)冷涡活动特征从海水表层即开始显现, 其活动中心出现在 0707 站位(19.24°N, 137.32°E)附近,冷涡内水体温度明显低于周围水体, 水体盐度在 100m以浅高于周围水体, 150m以深低于周围水体; 暖涡活动特征在 50m以浅水体中表现并不明显, 其活动中心出现在 0812 站位(18.97°N, 138.71°E)附近, 暖涡内水体温度明显高于周围水体, 水体盐度在100m深度以下开始表现为低盐中心, 深度超过150m时逐渐变为高盐中心;

(3)调查海域 80m以浅主要为高温低盐表层水,80m以深水体受向西流动的北赤道流控制, 其中,80—140m之间为受中尺度涡影响的温盐性质复杂的混合层水, 140—200m 为低温高盐的次表层水(即北太平洋热带水)。

致谢感谢中国科学院海洋研究所“科学一号”考察船2003年冬季航次全体船员和考察队员对海上采样和观测工作提供的帮助; 中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室陈永利研究员为本文写作提供了宝贵意见, 谨致谢忱。

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