夏 越

(河海大學 海洋學院,江蘇 南京 210098)

早期的海洋觀測由于儀器的限制,觀測資料的垂向間隔很大,在層間深度上的數(shù)據(jù)必須內(nèi)插,所得到的海水物理量的垂直剖面被繪制為光滑的曲線,由此逐漸形成了如下觀念:在垂直斷面上海水的溫度和其他物理性質(zhì)的廓線是平滑變化的。細微結(jié)構(gòu)的觀測案例最早可以追溯到19世紀后期的鄂霍茨克海巡航考察[1],不過當時被歸結(jié)于溫度計的故障而被排除。直到20世紀早期,湖泊和海洋中大量增加的溫度連續(xù)剖面頻繁地觀測到細結(jié)構(gòu)特征,海洋學家才逐步意識到這一過程。Woods[2]利用染色實驗闡明了溫度等物理量垂向分布的非光滑性,并提出海洋垂向上存在類似片層結(jié)構(gòu)的理論。隨著測量儀器技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)各種高靈敏度探測儀探測,現(xiàn)已經(jīng)證實海水的溫度、鹽度、密度及其垂直梯度的廓線都具有很多精細結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)在深達3 000 m的深度上都有所發(fā)現(xiàn)[3],并被統(tǒng)稱為海洋細微結(jié)構(gòu)。

海洋細微結(jié)構(gòu)的存在影響著海洋聲速測量結(jié)果,研究細微結(jié)構(gòu)有利于水下定位技術(shù)的發(fā)展;研究形成和破壞海洋細微結(jié)構(gòu)過程中的能量,對估算海洋中能量的轉(zhuǎn)化,包括估計大尺度洋流動能的耗散率都是十分重要的;海洋中低于聲頻范圍的內(nèi)重力波的傳播,也突出了細微結(jié)構(gòu)的效應(yīng),內(nèi)重力波的許多動力學和能量的特征只有根據(jù)密度細微層結(jié)的存在才可能被理解。因此,研究海洋細微結(jié)構(gòu)是很有意義的。

在海洋學中,“細結(jié)構(gòu)”一詞傳統(tǒng)上用于描述與分層有關(guān)的非均質(zhì)性,而“微結(jié)構(gòu)”一詞常用于描述與小規(guī)模湍流有關(guān)的非均質(zhì)性[4]。其中,海洋細結(jié)構(gòu)的概念在不同的文獻中的定義有所差別:Munk[5]將海水物理量垂向變化尺度介于1～100 m的脈動稱為細結(jié)構(gòu);Gregg[6]把遠大于耗散尺度而小于溫躍層的e折厚度的脈動稱為細結(jié)構(gòu);而Eriksen和Curtis[7]和Kunze等[8]將細結(jié)構(gòu)尺度局限在1～10 m;方欣華等[9]結(jié)合季節(jié)性躍層的厚度尺度,認為以1～10 m的尺度范圍作為研究季節(jié)性躍層處和淺海海域細結(jié)構(gòu)特性較為合適。

在大洋觀測人們發(fā)現(xiàn)溫鹽廓線含有階梯狀的變化,這是擴散對流[10]與鹽指現(xiàn)象[11]導致的。關(guān)于雙擴散的研究可以追溯到19世紀,“熱糖指”現(xiàn)象在實驗室被發(fā)現(xiàn),然而這種現(xiàn)象當時沒有得到重視,“被遺忘了將近100 a”[12]。雙擴散現(xiàn)象在海洋中廣泛存在,水分的強蒸發(fā)會使鹽度增大產(chǎn)生鹽指[13]、海冰的融化會使冷而淡的水覆蓋于暖咸水之上,為對流擴散提供條件,國內(nèi)外眾多學者對北冰洋的雙擴散階梯的研究重點集中在通量計算上[14-17]。地熱過程也會導致雙擴散階梯的存在,并且起到了抑制湍流、阻礙垂向熱量輸送的作用[18]。Orlanski和Bryan[19]提出了大尺度內(nèi)重力波翻轉(zhuǎn)可能形成階梯結(jié)構(gòu)的機制。此外,水團分界的鋒面通常會形成彼此的側(cè)向侵入,從而在強梯度邊界上下都可能產(chǎn)生雙擴散現(xiàn)象。Tang等[20]利用高分辨率的海洋人工反射地震觀測技術(shù),在赤道附近巴拿馬海盆的溫躍層底部探測到一個水層界面,他們認為該界面前緣變長/變強的過程對應(yīng)著該處的湍流擴散正在被雙擴散逐步取代的臨界過程。

