南海中尺度涡对深层流调控作用的个例研究*

邹 童 徐勤博 周 春,3,4① 张冬青

(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. 中国海洋大学海洋与大气学院 山东青岛 266100;3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 山东青岛 266299; 4. 中国海洋大学三亚海洋研究院 海南三亚 572025)

南海是西北太平洋区域最大的半封闭边缘海,总面积达到了350 万km2。南海具有广阔的深海盆,其中大于2 000 m 水深的海盆面积超过100 万km2(Wyrtki, 1961)。吕宋海峡是南海深海盆与外部开阔大洋连接的唯一深水通道, 深度大约为2 400 m。前人研究指出, 太平洋深层水在压强梯度力驱动下经吕宋海峡进入南海(Quet al, 2006; Zhaoet al, 2014,2016; Zhouet al, 2014), 在南海深层形成海盆尺度的气旋式深层环流(Quet al, 2006; Wanget al, 2011; Lanet al, 2013; Xieet al, 2013; Shuet al, 2014; Xuet al,2014; Ganet al, 2016)。在南海深层强混合作用下深层水上升, 一部分在中层通过吕宋海峡重新回到太平洋(Chaoet al, 1996; Chenet al, 1996; Quet al, 2000;Liet al, 2006; Tianet al, 2006; Zhanget al, 2015), 另一部分在上层通过民都洛海峡、巴拉巴克海峡和加里曼丹海峡进入苏禄海和爪哇海, 最终汇入印尼贯穿流(Quet al, 2009; Yaremchuket al, 2009)。因此, 南海对太平洋和印度洋的热盐环流起到重要的作用, 其中, 南海深层环流作为这一过程中的关键环节, 具有极其重要的研究意义。对于南海深层环流季节变异特征, 前人开展了一系列研究, 取得了一些初步认知。但是对于南海深层近年来发现的强季节内振荡(Shuet al, 2016; Zhouet al, 2017, 2020; Zhenget al, 2021), 目前对其驱动机制认知尚浅且大多聚焦在深海波动过程。近年来, 中尺度过程对深层的影响在全球多处海域被揭示, 在东太平洋海隆(Lianget al, 2011)、墨西哥湾(Kolodziejczyket al, 2012; Fureyet al, 2018; Tenreiroet al, 2018; Zhuet al, 2020)、南海(Zhanget al, 2013)和黑潮延伸区(Liuet al, 2019)附近的观测结果证明一些比较强的中尺度涡可以影响到深海。南海是中尺度过程极为活跃的海域, 平均每年有32.8 个中尺度涡旋生成, 其中某些存活时间超过150 d, 这些涡旋对南海中的热量输送和水团输送起重要作用(Chenet al,2011)。中尺度涡大多在吕宋海峡西部生成, 生成原因为海盆尺度的斜压不稳定或黑潮的影响。涡旋大多比较强, 影响深度较大, 西向传播的速度接近第一斜压模的罗斯贝波(Wuet al, 2007)。探讨中尺度过程对深层环流产生的影响对揭示深层环流的时间变异特征存在潜在的科学意义。

在赤道东太平洋地区, 数值模拟结果表明, 涡旋接近东太平洋隆起时, 会沿着海脊的方向拉伸, 并产生较强的沿海脊的径向流动。斜压涡旋向下传递信号,深层流速会受其影响(Adamset al, 2010)。实测结果发现(Lianget al, 2011), 接近东太平洋隆起的深层水平流速与海洋表层流速在大部分时间呈负相关, 符合第一斜压模态垂向结构; 相关系数变化较大, 涡旋经过时负相关达到最强; 流速特征时间尺度为1～3 个月,与海表面高度变化的特征时间尺度接近。地形罗斯贝波可以解释亚惯性频率下大部分深层流动的变异(Rhines, 1970), 而地形罗斯贝波的一个动力来源就是涡旋与底地形的相互作用。Kolodziejczyk 等(2012)在墨西哥湾海域, 利用锚定海流计共记录了十次间断的1 000 m 以下0.1～0.4 m/s 的强烈流动, 发生在海表很强的涡旋区域。

