商 鞏，張金超，張志偉

(中國海洋大學 1.海洋與大氣學院；2.物理海洋教育部重點實驗室；3.海洋高等研究院，山東 青島 266100)

海洋中的跨密度面混合在維持海洋層結(jié)和經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流中起著重要作用，是大洋中物質(zhì)與能量垂向再分配的關(guān)鍵過程[1-3]。南海是西北太平洋最大的邊緣海，具有復(fù)雜的地形和豐富的多尺度動力過程，包括大尺度環(huán)流、中尺度渦、小尺度內(nèi)波和湍流混合等[4-7]。呂宋海峽處存在的密度差導(dǎo)致大量北太平洋深層水進入南海，湍流混合是驅(qū)動該深層水上升的主要途徑，也是驅(qū)動南海深層環(huán)流的重要因素[8-10]。

鑒于海洋混合的重要性，海洋學家對其驅(qū)動機制進行了大量研究。傳統(tǒng)觀點認為，海洋內(nèi)部的混合主要由內(nèi)波破碎驅(qū)動、內(nèi)潮、近慣性內(nèi)波、內(nèi)背風波等動力過程在驅(qū)動混合過程中起到重要作用[11]。除此之外，相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，背景流之間的強剪切也是驅(qū)動海洋混合的重要機制[12-13]。南海具有豐富的內(nèi)潮、近慣性內(nèi)波、中尺度渦等動力過程，前人對他們的時間變化規(guī)律和空間分布特征開展了大量研究。其中，梁輝[14]通過分析南海北部的潛標觀測資料發(fā)現(xiàn)，南海北部全日內(nèi)潮呈現(xiàn)出冬夏強、春秋弱，半日內(nèi)潮呈現(xiàn)出春秋強、冬夏弱的變化特征，其變化特征主要受呂宋海峽源地正壓潮的影響，內(nèi)潮從呂宋海峽向南海西北部陸坡陸架傳播過程中，全日內(nèi)潮高模態(tài)能量所占總能量的比例逐漸增加，而半日內(nèi)潮則略有減小。管守德[15]基于四套潛標一年的觀測資料發(fā)現(xiàn)南海北部上層近慣性能量具有明顯的冬強夏弱的季節(jié)變化特征，并指出這可能與南海冬強夏弱的季風有關(guān)。鄭潔[16]同樣利用南海北部多年的潛標觀測資料對南海近慣性內(nèi)波的時空分布特征開展了研究，發(fā)現(xiàn)在水平空間分布上近慣性能量具有由東向西發(fā)生頻率增高、強度增大的規(guī)律，并提出中尺度暖渦是造成該空間分布特征的主要因素。前人通過對中尺度渦的相關(guān)研究，指出臺灣西南部、呂宋島西北部、呂宋島西南部和越南東南部四個海域是中尺度渦的頻發(fā)區(qū)域[17]，且具有顯著的季節(jié)和年際變化特征[18-19]，基于潛標觀測的結(jié)果前人發(fā)現(xiàn)中尺度渦具有全水深的三維傾斜結(jié)構(gòu)[5]。

