南海东北部全日非相干内潮的特征及其成因❋

王 越，黄晓冬，杨运超，王嘉琦，赵 玮,3

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3.中国海洋大学海洋高等研究院，山东 青岛 266100)

天文潮流经粗糙的海底地形，如海山[1]、大陆坡[2]和峡谷[3]等，会使海洋中产生内潮[4-5]。内潮是深海混合重要的能量来源，其在维持深海层结[6]和驱动大洋经向翻转环流[7]过程中均发挥着重要作用。实际海洋中的内潮具有显著的时间变化特征，使其导致的深海混合的强度随时间也会发生改变[8]，进而可对气候的变化产生影响[9]。因此，探究海洋中内潮的时间变化规律可加深人类对深海混合变化特征的认知，对提高大洋环流模拟和全球气候预测准确性具有重要意义。

为便于研究内潮的时间变化特征，通常将内潮的信号分解为相干与非相干两部分[10-15]。内潮的相干部分与源地正压潮在时间变化上具有良好的对应关系，二者的相位变化保持一致。若海洋中背景流与背景层结不存在时间变化，则所有的内潮均是相干的，根据源地正压潮的时间变化可以预测出海洋中内潮的时间变化。海洋中变化的背景场与背景层结可显著影响内潮的传播[10-15]，包括改变传播速度的大小与方向以及内潮的相位，使得内潮信号中相干部分占比减少，非相干部分占比增加。在吕宋海峡，观测结果表明内潮的非相干部分能量占比甚至可超过50%[16]，表明非相干内潮是研究内潮时间变化特征过程中不可忽略的一部分，且相较于相干部分，内潮的非相干部分是难于模拟和预测的[11,16]。因此，阐明非相干内潮的特征和探明其产生机制是认知内潮时间变化规律的关键所在。

对于内潮的非相干部分的分析研究，前人已在不同海区开展了一系列的研究工作。在夏威夷海脊周围的区域，Zaron和Egbert[17]发现变化的背景场使内潮的相速度发生改变，进而非相干内潮的能量占比增加。Buijsman等[13]在赤道太平洋海域的研究表明，赤道海域存在随时间变化的强剪切流，使得此海域内潮的相干性较低。在近海海域，Kumar等[15]在陆架海域观测到内潮的非相干信号，认为这与变化的背景层结和中尺度或亚中尺度的动力过程有关。风驱动的上升流可显著改变海洋中的背景场(包括背景层结与背景流)，导致大陆架内潮的非相干部分信号增强[18]。通过上述研究可以发现，不同海域非相干内潮的成因会有所不同，所以针对不同海域的非相干内潮进行具体研究分析是很有必要的。

南海作为西太平洋最大的边缘海，其内潮信号十分活跃，并且此海域还存在黑潮和中尺度涡等动力过程，是研究非相干内潮的一个良好的天然场所。已有研究表明，黑潮入侵[16]会使吕宋海峡内部内潮的相干性降低，但对于吕宋海峡以西的南海东北部深海海域内潮的相干性的研究，尤其是关于内潮的非相干部分成因的分析研究较少。本文利用了南海东北部海域潜标观测的实时数据，描述了非相干内潮特征中与相干内潮的不同之处，并分析了非相干内潮的成因。

1 数据和方法

1.1 潜标数据的处理

在南海东北部，标号为A1的潜标(见图1)在2010年6月25日～8月5日期间被布放在此海域。该潜标上配置有一台上打的75 kHz声学多普勒流速剖面仪(Acoustic doppler current profilers，ADCP)来测量海洋上层的海水流速，仪器所在深度约为420 m，垂向采样间隔为16 m，时间分辨率为3 min。

图1 标号为A1的潜标在南海东北部的具体位置以及该海域附近的海底地形Fig.1 The mooring position of the site A1 in the northeastern South China Sea and seafloor topography

将观测的流速数据线性插值到垂向间隔为5 m和时间间隔为30 min的网格上。在进行时间插值之前，若某一深度上流速数据在整个观测期间内的覆盖率不低于95%，则将该深度上的数据进行时间插值，并补齐缺测部分，否则该深度上的数据视为无效。用带通滤波的方法从流速数据中提取全日潮流u，使用的频带为[0.85，1.10] cpd，然后再通过公式(1)获得全日内潮的流速u′：

u′ =u-uBT。

(1)

