基于潜标观测的吕宋海峡以东深海海流的低频变异

2020-10-09旷芳芳潘爱军张俊鹏黄奖蔡尚湛李家军李墨

海洋学报 2020年9期

旷芳芳，潘爱军*，张俊鹏，黄奖，蔡尚湛，李家军，李墨

( 1. 自然资源部第三海洋研究所，福建厦门 361005；2. 国家海洋技术中心，天津 300112)

1 引言

从20 世纪80年代起，研究者们通过大规模的深海环境调查及环流实验试图获取深层海洋的水文环境及深海环流信息[1–7]。深海潜标能提供长时间序列的海流的直接观测资料，对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马里亚纳海盆的潜标资料，发现4040m 深的海流存在约60 d 周期的季节内振荡，作者分析认为与斜压罗斯贝波的传播有关；梁楚进等[9]分析了热带东太平洋的中国多金属结核开辟区的潜标资料，发现近底层流动表现出约51 d 的波动，地形对离底50m 以内的低频流动有明显的影响；Kawabe 等[10]分析了位于威克岛通道东侧和西侧的两个潜标资料，发现通道东侧的深层流速及其变化远大于西侧，这可能与水道的地形以及周边海山的分布有关，而海流显示出的4 个月左右的变化周期可能与深海中尺度涡的经过有关；Yanagimoto和Kawabe[7]使用5 个潜标观测的海流和水温数据对南极底层水在西北太平洋海盆的输运路径进行了研究；Zhai 等[11]通过分析菲律宾以东的潜标数据发现该海域近底层海流具有明显的季节变化。

深层海洋与上层海洋存在着截然不同的动力环境和机制，近年来深海在全球海洋气候变化中的作用得到越来越多海洋学家的重视，深海对海洋热量的再分配引起了全球变暖的停滞，深刻影响着全球的气候变异。副热带西太平洋上层海洋流系复杂，主要有北赤道流、黑潮、副热带逆流、黑潮延伸体以南的再循环流，并存在丰富的海洋中尺度涡旋，针对该海域表层和次表层已经有非常多的研究成果，但对深海的综合环境信息仍知之甚少。为了解吕宋海峡东侧深层环流特征及其对深海生态环境的影响，我们于2015年5月26 日在该海域布放了一套深海潜标进行了长时间的海流和水温的观测，并于2016年5月25 日成功回收，获得了长达1年的连续观测资料。本文将对潜标观测数据进行分析，探讨该海域海流的垂向分布以及时间变化特征。

2 观测数据及其背景

潜标位于西太平洋吕宋海峡以东约500km 的菲律宾海，地理位置为19.75°N，126.75°E，总水深约5200m（图1a）。全球地形数据GEBCO 显示，潜标周边50km 的范围内水深为4800～5810m（图1b），局地地形为西北−东南走向。潜标在上层水深160m的位置挂载了一个ADCP 海流剖面仪，ADCP 往上观测海流剖面，观测的深度范围为60～160m，垂向间隔为4m，在160m 处同时挂载了一个温深仪用来观测水温；在中层和深层的810m、1550m、2560m 和4040m 挂载了单点海流计和温深仪观测海流和水温。观测时间为2015年5月27 日至2016年5月24 日，时间频率为1 h。图1c 是潜标所在位置经向断面（0o～40°N，126.75°E）年平均水温分布，可以看到该海域温跃层深度约为200m；图1d 是潜标所在海域多年平均的月平均风矢量图，可以看到4−8月为东南风或偏南风，9月至翌年3月为东北风。

图1 潜标位置(a)、区域水深(b)、潜标所在断面水温及观测层次(c)和气候态风场(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 结果分析