對于渦旋結(jié)構(gòu)的研究,國內(nèi)外早有開展。Chaigneau等[21]利用衛(wèi)星與Argo資料,在歸一化坐標內(nèi)合成并得到了渦旋的三維結(jié)構(gòu)。Hu等[22]利用船測資料得到了南海西南部一個冷渦的三維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其具有傾斜的垂向主軸。Lin等[23]利用海洋模式研究了南海渦旋結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)渦旋存在3種空間形態(tài)。Yang等[24]利用南海18 a海面高度計觀測資料,研究了南海中尺度渦旋速度的水平結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)渦速結(jié)構(gòu)與渦振幅密切相關(guān)。Shu等[25]利用水下滑翔機的高分辨率現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)、海平面異常衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù),得到了2015年春季南海北部一個反氣旋渦旋的具體結(jié)構(gòu)。

對于細微結(jié)構(gòu)的研究,過去由于儀器性能的限制進展緩慢,國內(nèi)成果更是非常少,并且以往關(guān)于細微結(jié)構(gòu)的研究也局限于個別精度滿足要求的數(shù)據(jù)。例如,藍昌華和黃華文[26]利用溫鹽深剖面儀(Conductivity Temperature and Depth,CTD)資料對南海東北部海區(qū)上層溫鹽細微結(jié)構(gòu)進行了初步分析,發(fā)現(xiàn)東沙群島西南的冷渦內(nèi)部細微結(jié)構(gòu)不明顯。本文利用水下滑翔機圍繞南海一個暖渦觀測得到的3 000多條廓線數(shù)據(jù),擬對暖渦細結(jié)構(gòu)的分布特征進行詳細地分析。

1 數(shù)據(jù)來源

溫度廓線數(shù)據(jù)來自于中國科學院沈陽自動化研究所研制的水下滑翔機。水下滑翔機的概念首先由海洋學家Stommel提出[27],它是一種將浮標、潛標技術(shù)與水下機器人技術(shù)相結(jié)合的無外掛推進裝置,通過改變自身體積來借助浮力沉降和使用機翼進行水平移動。本文使用的水下滑翔機數(shù)據(jù)的觀測時間跨度為2017-07-14—2017-08-15,地點位于南海某一暖渦(117°～120°E,19°～22°N)附近,最深觀測深度約1 000 m,絕大部分廓線垂向分辨率約1 m,共3 000多條,均觀測到了明顯的溫度細結(jié)構(gòu)特征(圖1)。

圖1 水下滑翔機觀測位置及溫度細結(jié)構(gòu)示例Fig.1 Location of warm eddy and gliders and observed temperature finestructure

用于識別渦旋的海面高度異常(Sea Level Anomaly,SLA)數(shù)據(jù)來自法國國家空間研究中心衛(wèi)星海洋學存檔數(shù)據(jù)中心(Archiving Validation and Interpretion of Satellite Oceanography,AVISO)的衛(wèi)星高度計資料,由ERS/Envisat,TOPEX/POSEIDON和Jason-1等多顆衛(wèi)星高度計資料融合而成,空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1 d。

