基于潜标观测的吕宋海峡以东深海潮流特征研究

旷芳芳，潘爱军*，张俊鹏，黄奖，蔡尚湛

( 1.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

1 引言

由于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。于克哲[1]使用磁录海流计在千米潜标系统南海试验期间获取的深海海流资料，对该海域深层海流进行了初步分析，提出了潮流和余流的运动规律；Zhai等[2]使用菲律宾以东的深海潜标数据分析了近底层海流和潮流的季节变化特征；在南海，多名学者通过定点观测海流资料分析了观测海区的正压潮和内潮等特征[3–9]。

深层海洋与上层海洋存在着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[10]，深刻影响着全球的气候变化。菲律宾海位于副热带西太平洋，该海域上层有北赤道流、副热带逆流等多种流系交汇，还是黑潮的源地，在西太平洋海气相互作用以及气候变化等的研究中具有重要作用；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海水的流动特征及其对深海生态的影响，我们在该海域布放了1套深海潜标进行长期观测，获得了长达1年的连续观测资料。以下将对潜标观测数据进行分析，重点讨论该海域潮流的垂向分布以及时间变化特征。

2 数据和方法

2.1 数据介绍

潜标位于西太平洋吕宋海峡以东约500 km的菲律宾海（图1a），位置为 19.75°N，126.75°E。全球地形数据GEBCO显示，潜标所在位置水深约5 300 m，周边50 km的范围内水深为4 800～5 810 m（图1b），局地地形西北−东南走向。在潜标上层水深160 m配置了1个ADCP海流剖面仪向上观测，层间距为4 m，有效观测深度为60～160 m，本文中选取100 m和160 m两个层次代表次表层；在810 m、1 550 m、2 560 m和4 040 m挂载了单点海流计观测深海和近底层的海流。海流的观测时间为2015年6月至2016年6月，时间频率为1 h−1。另外，使用WOA2013提供的季节平均的温盐数据计算观测点的浮力频率（图2），其计算公式为

图1 潜标位置（a）和水深分布（b）Fig.1 Location of the mooring (a) and water depth around the mooring (b)

式中，N为浮力频率；g为重力加速度；ρ为根据水温和盐度数据计算的位势密度。

可看到在300 m以浅冬季的层结相对较弱，跃层位于50～200 m的深度，300 m以深季节变化不明显。

图2 通过WOA2013计算出的浮力频率剖面Fig.2 Vertical structure of buoyancy frequency calculated from data in WOA2013

2.2 潮流调和分析

使用T_tide程序[11]对逐时的观测海流数据进行潮流的调和分析，计算主要分潮的潮流椭圆要素，包括长轴、短轴、倾角、相位和椭圆率。其中，长轴代表分潮的最大流速；短轴代表分潮的最小流速，当短轴为正值时表示逆时针旋转，短轴为负值时表示顺时针旋转；倾角代表最大流速与东方向的夹角；椭圆率为短轴和长轴的比值。

2.3 动能计算公式

潮动能（Ketide）和总动能（Keall）的计算公式为

式中，u和v为观测的纬向流速和经向流速；utide和vtide为经T_tide程序提取的潮流流速。

2.4 潮流性质判断方法

通过计算潮流的形态数来判断潮流的性质，其计算公式为

式中，a为潮流形态数；WK1、WO1和WM2分别为K1、O1和M2分潮流的平均最大流速（即为潮流椭圆的长轴）。若a≤0.5，为正规半日潮流；若 0.5

3 结果与讨论

3.1 海流高频变化频谱特征分析

图3是各层次海流在高频段（3 d以内）的旋转谱分析结果。如图所示，各层次海流的高频波动以顺时针（CW）旋转为主，谱密度峰值分别对应S2(12 h)、M2(12.4 h)、K1(23.9 h)、O1(25.8 h)4个分潮的潮周期，其中M2和K1分潮相对S2和O1分潮更为显著。另外各层次海流还表现出31.8～35.4 h的近惯性周期，经计算本地理论惯性周期为35.5 h，可以看到上层（100 m和160 m）的近惯性周期与理论惯性周期非常接近，而中层和深层（810～4 040 m）为32 h左右，略小于理论惯性周期。Zhai等[2]对西太平洋潜标（8°N）的分析中发现该海域近底层海流的惯性振荡周期略大于理论惯性周期，与本文的分析结果有所不同。其原因还有待进一步研究。

图3 各层次海流旋转谱分析Fig.3 Rotary spectrum analysis of currents at different depth

3.2 潮流椭圆要素及潮流能量

使用全年的海流观测资料用T_tide程序计算各层次 4 个主要分潮（M2、S2、K1和 O1）的潮流椭圆要素，计算后的结果见图4。可见除1 550 m处的O1分潮呈逆时针旋转外，其他层次的4个分潮都为顺时针旋转。在次表层，160 m层各分潮的潮流椭圆与100 m层相似，但流速相对较小；4个主要分潮中，M2分潮最大（100 m和160 m的最大流速分别为8.58 cm/s和7.14 cm/s）、K1分潮次之（100 m和160 m的最大流速分别为6.01 cm/s和5.51 cm/s）、S2分潮最小；各分潮的倾角为148°～174°，即各分潮的最大流速方向均为西北−东南向；椭圆率为−0.75～−0.5，表现出旋转流的特征。在中层（810 m），4个主要分潮中，K1分潮最大（最大流速为 2.86 cm/s）、M2次之（1.85 cm/s）、S2分潮最小，K1和S2分潮的最大流速方向为东北−西南向，M2和 O1为西北−东南向。在深层（1 550～4 040 m），K1分潮的最大流速最大，M2次之，S2分潮最小；1 550 m层K1和S2分潮的最大流速方向为东北−西南向，M2为东−西向，O1为西北−东南向；在2 560 m和4 040 m层，K1分潮的最大流速为西北−东南向，M2为东北−西南向，O1为南−北向，S2为东-西向。

