王 越，黃曉冬，楊運(yùn)超，王嘉琦，趙 瑋,3

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.中國(guó)海洋大學(xué)海洋高等研究院，山東 青島 266100)

天文潮流經(jīng)粗糙的海底地形，如海山[1]、大陸坡[2]和峽谷[3]等，會(huì)使海洋中產(chǎn)生內(nèi)潮[4-5]。內(nèi)潮是深?；旌现匾哪芰縼?lái)源，其在維持深海層結(jié)[6]和驅(qū)動(dòng)大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流[7]過(guò)程中均發(fā)揮著重要作用。實(shí)際海洋中的內(nèi)潮具有顯著的時(shí)間變化特征，使其導(dǎo)致的深海混合的強(qiáng)度隨時(shí)間也會(huì)發(fā)生改變[8]，進(jìn)而可對(duì)氣候的變化產(chǎn)生影響[9]。因此，探究海洋中內(nèi)潮的時(shí)間變化規(guī)律可加深人類(lèi)對(duì)深?；旌献兓卣鞯恼J(rèn)知，對(duì)提高大洋環(huán)流模擬和全球氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性具有重要意義。

為便于研究?jī)?nèi)潮的時(shí)間變化特征，通常將內(nèi)潮的信號(hào)分解為相干與非相干兩部分[10-15]。內(nèi)潮的相干部分與源地正壓潮在時(shí)間變化上具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者的相位變化保持一致。若海洋中背景流與背景層結(jié)不存在時(shí)間變化，則所有的內(nèi)潮均是相干的，根據(jù)源地正壓潮的時(shí)間變化可以預(yù)測(cè)出海洋中內(nèi)潮的時(shí)間變化。海洋中變化的背景場(chǎng)與背景層結(jié)可顯著影響內(nèi)潮的傳播[10-15]，包括改變傳播速度的大小與方向以及內(nèi)潮的相位，使得內(nèi)潮信號(hào)中相干部分占比減少，非相干部分占比增加。在呂宋海峽，觀測(cè)結(jié)果表明內(nèi)潮的非相干部分能量占比甚至可超過(guò)50%[16]，表明非相干內(nèi)潮是研究?jī)?nèi)潮時(shí)間變化特征過(guò)程中不可忽略的一部分，且相較于相干部分，內(nèi)潮的非相干部分是難于模擬和預(yù)測(cè)的[11,16]。因此，闡明非相干內(nèi)潮的特征和探明其產(chǎn)生機(jī)制是認(rèn)知內(nèi)潮時(shí)間變化規(guī)律的關(guān)鍵所在。

對(duì)于內(nèi)潮的非相干部分的分析研究，前人已在不同海區(qū)開(kāi)展了一系列的研究工作。在夏威夷海脊周?chē)膮^(qū)域，Zaron和Egbert[17]發(fā)現(xiàn)變化的背景場(chǎng)使內(nèi)潮的相速度發(fā)生改變，進(jìn)而非相干內(nèi)潮的能量占比增加。Buijsman等[13]在赤道太平洋海域的研究表明，赤道海域存在隨時(shí)間變化的強(qiáng)剪切流，使得此海域內(nèi)潮的相干性較低。在近海海域，Kumar等[15]在陸架海域觀測(cè)到內(nèi)潮的非相干信號(hào)，認(rèn)為這與變化的背景層結(jié)和中尺度或亞中尺度的動(dòng)力過(guò)程有關(guān)。風(fēng)驅(qū)動(dòng)的上升流可顯著改變海洋中的背景場(chǎng)(包括背景層結(jié)與背景流)，導(dǎo)致大陸架內(nèi)潮的非相干部分信號(hào)增強(qiáng)[18]。通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，不同海域非相干內(nèi)潮的成因會(huì)有所不同，所以針對(duì)不同海域的非相干內(nèi)潮進(jìn)行具體研究分析是很有必要的。

南海作為西太平洋最大的邊緣海，其內(nèi)潮信號(hào)十分活躍，并且此海域還存在黑潮和中尺度渦等動(dòng)力過(guò)程，是研究非相干內(nèi)潮的一個(gè)良好的天然場(chǎng)所。已有研究表明，黑潮入侵[16]會(huì)使呂宋海峽內(nèi)部?jī)?nèi)潮的相干性降低，但對(duì)于呂宋海峽以西的南海東北部深海海域內(nèi)潮的相干性的研究，尤其是關(guān)于內(nèi)潮的非相干部分成因的分析研究較少。本文利用了南海東北部海域潛標(biāo)觀測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，描述了非相干內(nèi)潮特征中與相干內(nèi)潮的不同之處，并分析了非相干內(nèi)潮的成因。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 潛標(biāo)數(shù)據(jù)的處理