南海的復(fù)雜地形和豐富的多尺度動力過程使得南海混合的時空變化和形成機制復(fù)雜多變，近年來海洋學者對南?；旌祥_展了大量研究。Tian等[20]使用細尺度參數(shù)化方法研究了南海、呂宋海峽和北太平洋的湍流擴散系數(shù)的空間分布。研究發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)潮的耗散作用，南海深層的跨密度面擴散系數(shù)比太平洋高出兩個數(shù)量級。Xu等[21]基于觀測的流速和溫鹽資料，從時間和空間兩方面討論了內(nèi)孤立波引起的混合，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孤立波能夠使耗散率和湍擴散系數(shù)提高三個數(shù)量級。Yang等[7]基于歷史CTD/LADCP剖面數(shù)據(jù)，結(jié)合參數(shù)化方法，首次給出了南海湍流混合的三維空間分布，指出南海的湍流混合具有北強南弱、東強西弱的空間分布特征，其中呂宋海峽和中沙島鏈地區(qū)是混合的高值區(qū)。內(nèi)潮、海底地形和近慣性內(nèi)波是可能的影響機制。Sun等[22]采用細尺度參數(shù)化的方法，研究了南海北部湍流混合的時間變異性，發(fā)現(xiàn)內(nèi)潮、風以及中尺度渦與海底地形相互作用產(chǎn)生的近慣性內(nèi)波可能是強混合的影響因素。此外，還有一些直接微結(jié)構(gòu)觀測的結(jié)果。St.Laurent[23]利用南海北部陸架區(qū)湍流混合的直接觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在東沙島東北大陸架斷裂區(qū)的湍耗散水平可以達到10-6W·kg-1。Lozovatsky等[24]研究了南海北部深海盆和大陸架區(qū)域湍流耗散的空間結(jié)構(gòu)和時間變異性?；谖⒔Y(jié)構(gòu)剖面儀的觀測結(jié)果，Yang等[25]發(fā)現(xiàn)南海北部全日潮和半日潮引起的剪切不穩(wěn)定控制陸架區(qū)的湍流混合，黑潮引起的剪切不穩(wěn)定控制著陸坡區(qū)的湍流混合。Shang等[26]對南海的微結(jié)構(gòu)剖面數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)南海較強的湍流混合區(qū)域主要集中在呂宋海峽西側(cè)，其強度與呂宋海峽生成的內(nèi)潮密切相關(guān)。

理論與觀測表明，海洋中剪切不穩(wěn)定可以誘發(fā)湍流混合[27]，其強度可以使用10～20 m尺度的流速剪切來量化。錨系潛標上裝配的聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)可以實線流速的長期連續(xù)觀測，通過進一步分析可以精確區(qū)分海洋中內(nèi)潮、近慣性內(nèi)波和低頻流動等不同頻率的運動，從而更好地研究細尺度湍流剪切及其導(dǎo)致的湍流混合的時間變化和調(diào)控機制。Zhang等[28]使用17套潛標一年的ADCP流速數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)海洋上層的流速剪切及其導(dǎo)致的混合率在熱帶-亞熱帶西北太平洋呈現(xiàn)“W”形的經(jīng)向分布規(guī)律，三個峰值分別由赤道區(qū)域背景流系的強垂向剪切、全日內(nèi)潮的次諧波不穩(wěn)定以及中尺度暖渦的“慣性煙囪”效應(yīng)所導(dǎo)致。因此，通過研究內(nèi)潮、近慣性內(nèi)波和中尺度渦等引起的剪切將加深對它們驅(qū)動混合機制的理解。由于觀測數(shù)據(jù)的不足，前人對南海剪切開展的工作相對較少。Xu等[29]基于南海大陸架上的2個月潛標觀測數(shù)據(jù)，比較了全日和半日內(nèi)潮所引起的剪切，結(jié)果表明，在45 m深度全日內(nèi)潮引起的剪切強于半日內(nèi)潮，在45 m之下高模態(tài)的半日內(nèi)潮對剪切貢獻更大。Xu 等[30]使用9個月的潛標觀測資料發(fā)現(xiàn)在平靜期內(nèi)潮剪切強于近慣性剪切，而在臺風經(jīng)過期間近慣性剪切強于內(nèi)潮剪切。Cao等[31]使用南海6套潛標研究了南海北部的上層剪切，發(fā)現(xiàn)近慣性內(nèi)波對剪切具有重要貢獻，內(nèi)潮的非相干分量相比于相干分量貢獻更大，個例研究表明秋冬季的中尺度渦對并沒有顯著增強海洋上層的剪切。該研究受限于觀測時間長度并沒有給出剪切的季節(jié)變化，且高度計結(jié)果表明，觀測期間冬季的黑潮脫落渦旋強度較弱，對剪切的影響并不顯著。

