楊瀟霄, 曹海錦, 經(jīng)志友

1. 河海大學(xué)海洋學(xué)院, 江蘇 南京 210024;

2. 熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301

海洋環(huán)流中包含復(fù)雜的多尺度動力過程。以往對于渦旋的研究主要側(cè)重于大尺度和中尺度過程(地轉(zhuǎn)平衡條件)(Ferrari et al, 2009), 尤其近幾十年來, 衛(wèi)星高度計的成功應(yīng)用大力推動了海洋中尺度過程的研究(Stammer, 1997; Chelton et al, 2007)。然而由于目前觀測能力在空間分辨率上的限制, 海洋中的次中尺度[空間尺度O(0.1～10km), 時間尺度O(1d)]過程難以被準(zhǔn)確的觀測。盡管近年來, 海洋的水色衛(wèi)星、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)圖像能夠捕捉到次中尺度過程的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)(Zeng et al, 2014; Zheng, 2017; Yu et al, 2018), 但僅通過瞬時的圖像難以用于研究其復(fù)雜的動態(tài)特征和形成機制等問題。隨著觀測和數(shù)值模擬水平的提高, 大量研究表明次中尺度過程對海洋中能量正向串級有著重要作用(McWilliams et al, 2001; Capet et al, 2008), 同時由于其非地轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的垂向速度較中尺度過程大一個量級, 對海洋中熱量、鹽度、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)的垂向交換也起到了至關(guān)重要的作用(e.g., Rudnick et al, 1996; Spall et al, 2000; Lapeyre et al, 2006; Mahadevan et al, 2006)。

次中尺度流具有較強的局地渦度(接近甚至超過行星渦度)以及較小的Richardson數(shù)[O(1)], 表明其同時具有地轉(zhuǎn)與非地轉(zhuǎn)的特征, 且易于發(fā)生剪切不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定。次中尺度流的形成主要受到背景流和強迫場的影響, 動力學(xué)上的主要生成機制包括: 1) 鋒生作用(Thomas et al, 2008); 2) 非強迫作用, 比如非地轉(zhuǎn)斜壓不穩(wěn)定(Molemaker et al,2005; Boccaletti et al, 2007); 3) 外強迫作用, 如浮力損失(Haine et al, 1998), 因此往往具有較大的水平浮力梯度, 且隨著斜壓性的增強, 尤其容易引起位渦的變化。然而, 在實際海洋中往往難以辨別和診斷其形成機制。

南海是西太平洋最大的邊緣海, 由于其獨特的地形特征、受季風(fēng)影響顯著、黑潮入侵等特點, 有著豐富的中尺度渦旋和鋒面(或渦絲)結(jié)構(gòu)。這些特征是次中尺度過程形成的背景條件, 因此南海是天然的研究次中尺度過程的實驗海域(Liu et al, 2010;羅士浩 等, 2016; Cao et al, 2019; 黃小龍 等, 2020;Lin et al, 2020; Zhang et al, 2020; Zheng et al, 2020)。其中, 部分學(xué)者重點關(guān)注了南海次中尺度過程的季節(jié)性差異, 尤其在南海北部, 表現(xiàn)出典型的“冬強夏弱”的特征(Dong et al, 2018; Lin et al, 2020; Zhang et al, 2020)。而在空間上, 20°N以北地區(qū)的次中尺度過程普遍強于南部海域(Li et al, 2019)。該區(qū)域冬季豐富的次中尺度過程與混合層不穩(wěn)定以及冬季高應(yīng)變密切相關(guān)(Dong et al, 2018; Zhang et al, 2020), 同時該海域次中尺度渦旋與黑潮和島嶼的相互作用也存在聯(lián)系(Lin et al, 2020)。這些次中尺度過程能夠有效地從地轉(zhuǎn)流中汲取能量, 并對垂向速度產(chǎn)生影響,增強上層海洋混合, 使得混合層深度加深(Liu et al,2010; 羅士浩 等, 2016; 鄭瑞璽 等, 2018)。通過對該區(qū)域中尺度渦旋實驗觀測到的反氣旋渦的橫斷面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測, Zhong等(2017)發(fā)現(xiàn)次中尺度過程可能導(dǎo)致垂向輸送且強度至少比中尺度渦旋大一個量級。Zhang等(2016)通過對該反氣旋渦進(jìn)行能量收支分析, 提出次中尺度過程的生成可能是該區(qū)域反氣旋渦耗散的主要機制。更進(jìn)一步研究指出,不平衡的次中尺度過程可能是該渦旋周邊高混合層湍流耗散率的主要成因(Yang et al, 2017)。而針對南海西部夏季上升流海域, 黃小龍等(2020)通過數(shù)值模擬結(jié)合高分辨率衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)該海域存在豐富次中尺度現(xiàn)象, 并指出沿鋒面射流風(fēng)應(yīng)力引起的浮力損失可能是導(dǎo)致鋒面發(fā)生次中尺度對稱不穩(wěn)定的重要機制之一。Zheng等(2020)綜述了關(guān)于南海次中尺度過程的研究, 并將整個南海的次中尺度過程分為次中尺度波(長內(nèi)波、內(nèi)潮、近慣性波、不穩(wěn)定波等)、次中尺度渦旋、次中尺度陸架過程(如鋒面、離岸射流等)和次中尺度湍流4個大類, 同時發(fā)現(xiàn)針對南海北部次中尺度過程的研究較多, 而針對南部海域的研究較少, 目前對于南海整個海域的次中尺度過程的特征和機制尚不明確。本文基于高分辨率的區(qū)域海洋模型ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式結(jié)果, 分析了南海4個子區(qū)域(北部海域、中部海域、西部海域、南部海域)次中尺度過程的季節(jié)變化特征, 并對比了不同海域的差異。通過對位渦和能量轉(zhuǎn)化的分析, 初步揭示了不同海區(qū)上層海洋次中尺度過程的控制因素和形成機制。