在南海東北部，標(biāo)號(hào)為A1的潛標(biāo)(見(jiàn)圖1)在2010年6月25日～8月5日期間被布放在此海域。該潛標(biāo)上配置有一臺(tái)上打的75 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic doppler current profilers，ADCP)來(lái)測(cè)量海洋上層的海水流速，儀器所在深度約為420 m，垂向采樣間隔為16 m，時(shí)間分辨率為3 min。

圖1 標(biāo)號(hào)為A1的潛標(biāo)在南海東北部的具體位置以及該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

將觀測(cè)的流速數(shù)據(jù)線(xiàn)性插值到垂向間隔為5 m和時(shí)間間隔為30 min的網(wǎng)格上。在進(jìn)行時(shí)間插值之前，若某一深度上流速數(shù)據(jù)在整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi)的覆蓋率不低于95%，則將該深度上的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間插值，并補(bǔ)齊缺測(cè)部分，否則該深度上的數(shù)據(jù)視為無(wú)效。用帶通濾波的方法從流速數(shù)據(jù)中提取全日潮流u，使用的頻帶為[0.85，1.10] cpd，然后再通過(guò)公式(1)獲得全日內(nèi)潮的流速u(mài)′：

u′ =u-uBT。

(1)

式中uBT為全日正壓潮流，利用模型TPXO7.2[19]可計(jì)算得出。在呂宋海峽周?chē)Ｓ颍撃Ｐ偷恼龎撼绷鲾?shù)據(jù)可以較好地吻合潛標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果[5,20]。全日內(nèi)潮深度積分后的水平動(dòng)能(Horizontal kinetic energy，HKE)由下式計(jì)算：

(2)

u′i=u′-u′c。

(3)

類(lèi)似地，水平動(dòng)能也可進(jìn)行上述分解：

(4)

HKEi= HKE - HKEc。

(5)

1.2 射線(xiàn)追蹤模型

為研究背景場(chǎng)的變化對(duì)從呂宋海峽生成的全日內(nèi)潮的影響，本文使用了射線(xiàn)追蹤模型[21]，模型的控制方程如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

α= tan-1(py/px)。

(11)

式中：ds是水平坐標(biāo)系(x,y)里的射線(xiàn)長(zhǎng)度微元；px和py是相位的空間偏導(dǎo)數(shù)；Q為歸一化因子；α為相位傳播的方向；S(θ)表示θ方向上第一模態(tài)相速度cp的倒數(shù)。關(guān)于相速度的計(jì)算，本文使用了考慮背景流U(沿內(nèi)潮傳播方向)、背景層結(jié)N2和科氏頻率f的T-G方程[20]：

(12)

式中：k為內(nèi)潮的水平波數(shù)；Φ為垂向位移的模態(tài)函數(shù)，背景層結(jié)和背景流可從混合坐標(biāo)海洋模式(Hybrid coordinate ocean model，HYCOM)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品中獲得。

2 觀測(cè)結(jié)果

2.1 全日內(nèi)潮及其相干部分

為便于將內(nèi)潮的非相干部分的觀測(cè)結(jié)果與相干部分進(jìn)行對(duì)比分析，在研究全日內(nèi)潮的非相干部分之前，有必要對(duì)內(nèi)潮及其相干部分的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行描述。圖2(a)～(b)分別展示了全日內(nèi)潮的緯向和經(jīng)向流速，強(qiáng)全日內(nèi)潮潮流(大于0.3 ms-1)集中在上層200 m，內(nèi)潮水平動(dòng)能的計(jì)算結(jié)果同樣體現(xiàn)出來(lái)這一點(diǎn)(見(jiàn)圖2(c))，內(nèi)潮能量的高值區(qū)域(大于50 Jm-3)主要位于海水的上層200 m。全日內(nèi)潮動(dòng)能深度積分后的結(jié)果表明(見(jiàn)圖2(f)，黑線(xiàn))，內(nèi)潮動(dòng)能在時(shí)間變化上受大小潮的調(diào)制作用明顯，并在7月28日達(dá)到最大值(6.5 kJm-2)。