3.1 海流和水温的年平均特征及季节变化

图2 是潜标观测的各层次的日平均和月平均海流矢量，其中以100m 和160m 的观测值代表表层、810m 层代表中层，1550～4040m 层代表深层。如图2 所示，2560m 以浅的海流的季节变化明显，主要流向有西、西南、西北向，其中表层100m 和160m 的流速的时间变化基本一致；深层的1550～2560m 层海流主要为西南、南向和东北向，4040m 层为较稳定的西南向流。年平均海流矢量如图3 所示，其相应的统计值见表1，可见表层（100～160m）的平均流向为西偏北，平均流速为12.5 cm/s；中层（810m）为西向流，平均流速为2.6 cm/s；在深层，4040m 的平均流速相对较大，流向为西南，流速为2.3 cm/s，1550m 和2560m 层的平均流速均在1 cm/s 以内。

图2 日均（a）和月均（b）潜标观测各层次海流矢量时间序列Fig. 2 Daily averaged (a) andmonthly averaged (b) time series of observed current vectors

图3 潜标观测各层次年均海流矢量Fig. 3 Annually averaged current vectors at different layers observed bymooring

表1 各层次海流及动能年平均统计值(3 d 低通滤波后计算)Table 1 Statistics of currents and kinetic energy at different layers (calculated after 3 d averaged)

对各层次逐时的海流和水温进行3d低通滤波后统计其平均值及最大流速，并计算各层次海流的平均动能、涡动动能和总动能。统计结果见图4 和表1。涡动动能（TKE）、平均动能（KEmean）、总动能（KEtotal）的计算公式如下：

式中，u和v分别表示纬向流速和径向流速。

统计表明，3 d 低通滤波后的最大流速在表层为41～55 cm/s，中层为12 cm/s，深层为6～10 cm/s；年平均水温在表层为20.36℃，中层为5℃，深层为1.59～2.64℃。各层次海流的总动能、平均动能、涡动动能均在表层最大，中层次之、深层最小；在深层，总动能在2560m层最小，平均动能在1550m 层最小，涡动动能在2560m 层最小；各层次涡动动能均大于平均动能，在1550m 和2560m 层涡动动能占总动能的90%以上，其他层次涡动动能占比超过50%。

图4 各层次海流的动能统计Fig. 4 Kinetic energy of the currents at different layers

为进一步分析各层次海流的季节变化特征，使用3 d 低通滤波后的海流计算逐月的平均动能、涡动动能和总动能，结果如图5 所示。在海洋表层，1月和7月的总动能相对其他月份较大，且以平均动能为主，5月和9月总动能较小；在中层，总动能变化范围为5～38 cm2/s2，在1月最大，是其他月份的两倍以上，且以平均动能为主，总动能在10月和11月最小；在深层的1550m，总动能变化范围为1～12 cm2/s2，与中层相似，总动能也是在1月最大，在10月最小；在2560m，总动能变化范围为0～5 cm2/s2，4月的总动能最大；在4040m，总动能变化范围为1～10 cm2/s2，3−5月总动能较大，9月最小。整体上看，各层次海流无明显的季节变化规律。可以看出，海洋表层的海流表现出了半年周期变化的特征，在冬季和夏季海流较强，春季和秋季较弱，这可能与季风的强弱变化有关；中层和深层海流未表现出显著的四季变化规律，但能看出一些季节变化特征，如在4040m 的深层春季海流较强且比较稳定。

图5 各层次海流平均动能和涡动动能季节变化Fig. 5 Seasonal variation of average kinetic energy and eddy kinetic energy at different layers

3.2 海流和水温的低频变化特征

为了解海流和水温的时间变化规律，首先，对垂向平均的经向流速、纬向流速和水温进行频谱分析（图6）。如图所示，3 d 左右的周期出现谱密度的低谷，因此以3 d 为界分为高频段和低频段，可以看到在高频段各变量在0.5 d、1 d、1.48 d 出现谱密度峰值，这与潮和惯性频率的周期相对应；在低频波段，经向流速和纬向流速在45 d 和90 d 左右都出现了谱密度的峰值。

图6 垂向平均海流和水温频谱分析Fig. 6 Frequency-spectrum of vertically averaged current andtemperature