1 模式配置和研究方法

1.1 模式配置

為了研究南海海域次中尺度特征的季節(jié)性變化,采用ROMS模式對南海海域進(jìn)行模擬, 模式使用網(wǎng)格優(yōu)化的單向在線嵌套方案。低水平分辨率模式的空間分辨率約為7.5km, 覆蓋了整個西北太平洋海域(圖1a), 經(jīng)過20年啟動計算達(dá)到統(tǒng)計穩(wěn)定狀態(tài)后,為子區(qū)域高分辨率模式提供初始場和邊界條件, 高分辨率模式水平網(wǎng)格約為1.5km (圖1a中的黑色實線區(qū)域)。模擬區(qū)域為整個南海海域(2°12′—25°36′N,105°—127°E), 時間長度為1年。模式從7.5km嵌套到1.5km (5: 1)相對于多數(shù)3: 1的嵌套原則稍大, 但仍在ROMS手冊的建議范圍之內(nèi)。經(jīng)過對模式結(jié)果的檢驗發(fā)現(xiàn), 在嵌套邊界處有一定的影響, 因而在子區(qū)域模式中, 采用了較大的外邊界, 以避免邊界帶來的影響(圖1b)(Dauhajre et al, 2017)。模式在垂直方向上使用sigma坐標(biāo), 共分60層, 在上層海洋垂向加密, 上層200m為第25層。模式使用的表層大氣強迫(風(fēng)應(yīng)力、熱通量、淡水通量)來源于日平均的快速散射計衛(wèi)星(Quick Scatterometer,QuikSCAT)氣候態(tài)數(shù)據(jù)集以及綜合海洋大氣數(shù)據(jù)集(International Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set, ICOADS)數(shù)據(jù)。最大區(qū)域模擬的邊界和初始條件來自于月平均的簡單海洋數(shù)據(jù)同化的(Simple Ocean Data Assimilation, SODA)海洋氣候態(tài)數(shù)據(jù)。次網(wǎng)格垂向通量和混合采用垂直混合參數(shù)化(K-profile parameterization, KPP)方案。模擬結(jié)果(溫度、表層流以及中尺度渦旋能量水平等)已經(jīng)通過衛(wèi)星測量和有限的現(xiàn)場觀測進(jìn)行檢驗(黃小龍 等, 2020)。

圖1 水平分辨率為7.5km的最大模擬區(qū)域的水深分布情況(a)和水平分辨率1.5km的模擬子區(qū)域(b)圖a中的方框為圖b區(qū)域。圖b中的方框表示不同的研究區(qū)域; 紅色虛線表示南海諸島歸屬范圍線; 黑色虛線表示200m等深線。R1表示北部研究海域; R2表示中部研究海域; R3表示西部研究海域; R4表示南部研究海域。該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2016)1665的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 1 Water depth in the largest model domain with a horizontal resolution of 7.5 km (a), and in the sub-region with a horizontal resolution of 1.5 km (b)

由于本文主要關(guān)注上層海洋的次中尺度過程(Tandon et al, 1995; Boccaletti et al, 2007), 因此本文主要研究上層200m的次中尺度過程, 子區(qū)域的劃分如圖1b中黑框所示。需要指出, 本文在模式中并未考慮潮汐強迫, 因而無法對內(nèi)波和次中尺度過程的相互作用進(jìn)行討論。這是因為內(nèi)波在一定程度上會加強次中尺度過程的形成, 并且由于部分內(nèi)波和次中尺度的時空尺度接近, 會給模擬數(shù)據(jù)的分析帶來一定的難度(Torres et al, 2018; Cao et al, 2019)。

1.2 次中尺度特征參數(shù)

垂向相對渦度量級達(dá)到甚至超越行星渦度是次中尺度過程的重要特征, 其計算公式為:

式中,u、v為水平背景速度場(單位: m·s–1)。垂向相對渦度(ζ)的絕對值越大, 次中尺度渦旋特征也就越明顯, 次中尺度過程也就越活躍(Qiu et al, 2014)。此外, 流場應(yīng)變率(S)公式為:

以及水平方向散度(δ)公式為:

以上變量都能在一定程度上反應(yīng)次中尺度過程中局地流場的強烈變化。水平應(yīng)變率能夠表征流場水平變形的強弱, 強烈的水平流場拉伸往往暗示了強烈的鋒生過程(Thomas et al, 2008), 加速傾斜的鋒面容易導(dǎo)致次中尺度不穩(wěn)定。水平散度對于滿足體積守恒的不可壓縮流體而言與垂向速度梯度-相匹配, 式中w表示垂向速度(單位: m·s–1), 表征了垂向速度場在垂直方向的變化, 同時也表現(xiàn)了流場的輻聚/輻散。為方便比較, 這些特征參數(shù)均被除以科氏參數(shù)f進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