綜上可知，受限于觀測手段和觀測時間長度，前人對南海北部上層剪切的季節(jié)變化研究相對較少，而有限的幾次研究得到的結(jié)論存在較大差異。為進一步探究該問題，本文基于南海北部陸坡區(qū)一套潛標接近一年的高分辨率流速觀測數(shù)據(jù)，分析了南海北部上層細尺度流速剪切的時間變化規(guī)律，并初步分析其調(diào)控機制。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 潛標數(shù)據(jù)

2011年4月27日—2012年3月30日在南海北部陸坡區(qū)進行了長達11個月的錨系潛標觀測。潛標編號為IW5，所處的位置為117°52′E，21°6′N，水深約為960 m(見圖1)。該潛標裝配有ADCP和溫度鏈，對潛標點處的流場和溫度場開展觀測。其中在距離海表500 m處架裝了上打和下打75 kHz的ADCP以覆蓋接近全水深的高頻流速觀測，時間采樣間隔為5 min，層間距為8 m。所獲取的高頻ADCP數(shù)據(jù)利用后向散射系數(shù)剔除了異常數(shù)據(jù)，解決了由于潛標偏降對數(shù)據(jù)造成的影響，為方便后續(xù)的計算與分析，本文將所有ADCP觀測的流速數(shù)據(jù)垂向插值到5 m標準層上，由于本文研究區(qū)域的局地慣性周期在 30 h以上，所以將高采樣頻率的觀測數(shù)據(jù)在時間上取1 h的平均值。在ADCP觀測的最上層，尤其是在冬季，數(shù)據(jù)的缺測率較高，這可能與冬季活躍的中尺度渦過程導(dǎo)致的潛標偏降有關(guān)。相比較混合層內(nèi)，混合層以下的湍流混合較為穩(wěn)定，并沒有受混合層內(nèi)的強對流混合和表面浮力通量等因素影響[32]，因此本文主要研究溫躍層內(nèi)的混合，選取80～460 m作為有效觀測深度，使用范圍內(nèi)的流速數(shù)據(jù)展開分析。預(yù)處理后的流速剖面的垂向空間分辨率為 5 m，時間分辨率為 1 h，最終的海洋上層流速剖面如圖2所示。詳細的數(shù)據(jù)介紹可參見Zhang等[33]的工作。

(地形數(shù)據(jù)來源ETOPO2，圖中200、1 000 和3 000 m等深線用虛線標出。The topography is from ETOPO2 data.The 200, 1 000, and 3 000 m isobaths are marked with dashed lines.)

圖2 觀測期間緯向流速(a)和經(jīng)向流速(b)的時間深度圖

1.2 海面相對渦度的計算

南海東北部海域的中尺度渦旋活動十分活躍，為了更好地研究中尺度渦對潛標觀測點處的動力過程的影響，本文使用了觀測期間的高度計海表面異常(SLA)和表層絕對地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)、，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1天，數(shù)據(jù)下載地址為：http://marine.copernicus.cn/。使用海表面絕對地轉(zhuǎn)流計算相對渦度ζ，計算公式為：

ξ=?vg/?x-?ug/?y。

(1)

1.3 海面風應(yīng)力做功的計算

風向混合層的近慣性輸入做功可以通過如下公式計算：

WW=τ·us。

(2)

其中:τ和us分別是海表面風應(yīng)力和海表面近慣性流速。由于缺乏現(xiàn)場風場觀測數(shù)據(jù)，本文使用了歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)發(fā)布的10 m高度的風速數(shù)據(jù)，水平空間分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為6 h，數(shù)據(jù)下載地址為：http://apps.ecmwf.int/datasets/?；?0 m高度的風速數(shù)據(jù)，海面風應(yīng)力τ可以使用公式(3)計算[34]：

