朱曉婷，陳學(xué)恩

（中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島266100）

南海是鄰近中國大陸最大的半封閉深水海盆，海岸線和海底地形非常復(fù)雜。南海上層環(huán)流季節(jié)變化的大量研究表明：南海本地季風(fēng)場決定了南海的上層環(huán)流結(jié)構(gòu)，即在冬季的東北季風(fēng)盛行時(shí)期，整個(gè)南海體現(xiàn)為1個(gè)強(qiáng)的氣旋式環(huán)流系統(tǒng)；而夏季受西南季風(fēng)影響，南海環(huán)流結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，南海北部有1個(gè)比冬季稍弱的氣旋式環(huán)流，南部卻相反[1－3]。該環(huán)流特征的垂向范圍在一些文獻(xiàn)中被提到，例如1979—1982年南海北部的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，其可達(dá)500m以深[4]，數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)其在越南東南外?？蛇_(dá)600～1 200m的中層[5]。上述文獻(xiàn)對(duì)南海尤其是南海西邊界流區(qū)上層和中層定義的粗糙，反映了較深層的現(xiàn)場觀測資料的匱乏導(dǎo)致了對(duì)南海環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)刻畫的不清晰。

南海西部存在西向強(qiáng)化現(xiàn)象，隨著季風(fēng)方向的轉(zhuǎn)變，在越南沿岸產(chǎn)生冬季向南，夏季向北的強(qiáng)流[3]。眾多觀測、數(shù)值研究表明，在夏季季風(fēng)期間，越南東南岸的北向西邊界流在12°N～14°N轉(zhuǎn)向東形成越南離岸急流[2，3－7]，該急流的出現(xiàn)標(biāo)志著南海盛夏環(huán)流趨于穩(wěn)定[6]，并且生成急流的區(qū)域是南海中尺度渦多發(fā)區(qū)域[2，6－10]。2007年冬季的argo浮標(biāo)觀測發(fā)現(xiàn)，南向的西邊界流向下伸展到1 000m，并且300～600m層鹽度均勻，反映了強(qiáng)氣旋環(huán)流導(dǎo)致的強(qiáng)混合[11]。通過歷史水文數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，太平洋高鹽水沿著南海的北部和西邊界入侵南海[13]。數(shù)值研究表明，除夏季外，黑潮均通過呂宋海峽入侵南海表層，而夏季，南海的次表層和中層均存在黑潮入侵[12]。對(duì)南海海域內(nèi)海流的潮流調(diào)和分析多揭示觀測區(qū)域以全日潮為主[14－16]。2002年5月在南海西邊界流區(qū)定點(diǎn)連續(xù)海流顯示了該點(diǎn)海流斜壓性很強(qiáng)[15]。

綜上所述，南海環(huán)流非常復(fù)雜。南海南北物質(zhì)、動(dòng)量和能量主要通過西邊界流進(jìn)行交換，西邊界流在南海環(huán)流系統(tǒng)中有著重要的地位。本文分析了南海西南部西邊界流區(qū)某一特定深度上長于一年的海流和溫度觀測，揭示了觀測時(shí)期海流和溫度的變化特征，為相關(guān)的研究提供稀缺觀測資料的佐證或者研究依據(jù)。

1 資料簡介

2006年，越南和德國聯(lián)合在南海西部西邊界流區(qū)放置了帶有海流計(jì)和溫度計(jì)的沉積物捕撈器，取得了超過14個(gè)月的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度為11°49.930′N，110°00.20′E，處于越南外海水深為1 708m的陸坡上（見圖1）；該觀測取得了636m水深處，2006年4月27日8時(shí)～2007年7月7日16時(shí)的流速、流向和溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采樣間隔1h。將World Ocean Atlas 2009（WOA09）數(shù)據(jù)集[17]的冬季和夏季各層的統(tǒng)計(jì)平均溫度水平線性插值到觀測點(diǎn)所在的經(jīng)緯度上，得到觀測點(diǎn)多年平均的冬夏兩季溫度垂直剖面曲線（見圖1右），觀測點(diǎn)（636m）遠(yuǎn)處于溫躍層下方，冬夏兩季的溫度幾乎相同，表明在多年平均狀態(tài)下觀測點(diǎn)海溫的季節(jié)變化不明顯。