位勢渦度(Potential vorticity, PV)作為重要的動力學(xué)示蹤劑, 是判斷海洋環(huán)流以及多尺度動力過程穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一(Hoskins, 1974; Thomas et al,2013)。對于科氏參數(shù)f為正的北半球而言, 位渦為負(fù)時容易引發(fā)多種不穩(wěn)定, 特別是對稱不穩(wěn)定(Thomas et al, 2013)。這種不穩(wěn)定與上層海洋混合層強烈的水平浮力梯度以及在外強迫作用下產(chǎn)生的邊界浮力損失密切相關(guān)。本文采用旋轉(zhuǎn)分層流體內(nèi)的完全厄特爾(Ertel)位渦公式:

并將其分為水平斜壓分量和垂向分量:

此外, 本文還將從正壓、斜壓兩個方面對次中尺度動能的轉(zhuǎn)換效率隨時間、深度的變化規(guī)律進(jìn)行探討。為此, 需定義次中尺度的尺度范圍。由于在低緯度地區(qū)(如南部海域)科氏參數(shù)f較小, 經(jīng)典的混合層斜壓變形半徑L=NH/f(Boccaletti et al, 2007)較大(式中H表示混合層深度), 由此定義的次中尺度過程的空間尺度偏大, 且會隨著混合層變化而變化。因此, 本文采用了基于平衡運動和不平衡運動動能相對關(guān)系的譜方法(Cao et al, 2021)定義次中尺度的范圍, 簡述如下。根據(jù)公式(7)可以將動能譜密度分解為渦度貢獻(xiàn)部分與散度貢獻(xiàn)部分(Torres et al,2018):

2 結(jié)果

2.1 相對渦度、水平散度以及應(yīng)變率

為了進(jìn)一步分析各區(qū)域次中尺度過程的季節(jié)性變化, 圖3和表1給出了不同區(qū)域上層200m水平區(qū)域平均的相對渦度ζ、水平散度δ以及應(yīng)變率S的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果隨時間、深度變化情況以及它們在不同區(qū)域上層50m的季節(jié)平均值(由于ζ/f與δ/f存在正負(fù)值, 因而取其均方根值表征強度)。

表1 不同區(qū)域特征參數(shù)上層50m各季節(jié)平均的結(jié)果Tab. 1 Seasonal averages of characteristic parameters of different regions in the upper 50 m

圖3 R1 (a, e, i)、R2 (b, f, j)、R3 (c, g, k)和R4 (d, h, l)各區(qū)域內(nèi)平均水平相對渦度ζ/f均方根(a～d), 水平散度δ/f均方根(e～h), 水平應(yīng)變率S/f (i～l)隨時間、深度變化情況圖中黑線表示該區(qū)域平均混合層深度隨時間變化情況Fig. 3The variations of averaged ζ/f, δ/f, and S/f over time and depth in different regions. The black curve shows the variation of the averaged mixed-layer depth over time

整體來看, 相對渦度ζ/f均方根存在著明顯的季節(jié)性變化, 且隨深度明顯變小, 高值區(qū)域主要在混合層以內(nèi), 表明南海上層的次中尺度過程主要集中在混合層內(nèi)。散度δ/f均方根與應(yīng)變率S/f隨時間變化情況與ζ/f均方根基本一致。不同的是,δ/f均方

根與S/f在垂直方向上存在一個雙極值結(jié)構(gòu), 尤其是散度, 其在表層與混合層底部附近分別存在一個極值, 最大值出現(xiàn)在表層, 這可能與表層與混合層底接近為0的垂向速度有關(guān)。表明在南海次中尺度過程活躍的時期, 這些過程引起的海水輻聚(或輻散)的加強或減弱以及流場的水平變形均主要集中在很淺的表層和混合層底部, 而非混合層中間。

不同區(qū)域結(jié)果對比來看, 在R1區(qū)域,ζ/f均方根的最大值出現(xiàn)在冬季(2月中旬), 最小值出現(xiàn)在夏季(6月末—7月初)。隨時間變化情況與混合層類似,特別是在混合層較深的冬季, 說明混合層不穩(wěn)定可能是這個區(qū)域次中尺度過程的重要控制機制, 但是兩者之間存在約半個月的滯后。此外, 由于該區(qū)域位于呂宋海峽附近, 冬季受黑潮入侵影響很強(趙偉等, 2007), 容易激發(fā)較強的流場側(cè)向剪切從而使相對渦度變強。自5月末到夏季結(jié)束, R1區(qū)域ζ/f均方根始終小于0.3, 且隨深度變化很小, 顯然在該時間段內(nèi)次中尺度過程明顯較弱。整體變化情況與Zhang等(2020)的結(jié)果一致。

