南海亚中尺度过程的时空特征与垂向热量输运研究❋

张雨辰, 张新城, 张金超, 孙忠斌,2, 张志伟,2❋❋

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室， 山东 青岛 266100；2.中国海洋大学海洋高等研究院， 山东 青岛 266100)

南海是西北太平洋最大的半封闭边缘海，其通过吕宋海峡与西北太平洋相连。独特的地理位置和地形条件造就了南海复杂的多尺度动力过程，包括大尺度环流、中尺度涡、亚中尺度过程和小尺度湍流混合等[1-4]，使其成为研究海洋多尺度动力过程的理想场所。基于现场观测和数值实验，前人开展了许多重要研究，增加了我们对南海多尺度动力过程的认识[1-5]。

近年来观测和数值实验结果指出，亚中尺度过程以锋面、涡丝、小尺度涡旋等形式广泛存在于海洋上层和复杂地形附近，在海洋能量传递和垂向物质输运中扮演着重要角色[6-7]。就时空尺度而言，亚中尺度过程时间尺度为数天，空间尺度小于局地罗斯贝变形半径[8]。相应地，罗斯贝数～O(1)这一时空尺度处于平衡的地转流向非地转流动的过渡上，是中尺度涡动能向小尺度湍流耗散的桥梁，由此亚中尺度过程也被视为海洋能量正级串的重要环节[9-10]。亚中尺度的非地转属性意味着较强的垂向运动，其量级可以达到10～100 m/d，这一数值远高于平衡的准地转流动的垂向流速，这说明亚中尺度过程是引起海水垂向运动的重要机制，是海洋上层和内部的垂向热量输运和物质交换的重要通道，对于海气热量交换和海洋初级生产力具有潜在的重要影响[11]。

目前，相关学者针对南海亚中尺度过程的现象和机制也开展了部分研究。其中，Zheng等[12]利用SAR图像，发现吕宋海峡巴布延岛后方形成类似卡门涡街的涡列，在尺度上这些涡列属于亚中尺度范畴；刘国强[13]通过高分辨率模式模拟，发现吕宋海峡内岛屿后方存在大量的亚中尺度涡旋，同时中尺度涡和海底地形相互作用同样可以诱发亚中尺度过程。董济海[14]基于ROMS模式以及船载ADCP断面观测资料，发现在南海中尺度涡边缘存在着丰富的亚中尺度过程，并指出中尺度涡旋产生的强流场拉伸，加强了涡边缘的水平密度梯度，催生出亚中尺度过程。Zhang等[15]基于高分辨率OFES模式数据，探讨了南海东北部亚中尺度过程的生成机制，提出吕宋海峡内海岛后的亚中尺度过程产生于强流与岛屿相互作用，同时中尺度涡边缘的强拉伸通过锋生过程也能产生亚中尺度过程。Zheng等[16]综述了近五年南海亚中尺度过程的研究结果，并利用卫星叶绿素浓度图像观测到南海西边界流系的亚中尺度过程。Dong和Zhong[17]利用ROMs模式分析了南海北部存在着亚中尺度过程的特征，并有着明显的冬强夏弱特征，且对亚中尺度的生成原因做出了一定的讨论。罗士浩等[18]也利用ROMs模式对南海北部的亚中尺度过程进行了研究,通过分析发现涡旋及锋面的边缘亚中尺度现象显著。冀承振等[19]也利用走航ADCP和ROMs模式重点通过能量谱的方式分析了亚中尺度过程在中尺度涡中心和边缘的分布异同。上述研究在一定程度上增加了我们对南海亚中尺度过程的认识。然而这些研究只是针对南海局部海域亚中尺度过程开展，所用观测或模式资料缺乏对整个南海更大空间范围的覆盖，因而对南海亚中尺度时空特征的揭示尚不全面。