海表太陽凈輻射數(shù)據(jù)來自ERA5(ECMWF Re-Analysis 5)再分析資料,它是由歐盟資助、歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts,ECMWF)運營的哥白尼氣候變化服務(wù)(Copernicus Climate Change Service,C3S)在ERA-Interim的基礎(chǔ)上同化了衛(wèi)星數(shù)據(jù)、現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品打造的新一代再分析資料,實現(xiàn)了時空分辨率的大幅提升,空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1 h。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.1 廓線分離

為了識別和分析細結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和起源,必須對廓線先進行廓線分離。分離時將溫度廓線θ(z)表示為平均值與脈動值和的形式:

式中:z為深度,〈θ(z)〉為溫度平均值的垂向分布,θ′(z)為對應(yīng)的脈動值。式(1)可以由多種取平均的方式實現(xiàn)。由于水下滑翔機缺乏定點持續(xù)觀測,無法對時間取平均得到平均廓線,海洋近表層由于太陽輻射、風力強迫等原因形成的性質(zhì)垂向均勻的層被稱為混合層,本文針對混合層采用層內(nèi)取平均、混合層以下采用50 m滑動平均的方式進行廓線分離[26](圖2)。

圖2 溫度廓線分離示例Fig.2 An example of temperature profile separation

2.2 廓線位置歸一化

渦旋的識別利用AVISO衛(wèi)星高度計資料與閉合等值線法[28]。在有水下滑翔機觀測的時間段內(nèi),由于該暖渦移動速度較大、形狀和半徑變化較快,水下滑翔機在渦旋內(nèi)的相對位置需要進行歸一化處理:

式中:C為每日渦旋中心;α為以渦旋中心為起點、水下滑翔機某時刻位置為終點的矢量與正東方向的夾角;K為任一條廓線所在的水平位置;P為以C為起點過K做射線與渦旋邊緣(最外圍閉合等值線)的交點;(dx,dy)為K在歸一化圓中的位置。

2.3 渦旋各個方向變形指標

為了探究渦旋變形與細結(jié)構(gòu)的關(guān)系,本文定義了一個參數(shù)用于衡量渦旋在各個方向的變形情況(圖3):每10°均勻取出閉合等值線上的點(即圖3中α=10°,20°,…,360°),計算閉合等值線上每個點的外角β,將其作為衡量變形凹凸的依據(jù)。

圖3 計算渦旋變形指標示意圖Fig.3 Schematic diagram for calculating eddy deformation index

當β＞180°時,表示該位置渦旋形狀為凸;當β＜180°時,該位置渦旋形狀為凹。本文旨在探討渦旋變形快慢對細結(jié)構(gòu)的影響,將有水下滑翔機觀測的33 d內(nèi)各個方向的凹凸情況算出,同一方向取標準差,用凹凸情況的變化來衡量該方向變形的快慢。

2.4 細結(jié)構(gòu)強度指標

細結(jié)構(gòu)的強度,前人一般采用Cox數(shù)來衡量,Cox數(shù)首先由Osborn和Cox[29]應(yīng)用于溫度處理,定義如下:

式中的Cθ為Cox數(shù),由于取平均時各自的方法不同,所以不同學者計算得出的Cox數(shù)也有較大的差別。方欣華等[9]針對南海的溫度Cox數(shù)進行研究發(fā)現(xiàn)大部分值不超過2且Cox數(shù)近似服從對數(shù)正態(tài)分布。Gregg[30]通過3個不同航次研究得到的Cox發(fā)現(xiàn),不同月份Cox值也大不相同。張愛軍和方欣華[31]在赤道附近的斷面進行了溫鹽分析,發(fā)現(xiàn)大部分溫度Cox數(shù)小于1,密度Cox數(shù)小于0.5且概率密度分布偏于低值。鮑獻文和方欣華[32]認為Cox數(shù)的計算存在極大的人為任意性。前人用于計算的數(shù)據(jù)量雖少但垂向分辨率高于水下滑翔機[8,26],且觀測數(shù)據(jù)的深度較淺,此時采用Cox數(shù)來衡量細結(jié)構(gòu)的強度是可行的,但水下滑翔機的測量深度范圍大且垂向分辨率低于前人所用資料,經(jīng)計算Cox數(shù)無法表示細結(jié)構(gòu)的絕對強度。因此,本文采用每個點脈動值的絕對值|θ′|作為衡量該點細結(jié)構(gòu)強弱的指標,對于感興趣的水層采用對脈動絕對值進行深度作積分取平均的方式衡量該水層的細結(jié)構(gòu)強度。