在南海台湾岛西南部海域, Zhang 等(2013)发现中尺度涡对深层流动具有很大影响。在中尺度涡经过时期, 潜标观测到的深层流速显著增强, 且表层流速与底层流速呈现较强的负相关。反气旋经过时, 深海温度升高, 气旋经过时, 温度降低, 表明中尺度涡可以产生很强的下降流或上升流。Zhao 等(2015)研究显示, 海表的中尺度涡会调节南海深层环流的类型, 具体表现为使流动增强、在超过1 000 m 水深处由于涡旋的倾斜结构使流动转向。Wang 等(2019)使用卫星数据、潜标观测数据和HYCOM 模式数据分析了一个影响较深的反气旋的时空变化特点, 在该非线性较强、生存时间很长的反气旋经过潜标附近时, 观测到1 500 m 以下有流动转向和冷水上升的现象发生。

近年来, 大量观测显示南海深层存在显著的季节内振荡, 这些振荡有的受到斜压罗斯贝波、地形罗斯贝波的调控(Shuet al, 2014; Zhouet al, 2017, 2020;Wanget al, 2019; Quet al, 2020; Zhenget al, 2021; Xuet al, 2022), 而有的则无法完全通过上述理论机制解释。考虑到南海存在的活跃的中尺度涡以及其对深层的影响, 本文将通过海表面高度计资料, 识别南海区域中尺度涡, 并结合潜标观测资料初步分析中尺度涡对深层流场以及温度场的影响, 针对南海中尺度涡对深层环流变异的调控作用进行探讨。

1 数据方法

1.1 数据介绍

1.1.1 潜标观测资料 本文的流速、温度数据来自于3 套潜标(DD2, DG7, DT5), 潜标位置如图1 所示,DD2 观测区间为2015 年8 月2 日至2016 年6 月7日, DG7 观测区间为2016 年6 月24 日至2017 年8月6 日, DT5 观测区间为2014 年1 月13 日至2014年5 月22 日。潜标系统上的仪器包括海流计、温盐深仪(conductive temperature depth, CTD)、声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler, ADCP)。海流计能记录单层的流速、温度数据, ADCP 可以测量大约500 m 水层厚度的流速, 层厚为16 m, CTD 用来观测海水温度、盐度、压强等水文要素。其中, DD2和DG7 的ADCP 采样间隔为5 min, CTD 的采样间隔为30 min, 海流计采样间隔为1 h; DT5 的ADCP 采样间隔为3 min, CTD 采样间隔为20 s, 海流计采样间隔为3 min。

图1图1 潜标站位分布图Fig.1 Positions of the mooring sites

1.1.2 卫星高度计资料 高度计是用来测量地球表面相对高度的传感器。而中尺度涡的发生会产生比较显著的海平面变化, 因此, 本文使用了高度计数据来识别中尺度涡。本文采用的高度计数据来自法国空间局数据中心, 为融合多颗卫星高度计(Jason-3,Sentinel-3A, HY-2A, Saral/AltiKa, Cryosat-2, Jason-2,Jason-1, T/P, ENVISAT, GFO, ERS1/2)的网格化海平面异常数据(sea level anomaly, SLA)和表层地转流速数据(surface geostrophic velocity, SGV)。选取的卫星高度计资料时间区间与潜标观测区间一致, 该数据的空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率是1 d。

1.2 方法介绍

在识别海洋中的中尺度涡时, 本文使用Okubo-Weiss (O-W)方法(Okubo, 1970; Weiss, 1991)。O-W 方法中, 变量W定义为W=sn2+ss2–ω2, 其中ω为相对涡度的垂向分量,sn2和ss2分别代表应力变形和剪切变形。

式中,gu′和gv′ 是通过地转平衡由SLA 计算得到的地转流速异常。在中尺度涡出现的区域,W场由相对涡度主导且为负值。使用W＜–0.2σw作为评定涡旋出现的标准,σw为每个时间点W的标准差。

在O-W 方法识别的每个涡旋范围里, 定义海表面高度异常极值为涡旋中心, 涡旋半径为涡旋中心至涡旋内部最大地转流速的距离。潜标位置在涡旋范围内的时间段即为涡旋经过时期, 该时间段内的平均速度即为涡旋经过期间的平均流速, 涡旋经过期间的最大速度同理; 而没有涡旋经过的时期, 各层的平均速度即为无涡旋经过时期的平均流速。