圖2 潛標(biāo)觀測(cè)所得的全日內(nèi)潮的緯向流(a)、經(jīng)向流(b)、水平動(dòng)能(c)、相干部分水平動(dòng)能(d)、非相干部分水平動(dòng)能(e)以及動(dòng)能深度積分后的時(shí)間序列(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

與濾波后的全日內(nèi)潮的結(jié)果相似，內(nèi)潮相干部分的動(dòng)能的高值區(qū)域(大于40 Jm-3)也主要集中在海水的上層(見(jiàn)圖2(d))，其深度積分后的時(shí)間序列的最大值約為5.3 kJm-2。潮流橢圓的結(jié)果表明(見(jiàn)圖3)，內(nèi)潮潮流的最大流速隨深度的增加明顯減小，以K1分潮為例(觀測(cè)中K1分潮的信號(hào)強(qiáng)于O1和Q1)，從100 m深度的0.18 ms-1下降到400 m深度的0.05 ms-1，這符合上文中提及的全日相干內(nèi)潮動(dòng)能的垂向分布特征；潮流橢圓最大流速的方向(東向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))隨深度的增加亦有明顯的變化，在110～380 m的深度范圍內(nèi)，最大流速的方向大于180°，表明此深度范圍內(nèi)全日內(nèi)潮的相干部分主要沿東北-西南方向傳播，而在其他觀測(cè)深度其小于180°。以潮流橢圓的最大流速大小為權(quán)重，對(duì)不同深度上的最大流速的方向進(jìn)行平均，計(jì)算結(jié)果為189°，結(jié)合潛標(biāo)所處的地理位置，可認(rèn)為全日內(nèi)潮的相干部分主要來(lái)自于呂宋海峽的北部區(qū)域。

(虛線(xiàn)代表180°方向。The black dotted line represents the inclination of 180°.)圖3 不同深度處K1斜壓分潮潮流橢圓的最大流速大小(a)和最大流速方向(東向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))(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 全日內(nèi)潮的非相干部分

全日非相干內(nèi)潮動(dòng)能的深度積分值在7月27日～8月2日期間明顯較高(見(jiàn)圖2(f)，紅線(xiàn))，在7月31日達(dá)到最大值(4.1 kJm-2)，其能量強(qiáng)度與相干部分的動(dòng)能處于同一量級(jí)，同時(shí)全日內(nèi)潮的總能量強(qiáng)度在這一天達(dá)到了預(yù)期(相干部分)的兩倍。相對(duì)于濾波后的全日內(nèi)潮，非相干內(nèi)潮動(dòng)能在7月31日的能量占比可高達(dá)70%，這表明在研究?jī)?nèi)潮的時(shí)間變化特征過(guò)程中，內(nèi)潮的非相干部分是不可忽略的一部分。將不同深度上全日內(nèi)潮的動(dòng)能做時(shí)間平均，得到內(nèi)潮能量的垂向分布結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，結(jié)果表明，與全日相干內(nèi)潮的動(dòng)能隨深度增加逐漸減小的變化趨勢(shì)不同，非相干內(nèi)潮動(dòng)能在120 m深度處達(dá)到最大值(28.8 Jm-3)。

圖5展示了對(duì)不同長(zhǎng)度的時(shí)間序列進(jìn)行調(diào)和分析所得K1斜壓分潮的相位變化，其中紅線(xiàn)代表3天滑動(dòng)調(diào)和分析的結(jié)果，黑線(xiàn)為對(duì)整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析的結(jié)果。與整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的調(diào)和分析結(jié)果(黑線(xiàn)，即相干部分)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在7月27日～8月2日時(shí)間段內(nèi)，兩種調(diào)和分析方法的結(jié)果具有明顯的差別，表明在此期間內(nèi)內(nèi)潮的非相干部分較強(qiáng)；二者的相位差的平均值約為4 π/9(120 m深度處的結(jié)果)，說(shuō)明從源地到潛標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)，相干內(nèi)潮與非相干內(nèi)潮在傳播時(shí)間上相差約5.3 h。對(duì)7月27日～8月2日期間內(nèi)非相干內(nèi)潮水平流速進(jìn)行調(diào)和分析，得到非相干內(nèi)潮K1分潮潮流橢圓的最大流速大小和方向，如圖6所示，在110～380 m的深度范圍內(nèi)，其數(shù)值小于180°?？紤]到相對(duì)于整個(gè)觀測(cè)深度范圍的非相干內(nèi)潮，此深度區(qū)間內(nèi)非相干內(nèi)潮能量占比超過(guò)80%，因此可認(rèn)為非相干內(nèi)潮的傳播方向主要沿東南-西北方向，能量主要來(lái)自海峽的中南部區(qū)域。

圖4 在7月27日～8月2日觀測(cè)期間內(nèi)全日內(nèi)潮動(dòng)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幅圖中紅線(xiàn)代表的是窗口為3 d的滑動(dòng)調(diào)和分析的結(jié)果，黑線(xiàn)則由整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)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.)