此外，基于模式和观测资料，前人对海洋热量输运也开展了大量研究，这些研究多针对于大尺度环流和中尺度涡旋引起的水平热量输运[20-21]。由于大尺度环流以及中尺度涡旋引起的垂向流速较弱，相应的垂向热量输运较小，此研究条件下海洋内的垂向热量输运也被忽视，且海洋中垂向流速观测的难度大，数值模式分辨率又长期很低，导致此前针对亚中尺度垂向热通量的研究较为匮乏，直到高分辨率数值模式发展。Su等[22]使用MITgcm模式数据，发现亚中尺度过程能够产生向上的净热量输运，在中纬度可以达到100 W/m2，这一数值约为中尺度涡导致的垂向热量输运的5倍，可见亚中尺度过程能够对海气热量交换产生重要影响。由此可知，亚中尺度过程是上层海洋热量收支的重要因素，对海洋内部的热量调配起到不可忽视的作用。针对南海亚中尺度对热量收支的影响评估，也需要进一步开展。

本文基于1/30(°)的高分辨率OFES数值模式结果对南海亚中尺度的时空特征及其导致的垂向热量输运进行了系统地研究。

1 数据与方法

1.1 模式数据介绍

为研究南海亚中尺度过程的时空特征和垂向热量输运特征，本文采用1/30(°)高分辨率OFES模式数据进行分析。OFES模式数据空间分辨率为1/30(°)，约3.7 km，时间分辨率1天，垂向分层100层，上100 m共20层，上层最浅深度2.5 m，垂向分辨率为5 m。1/30(°)OFES模式是早期1/10(°)模式的拓展版本[23]，模式使用的大气强迫为6 h一次的JRA-25数据。水平混合模型采用双调和算子，双调和粘性系数取1.0×109m4·s-1[24]，垂直混合模型采用Noh和Kim格式[25]，1/30(°)模式是从1/10(°)模式的2000年1月1日的输出结果基础之上开始计算的，直到2003年12月31日结束。1979—2012年的后报模拟遵循了1979—2004年共15年的分辨率为1/10(°)的大气数据的气候学积分。1/30(°)模式数据的上层海洋环流的自旋上升周期小于1年。该模式数据提供变量包括水平流速、垂向流速、盐度、温度、海面压强、海表高度等[22,26]。该模式的模拟区域为100°E～70°W、20°S～66°N。本文针对南海海域特别选取了108°E～123°E、10°N～23°N从2001年1月1日至2003年12月31日三年的温度、盐度和流速数据进行分析。本文所用数据由Hide Sasaki提供。

前人研究已经多次证明OFES数值模式可以较好的模拟亚中尺度过程。Sasaki等[24,27]使用该模式探究了北太平洋亚中尺度的时空特征，Qiu等[28]利用该模式在STCC区域探究亚中尺度涡旋的季节变化及其对中尺度涡动能的调制，Zhang等[15]利用该模式数据探究了南海东北部亚中尺度的时空特征和生成机制时，将该模式数据与船载ADCP断面观测流速计算的水平流速波数谱进行了对比，发现两者在亚中尺度波段(20～80 km)水平流速波数谱特征具有较好的一致性，波数谱斜率都接近于-2，符合亚中尺度波段特征。这一结果说明该模式在南海可以较好的刻画亚中尺度过程。

1.2 方法介绍

1.2.1 亚中尺度信号提取方法 根据Zhang等在文章中对模式数据和观测数据波数谱的对比结果发现，亚中尺度过程斜率在波长80 km附近发生改变[15]，结合海洋实际情况和模式资料的特征，本文定义空间尺度小于80 km的动力过程为亚中尺度过程，具体的方法是用该点原始的物理量(包括u，v，w，ρ，T)减去以该点为中心边长为80 km的正方形内所有点的平均值作为该点亚中尺度波段的物理量。

其中亚中尺度垂直相对涡度的计算公式为：

(1)

1.2.2 亚中尺度垂向热通量计算 为探究亚中尺度垂向热通量的时空特征和对上层海洋热収支的影响，本文对亚中尺度垂向热通量和海气界面净热通量进行了计算。其中，亚中尺度垂向热通量计算公式为：

VHF=Cpρw′T′。

(2)

式中：VHF为亚中尺度过程引起的热通量；Cp=4 096 J/(kg·℃)，是海水的比热容；ρ是海水密度；w’和T’分别是亚中尺度过程引起的垂向流速和温度异常。其中VHF正值代表亚中尺度过程向上输送热量，反之，代表向下输送热量