此外, 为了去除高频信号, 本文中用到的流速、温度序列进行了3 d 低通滤波, 以便重点关注与中尺度过程有关的信号。

2 结果与分析

南海深海盆内区深层环流的平均流比较弱, 但通过分析潜标流速数据发现, 其在某些时间存在明显的季节内变异, 流动显著增强。利用Okubo-Weiss方法通过分析海面高度异常数据发现, 部分流动异常发生时, 海表有中尺度涡经过。按照发生时间顺序将其命名为异常1、异常2、异常3。其中异常1 发生在南海东部、菲律宾以西的位置, 异常2 出现在南海海盆西南区域, 异常3 出现在南海海盆北部。为了探寻流速增强是否与涡旋有关, 下面对三次异常进行具体讨论分析。

2.1 异常1

在2015 年10 月25 日至2015 年11 月15 日, 一个气旋式中尺度涡在南海东北部约17°N 的位置由南向北移动, 经过DD2 站位(图2a～2d), 在11 月初DD2站位海表面高度异常达到最低值(图2e)。

图2 异常1 发生时海表面高度异常变化Fig.2 Sea level anomaly during Abnormal Event 1

在涡旋经过时期, 海洋上下层的流速一致增强。其中, 因为潜标位于气旋式涡旋西侧, 所以南向流明显增强, 深层流速与海洋上层呈相反态势, 涡旋经过期间呈现北向流增强特征(图3a)。DD2 位置3 855 m处无涡旋经过时(2015 年10 月20 日至24 日)的平均流速为1.5 cm/s, 在涡旋经过时(2015 年10 月25 日至11 月15 日)的平均流速为4.9 cm/s, 最大流速达到了7.0 cm/s。涡旋经过期间, 水文结果显示(图3b～3f), 海洋上层520 m 处位势温度由8.5 °C 降至8 °C, 呈现明显的冷异常特征, 这与北半球气旋式涡旋海洋上层等温面的上凸特征相符。但在深层海洋, 2 528 和3 876 m处的位势温度都呈上升趋势, 增幅都为0.02 °C。涡旋经过期间温度的变异趋势上下层的相反特征与上下层流速的反位相特征一致。

图3 DD2 站位不同深度流速(a)和位势温度(b～f)变化Fig.3 Velocity (a) and potential temperature (b～f) at different depths at DD2 site

为了进一步探寻涡旋的结构特征, 基于DD2 站位的全水深CTD 数据(图4a), 使用动力模态分解方法进行分析。首先设置边界条件为平底和刚盖近似,解决Sturm-Liouville 特征值问题(Gill, 1982)得到不同的动力模态(图4b), 然后将DD2 处每个时间点的纬向和经向流速投影到这些模态上, 计算得出深度积分的动能时间序列(图5)。考虑到高模态的动能很小,重点放在正压模态和前五个斜压模态上。结果显示:在气旋经过前, 每个模态的动能比较低; 但在气旋经过时, 第一斜压模态的动能迅速增加, 其动能大于其他模态, 此时动能由第一斜压模态主导; 气旋经过后,第一斜压模态动能快速减小, 失去主导地位。这证明异常1 的气旋由第一斜压模态主导, 该结果也能解释气旋经过期间表层和深层流速呈现相反态势、海表温度降低而深层温度升高的现象。

图4 DD2 处平均位势密度剖面和浮性频率(a)与前五个斜压动力模态(b)Fig.4 Profile of the mean potential density and buoyancy frequency at site DD2 (a) and the first five baroclinic dynamical modes (b)

图5 正压模态和前五个斜压模态深度积分的动能Fig.5 Depth-integrated kinetic energy of the barotropic and the first five baroclinic modes

2.2 异常2

2017 年5 月1 日至2017 年5 月30 日, 在南海西南部约13°N 附近, 北部较强的一个反气旋涡在DG7附近停留了一段时间, 经过增强、分裂等过程向西南移动, 离开潜标站位(图6a～6d), DG7 位置的海表面高度异常在涡旋经过期间不断增大(图6e)。