2.5 細結(jié)構(gòu)成因診斷方法

細結(jié)構(gòu)有很多種成因,例如內(nèi)波、雙擴散、湍流混合等[32],本文采用Pingree[33]使用的方法作為診斷判據(jù)。為方便解釋細結(jié)構(gòu)的選擇和統(tǒng)計分析的結(jié)果,定義2個參數(shù)M和m如下:

可以利用M和m的值判斷水層產(chǎn)生的物理過程:

①內(nèi)波運動學效應(yīng)情況以及溫、鹽度垂直混合情況

②等密度平流或等密度混合情況

式(6)～式(9)中:θ′、S′分別為廓線分離出的溫度、鹽度脈動值;α、β分別為熱擴散系數(shù)與鹽收縮系數(shù);()表示在所感興趣的水平面鄰近的某一深度范圍內(nèi)取平均。與Pingree[33]的計算方法相同,對于每個采樣點以100 m范圍取平均計算M,m的估計采用,每50 m估計一個m值。與之前廓線分離方法不同的是,這里采用的平均廓線是對所有廓線經(jīng)過插值取平均得到,而非每條廓線進行滑動平均,本文做定性的討論,因此可以認為這樣的廓線分離是沒有問題的。

2.6 其他方法

譜分析是用于研究細結(jié)構(gòu)強弱的重要手段,目前在細結(jié)構(gòu)的垂向譜方面,對于溫度細結(jié)構(gòu)的譜特性研究得較多,Levine和Irish[34]得出細結(jié)構(gòu)尺度范圍內(nèi)溫度脈動譜斜率為-2.5～-3.0,方欣華等[9]對南海西南海域得出斜率為-3.0～-4.1。方欣華等[35]得出東海細結(jié)構(gòu)的溫度梯度譜斜率為-1.0到-1.6。Toole和Hayes[36]分析了赤道潛流區(qū)與較高緯度的海流資料,發(fā)現(xiàn)垂向譜均在0.1 cpm附近出現(xiàn)明顯折斷,垂向溫度梯度譜可分為3段,以0.1與5.0 cpm為界,當波數(shù)大于5 cpm時是微結(jié)構(gòu)區(qū)域,會出現(xiàn)最低譜強度。譜方法可以將不同尺度的細結(jié)構(gòu)分離出來,本文將利用溫度脈動平均譜研究反氣旋渦旋中細結(jié)構(gòu)的特性。

北太平洋次表層水和北太平洋中層水進入南海經(jīng)混合后會形成高溫、高鹽的南海次表層水團和低溫、低鹽的南海中層水團,這樣的雙層水系統(tǒng)的初始穩(wěn)定層結(jié)不能長久保持,因為分子熱傳導會使兩層之間的溫度躍變比鹽度躍變消失得快,使得水團界面處的密度分布變成流體靜壓不穩(wěn)定,從而發(fā)生鹽指雙擴散現(xiàn)象。表征雙擴散強度大小的物理量最先由Turner和Benton[37]提出,他們指出可以由密度率(Rρ)來決定:

式中:Rρ為密度率,α、β分別為熱膨脹系數(shù)與鹽收縮系數(shù),θz和S z分別為溫度和鹽度的垂向梯度。Ruddick[38]在1983年引入Turner角(Tu)表示雙擴散的強度大小:

當Tu位于不同的區(qū)間時,其反映的物理意義不同[39]:|Tu|＜45°時,水層處于穩(wěn)定狀態(tài);Tu＞45°時,鹽指不穩(wěn)定產(chǎn)生;Tu＜-45°時,發(fā)生對流不穩(wěn)定。本文采用Tu判定鹽指的發(fā)生,計算Tu時采用的廓線和計算M、m時一樣。