R2區(qū)域大部分特征與R1相似, 但ζ/f均方根的最大值出現(xiàn)在1月末—2月初, 最小值則是在6月中旬。此外, 不同于R1, 在5月末開始到夏季結(jié)束的時間段內(nèi), R2區(qū)域次中尺度過程雖然同樣弱于冬季, 但不同于始終保持一個很低水平的R1區(qū)域, R2區(qū)域在6—10月強度明顯大于R1區(qū)域, 且在8月中旬有一個較弱的極大值。該區(qū)域的混合層深度變化情況存在相似特征, 但是整體位相相比ζ/f均方根提前約一個月, 表明該海域次中尺度的季節(jié)性變化同樣受到明顯的混合層的滯后影響。

R3區(qū)域不同于前兩個區(qū)域, 該區(qū)域次中尺度過程在6—10月份最為顯著。ζ/f均方根的第一個極大值出現(xiàn)在7月中旬, 這似乎與夏季西南季風(fēng)的爆發(fā)有關(guān); 第二個極大值出現(xiàn)在9月末, 主要成因可能是中南半島沿岸部分冷渦受到南沙群島影響, 產(chǎn)生的地形尾渦和西南季風(fēng)的共同作用。在12月下旬到3月中下旬稍弱, 這一特征與該時間段較深的混合層相吻合, 表明該時段可能受混合層不穩(wěn)定的影響比較明顯, 之后在4—5月份出現(xiàn)極小值。值得注意的是R3區(qū)域次中尺度過程在夏秋季節(jié)活躍, 但混合層相對較淺, 說明該時段混合層不穩(wěn)定的影響并不占主導(dǎo)地位。

R4區(qū)域包含南沙群島, 與其他海域明顯不同,其混合層冬季最淺而夏季最深, 8月中旬達(dá)到最大值。次中尺度過程與混合層深度變化的關(guān)系并不顯著, 有兩個相對高值分別出現(xiàn)在10月上旬和1月下旬, 最小值則在12月, 季節(jié)性差異相對較小。該區(qū)域相比于其他區(qū)域整體羅斯貝數(shù)(ζ/f)偏大, 這主要與該地區(qū)豐富的島嶼地形以及較小的科氏參數(shù)有關(guān)。島嶼地形引起的流場水平方向剪切, 易于產(chǎn)生地形尾渦(Dong et al, 2007), 激發(fā)次中尺度過程, 也使得該區(qū)域流場應(yīng)變率、散度明顯強于其他區(qū)域。另外, 與其他區(qū)域不同的是, R4區(qū)域δ/f均方根、S/f的變化情況與ζ/f均方根的變化并不一致, 兩者大值均出現(xiàn)在1月和8月。

表1列出了標(biāo)準(zhǔn)化后的相對渦度、水平散度的區(qū)域均方根值及應(yīng)變率在不同季節(jié)的平均結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn): 相對渦度ζ/f均方根在R1區(qū)域表現(xiàn)出了冬強夏弱的特點, 在冬季達(dá)到夏季的兩倍以上, 其他兩個參數(shù)的季節(jié)變化也類似; R2區(qū)域ζ/f均方根的最大平均值出現(xiàn)在冬季, 最小值出現(xiàn)在秋季, 而δ/f均方根、S/f的最小值則出現(xiàn)在夏季, 3個參數(shù)在夏秋季的差距不大; R3區(qū)域ζ/f均方根在秋季最大, 夏季略低于秋季, 春季最小, 該區(qū)域S/f分布情況與ζ/f均方根一致, 但δ/f的均方根最大值出現(xiàn)在夏季; R4區(qū)域ζ/f均方根在各季節(jié)的平均值均保持在0.7左右, 普遍高于其他3個區(qū)域,S/f的特征與相對渦度一致, 但是散度δ/f均方根在冬季的平均值明顯高于其他3個季節(jié)。下文將對各區(qū)域次中尺度特征參數(shù)強度的季節(jié)差異的原因做進(jìn)一步探討。

由于除了R4區(qū)域, 其他3個區(qū)域的次中尺度過程均在冬、夏兩季表現(xiàn)出極大或是極小值, 表明次中尺度過程在冬夏季差異顯著。至于R4區(qū)域,ζ/f均方根隨時間變化不明顯, 且δ/f均方根與S/f的兩個極大值分別出現(xiàn)在冬夏兩季, 因此本文研究重點主要集中在冬夏兩季。為了進(jìn)一步量化對比各參數(shù)冬夏季的差異, 考察了不同區(qū)域各參數(shù)在1月和7月的概率密度分布函數(shù)(Probability density distribution function, PDF), 如圖4。

圖4 R1 (a, e, i)、R2 (b, f, j)、R3 (c, g, k)和R4 (d, h, l)各區(qū)域1月和7月份水平相對渦度ζ/f (a～d), 水平散度δ/f (e～h), 水平應(yīng)變率S/f (i～l)的概率密度分布曲線相對渦度圖像中的數(shù)字為不同月份的PDF的偏態(tài)系數(shù)Fig. 4 PDF curves of ζ/f, δ/f, and S/f in January and July.The numbers in the relative vorticity images are the skewness coefficients of PDF in different months