τ=ρaCDU10u10。

(3)

其中：u10為海面10 m風速矢量；u10為絕對風速；ρa為空氣密度(取為1.3 kg·m-3)；c0為拖曳系數(shù)，拖曳系數(shù)的計算公式根據(jù)Oey等[35]的工作如下所示：

(4)

由于潛標ADCP很難獲取上50 m的流速觀測數(shù)據(jù)，本文根據(jù)前人的研究利用混合層平板模型[36-37]求解海表面近慣性流速。模型的控制方程為：

其中：τx和τy分別是緯向和經(jīng)向風應(yīng)力；ρ0表示海水密度；H為混合層厚度；r是阻尼系數(shù)。模型中的風應(yīng)力強迫使用ECMWF的10 m高度的風速數(shù)據(jù)，為了模型的穩(wěn)定性，原始風速數(shù)據(jù)首先被插值到1 h分辨率上，混合層深度數(shù)據(jù)使用IPDRC的月平均Argo數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載地址為：http://apdrc.soest.hawaii.edu/，采用經(jīng)驗系數(shù)r=0.15 f作為阻尼系數(shù)[38]。

本文還使用了日本氣象廳發(fā)布的Best-Track臺風資料數(shù)據(jù)集，時間分辨率為6 h，包括臺風名稱、臺風編號、經(jīng)緯度、最大風速等臺風信息，數(shù)據(jù)下載地址為：http://www.jma.go.jp/jma/indexe.html。

2 細尺度湍流剪切的時間變化及調(diào)控機制

2.1 頻譜分析

基于質(zhì)量控制之后的小時平均流速數(shù)據(jù)，可以計算流速的垂向剪切：

uz=?u/?z,vz=?v/?z。

(7)

這里采用中心差分格式計算垂向剪切，即?z取10 m。首先對各層原始流速u和v分別譜分析，然后將各層的譜分析結(jié)果在整個深度范圍取平均，最后將u和v的譜相加得到流速的譜密度分布(見圖3(a))，對流速垂向剪切做類似處理得到剪切的譜密度分布(見圖3(b))。在流速的譜密度分布中可以觀察到在O1、K1、M2和S2頻率處存在明顯譜峰，局地慣性頻率附近表現(xiàn)出明顯的寬譜特征，根據(jù)流速的譜密度分布和前人的研究，本文使用四階巴特沃斯濾波器將流速分解成不同的頻段，具體來說半日、全日和近慣性頻段的帶通濾波范圍分別為11～14 h，20～27 h時和2π/(1.2-0.8)f0-1，其中f0為潛標所在緯度的局地慣性頻率，亞慣性流速的獲取使用2π/0.5f0-1低通濾波，濾波范圍如圖中淺藍色陰影所示。流速功率譜中亞慣性、近慣性、全日和半日內(nèi)潮頻段的譜能量積分結(jié)果分別占到總譜能量的51%、7%、17%和13%，四者之和超過了總譜能量的88%。計算剪切譜的譜能量積分結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，當頻率高于3 cpd時，譜密度分布基本以白噪聲為主，因此選取0～3 cpd的積分結(jié)果作為剪切譜的總譜能量，這樣剪切譜中四個頻段的結(jié)果分別占到總譜能量的18%、22%、19%和11%，四者之和超過了總譜能量的70%，剩余能量主要存在于近慣性內(nèi)波和內(nèi)潮之間非線性相互作用產(chǎn)生的次級波動中。從圖3的結(jié)果可以明顯看出近慣性頻段在流速譜中能量較弱，但在剪切譜中能量最強。

((a)表示流速的功率譜分析結(jié)果，黑色虛線為主要內(nèi)波頻率，陰影表示濾波范圍。圖(b)與(a)類似但表示的是流速剪切的功率譜分析。(a)Spectrum analysis of the velocity.The black dashed lines denote the main internal wave frequency and the shadows denote the filter range.(b)is the same as(a)but for the velocity shear.)