图6 异常2 发生时海表面高度异常变化Fig.6 Sea level anomaly during Abnormal Event 2

在涡旋经过时期, 海洋上下层流速一致增强。潜标先后位于反气旋式涡旋西侧和东侧, 所以先后出现北向流增强、南向流增强的现象, 深层流速与海洋上层呈相反态势, 涡旋经过期间呈现先南向流增强、后北向流增强的特征(图 7a)。DG7 位置最深层3 614 m 处流速变化不太明显, 但在2 598 m 处无涡旋经过时(2017 年4 月21 日至30 日)的平均流速为2.2 cm/s, 在涡旋经过时(2017 年5 月1 日至30 日)的平均流速为2.8 cm/s, 最大流速达到了5.4 cm/s。水文结果显示(图7b～7f), 海洋上层575 m 处位势温度由8.4 °C 上升至8.6 °C, 呈现明显的暖异常特征, 这与北半球反气旋式涡旋海洋上层等温面的下凹特征相符。但在深层海洋, 最深层3 614 m 处温度呈下降趋势, 降幅约为0.01 °C。涡旋经过期间温度的变异趋势上下层的相反特征与上下层流速的反位相特征一致。

图7 DG7 站位不同深度流速(a)和位势温度(b～f)变化Fig.7 Velocity (a) and potential temperature (b～f) at different depths at DG7 site

同样, 基于DG7 站位的全水深CTD 数据(图8a),使用动力模态分解方法(图8b), 将DG7 处每个时间点的纬向和经向流速投影到各个模态上, 计算得出深度积分的动能时间序列(图9)。结果显示: 在反气旋经过前, 每个模态的动能都很低; 但在反气旋经过时, 第一斜压模态的动能迅速增加, 其动能远大于其他模态, 此时动能由第一斜压模态主导; 反气旋经过后, 第一斜压模态动能快速减小, 恢复无涡旋时的低值。这证明异常2 的反气旋也由第一斜压模态主导。

图8 DG7 处平均位势密度剖面和浮性频率(a)与前五个斜压动力模态(b)Fig.8 Profile of the mean potential density and buoyancy frequency at site DG7 (a) and the first five baroclinic dynamical modes (b)

图9 正压模态和前五个斜压模态深度积分的动能Fig.9 Depth-integrated kinetic energy of the barotropic and the first five baroclinic modes

2.3 异常3

2014 年1 月20 日至2014 年2 月15 日, 在南海北部约20°N 附近, 一个反气旋涡由东北向西南移动经过潜标站位(图10a～d), DT5 位置的海表面高度异常在1 月底达到最大值(图10e)。

图10 异常3 发生时海表面高度异常变化Fig.10 Sea level anomaly during Abnormal Event 3

在涡旋经过时期, 海水上下流速一致增强。潜标先后位于涡旋的西南侧和东侧, 所以北向流和南向流先后增强, 整体上深层流速与海洋上层呈相反态势, 涡旋经过期间呈现先南向流增强、后北向流增强的特征(图11a)。DT5 位置2 070 m 处无涡旋经过时(2014 年2 月16 日至20 日)的平均流速为1.8 cm/s, 在涡旋经过时(2014 年1 月20 日至2 月15 日)的平均流速为2.6 cm/s, 最大流速达到了4.4 cm/s。涡旋经过期间, 水文结果显示(图11b～11e), 涡旋经过期间, 1 500 m以浅的海洋上层温度升高, 呈现明显的暖异常特征,这与北半球反气旋式涡旋海洋上层等温面的下凹特征相符。但在深层海洋2 070 m 处温度呈下降趋势,降幅为0.02 °C。涡旋经过期间温度的变异趋势上下层的相反特征与上下层流速的反位相特征一致。

图11 DT5 站位不同深度流速(a)和位势温度(b～e)变化Fig.11 Velocity (a) and potential temperature (b～e) at different depths at DT5 site