海气界面净热通量计算公式为：

Qnet=SW-LW-LH-SH。

(3)

式中：Qnet表示净热通量；SW是表示向下的净短波辐射；LW表示向上的净长波辐射；LH表示潜热通量；SH表示感热通量。这四个物理量采用OFES模式所用强迫场数据JRA-25的结果，其空间分辨率为1.25°，时间分辨率为6 h，单位为W/m2。Qnet正值代表热量从大气通过海气界面向海洋输运使上层海水增温；反之，Qnet负值代表热量从海洋输送给大气，使上层海水降温。

2 南海亚中尺度过程的时空特征

图1展示了2001年5月30日、7月30日、10月30日和1月30日南海在2.5 m处模拟的亚中尺度垂直相对涡度(已除以局地科氏参数f标准化)，分别代表春、夏、秋、冬四个季节。在这里亚中尺度相对涡度和垂向流速均是基于1.2.1中的方法提取。可以看出，在1月30日(见图1(d))，南海的相对涡度大体较强，其中部分地区罗斯贝数绝对值达到了1。最显著的亚中尺度过程发生在台湾西南、吕宋海峡、越南以东以及西沙中沙海域，这些地区分布着细长的亚中尺度涡丝，其相对涡度呈现正负交替。在台湾西南地区，亚中尺度细丝主要分布在黑潮流套和中尺度涡外围，而吕宋海峡的亚中尺度细丝主要分布在黑潮路径上小岛屿的背风面。越南以东以及西沙中沙海域涡旋也主要分布在中尺度涡的周围。然而在夏季(如7月30日)，只有吕宋海峡出现了较大的亚中尺度相对涡度(见图1(b))，在南海内部亚中尺度相对涡度较弱。5和10月亚中尺度相对涡度在南海内部介于1和7月之间，区别在于，5月台湾西南的相对涡度较强，而10月越南以东的相对涡度较强。与大罗斯贝数相对应，亚中尺度运动具有很强的辐散辐合，在次表层产生较大的垂向速度(见图2)。亚中尺度垂向流速在50 m深度可以达到10～100 m/d，这比中尺度造成的垂向流速要大一到两个数量级。

图1 2001年5月30日(a)、7月30日(b)、10月30日(c)和1月30日(d)当日亚中尺度表层Ro的空间分布Fig.1 Sphot of distribution of OFES-simulated surface submesoscale Ro on (a) May 30，(b) July 30, (b) October 30 and (d) January 20, 2001

图2 2001年5月30日(a)、7月30日(b)、10月30日(c)和1月30日(d)当日亚中尺度50 m处w的空间分布Fig.2 Snapshot of distribution of OFES-simulated submesoscale vertical velocity on (a) May 30，(b) July 30, (b) October 30 and (d) January 20, 2001,at 50 m depth

为了进一步揭示亚中尺度过程在季节和空间上的变化，图3和4分别展示了2002—2003年春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12～2月)四个季节表层(2.5 m)亚中尺度罗斯贝数平均值和50 m深度亚中尺度垂向流速绝对值的平均值。在空间上，亚中尺度过程的季节平均|Ro|和|w|的分布与日平均结果基本一致。在亚中尺度活跃的几个区域中，吕宋海峡和越南东部两个强流区的亚中尺度过程最强，其他区域次之；时间上，南海亚中尺度过程整体上具有显著的冬春强、夏秋弱的季节变化特征，这与前人利用ROMs等模式得出的结论相一致。但是在不同的区域，季节变化特征也存在差异。吕宋海峡处，亚中尺度过程主要受到黑潮强流和地形相互作用的影响，而黑潮在四季均较强，因此，吕宋海峡在四季均呈现较强的罗斯贝数和垂向流速，最大季节平均罗斯贝数和垂向流速分别达到了3.1和290 m/d。而在台湾西南海区，由于受到冬春季较强的黑潮入侵以及冬春季较深的混合层的影响，亚中尺度过程呈现出显著的冬春强、夏秋弱的特点。南海北部陆坡陆架区主要受混合层深度及中尺度涡旋传播的影响，冬季亚中尺度过程比夏季显著活跃。越南以东海域亚中尺度主要发生在秋冬季节，这可能是受到越南季风急流和冬季混合层深度的影响。在西沙和中沙以及南海南部的岛礁附近，亚中尺度过程也常年活跃，但冬季强度明显大于其他季节。