2.2 時間變化

對濾波之后的四個頻段的流速分別計算細尺度流速剪切的平方(S2)：

S2=(?u/?z)2+(?v/?z)2,

(8)

得到各分量S2的時間深度分布圖(見圖4(b)～(e))以及四個分量S2之和(見圖4(a))的結(jié)果。其中亞慣性S2的高值主要集中在上300 m，且在12月底至2月中旬存在明顯高值區(qū)；近慣性S2高值影響的深度明顯大于其他三者，且存在向下傳播的特征。相比較于亞慣性S2和近慣性S2，半日和全日內(nèi)潮頻段的S2相對較弱，在整個深度上表現(xiàn)出隨深度增加而減弱的特征。

(圖中的底色均是對S2取以10為底的對數(shù)之后的結(jié)果。The contourf is the result of logarithm of the S2.)

為了進一步凸顯S2的時間變化，本文對整個上層的S2做了深度平均和月平均處理(見圖5(a))。由圖3的結(jié)果表明，剪切主要由亞慣性運動、近慣性內(nèi)波、全日內(nèi)潮以及半日內(nèi)潮導(dǎo)致，因此選擇四者S2之和代替原始S2。圖5(b)反映了各頻段S2占四者S2之和的比例。1和2月亞慣性S2占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是1月，亞慣性S2的貢獻能夠達到56%，其他月份基本上近慣性S2的貢獻最大。半日和全日內(nèi)潮的S2相對較弱。

(黑色、藍色、紅色、紫色和綠色點線分別表示總的、亞慣性、近慣性、全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮分量的S2。The black, blue, red, magenta and green dotted lines indicate the total S2, the sub-inertial, near-inertial, and tidal component, respectively.)

2.3 機制討論

在潛標觀測點處，亞慣性運動主要以中尺度渦過程為主。亞慣性剪切的增強通常是由于背景強流自身具有較大的垂向梯度，導(dǎo)致其垂向剪切大大增加。利用高度計數(shù)據(jù)可以獲取潛標觀測期間周圍海域的渦旋活動情況，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)對應(yīng)于圖4中12月底至2月中旬的亞慣性剪切增強現(xiàn)象，一個超強暖渦完整經(jīng)過潛標站位，根據(jù)高度計數(shù)據(jù)給出的渦旋演變過程，發(fā)現(xiàn)該中尺度暖渦為黑潮脫落渦旋。關(guān)于此類渦旋的產(chǎn)生和廣泛性前人已經(jīng)做了較多的研究[5,33,39]，研究表明，該類渦旋流速較大，且具有顯著的斜壓結(jié)構(gòu)，從而能夠產(chǎn)生強的垂向剪切，因此此處的亞慣性剪切增強現(xiàn)象是由中尺度暖渦自身的強亞慣性流速引起的。

(綠色五角星表示潛標所在位置。The green star indicates the location of mooring.)