3 渦旋細結(jié)構(gòu)特征

3.1 垂直結(jié)構(gòu)

本文計算出的各個水層的溫度細結(jié)構(gòu)強度如圖4所示,r為利用2.2節(jié)方法計算得到的歸一化半徑,由溫度細結(jié)構(gòu)強度隨深度的變化可知,渦旋不同水平位置(0～0.8r、0.8r～1.2r、1.2r～1.6r)細結(jié)構(gòu)強度均呈現(xiàn)自海面向下減弱的特征。這表明自海洋表面向下的物理過程在逐漸減弱。

圖4 溫度細結(jié)構(gòu)強度隨深度的變化Fig.4 Vertical variation of temperature finestructure strength

細結(jié)構(gòu)強度隨深度的變化與物理過程隨深度的變化有關(guān),細結(jié)構(gòu)的成因也會隨深度發(fā)生變化,初步計算得到了M與m隨深度的變化(圖5)。

圖5 M和m隨深度的變化Fig.5 Vertical variation of Mand m

不同深度起主導的物理過程也不相同,圖5中M在約120 m與500 m處的間斷點為鹽度梯度為0所致,在此深度附近不做討論。在0～100 m,m與M和β/α的值都很接近,海洋表層發(fā)生的物理過程受到太陽輻射、風強迫、降雨等多因素的影響,水平與垂向混合過程均占相當比例。而100 m以深對比m與β/α曲線,水平混合不顯著,意味著水平混合造成的細結(jié)構(gòu)少。200～300 m深度段m和M幾乎相等,表明在這個深度段,垂向混合過程的作用占主導,細結(jié)構(gòu)的成因初步斷定主要為垂向過程,如內(nèi)波、雙擴散、跨等密度面混合等。800～1 000 m深度段與200～300 m深度段相似,為垂向混合過程占主導。

為了進一步弄清細結(jié)構(gòu)的成因,本文利用2.6節(jié)介紹的方法,計算得到Turner角(圖6a)。結(jié)果表明,Turner角先隨著深度增加而變大,在約250 m處達到最大值,250 m以深隨著深度增加逐漸降低,約100～500 m深度段產(chǎn)生鹽指,而200～400 m處鹽指最為明顯。鹽指發(fā)生的區(qū)域,由于鹽指引起的熱鹽輸送,該區(qū)域的密度通量為凈負值,熱鹽的重新分布通常會產(chǎn)生很多階梯結(jié)構(gòu)[40],這種階梯結(jié)構(gòu)也常被認為是發(fā)生鹽指現(xiàn)象的標志,在本文的觀測中溫度階梯結(jié)構(gòu)較為明顯(圖6b)。結(jié)合圖5可知200～400 m深度段物理過程主要為鹽指造成的垂向擴散,水平方向混合在該水層(以下稱為鹽指層)很弱。

圖6 渦旋區(qū)域發(fā)生的鹽指現(xiàn)象Fig.6 Vertical distribution and variation of salt finger in the eddy region

3.2 水平結(jié)構(gòu)

3.2.1 渦旋內(nèi)外溫度脈動譜的差異

本文渦旋內(nèi)外溫度脈動總體平均譜如圖7所示,譜斜率列于表1。

表1 不同深度段、不同半徑范圍溫度脈動平均譜斜率Table 1 Average spectral slope of temperature perturbation at different depth and with different radius range

圖7 渦旋內(nèi)部、邊緣、外部溫度脈動平均譜Fig.7 Average spectrum of temperature perturbation inside,at the edge of and outside the eddy