3 亚中尺度过程的垂向热通量

3.1 亚中尺度过程垂向热通量的时空分布

南海具有活跃的亚中尺度过程，而亚中尺度过程能够引起较强的垂向流速，是海洋内部垂向热量输运的重要通道。图5中4幅子图展示了春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12～2月)四个季节35 m深度亚中尺度垂向热通量(以下简称热通量)的季节分布。通过对比可以看出，热通量的季节变化显著，冬季显著大于其他季节，且多呈现较强的正值分布(即向上输运热量)，最大值超过40 W/m2，而在其他季节，热通量较弱，且呈现正负交替的空间分布。

空间上，南海北部和越南以东海域热通量较强。吕宋海峡和台湾西南海域是南海亚中尺度垂向热输运最强的两个区域，考虑到热通量强度和边界效应的影响，本文选择这两个区域作为研究对象(见图5(d)中两个黑色框形区域)。第一个研究区域位于台湾岛西南(117°E～119.3°E、21.5°N～20.2°N)，命名为ST区域，该区域主要受到黑潮入侵南海的影响。第二个研究区域位于吕宋海峡内部(121°E～122°E、20°N～21.5°N)，命名为LS区域，该区域主要受到黑潮和地形的影响。

图3 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)四个季节季节平均亚中尺度|Ro|的空间分布Fig.3 Spatial distribution of the seasonalmeansof submesoscale Ro of spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) respectively

图6展示了ST区域、LS区域的区域平均热通量随深度、时间的变化情况，黑色实线为区域平均的混合层深度。ST区域，正值热通量强值对应的深度主要出现混合层内，最深能够持续到混合层底之下离海表100 m的深度，对应的时间上出现在每年的12月至次年3月初范围内，此时伴随着混合层的变浅。但正值热通量的强值持续时间较短，2003年持续的时间基本上只有一个月左右，这可能与黑潮流套或脱落产生的暖涡影响该区域的有关。其它时间混合层内热通量主要以较弱的正值为主，少数时间会出现负值。在LS区域，正值热通量基本能够到达混合层底，时间上与ST区域一致。而与ST区域不同的是正值热通量的强值持续时间较长，基本上可以持续整个冬季。最大热通量发生深度在35 m左右，最大强度发生的时间为每年的1～2月。

3.2 亚中尺度垂向热通量对上层海洋的影响

为了探究亚中尺度过程对海洋垂向热量输运的影响，本文计算了海气界面净热通量，图7展示了海气界面净热通量的季节变化和空间分布。如图7所示，南海北部上层海洋在春季和夏季从大气中获取热量，热通量最大值可达126 W/m2，在秋季和冬季向海洋中释放热量，热通量可达243 W/m2。海-气界面净热量通量的平均量值要远大于亚中尺度过程引起的垂向热通量，而且海-气界面净热量通量也与混合层深度的季节变化基本一致。由此可知，在大多数时间内，海-气界面净热通量的输入对混合层深度的变化起决定作用。

为探究亚中尺度垂向热通量在ST和LS区域的重要性，将其与海-气界面净热通量以及混合层深度的变化趋势比对，如图8所示。图8(a)为ST区域35 m深度垂向热通量(区域平均)随时间的变化情况。由图可知，ST区域亚中尺度垂向热通量主要为正值，以向上输送热量为主，并呈现出冬强夏弱的季节变化特征。三年的区域平均热通量最大值分别为50、30和40 W/m2左右。每年的11月到次年3月，亚中尺度过程造成正值热通量一直维持在较高的水平，下层海水的热量被源源不断地输送给上层。而与此同时，海-气界面的净热通量在这一阶段基本为负值，即海洋在向大气释放热量(见图8(b))。海洋失去热量的大小随着冬季的减退急剧减少，在冬末(1～2月)减少到10 W/m2的量级。在这段时间内，亚中尺度过程垂向输运的热量约占相同时间内海洋向大气输送总热量的20%～50%(见图8(c))， 平均占比26%， 个别时间甚至可以达到90%以上(2003年2月中旬)，因而垂向热通量对上层海洋的热量收支的影响是不可忽略的。这一过程也改变了该地区混合层深度的变化趋势——尽管海洋仍旧在向大气持续释放热量，但是混合层厚度却已经开始变浅(见图8(d))。