式中uBT为全日正压潮流，利用模型TPXO7.2[19]可计算得出。在吕宋海峡周围海域，该模型的正压潮流数据可以较好地吻合潜标观测的结果[5,20]。全日内潮深度积分后的水平动能(Horizontal kinetic energy，HKE)由下式计算：

(2)

u′i=u′-u′c。

(3)

类似地，水平动能也可进行上述分解：

(4)

HKEi= HKE - HKEc。

(5)

1.2 射线追踪模型

为研究背景场的变化对从吕宋海峡生成的全日内潮的影响，本文使用了射线追踪模型[21]，模型的控制方程如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

α= tan-1(py/px)。

(11)

式中：ds是水平坐标系(x,y)里的射线长度微元；px和py是相位的空间偏导数；Q为归一化因子；α为相位传播的方向；S(θ)表示θ方向上第一模态相速度cp的倒数。关于相速度的计算，本文使用了考虑背景流U(沿内潮传播方向)、背景层结N2和科氏频率f的T-G方程[20]：

(12)

式中：k为内潮的水平波数；Φ为垂向位移的模态函数，背景层结和背景流可从混合坐标海洋模式(Hybrid coordinate ocean model，HYCOM)的数据产品中获得。

2 观测结果

2.1 全日内潮及其相干部分

为便于将内潮的非相干部分的观测结果与相干部分进行对比分析，在研究全日内潮的非相干部分之前，有必要对内潮及其相干部分的观测结果进行描述。图2(a)～(b)分别展示了全日内潮的纬向和经向流速，强全日内潮潮流(大于0.3 ms-1)集中在上层200 m，内潮水平动能的计算结果同样体现出来这一点(见图2(c))，内潮能量的高值区域(大于50 Jm-3)主要位于海水的上层200 m。全日内潮动能深度积分后的结果表明(见图2(f)，黑线)，内潮动能在时间变化上受大小潮的调制作用明显，并在7月28日达到最大值(6.5 kJm-2)。

图2 潜标观测所得的全日内潮的纬向流(a)、经向流(b)、水平动能(c)、相干部分水平动能(d)、非相干部分水平动能(e)以及动能深度积分后的时间序列(f)Fig.2 (a)～(b) Observed zonal and meridional diurnal baroclinic currents and negative (positive) values represent westward (eastward) currents, the horizontal kinematic energy (HKE) of (c) bandpassed, (d) coherent, (e) incoherent diurnalinternal tides and (f) the time series of diurnal HKE of bandpassed (black), coherent (blue) and incoherent (red) portions

与滤波后的全日内潮的结果相似，内潮相干部分的动能的高值区域(大于40 Jm-3)也主要集中在海水的上层(见图2(d))，其深度积分后的时间序列的最大值约为5.3 kJm-2。潮流椭圆的结果表明(见图3)，内潮潮流的最大流速随深度的增加明显减小，以K1分潮为例(观测中K1分潮的信号强于O1和Q1)，从100 m深度的0.18 ms-1下降到400 m深度的0.05 ms-1，这符合上文中提及的全日相干内潮动能的垂向分布特征；潮流椭圆最大流速的方向(东向逆时针旋转)随深度的增加亦有明显的变化，在110～380 m的深度范围内，最大流速的方向大于180°，表明此深度范围内全日内潮的相干部分主要沿东北-西南方向传播，而在其他观测深度其小于180°。以潮流椭圆的最大流速大小为权重，对不同深度上的最大流速的方向进行平均，计算结果为189°，结合潜标所处的地理位置，可认为全日内潮的相干部分主要来自于吕宋海峡的北部区域。

(虚线代表180°方向。The black dotted line represents the inclination of 180°.)图3 不同深度处K1斜压分潮潮流椭圆的最大流速大小(a)和最大流速方向(东向逆时针旋转)(b)Fig.3 (a) The maximal currents of major axes of K1 baroclinic tidal ellipses and (b) the inclinations (counterclockwise from the east) of K1 baroclinic tidal ellipses