PDF分布顯示, 各區(qū)域的δ/f均很好地符合了高斯分布, 且在各自次中尺度過程較強的月份相對零線更為分散。應(yīng)變率S/f的PDF圖像近似滿足χ分布, 在次中尺度過程相對活躍的月份, 曲線峰值位置距離零點更遠(yuǎn), 表明此時S/f的眾數(shù)較大, 表層流體應(yīng)變普遍更強。相對渦度ζ/f, 平均值在0附近,整體上看近似滿足高斯分布, 但存在不對稱的情況,偏態(tài)系數(shù)結(jié)果表明次中尺度過程活躍時期這種不對稱現(xiàn)象更為明顯, 各區(qū)域偏態(tài)系數(shù)均大于1, 此時可以較明顯地看到曲線在正半軸存在一個較長的“尾巴”, 圖像在0線附近的集中程度也較弱, 表明存在稀疏的強正相對渦度結(jié)構(gòu)。

圖5為ζ/f的偏態(tài)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差隨深度變化情況, 在混合層以上各區(qū)域均以正偏態(tài)為主。不同區(qū)域偏態(tài)系數(shù)隨深度變化存在差異, 但整體上先減小后增大, 至200m深度以下開始趨于0。ζ/f的標(biāo)準(zhǔn)差則隨深度減小, 不同月份逐漸趨于一致, 在混合層底部附近存在一個比較明顯的突變, 次中尺度過程活躍時期尤為明顯。不同月份標(biāo)準(zhǔn)差在表層的大小分布與均方根一致, 進(jìn)一步證明次中尺度過程活躍時期ζ/f的分布更為分散。

圖5 R1 (a, e)、R2 (b, f)、R3 (c, g)和R4 (d, h)各區(qū)域相對渦度ζ/f的偏態(tài)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差隨深度變化情況Fig. 5 Variations of skewness coefficient and standard deviation of ζ/f with depth in each region

2.2 位渦分析

基于位渦在冬季(以1月15日為代表)、夏季(以7月15日為代表) 10m水深處的水平分布(圖7)和典型斷面S1、S2、S3 (S1斷面跨越了R1區(qū)域冬季的強烈渦旋結(jié)構(gòu); S2斷面跨越了R3區(qū)域夏季強鋒面結(jié)構(gòu); S3斷面位于冬季R4區(qū)域, 受到地形影響顯著)的垂向分布(圖8), 對不同區(qū)域兩季的位渦分布特征進(jìn)行分析。并基于公式(5)和公式(6)將位勢渦度q分成垂向和水平斜壓兩個分量, 對比其季節(jié)性差異(垂向分量qvert由垂向絕對渦度和浮力頻率控制, 斜壓分量qbc則受浮力的水平梯度和流場的垂向剪切影響)。

圖6 R1 (a, e)、R2 (b, f)、R3 (c, g)和R4 (d, h)各區(qū)域1月(a～d)和7月(e～h)水平應(yīng)變率S/f和相對渦度ζ/f的聯(lián)合概率密度分布圖中灰色虛線表示S /f=Fig. 6 Joint probability density distributions of S/f, ζ/f in different regions in January and July

圖7 1月15日(a～c)和7月15日(d～f)位渦q (a, d)及其分量qvert (b, e)、qbc (c, f)在表層10m深度的水平分布情況圖中黑色實線S1、S2、S3為所選典型斷面, 圖中紅色虛線表示南海諸島歸屬范圍線。審圖號為GS(2016)1665Fig. 7 Horizontal distributions of q and its components in different seasons at 10 m. The time in (a～c) and (d～f) is consistent with that in Fig. 2. S1, S2, and S3 are the typical sections selected

圖8 典型斷面S1 (a～c)、S2 (d～f)、S3 (h～j)處位渦q (a, d, h)及其分量qvert (b, e, i)、qbc (c, f, j)的分布情況圖中黑色虛線為該斷面混合層深度, 黑色實線為等密度線; 圖h～j中的灰色部分表示地形Fig. 8 Distributions of q and its components at S1, S2, and S3. The dashed line shows the mixed-layer depth at each section, and the solid contours are isopyrdensity lines

如圖7所示, 整體上各區(qū)域表層位渦q空間分布存在差異, 在鋒面中尺度渦邊緣等次中尺度過程活躍海域更容易出現(xiàn)負(fù)值, 容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。同時, 垂向分量qvert在這些區(qū)域有著較大的絕對值。斜壓分量qbc則存在明顯的正負(fù)變化, 這與北半球流體在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡態(tài)下qbc始終為負(fù)的特點不符, 表明此時局地非地轉(zhuǎn)作用不可忽視, 流體垂向速度的水平剪切十分重要。與qvert類似,qbc在鋒面、次中尺度渦旋、渦絲及中尺度渦邊緣海域絕對值明顯偏大。同時, 這些區(qū)域有著較大的水平浮力梯度, 所以更容易使qbc＜0, 有利于產(chǎn)生對稱不穩(wěn)定。此外, 對于有明顯渦旋特征的區(qū)域, 冬季qbc正值主要分布在渦旋南部, 負(fù)值則多位于北部, 夏季分布情況相反。qbc普遍強于qvert, 表明在這些區(qū)域表層, 斜壓分量對于q的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。