隨著深度的加深,細結(jié)構(gòu)的強度減小,0～100 m深度范圍內(nèi)渦旋內(nèi)部(0～0.8r)譜斜率為-2.05,而渦旋邊緣(0.8r～1.2r)與渦旋外部(1.2r～1.6r)譜斜率分別為-2.48與-2.56,這意味著細結(jié)構(gòu)能量隨尺度的衰減在渦旋最大流速內(nèi)部以內(nèi)最弱,隨著渦旋半徑向外延伸,能量隨尺度衰減變快,表明0～100 m深度范圍內(nèi)細結(jié)構(gòu)振幅在渦旋外比渦旋內(nèi)更大。100 m以深不同半徑范圍溫度脈動總體平均譜差異不大。

3.2.2 渦旋變形對細結(jié)構(gòu)的影響

由譜分析結(jié)果可知垂向上細結(jié)構(gòu)強度隨深度的增加而減弱。為了更直觀地展示細結(jié)構(gòu)強度的分布特征,利用每條廓線的位置歸一化結(jié)果繪制了細結(jié)構(gòu)強度分布特征圖(圖8)。可以看出0～100 m范圍內(nèi)渦旋細結(jié)構(gòu)強度渦旋邊緣向外大于渦旋內(nèi)部。細結(jié)構(gòu)的譜分析著重體現(xiàn)“振幅”大小的分布,結(jié)合圖8,這似乎意味著在0～100 m深度范圍內(nèi),波數(shù)小于0.1 cpm的溫度細結(jié)構(gòu)在渦旋外部出現(xiàn)得更多。

圖8 溫度細結(jié)構(gòu)強度隨歸一化半徑的分布Fig.8 The vertical distribution of temperature fine structure strength versus normalized radius

本文渦旋變形的計算結(jié)果表明:在水下滑翔機觀測的33 d內(nèi)(2017年7月14日至8月15日)各個方向θ的標準差(Standard Deviation,STD)在渦旋東南部(第四象限)最大,即渦旋東南部形狀變化最為明顯(圖9a)。

本文將變形明顯渦旋的東南部廓線0～100 m細結(jié)構(gòu)強度的概率密度pdf與變形不明顯位置的廓線進行對比(圖9b):變形明顯渦旋的東南部0～100 m細結(jié)構(gòu)強度概率密度峰右移,從變形不明顯的0.20℃右移至0.24℃,形狀變化大的區(qū)域出現(xiàn)強度大于0.25℃的水層的概率大于外形變化小的區(qū)域。這說明0～100 m深度段,渦旋形狀變化大的區(qū)域細結(jié)構(gòu)比形狀穩(wěn)定的區(qū)域細結(jié)構(gòu)更加明顯。本文將渦旋海面高度異常中值所在的等值線取出,用于計算渦旋內(nèi)部的變形情況并與渦旋邊緣進行對比(圖9a),其中d20為20℃等溫線深度,可以指代溫躍層深度,自渦旋向外d20逐漸增加?？梢钥闯鲈诟鱾€方向渦旋邊緣處的變形情況均比渦旋內(nèi)部明顯。已知0～100 m渦旋變形明顯處的細結(jié)構(gòu)強度更大,而渦旋變形自內(nèi)向外越來越明顯,這可以解釋圖9所展示的0～100 m細結(jié)構(gòu)強度在渦旋邊緣向外的區(qū)域大于渦旋內(nèi)部,由于引起渦旋變形的因素過多,具體機制還有待進一步研究。

圖9 渦旋變形對溫度細結(jié)構(gòu)強度的影響Fig.9 Effect of eddy deformation on the strength of temperature fine-structure

為了進一步理解渦旋細結(jié)構(gòu)強度的空間分布,本文依舊將廓線分為渦旋內(nèi)(0～0.8r)、邊緣(0.8r～1.2r)、外部(1.2r～1.6r)三組,通過Turner角得出每條廓線鹽指層的厚度。由鹽指層厚度的概率分布與鹽指層隨d20(20℃等溫線深度,自渦旋中心向外逐漸減小)的變化結(jié)果(圖10)可知,由鹽指現(xiàn)象從渦旋內(nèi)向外不斷減少。本文認為這可能是因為渦旋外部的流速剪切比內(nèi)部強,阻礙了鹽指的發(fā)展[41]。