夏秋季節(jié)，南海的臺風過程十分活躍，無論是在太平洋生成向西移動進入南海的還是南海局地形成的臺風，都會產(chǎn)生強的瞬時風場，向海洋上混合層輸入近慣性能量。從圖4 和5的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，在6月中旬，7月底和9月底存在三次近慣性剪切增強的現(xiàn)象。利用第2部分介紹的方法，可以計算風場向海表面輸入的近慣性能量和海表面相對渦度，得到如圖7所示的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)三次近慣性剪切增強現(xiàn)象分別對應(yīng)較強的海表面風輸入做功，通過查詢?nèi)毡練庀髲d發(fā)布的Best-Track歷史臺風資料，這三次較強海表面風輸入做功均是由臺風引起的，臺風編號按時間順序分別為HAIMA、NOCK-TEN，NESAT和NALGAE，其中第三次強風做功現(xiàn)象受到兩次臺風共同影響，臺風路徑如圖8所示。圖8中的虛線圓表示臺風移動到離潛標位置最近時的臺風影響范圍，此處定義風速達到30節(jié)的最大半徑為臺風半徑，臺風HAIMA在到達潛標位置處時還是熱帶低壓級，因此Best-Track數(shù)據(jù)中沒有臺風半徑信息。2011年9月下旬的臺風較前兩次強，但近慣性剪切表現(xiàn)出影響深度較淺，持續(xù)時間較短的現(xiàn)象，這可能與臺風過境時的背景渦度場的調(diào)制作用有關(guān)。值的注意的是，在8月底9月初，同樣存在一次較強的海表面風輸入做功，但并沒有引起明顯的近慣性剪切增強現(xiàn)象，通過觀察圖7(b)的海表面相對渦度的變化，其余三次近慣性剪切增強現(xiàn)象的背景渦度均為負渦度，而此次為正渦度。根據(jù)Kunze于1985年提出的理論[40]，暖渦的負相對渦度降低了局地有效慣性頻率(feff=f0+ζ/2，f0是局地慣性頻率)，使得近慣性內(nèi)波的生成頻段變寬，同時已生成的近慣性內(nèi)波無法向渦外傳播，只能在暖渦內(nèi)不斷反射并最終耗散，而冷渦則不利于近慣性內(nèi)波向下傳播。因此均是臺風輸入近慣性能量的前提下，背景渦度為負渦度時發(fā)生明顯的近慣性剪切增強現(xiàn)象，而背景渦度為正渦度時則沒有明顯現(xiàn)象發(fā)生。

圖7 風應(yīng)力做功的時間序列(a)、海表面相對渦度ζ的時間序列(b)及近慣性S2的時間深度圖(c)

(綠色五角星表示潛標所在位置，紅線、綠線和藍線分別對應(yīng)四個臺風的路徑，路徑上的填充圓圈表示該時刻的臺風中心壓強，虛線圓表示臺風影響范圍，圓心為臺風距離潛標最近時刻的位置，此處定義風速達到30節(jié)的最大半徑為臺風半徑。Green star denote the location of mooring.The red, green and blue line correspond to the four typhoon path.The filling circles represent the center pressure of the typhoon at the moment.The dotted circle indicate the range of the typhoon.The center of the circle is the position of the typhoon at the closest time to the mooring.The longest radius of 30kt winds or greater is defined as the radius of the typhoon.)

3 結(jié)論

本文基于南海北部陸坡區(qū)一套觀測時間長達11個月的潛標數(shù)據(jù)，對南海北部上層細尺度湍流剪切的時間變化規(guī)律和調(diào)控機制進行了分析，結(jié)果如下：

(1)亞慣性和近慣性頻段的S2對南海北部上層細尺度流速的S2貢獻最大，其中亞慣性在1月的貢獻占到55%，2月占到37%，其它月份基本以近慣性S2的貢獻最大，占比約為30%～45%，全日和半日內(nèi)潮的S2的貢獻相對較弱。

(2)冬季亞慣性S2增強的原因在于強黑潮脫落暖渦經(jīng)過潛標站位，暖渦自身的斜壓結(jié)構(gòu)伴隨強的垂向剪切；夏秋季節(jié)近慣性S2增強主要是由臺風過程引起的，強風過程可以激發(fā)海洋上層強的近慣性運動，背景渦度為負渦度相比較于正渦度時，更容易產(chǎn)生強近慣性剪切。

由于強風過程和中尺度暖渦在整個海洋中都是十分普遍的現(xiàn)象，因此本文提出的風和中尺度渦引起海洋上層剪切增強的時間變化和物理機制能夠定性地適用于其它海域。在海洋模型參數(shù)化方案中考慮剪切以及湍流混合的時間變異性對于提高氣候模擬的準確性具有重要意義。