對不同區(qū)域進(jìn)行分析, R1區(qū)域表層q在冬季以負(fù)為主, 夏季以正為主。冬季區(qū)域內(nèi)qvert同樣以負(fù)值為主, 如圖2所示, 該區(qū)域除東北角渦旋中心部分外, 負(fù)相對渦度絕對值普遍小于科氏參數(shù), 因此混合層內(nèi)密度梯度受東北季風(fēng)攪拌以及黑潮入侵出現(xiàn)正值, 引發(fā)重力不穩(wěn)定可能是導(dǎo)致qvert＜0的主要原因。與羅士浩等(2016)的結(jié)果不同, R1區(qū)域冬季q在渦旋南側(cè)邊緣存在明顯正值, 這可能與本文對于斜壓分量qbc沒有采用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似有關(guān); 夏季由于季風(fēng)的攪拌作用減弱, 重力不穩(wěn)定情況減弱,qvert多為正, 但靠近呂宋海峽海域受黑潮影響, 部分區(qū)域仍有為負(fù)的情況。而斜壓分量qbc在冬季季風(fēng)對流場剪切的影響下強度也明顯高于夏季。

圖2 研究區(qū)域10m層水平相對渦度ζ/f, 水平散度δ/f, 水平應(yīng)變率S/f在1月15日(a～c)和7月15日(d～f)水平分布的瞬時圖像圖中黑色方框表示不同的研究區(qū)域; 紅色虛線表示南海諸島歸屬范圍線; 黑色虛線表示200m等深線。審圖號為GS(2016)1665Fig. 2 Horizontal distributions ofζ/f, δ/f, and S/f in the 10 m layer of the model. An instantaneous image taken on January 15 (a～c), and on July 15 (d～f)

R2區(qū)域q及其分量的季節(jié)性特征與R1區(qū)域一致, 但由于受黑潮影響弱于R1區(qū)域,qvert＜0的情況相對微弱, 特別是在夏季, 此時除了北部小部分區(qū)域外,qvert基本為正。

類似地, R3區(qū)域q和qvert為負(fù)的情況在冬季出現(xiàn)更為頻繁, 但由于冬季風(fēng)影響進(jìn)一步減弱, 強度較前兩者更低。特別的是, 在夏季10°—14°N存在的強鋒面區(qū)域內(nèi),q為負(fù)的現(xiàn)象同樣十分顯著。主要是因為該區(qū)域在夏季受西南季風(fēng)影響, 存在強烈的東向離岸上升流鋒面, 跨鋒面水平浮力梯度很強,同時在沿鋒面風(fēng)應(yīng)力的影響下引起的Ekman輸運會將冷水向暖水側(cè)跨鋒面輸運, 進(jìn)一步增強水平浮力梯度并削弱垂向?qū)咏Y(jié), 使得qbc＜0, 從而克服正qvert產(chǎn)生負(fù)位渦, 引發(fā)對稱不穩(wěn)定。

R4區(qū)域冬夏兩季q沒有明顯的正負(fù)偏向, 但冬季存在更多的q高值區(qū), 這可能是因為該海域上層流場在冬季整體強度更高, 在島嶼地形豐富的條件下容易產(chǎn)生更強的垂向流速剪切, 產(chǎn)生較大的局地位渦水平分量絕對值qbc。qvert以正值為主, 這主要歸因于該地區(qū)受季風(fēng)影響較小, 風(fēng)的攪拌作用較弱。但由于南沙群島的存在, 受地形尾渦等作用, 該海域全年次中尺度過程較為活躍qvert會有零星的負(fù)值分布。

根據(jù)不同特點的典型斷面考察q及其分量的垂向分布特點, 如圖8所示。整體上, 混合層以上q較小, 正負(fù)差異并不明顯, 僅在約10m以上存在較大的絕對值, 而在混合層底及以下, 則以正值為主,表明對于整個南海, 混合層以上流體穩(wěn)定性相對更差。對于垂向分量qvert, 其絕對值在混合層內(nèi)很小,僅在表層比較顯著, 這主要是因為混合層內(nèi)的層結(jié)較弱。而對于層化較強的混合層以下區(qū)域, 由于ζ變?nèi)? 所以這部分深度范圍qvert大小主要由垂向?qū)咏Y(jié)決定, 表現(xiàn)為顯著正值, 并隨深度減小。斜壓分量qbc以負(fù)值為主, 僅在表層存在小部分正值區(qū)域, 這與準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡態(tài)下, 北半球qbc＜0的特點一致?；旌蠈拥撞? 溫躍層頂, 由于等密度線分布密集, 當(dāng)其發(fā)生彎曲時會產(chǎn)生較大的水平浮力梯度, 易使qbc出現(xiàn)顯著負(fù)值, 削弱流體穩(wěn)定性。與表層不同, 混合層以下,q主要貢獻(xiàn)來自于qvert,qbc的影響幾乎可以忽略, 表明混合層以下流體受斜壓性影響減弱, 流體的不穩(wěn)定性是主要來自于水平切變產(chǎn)生的正壓不穩(wěn)定。