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

2.3 射線(xiàn)追蹤模型的應(yīng)用

由于非相干內(nèi)潮信號(hào)的變化與背景場(chǎng)(包括背景流與背景層結(jié))的變化密切相關(guān)，本文使用了射線(xiàn)追蹤的模型對(duì)非相干內(nèi)潮的成因進(jìn)行分析。射線(xiàn)追蹤模型的運(yùn)行除了需要對(duì)方程進(jìn)行計(jì)算，還需要設(shè)置初始條件。

模型的初始條件包括射線(xiàn)的初始位置和初始方向。射線(xiàn)初始位置的選取需考慮以下三個(gè)因素：(1)選擇內(nèi)潮生成率高值區(qū)域作為射線(xiàn)的初始位置，南海東北部的全日內(nèi)潮主要來(lái)自于呂宋海峽的中南部[5,22-23]，因此射線(xiàn)的起點(diǎn)應(yīng)包括海峽的中南部區(qū)域；(2)考慮到本文使用的潛標(biāo)位于海峽的西側(cè)，需排除能通量方向向東的全日內(nèi)潮生成區(qū)域；(3)觀測(cè)結(jié)果表明全日內(nèi)潮的相干部分主要來(lái)自于海峽北部，射線(xiàn)的初始位置需包括海峽北部?jī)?nèi)潮生成率高值區(qū)域。綜合以上三點(diǎn)，最終選擇的全日內(nèi)潮射線(xiàn)的初始位置包含海峽北部、中部和南部三塊區(qū)域，且射線(xiàn)的起點(diǎn)沿1 500 m等深線(xiàn)分布(見(jiàn)圖7，粗黑實(shí)線(xiàn))；射線(xiàn)的初始方向?yàn)榇怪庇诘壬罹€(xiàn)方向且指向呂宋海峽西側(cè)。

(細(xì)黑實(shí)線(xiàn)為500，1 000和1 500 m等深線(xiàn)；藍(lán)色箭頭由HYCOM數(shù)據(jù)所得的海表面背景流場(chǎng)；粗黑實(shí)線(xiàn)為射線(xiàn)的初始位置；射線(xiàn)不同的顏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.)

本文針對(duì)不同時(shí)間均使用了射線(xiàn)追蹤模型。圖7展示了6月29日和7月31日的結(jié)果，觀測(cè)結(jié)果表明，在6月29日左右非相干內(nèi)潮能量很小(見(jiàn)圖2(f))，可將其結(jié)果作為參照。將7月31日的模型結(jié)果與之對(duì)比，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在7月31日有更多的內(nèi)潮射線(xiàn)經(jīng)過(guò)A1潛標(biāo)附近海域，這部分射線(xiàn)主要源自海峽的中部，少部分來(lái)自海峽的南部(注意，圖中藍(lán)綠色射線(xiàn)代表內(nèi)潮的相干部分，在此處并不重點(diǎn)關(guān)注)。與此同時(shí)，對(duì)比兩天的背景流場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，在7月31日黑潮具有明顯的入侵南海的現(xiàn)象，因此觀測(cè)結(jié)果中非相干內(nèi)潮能量的增強(qiáng)應(yīng)該與黑潮入侵有關(guān)。

為進(jìn)一步明確非相干內(nèi)潮的能量來(lái)源，本文對(duì)7月31日左右的全日內(nèi)潮流速做調(diào)和分析，計(jì)算了潮流橢圓最大流速大小以及方向，再將110～380 m深度范圍內(nèi)的最大流速方向以最大流速大小為權(quán)重做深度平均，結(jié)果為146°，與7月31日射線(xiàn)追蹤模型結(jié)果中源自海峽中部的射線(xiàn)(150°)較為吻和，表明觀測(cè)到的非相干內(nèi)潮的能量來(lái)自于呂宋海峽的中部海域。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，本文基于7月31日射線(xiàn)追蹤模型中源自海峽北部和源自海峽中部射線(xiàn)的結(jié)果，計(jì)算了這兩種內(nèi)潮射線(xiàn)從初始位置傳至潛標(biāo)附近海域所需的傳播時(shí)間之差，結(jié)果約為5 h，這與前文中由觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果相近。