图5为各层次的潮动能、总动能以及潮动能占总动能之比。由图可见次表层（100～160 m）的潮动能比中层（810 m）和深层（1 550～4 040 m）大 1～2个数量级，在810～2 560 m潮动能随深度减小，近底层（4 040 m层）的潮动能大于深层（1 550 m和2 560 m）。次表层（100 m、160 m）和近底层（4 040 m）的潮动能占总动能的20%以上，在中层和深层（810～2 560 m）的潮动能占总动能的10%左右。

另外，通过计算各层次潮流的形态数，可判断次表层（100～160 m）为不正规半日潮流，中层和深层（810～4 040 m）为不正规全日潮流。

3.3 潮流的季节变化

为了探讨潮流的季节变化，在每个时间点使用30 d的数据（前后各15 d）用T_tide程序进行潮流的调和分析，获得了主要分潮M2和K1的长轴的时间序列（图6），以及计算了潮动能的时间序列及其小波谱（图7）。

由图6可见，次表层M2分潮的变化范围较大，最大流速在100 m层可接近20 cm/s，在160 m层可接近13 cm/s，在冬季（2–4 月）和夏季（8–9 月）增强，冬季增强尤为明显（图6a）；次表层K1分潮在秋季（9–10月）明显减弱，可由最大时的10 cm/s减弱到3 cm/s（图6b）；在中层的 810 m，M2分潮均在夏季（7–8月）和冬季（2–4月）增强（图6a），K1分潮也在夏季（8–9 月）和冬季（1–3 月）增强（图6b）；深层（1 550～4 040 m）各分潮的变化范围相对较小，1 550 m处M2分潮在夏季（7–8 月）和冬季（2–3月）有所增强，K1分潮在秋季（10–12月）有所减弱；2 560 m处K1和M2分潮的变化范围均很小；4 040 m处K1分潮在夏季（7–8月）略有增强。对于M2分潮的时间变化，可能与月球绕地的椭圆形轨道引起的地月距离的变化有关；经查询，观测时段（2015年6月至2016年5月）月球的近地点时间为 2015年的 8–10月和 2016年的 4–5月[12]，文中M2分潮动能在夏季的增强可以用该时段地月距离的变短来解释，但2016年2–3月M2分潮动能的增强应该是其他的原因导致。

图4 各层次各分潮的潮流椭圆Fig.4 Tidal ellipse at different levels

图7表明各层次潮动能表现出较显著的季节变化特征。从图中可以看到，各层次潮动能均在2–3月份增强，在其他时间的变化则不太一致。在次表层和中层，潮动能在夏季（8–9月）和冬季（2–3月）显著增强，可达到年均值的2倍以上（图7a，图7b），这主要与M2分潮和K1分潮在夏季和冬季的增强相对应；在深层，潮动能均在夏季（6–8月）和冬季（2–3月）增强，除此之外，在2 560 m处潮动能在1月出现另一个峰值，而在4 040 m处潮动能在11月也出现峰值。小波分析结果显示，次表层的潮动能全年表现出了近100 d的振荡周期；中层的潮动能表现出87 d左右的振荡周期，在夏半年明显；深层和近底层则为47 d和114 d左右的振荡周期。从季节平均的浮力频率剖面来看（图2），在300 m以浅的上层，冬季跃层较深且较弱，其他季节跃层较浅且相对较强，而在深层季节变化不明显，潮动能的季节变化特征似乎与跃层的变化并不完全一致，其背后的机制还有待将来的进一步分析。

图6 各层次M2和K1分潮流长轴的时间序列Fig.6 Time series of M2 and K1 constituent major axes at different layers

图5 各层次潮动能及其占比Fig.5 Tidal kinetic energy and its portion to total kinetic energy at different levels

图7 各层次潮动能的时间序列及其小波分析Fig.7 Time series and wavelet analysis of tidal kinetic energy at different levels

另外值得注意的是，在做潮流调和分析时由于所使用的海流时间序列的长短不同，所计算的结果也有所不同。使用30 d的数据比使用全年的数据计算的分潮的潮流椭圆相对较大、潮动能也相对较强。上节使用全年的数据来分析分潮及潮动能的整体特征，而这节则重点关注其时间变化。

4 结论

通过分析一套深海潜标观测海流的高频变化特征，本文得到以下结论：

（1）各层次海流的高频波动以顺时针旋转为主，次表层海流的近惯性周期与当地理论惯性周期非常接近，而中层和深层（810～4 040 m）略小于当地理论惯性周期。

（2）次表层（100～160 m）的潮动能比中层（810 m）和深层（1 550～4 040 m）大 1～2个数量级，在 810～2 560 m潮动能随深度减小，4 040 m层的潮动能大于1 550 m和2 560 m层。表层（100～160 m）为不正规半日潮流，中层和深层（810～4 040 m）为不正规全日潮流。

（3）各层次潮动能均在夏季（6–9月）和冬季（2–3月）增强，这主要与M2分潮和K1分潮在夏季和冬季的增强相对应；除此之外，在2 560 m处潮动能在1月增强，而在4 040 m处潮动能在11月也出现峰值。小波分析结果显示，次表层的潮动能全年表现出了近100 d的振荡周期；中层的潮动能表现出87 d左右的振荡周期，在夏半年明显；深层和近底层则为47 d和114 d左右。

以上研究表明，深海潮流在不同的深度层次具有不同特征，这些特征背后的动力机制如何，还需要在将来通过更多的深海观测以及数值模拟进一步地研究。