圖10 鹽指現(xiàn)象在渦旋區(qū)域的分布情況Fig.10 Characteristics of salt finger phenomena in eddy region

3.3 細結(jié)構(gòu)的日變化

水下滑翔機在33 d內(nèi)連續(xù)不斷的觀測使得本文有機會研究渦旋的日變化特征,本文將水下滑翔機數(shù)據(jù)進行合成得到了渦旋溫度隨時間的變化曲線(圖11),等值線的起伏表明渦旋溫度存在較為明顯的日變化,細結(jié)構(gòu)強度的日變化特征以及相關(guān)影響因素值得探究。

圖11 滑翔機觀測到的溫度的日變化Fig.11 Diurnal variation of temperature observed by gliders

本文將一天時間三等分為00:00-8:00、8:00-16:00、16:00-次日00:00三個時間段,將所有廓線按照觀測時間分成3組作脈動平均譜(圖12)。譜分析結(jié)果表明,0～100 m、08:00-16:00時脈動平均譜振幅與譜斜率均比其他時間段大(表2),這說明該深度范圍內(nèi)08:00-16:00渦旋細結(jié)構(gòu)能量隨尺度的衰減比00:00-08:00和16:00-次日00:00慢,進而導致同尺度細結(jié)構(gòu)振幅更大(圖12)。本文利用ERA5提供的海表太陽凈輻射數(shù)據(jù),將渦旋附近的點取出并在水下滑翔機觀測的33 d內(nèi)按照每小時取平均,得到渦旋太陽輻射的日變化(圖13),可知08:00-16:00太陽輻射強烈,這可能是譜特性產(chǎn)生變化的原因,而在更深的深度范圍內(nèi),不同時間段溫度脈動平均譜特性相近。

表2 不同深度段、不同時間段溫度脈動平均譜斜率Table 2 Average spectral slope of temperature perturbation at different depth and with different time period

圖12 不同時間段溫度脈動平均譜Fig.12 Average spectrum of temperature perturbation in different time periods

將廓線按照時間分為3組做譜分析只是為了確定溫度細結(jié)構(gòu)日變化的存在性,為了獲得其日變化的更多細節(jié),本文將所有廓線按每個小時做了更加細致的分組,對同一時間段的廓線細結(jié)構(gòu)強度做平均,得到了0～100 m與鹽指層細結(jié)構(gòu)強度的日變化特征(圖14):0～100 m深度范圍細結(jié)構(gòu)強度具有周期為1 d的振蕩,振幅約0.02℃,細結(jié)構(gòu)強度約05:00至16:00逐漸增強,約16:00至次日05:00逐漸減弱;鹽指層細結(jié)構(gòu)強度也具有周期為1 d的變化,振幅約0.008℃,小于表層強度振幅,細結(jié)構(gòu)強度前半天減弱而后半天增強。鹽指層以下細結(jié)構(gòu)強度的日變化不明顯,本文不做討論。

將圖13和圖14對比,發(fā)現(xiàn)0～100 m細結(jié)構(gòu)強度在有太陽輻射的時間段增強,在沒有太陽輻射的時間段減弱。似乎在白天太陽輻射最強烈的時段,細結(jié)構(gòu)更加明顯,也容易得到保持。我們猜測可能是由于海洋表層夜間發(fā)展的對流在一定程度上削弱了垂向細結(jié)構(gòu),而對流在白天由于太陽輻射遭到了抑制,所以白天更有利于細結(jié)構(gòu)的發(fā)展,這樣的差別也被直接反映在脈動譜的振幅與斜率上(圖12)。對于鹽指層,本文發(fā)現(xiàn)細結(jié)構(gòu)強度的日變化與d20的日變化十分相似(圖15):當d20減小(變大)時,鹽指層細結(jié)構(gòu)強度減弱(增強),這表明鹽指層細結(jié)構(gòu)強度的日變化與溫躍層深度的變化有著密切的聯(lián)系,但具體機制仍有待研究。