前面的分析結(jié)果表明，非相干內(nèi)潮能量的增強(qiáng)與黑潮入侵有關(guān)，并且能量主要來(lái)自于呂宋海峽的中部。結(jié)合這兩個(gè)分析結(jié)果，可認(rèn)為黑潮的入侵使得海峽中部生成的內(nèi)潮向北折射，造成潛標(biāo)觀測(cè)處非相干內(nèi)潮能量的增強(qiáng)。這種折射同時(shí)使得源自不同源地內(nèi)潮的能量在潛標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)附近海域疊加，導(dǎo)致全日內(nèi)潮能量增強(qiáng)，使其最大值出現(xiàn)在7月28日，而并非7月25日(見(jiàn)圖2(f))。

前面的分析結(jié)果表明非相干內(nèi)潮能量的增強(qiáng)與黑潮入侵有關(guān)，但在此過(guò)程中背景流和背景層結(jié)二者發(fā)揮的作用大小尚不可知，在此本文對(duì)7月31日射線(xiàn)追蹤模型的結(jié)果做了一組敏感性試驗(yàn)，分別以以下四種情況進(jìn)行：(1)水平變化的層結(jié)與有背景流存在；(2)水平均勻的層結(jié)與有背景流存在；(3)水平變化的層結(jié)與無(wú)背景流存在；(4)水平均勻的層結(jié)與無(wú)背景流存在，結(jié)果如圖8所示。通過(guò)對(duì)比圖8中上面兩幅分圖可以發(fā)現(xiàn)，背景層結(jié)的水平變化對(duì)模型的運(yùn)算結(jié)果影響較小，而若背景流不存在，源自海峽中部的內(nèi)潮射線(xiàn)難以抵達(dá)潛標(biāo)附近海域，因此可認(rèn)為在黑潮入侵使得全日內(nèi)潮向北折射這一過(guò)程中，背景流發(fā)揮著主導(dǎo)作用。

((a)水平變化的層結(jié)與有背景流存在，兩者均可由HYCOM數(shù)據(jù)資料獲得；(b)水平均勻的層結(jié)(N0)與有背景流存在；(c)水平變化的層結(jié)與無(wú)背景流存在；(d)水平均勻的層結(jié)與無(wú)背景流存在，水平均勻的層結(jié)由WOA13(World Ocean Atlas 2013)夏季的溫鹽資料計(jì)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 總結(jié)與展望

本文基于潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，描述了全日內(nèi)潮非相干部分的特征，并與相干部分做了對(duì)比，最后則利用射線(xiàn)追蹤模型對(duì)其成因進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)果如下：

(1) 全日非相干內(nèi)潮的能量在7月27日～8月2日期間明顯增強(qiáng)，相對(duì)于濾波后全日內(nèi)潮的能量，其能量占比最高可達(dá)70%；其能量的垂向分布與內(nèi)潮的相干部分大不相同，并非隨深度的增加而減小，而是在120 m深度附近處達(dá)到最大值。

(2) 黑潮入侵使得源自海峽中部的全日內(nèi)潮向北折射，引起觀測(cè)潛標(biāo)處非相干內(nèi)潮能量的增強(qiáng)，同時(shí)使得源自不同源地的內(nèi)潮在此處疊加，導(dǎo)致全日內(nèi)潮能量最大值的出現(xiàn)時(shí)間滯后于預(yù)期結(jié)果。

觀測(cè)結(jié)果顯示，與相干內(nèi)潮相比，非相干內(nèi)潮的垂直結(jié)構(gòu)顯著不同，這可能與海洋中背景層結(jié)的變化有關(guān)。分析結(jié)果表明源自不同源地內(nèi)潮的疊加這一現(xiàn)象使局地的內(nèi)潮能量突然增強(qiáng)，這可能引起局部區(qū)域深層海水的混合增強(qiáng)，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)海洋中深層環(huán)流產(chǎn)生影響，這些均需要我們?cè)谝院蟮墓ぷ髦羞M(jìn)行分析和研究。此外關(guān)于黑潮入侵使得內(nèi)潮能量折射這一現(xiàn)象的詳細(xì)調(diào)控機(jī)制也需加以探究。