2.2 全日内潮的非相干部分

全日非相干内潮动能的深度积分值在7月27日～8月2日期间明显较高(见图2(f)，红线)，在7月31日达到最大值(4.1 kJm-2)，其能量强度与相干部分的动能处于同一量级，同时全日内潮的总能量强度在这一天达到了预期(相干部分)的两倍。相对于滤波后的全日内潮，非相干内潮动能在7月31日的能量占比可高达70%，这表明在研究内潮的时间变化特征过程中，内潮的非相干部分是不可忽略的一部分。将不同深度上全日内潮的动能做时间平均，得到内潮能量的垂向分布结构(见图4)，结果表明，与全日相干内潮的动能随深度增加逐渐减小的变化趋势不同，非相干内潮动能在120 m深度处达到最大值(28.8 Jm-3)。

图5展示了对不同长度的时间序列进行调和分析所得K1斜压分潮的相位变化，其中红线代表3天滑动调和分析的结果，黑线为对整个观测时间段的数据进行调和分析的结果。与整个观测时间段内的调和分析结果(黑线，即相干部分)对比，可以发现在7月27日～8月2日时间段内，两种调和分析方法的结果具有明显的差别，表明在此期间内内潮的非相干部分较强；二者的相位差的平均值约为4 π/9(120 m深度处的结果)，说明从源地到潜标观测点，相干内潮与非相干内潮在传播时间上相差约5.3 h。对7月27日～8月2日期间内非相干内潮水平流速进行调和分析，得到非相干内潮K1分潮潮流椭圆的最大流速大小和方向，如图6所示，在110～380 m的深度范围内，其数值小于180°。考虑到相对于整个观测深度范围的非相干内潮，此深度区间内非相干内潮能量占比超过80%，因此可认为非相干内潮的传播方向主要沿东南-西北方向，能量主要来自海峡的中南部区域。

图4 在7月27日～8月2日观测期间内全日内潮动能的垂向分布Fig.4 The time-averaged HKE observed from July 27 to August 2 of bandpassed (black), coherent (blue) and incoherent (red) diurnal internal tides

(前4幅图中红线代表的是窗口为3 d的滑动调和分析的结果，黑线则由整个观测期间内的数据计算所得。In the first four pictures, the red lines represent the phase calculated by sliding harmonic analysis over 3 days, while the black lines denote the phase obtained by the whole observation period.)

(虚线代表180°方向。The black dotted line represents the inclination of 180°.)

2.3 射线追踪模型的应用

由于非相干内潮信号的变化与背景场(包括背景流与背景层结)的变化密切相关，本文使用了射线追踪的模型对非相干内潮的成因进行分析。射线追踪模型的运行除了需要对方程进行计算，还需要设置初始条件。

模型的初始条件包括射线的初始位置和初始方向。射线初始位置的选取需考虑以下三个因素：(1)选择内潮生成率高值区域作为射线的初始位置，南海东北部的全日内潮主要来自于吕宋海峡的中南部[5,22-23]，因此射线的起点应包括海峡的中南部区域；(2)考虑到本文使用的潜标位于海峡的西侧，需排除能通量方向向东的全日内潮生成区域；(3)观测结果表明全日内潮的相干部分主要来自于海峡北部，射线的初始位置需包括海峡北部内潮生成率高值区域。综合以上三点，最终选择的全日内潮射线的初始位置包含海峡北部、中部和南部三块区域，且射线的起点沿1 500 m等深线分布(见图7，粗黑实线)；射线的初始方向为垂直于等深线方向且指向吕宋海峡西侧。

(细黑实线为500，1 000和1 500 m等深线；蓝色箭头由HYCOM数据所得的海表面背景流场；粗黑实线为射线的初始位置；射线不同的颜色代表各自的源地不同。Bathymetry is contoured at depths by thin black lines of 500 , 1 000 and 1 500 m. The surface background velocity are drawn by blue vectors based on HYCOM data. The bold black lines represents the initial positions of rays. The red, magenta and cyan lines denote that the internal tide rays come from southern, middle and northern portions of the LS, respectively.)