为进一步分析深海海流的低频变化特征，对流速和水温3～120 d 带通滤波后再进行小波分析。各变量在做小波分析之前均进行了标准化处理。因为经向流速的变化可以反映东西方向水位梯度的变化，能较好地反映向西传播的波动特征，因此选取经向流速作为代表。图7 是各层次海流和水温的小波谱和全球功率谱，表2 是各变量时间变化的显著周期的统计值。由此可见，2560m 以浅的流速小波谱较为相似，全年均表现出70～90 d 的变化周期，显著周期为81～85 d；根据潘爱军等[12]的研究，该海域海流准90 d 的振荡是一种在夏威夷群岛西部出现的波长约为800km 的向西传播的罗斯贝波。除此之外810～2560m 的海流还有50 d 左右的变化周期，并随着深度的增加50 d 周期的信号逐渐增强(图7b 至图7d)；4040m 流速的变化周期为40～60 d，在春季和夏季相对明显(图7e)，显著周期为51 d。各层次水温的变化周期为76～90 d，4040m 层的水温的小波谱与其他层次差别明显(图7f 至图7j)。

由以上分析可知，在垂向上，2560m 以浅的海流和水温的低频变化特征表现出相似性，而更深的4040m 层与其他层次差别较大。Yoshioka 等[8]在西马里亚纳海盆（15°N）发现4040m 深的海流存在60 d左右周期的季节振荡，梁楚进等[9]在对10°N 东太平洋的深海潜标数据分析时发现近底层海流（约5100m）存在51 d 左右的波动，与本文4040m 层的海流波动周期接近，但其振荡原因还有待将来的进一步研究。

表2 3～120 d 带通滤波各变量时间变化的显著周期(单位：d)Table 2 Significant periods (unit: d) ofmeridional current and temperature (3～120 d filtered)

3.3 各层次海流互相关分析

为了研究各层次海流变化的相互关系，对各层次3 d 平均的海流进行矢量相关分析，计算得到的相关系数如图8 所示。如图所示，100m 和160m 层海流变化高度相关，相关系数达到0.95；810m、1550m、2560m 这3 个层次海流强相关，相互之间的相关系数均在0.69 以上；结合小波分析的结果我们认为这3 个层次海流变化的特征比较一致；160m 层与810m层海流的变化中等相关，相关系数为0.59；4040m 层海流与2560m 层海流变化相关系数为0.60，与其他层次海流相关性弱，相关系数在0.40 以下。综合以上分析，我们认为810～2560m 的中层和深层海流的变化具有一致性，而更深层的4040m 层海流与其他层次差异明显。

4 讨论

通过对吕宋海峡东侧潜标观测的长时间的海流和水温数据的分析，得出以下结论：

（1）表层的平均流向为西偏北，平均流速为12.5 cm/s；中层的平均流为西向，平均流速为2.6 cm/s；在深层，1550m 和2560m 层的平均流速均在1 cm/s 以内，4040m 的平均流速相对较大，流向为较稳定的西南向，流速为2.3 cm/s。

（2）总动能、平均动能、涡动动能均在表层最大，中层次之、深层最小；在深层，总动能和平均动能在4040m 层最大，2560m 层的总动能最小，平均动能在1550m 层最小，涡动动能在1500m 层最大、2560m 层最小；各层次涡动动能均大于平均动能。海流在季节上具有多变性，但无明显的季节变化规律。

图7 各层次经向流速(a−e)、水温(f−j)小波分析Fig. 7 Wavelet analysis ofmeridional currents (a−e) and temperature (f−j) at different layers填色图为小波功率谱，曲线图为全球小波谱。填色图中粗黑线包围的范围通过了p=0.05 显著性水平下的红噪声标准谱的检验；细黑线为影响锥曲线，在该曲线以外的功率谱由于受到边界效应的影响而不予考虑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 以浅的流速小波谱表现出相似性，全年均表现出70～90 d 的变化周期，除此之外810～2560m 层的流速还有50 d 左右的变化周期，随着深度的增加50 d 周期的信号逐渐增强；4040m 流速的变化周期为40～60 d。相关分析也表明810～2560m的中层和深层海流的变化具有一致性。