圖13 渦旋范圍內(nèi)太陽凈輻射的日變化Fig.13 Diurnal variation of the net solar radiation within the eddy

圖14 0～100 m與鹽指層溫度細結(jié)構(gòu)強度的日變化Fig.14 Diurnal variation of temperature finestructure strength in the depth range of 0-100 m and salt finger layer

圖15 鹽指層細結(jié)構(gòu)強度的日變化Fig.15 Diurnal variation of d20 and finestructure strength of salt finger layer

4 結(jié) 語

海洋細微結(jié)構(gòu)是很多不同的物理過程共同作用的產(chǎn)物,同時又是海洋物質(zhì)輸運和能量平衡上一個極重要的環(huán)節(jié)。細微結(jié)構(gòu)的存在影響著海水中物質(zhì)、能量、動量的傳輸以及能量的耗散,研究細結(jié)構(gòu)有助于估算海洋中能量的轉(zhuǎn)化。本文利用圍繞南海某一渦旋進行測量的水下滑翔機觀測的3 000多條廓線,通過對每條廓線按半徑比例做歸一化處理,定義水層細結(jié)構(gòu)強度的指標,分析了溫度細結(jié)構(gòu)在渦旋中的分布特征,得到的結(jié)論如下:

1)在垂向上,細結(jié)構(gòu)的強度從海洋表層至深層呈現(xiàn)上大下小的特征,海洋表層水平與垂向過程共同作用產(chǎn)生細結(jié)構(gòu),在約100～400 m深度范圍鹽指較為活躍,產(chǎn)生了階梯狀溫度細結(jié)構(gòu)。

2)在水平方向上,在0～100 m海洋表層,細結(jié)構(gòu)能量在渦旋最大流速所在半徑內(nèi)部衰減最弱,隨著渦旋半徑向外延伸,能量隨尺度衰減變快。渦旋內(nèi)部變形小于渦旋外部,導致細結(jié)構(gòu)強度自渦旋向外逐漸增強。在100～400 m深度范圍內(nèi),鹽指層厚度在渦旋內(nèi)部更大,該層細結(jié)構(gòu)強度呈現(xiàn)渦旋內(nèi)部大于渦旋外部的特征。

3)在時間變化上,0～100 m海洋表層白天溫度脈動平均譜的振幅和斜率均比其余時間大,且細結(jié)構(gòu)強度隨著太陽輻射的增強而增強,原因可能是夜間發(fā)展的對流混合削弱了垂向細結(jié)構(gòu),而該對流在白天由于太陽輻射受到了抑制。在鹽指層細結(jié)構(gòu)強度的日變化特征與溫躍層深度的變化有關(guān)。

隨著觀測資料分辨率的提升,針對細微結(jié)構(gòu)的研究已成為了可能。本文對渦旋溫度細結(jié)構(gòu)的研究是依據(jù)多組水下滑翔機數(shù)據(jù)進行的,通過分析大量垂向分辨率相對較高的廓線得到了一些成果,但也有不足之處:由于缺乏定點時間序列觀測數(shù)據(jù),關(guān)于內(nèi)波對細結(jié)構(gòu)的影響以及細結(jié)構(gòu)壽命長短的研究無法進行;缺乏海流實測資料與觀測到的細結(jié)構(gòu)進行對比,且垂向分辨率為1 m的資料無法用來研究微結(jié)構(gòu),而具有高分辨率(0.1 m)的溫鹽測量儀器目前很難像水下滑翔機那樣可以在短期內(nèi)觀測得到大量數(shù)據(jù)。相信隨著水下滑翔機垂向分辨率的提高,關(guān)于渦旋細微結(jié)構(gòu)的深入研究能夠順利進行,彌補目前的數(shù)據(jù)短缺現(xiàn)象。