本文针对不同时间均使用了射线追踪模型。图7展示了6月29日和7月31日的结果，观测结果表明，在6月29日左右非相干内潮能量很小(见图2(f))，可将其结果作为参照。将7月31日的模型结果与之对比，对比分析发现，在7月31日有更多的内潮射线经过A1潜标附近海域，这部分射线主要源自海峡的中部，少部分来自海峡的南部(注意，图中蓝绿色射线代表内潮的相干部分，在此处并不重点关注)。与此同时，对比两天的背景流场可以发现，在7月31日黑潮具有明显的入侵南海的现象，因此观测结果中非相干内潮能量的增强应该与黑潮入侵有关。

为进一步明确非相干内潮的能量来源，本文对7月31日左右的全日内潮流速做调和分析，计算了潮流椭圆最大流速大小以及方向，再将110～380 m深度范围内的最大流速方向以最大流速大小为权重做深度平均，结果为146°，与7月31日射线追踪模型结果中源自海峡中部的射线(150°)较为吻和，表明观测到的非相干内潮的能量来自于吕宋海峡的中部海域。为了验证这一观点，本文基于7月31日射线追踪模型中源自海峡北部和源自海峡中部射线的结果，计算了这两种内潮射线从初始位置传至潜标附近海域所需的传播时间之差，结果约为5 h，这与前文中由观测数据分析得到的结果相近。

前面的分析结果表明，非相干内潮能量的增强与黑潮入侵有关，并且能量主要来自于吕宋海峡的中部。结合这两个分析结果，可认为黑潮的入侵使得海峡中部生成的内潮向北折射，造成潜标观测处非相干内潮能量的增强。这种折射同时使得源自不同源地内潮的能量在潜标观测点附近海域叠加，导致全日内潮能量增强，使其最大值出现在7月28日，而并非7月25日(见图2(f))。

前面的分析结果表明非相干内潮能量的增强与黑潮入侵有关，但在此过程中背景流和背景层结二者发挥的作用大小尚不可知，在此本文对7月31日射线追踪模型的结果做了一组敏感性试验，分别以以下四种情况进行：(1)水平变化的层结与有背景流存在；(2)水平均匀的层结与有背景流存在；(3)水平变化的层结与无背景流存在；(4)水平均匀的层结与无背景流存在，结果如图8所示。通过对比图8中上面两幅分图可以发现，背景层结的水平变化对模型的运算结果影响较小，而若背景流不存在，源自海峡中部的内潮射线难以抵达潜标附近海域，因此可认为在黑潮入侵使得全日内潮向北折射这一过程中，背景流发挥着主导作用。

((a)水平变化的层结与有背景流存在，两者均可由HYCOM数据资料获得；(b)水平均匀的层结(N0)与有背景流存在；(c)水平变化的层结与无背景流存在；(d)水平均匀的层结与无背景流存在，水平均匀的层结由WOA13(World Ocean Atlas 2013)夏季的温盐资料计算得出。(a) Background currents and horizontally varying stratification from HYCOM. (b) Background currents and horizontally uniform stratification (N0), (c) Horizontally varying stratification and no background currents and (d)Horizontally uniform stratification and no background currents. The horizontally uniform stratification is shown in the upper right inset in (c)obtained from WOA13 (World Ocean Atlas 2013) data in summer.)

3 总结与展望

本文基于潜标观测数据，描述了全日内潮非相干部分的特征，并与相干部分做了对比，最后则利用射线追踪模型对其成因进行了分析，得到的主要结果如下：

(1) 全日非相干内潮的能量在7月27日～8月2日期间明显增强，相对于滤波后全日内潮的能量，其能量占比最高可达70%；其能量的垂向分布与内潮的相干部分大不相同，并非随深度的增加而减小，而是在120 m深度附近处达到最大值。

(2) 黑潮入侵使得源自海峡中部的全日内潮向北折射，引起观测潜标处非相干内潮能量的增强，同时使得源自不同源地的内潮在此处叠加，导致全日内潮能量最大值的出现时间滞后于预期结果。

观测结果显示，与相干内潮相比，非相干内潮的垂直结构显著不同，这可能与海洋中背景层结的变化有关。分析结果表明源自不同源地内潮的叠加这一现象使局地的内潮能量突然增强，这可能引起局部区域深层海水的混合增强，进而可能会对海洋中深层环流产生影响，这些均需要我们在以后的工作中进行分析和研究。此外关于黑潮入侵使得内潮能量折射这一现象的详细调控机制也需加以探究。