對不同典型斷面進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)它們各自有著獨特的特征。S1斷面橫跨了R1區(qū)域冬季顯著的反氣旋渦, 其等密度線在渦旋位置明顯下凹。該斷面表層q在渦旋邊緣高于中心區(qū)域, 等密度線露頭處有明顯極大值存在, 表層位渦水平分量絕對值qbc有著同樣的分布特點。此外, 在混合層底部, 渦旋邊緣區(qū)域由于水平密度梯度極大,qbc有明顯負(fù)值; 位于夏季R3區(qū)域的S2斷面跨越了12°—13°N范圍內(nèi)的強上升流鋒面, 受該鋒面影響, 等密度線傾斜,水平浮力梯度增大, 部分等密度線甚至可以從表層延伸至50m以下, 因而在鋒面附近存在從表層沿等密度線延伸到混合層底的強qbc負(fù)值, 有助于削弱上層流體的穩(wěn)定性, 引發(fā)對稱不穩(wěn)定; S3斷面, 由于其所在R4區(qū)域包括了南沙群島且冬季流速相對較強,因而受地形尾渦的影響在部分區(qū)域混合層底部可能會出現(xiàn)強烈的負(fù)渦度, 導(dǎo)致qvert＜0, 引發(fā)慣性不穩(wěn)定。

2.3 能量轉(zhuǎn)換

圖10 R1 (a, e)、R2 (b, f)、R3 (c, g)和R4 (d, h)各區(qū)域正壓轉(zhuǎn)換項BSK的水平分量HRS (a～d)與垂向分量VRS (e～h)隨時間變化情況圖中黑色實線表示混合層深度隨時間變化情況Fig. 10 Variations of HRS and VRS in different regions over time. Panels from top to bottom correspond to regions R1～R4,respectively. The black curve shows the variation of regionally averaged mixed-layer depth over time

R1區(qū)域(圖9a), 秋末和冬季混合層加深的時間段內(nèi), 斜壓轉(zhuǎn)換項PKE主要存在于混合層內(nèi), 且振幅與混合層深度變化情況一致, 最大值位于混合層中間位置, 表明這一階段上層海洋PKE主要由混合層不穩(wěn)定控制, 高應(yīng)變在混合層中容易產(chǎn)生鋒生作用, 激發(fā)混合層發(fā)生再分層, 使APE向SMKE轉(zhuǎn)換,這一過程主要發(fā)生在混合層中部。自2月中旬起, 混合層深度開始衰減, 混合層不穩(wěn)定產(chǎn)生的APE源和混合層內(nèi)的斜壓能量轉(zhuǎn)換開始減弱, 到了夏季與混合層以下的PKE項大致處于同一量級。R2區(qū)域的情況與R1基本一致(圖9b), 但強度較弱。R3區(qū)域(圖9c)在冬、春季與R1、R2區(qū)域一樣, 上層PKE強度與混合層深度變化情況一致。不同的是, R3區(qū)域夏季受西南季風(fēng)影響, 出現(xiàn)顯著東向離岸上升流, 由于鋒面海區(qū)強水平梯度、弱層結(jié)的特點, 極易產(chǎn)生鋒面不穩(wěn)定, 引起APE向SMKE的轉(zhuǎn)換, 因此表層PKE的最大值出現(xiàn)在7—8月。至于R4區(qū)域(圖9d),PKE全年變化并不明顯, 僅在冬夏兩季稍強, 可見該區(qū)域PKE并不完全由混合層不穩(wěn)定控制。另外值得一提的是, 由于R1、R2區(qū)域冬季受到黑潮入侵的限制影響(特別是R1), PKE明顯高于其他海區(qū)。在混合層以下可能出現(xiàn)PKE為負(fù)的情況, 但相對較弱,并隨深度逐漸趨于0。

圖9 R1 (a, e)、R2 (b, f)、R3 (c, g)和R4 (d, h)各區(qū)域平均的斜壓轉(zhuǎn)換項PKE (a～d)、正壓轉(zhuǎn)換項BSK (e～h)隨時間變化情況圖中黑線為區(qū)域平均混合層深度隨時間變化情況Fig. 9 Variations of averaged PKE and BSK in each region over time. Panels from top to bottom correspond to regions R1～R4, respectively. The black curve shows the variation of regionally averaged mixed-layer depth over time

各區(qū)域BSK隨時間變化情況與PKE相近, 且主要存在于混合層內(nèi), 但在混合層以下也可能存在明顯正負(fù)值。相對PKE而言較弱, 尤其是對于R1 (圖9e)、R2 (圖9f)區(qū)域, 表明這兩個區(qū)域次中尺度動能的主要來源是混合層內(nèi)斜壓不穩(wěn)定引起的APE釋放, 特別是在冬季, 由于混合層較深, 斜壓性更強, 這一特征更為明顯, 該結(jié)論與Zhang等(2020)一致。R3區(qū)域(圖9g)夏季由于有強烈的離岸上升流鋒面存在,BSK與PKE的貢獻(xiàn)相當(dāng), 表明夏季中尺度流場剪切引起的動能轉(zhuǎn)換是該區(qū)域次中尺度動能的重要來源。正壓轉(zhuǎn)換項BSK主要由剪切拉伸等引起, 其強度與背景流場剪切密切相關(guān), 因而在垂直方向上表現(xiàn)出與應(yīng)變率相似的雙極值結(jié)構(gòu), 尤其是在R4區(qū)域, 這一特征十分明顯(圖9h)。