(黑线代表混合层深度。The black line represents MLD.)图6 ST(a)和LT(b)区域平均亚中尺度垂向热通量随深度、时间变化Fig.6 Vertical and temporal variations of the means ofsubmesoscale vertical heat flux in the ST(a) and LT(b) regions, respectively

(正值代表海洋从大气接收热量。 Positive value represents the heat receive from the atmosphere tothe ocean.)图7 春(a)夏(b)秋(c)冬(d)四个季节平均海气界面净热通量的大小及空间分布Fig.7 Size and spatial distribution of the seasonally averaged net heat flux at the air-sea interface in spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) respectively

(图8(c)中未考虑海-气界面净热通量的绝对值小于20 W/m2的情况。Net air-sea heat flux absolute values less than 20 W/m2 are not taken into account in Fig.8(c).)

LS区域的亚中尺度垂向热通量与ST区域基本相似。不同之处在于，冬季高值持续的时间较ST区域更长。夏季的情况也与ST区域略有不同，夏季35 m深度的亚中尺度垂向热通量输运热量的方向是向下的，极值也可以达到-20 W/m2。这可能是与LS区域在夏季也存在着很强的由于复杂地形与强流相互作用产生的亚中尺度过程有关，这部分亚中尺度过程将上层海洋的热量带到了海洋下层。从对影响上层海洋热量收支的方面来看，LS区域冬季亚中尺度垂向热通量占海气界面净热通量的比例要大于ST区域，且占比最高的时间段为冬末春初(2～3月)，这一时间段内亚中尺度过程垂向输运的热量约占海洋向大气输送总热量的比例达到25%～60%(见图9(c))，平均占比高达40%。与此同时混合层深度迅速变浅(见图9(d))，而这一时期(2～3月初)海气界面的净热输送方向依旧是海洋向大气失热(见图7(b))。这一结果也进一步说明冬末春初该区域亚中尺度净热通量对上层海洋热量收支的具有重要贡献，对混合层深度变化产生了重要影响。

(图9(c)中未考虑海-气界面净热通量的绝对值小于20 W/m2的情况。Net air-sea heat flux absolute values less than 20 W/m2 are not taken into account in Fig 9(c).)

4 结论

基于2001—2003年3年1/30(°)高分辨率OFES模式数据，本文对南海亚中尺度过程的时空特征与垂向热量输运进行了分析，结论如下：

(1)南海存在着丰富的亚中尺度过程，在时间上呈现冬强夏弱的特点；冬季主要分布在吕宋海峡、台湾西南海域以及越南以东海域，其他季节亚中尺度过程主要分布在吕宋海峡内。

(2)南海亚中尺度过程能够在冬季上层海洋引起强烈的向上热量输运，台湾西南海域、吕宋海峡、南海北部的陆坡区附近以及越南以东海域为高值区。部分海域冬季平均垂向热通量可超过40 W/m2。向上的垂向热量输运通道在台湾西南区域深度可以达到100 m左右，在吕宋海峡内区可以到达混合层底部。向上热量输运最强的时间出现在1～2月。

(3)亚中尺度过程引起的垂向热量输运影响冬季上层海洋的热量收支，进而能够影响混合层深度的变化。在ST区域的冬末(1～2月)和LS区域的冬末春初(2～3月)，虽然海洋依旧向大气输送热量，但由于气温回升，海-气界面的净热通量值减小，而亚中尺度过程引起的垂向热量输运在这一时间对上层海洋的热量收支起到了主导的作用，正的热通量使混合层深度在海洋向大气失热的同时变浅。因此，考虑亚中尺度过程引起的垂向热量输运过程对精确刻画上层海洋温度变化及热量收支具有重要的意义。