基于DT5 站位的全水深CTD 数据(图12a), 使用动力模态分解方法(图12b), 将DT5 处每个时间点的纬向和经向流速投影到各个模态上, 计算得出深度积分的动能时间序列(图13)。结果显示: 在反气旋经过前, 高模态动能比较大, 第三斜压模态占优势; 在反气旋经过时, 第一斜压模态的动能迅速增加, 超过其他模态的动能, 此时动能由第一斜压模态主导, 正压模态次之; 反气旋经过后, 第一斜压模态动能快速减小, 次于正压模态。这也解释了异常3 反气旋经过时上下层流动呈现的相反态势。

图12 DT5 处平均位势密度剖面和浮性频率(a)与前五个斜压动力模态(b)Fig.12 Profile of the mean potential density and buoyancy frequency at site DT5 (a) and the first five baroclinic dynamical modes (b)

图13 正压模态和前五个斜压模态深度积分的动能Fig.13 Depth-integrated kinetic energy of the barotropic and the first five baroclinic modes

3 结论

南海深层存在极为活跃的季节内振荡, 其可能存在不同的潜在驱动机制。本文重点从南海广泛存在的中尺度涡角度出发, 基于全水深潜标海流与温盐观测时间序列, 初步分析了中尺度涡对深层环流的影响。潜标观测到的深层海流3 次较为明显的异常发生时, 海洋上层均有中尺度涡经过, 说明中尺度涡影响海洋深层流并非偶然现象。此外, 当反气旋涡(异常2,异常3)经过时, 深层水温度降低; 当气旋涡(异常1)经过时, 深层水温度升高。这也与上层海洋温度的变异特征相反。本文所观测到的三个涡旋经过期间, 均存在明显的第一斜压模态结构增强的特征, 与海洋上层与深层的速度、温度呈现相反态势相符。

本文基于全水深潜标, 通过不同层次的流速, 基本可以判断本文中3 个事件中, 不同深度流速出现变异的时间和中尺度涡发生的时间吻合, 如异常1 经过DD2 潜标时, 上层南向流速快速增大, 同时中层(1 000 m 左右)流速出现北向的增强, 底层(3 855 m)流速在对应的时间由南向迅速转为偏北向, 呈现明显的第一斜压结构特征。异常2 和异常3 也存在类似的现象, 所以我们初步判断不同深度的流速变异是由同一中尺度涡过程导致。Kouketsu 等(2007)的研究结果显示, 海洋中的中尺度过程可以实现跨密度面混合, 最终导致中尺度过程在海洋上下层存在位相差异, 主要由斜压不稳定引起。Zhang 等(2013)指出黑潮入侵南海使得斜压不稳定性增强, 影响较深的第一斜压涡旋可能与其有关。本文通过模态分解也进一步证实了三次中尺度涡事件中, 海洋均呈现第一模态占主的特征。

观测中尺度涡的最优方案是通过阵列式观测同步获取中尺度涡完整结构的全水深观测。前人通过潜标阵列观测研究表明在南海中尺度涡从海表至海底可能存在倾斜结构, 使得深层流动信号超前(或滞后)于海洋上层信号(Zhanget al, 2015), 这意味着对于某些中尺度涡, 即使可以影响海洋的全水深变异, 但上下层并不一定同时变化。但本文中受观测数据的限制,无法通过阵列式观测给出中尺度涡从表至底的完整观测, 因此, 结果尚存在一定的不确定性。比如, 上层海洋的流速变异可通过潜标的单点连续观测和海面大范围的高度异常卫星观测与中尺度涡建立联系,但深层海洋的流速异常可能与仅在表层以下存在的涡旋(如Sunet al, 2022)、海洋深层的季节内振荡(如Xuet al, 2022)等多种因素有关。准确地判断本文中深层的流速异常是否直接由海面观测到的中尺度涡引起, 还需要后续利用大范围的潜标阵列进行长期连续观测来进行验证。

本文观测结果初步揭示了中尺度涡会对深层流动和水团特性变异产生的影响, 为开展南海乃至全球海洋深层环流季节内变异特征的分析提供了一定参考。但由于本文使用的潜标数据有限, 空间分辨率、覆盖范围、观测时间均存在一定的不足, 结论有一定的局限性, 详细分析中尺度涡对深层流的调控作用还需进一步的观测结果来支撑。