不同于Zhang 等(2020)僅考慮了背景流水平剪切的作用, 本文將BSK分為水平分量(HRS)和垂向分量(VRS)(圖10)。其中HRS僅在表層20m以上有明顯正值分布, 隨深度減小甚至出現(xiàn)負(fù)值, 混合層以下開始逐漸趨于0, 且明顯的正負(fù)值往往同時出現(xiàn)。這表明, 南海大部分區(qū)域由背景流水平剪切和雷諾應(yīng)力引發(fā)的背景流動能向次中尺度動能的正壓能量轉(zhuǎn)換僅發(fā)生在表面邊界層, 而在表層以下則表現(xiàn)為能量的逆向串級。

垂向分量VRS的貢獻(xiàn)普遍大于水平分量HRS,表明研究區(qū)域內(nèi), BKE向SMKE的轉(zhuǎn)化更多是通過背景流垂向剪切以及垂向雷諾應(yīng)力實現(xiàn)。VRS在混合層內(nèi)多為正, 混合層以下逐漸趨于0。需要強調(diào)的幾個特點是: 冬末R1區(qū)域(圖10e)在100～200m深度范圍出現(xiàn)明顯正值, 這主要是該地區(qū)北部陸架結(jié)構(gòu)向外延伸以及東沙群島部分地形共同作用的結(jié)果; R3區(qū)域內(nèi)(圖10g), 與HRS一樣的, 受強烈上升流鋒面影響, VRS最大值出現(xiàn)在夏季; R4區(qū)域(圖10h)由于島嶼分布密集、地形復(fù)雜, 在部分海區(qū)會產(chǎn)生較強的背景流垂向剪切, 有可能使得等密度線密集的混合層底部、密躍層頂部區(qū)域出現(xiàn)VRS絕對值的高值區(qū), 甚至有可能大于混合層內(nèi)VRS的絕對值, 其他區(qū)域也存在這種現(xiàn)象,但相對來說比較微弱。

次中尺度動能SMKE隨時間變化情況與各區(qū)域ζ/f均方根值一致, 但是與中尺度動能EKE的存在明顯差異(圖11)。僅R1區(qū)域由于受黑潮影響顯著,次中尺度過程活躍程度與中尺度過程活躍程度密切相關(guān), 其他區(qū)域EKE與SMKE相關(guān)性均不顯著。背景流能量向次中尺度動能的轉(zhuǎn)換項(Total kinetic energy transform, TKE, TKE=BSK+PKE)在各區(qū)域隨時間變化情況與SMKE一致, 表明次中尺度過程的活躍程度與背景流向次中尺度動能的能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān), 但不同區(qū)域之間有一定的差別, R1區(qū)域一致性較好, 而R2區(qū)域8月中下旬、R3區(qū)域9月中下旬和R4區(qū)域10月上旬的SMKE圖像上均存在一個峰值, 表明此時SMKE可能受大氣強迫作用或是海洋外部能量輸送的影響更為顯著。

圖11 不同區(qū)域上層50m區(qū)域平均的中尺度動能EKE (a)、次中尺度動能SMKE (b)與次中尺度動能的正壓轉(zhuǎn)換項BSK、斜壓轉(zhuǎn)換項PKE之和(c)隨時間變化情況Fig. 11 Variations of averaged EKE, SMKE, and the sum of BSK and PKE in the upper 50 m depth of different regions

4 結(jié)論

本文基于高分辨率ROMS結(jié)果, 將整個南海海域分成4個子區(qū)域, 分析了不同子區(qū)域上層200m海域次中尺度過程的季節(jié)性變化特征。研究表明, 南海次中尺度過程在不同子區(qū)域的季節(jié)性特征存在顯著差異, 與區(qū)域的位置、底部地形和受季風(fēng)影響情況等條件有關(guān)。特征參量ζ/f的均方根值隨時間變化情況表明(圖3): 靠近呂宋海峽的R1區(qū)域和位于中部偏北的R2區(qū)域次中尺度過程冬季最強、夏秋季較弱, 這與Zhang等(2020)的結(jié)論一致; 靠近中南半島東部的R3區(qū)域夏秋季最強, 冬季次之, 春季最弱, 這一特征與黃小龍等(2020)的結(jié)果相吻合;位于南沙群島附近的R4區(qū)域各季節(jié)差異相對較小,僅在秋末冬初存在明顯偏小的情況。能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果表明, TKE主要貢獻(xiàn)來源于斜壓不穩(wěn)定PKE (R3區(qū)域除外), 受背景流水平浮力梯度影響顯著。斜壓不穩(wěn)定帶來的勢能轉(zhuǎn)換主要出現(xiàn)在上混合層, 以混合層斜壓不穩(wěn)定為主, 強弱變化與混合層深度變化情況基本一致。特別的是, R3區(qū)域受夏季西南風(fēng)影響, 存在顯著東向離岸上升流, 此時PKE的主要來源為鋒面不穩(wěn)定, 并伴隨著強烈的動能正壓轉(zhuǎn)換(BSK)。背景流場剪切和雷諾應(yīng)力通過正壓不穩(wěn)定過程引起的BKE向SMKE的轉(zhuǎn)換BSK僅發(fā)生在表面邊界層, 受鋒生作用和地形導(dǎo)致的流場剪切(如R4區(qū)域)的影響比較顯著。