圖1 地形（藍(lán)點(diǎn)：觀測點(diǎn)位置）和氣候態(tài)溫度剖面Fig.1 Topography around the sediment trap site and climatological temperature，salinity profile

2 統(tǒng)計(jì)特征與波譜分析

2.1 海流與溫度的統(tǒng)計(jì)特征

原始海流和溫度的時(shí)間序列包含了低頻、潮頻和大于潮頻的高頻變化，溫度最大值為8.13℃，最小值為6.69℃，平均值為7.4℃。對(duì)海流流向和流速分段出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖2），結(jié)果表明：從2006年4月27日～2007年7月7日，海流能量集中在V分量上（南北向流速，下同）；北向流的流速大小和出現(xiàn)頻率都超過南向流速：25～35cm/s流速主要向北，北向常見的流速為15～20cm/s，而南向最常見的流速是5～15cm/s。另外，向北的海流傾向于偏西，向南的海流傾向于偏東。

圖2 原始海流流速流向的頻率分布Fig.2 Frequency distribution of amplitudes and directions of the observed current

為了逐月分析海流和溫度時(shí)間序列，定義以下統(tǒng)計(jì)量：T0為溫度的時(shí)間平均值；Tmax為溫度的最大值；σT為溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；V0為北向流速的時(shí)間平均值；Vmax為北向流速的最大值；σV為北向流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差；定義海流矢量S＝（U，V），S＝｜S｜，Smax和θmax為海流最大速度及其方向；tmax為最大流速發(fā)生的時(shí)刻。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：

（1）σV最大為2006年5月的14.75cm/s，最小為2007年4月的4.64cm/s，大部分月份σV與V0大小相當(dāng)，表示海流的變化較劇烈（見表1）。

（2）Tmax于2006年10～11月僅為7.64℃，于2007年4月達(dá)到8.13℃，且2006年5、6月與2007年5、6月的T0分別相當(dāng)，因此觀測點(diǎn)的溫度具有較明顯的季節(jié)變化特征。

（3）2006年與2007年的5、6月Vmax、V0的符號(hào)分別相反，說明該點(diǎn)海流具有顯著的年變化，與前人基于該海域溫鹽觀測所反演流場的情形吻合[6]。

（4）對(duì)Vmax、V0和θmax的分析一致表明，2006年5月份～2007年1月份（除了2006年7和12月份）北向流速占優(yōu)，而其他月份南向流速占優(yōu)。

（5）2006年7與12月有1個(gè)顯著的共同特點(diǎn)：前1個(gè)月的V分量都具有較大量值而且符號(hào)與之相反。對(duì)海流作低通濾波，并利用帶有顯著性檢驗(yàn)的FFT進(jìn)行檢驗(yàn)。低通濾波的臨界頻率設(shè)為36h，剔除潮流的影響。低通濾波后的海流方向和大小的頻率分布仍具有上述特點(diǎn)，表明2006年7與12月發(fā)生了特殊的低頻運(yùn)動(dòng)，第4部分將作詳細(xì)分析。

2.2 海流與溫度的波譜分析

對(duì)逐月的原始海流和溫度作FFT分析，得到海流和溫度的置信水平超過95%的功率譜。溫度功率譜的全日周期譜峰非常顯著（見圖4）。海流的V分量在2006年7月、2007年4～6月表現(xiàn)出顯著的全日周期，而半日周期不顯著；此外，在2006年12月、2007年6月出現(xiàn)比較顯著的近慣性周期（45～58h）譜峰。海流的U分量（東西向流速，下同）除了2006年6月份，其他月份的全日周期能量都很顯著；同V分量，半日周期能量很弱，偶爾出現(xiàn)比較明顯近慣性周期能量（圖略）。

表1 海流和溫度的逐月統(tǒng)計(jì)屬性Table 1 Monthly statistics of the currents and temperature

3 潮流調(diào)和分析

前人對(duì)南海海域潮流調(diào)和分析所用的資料長度多短則不到1個(gè)月，長仍不超過5個(gè)月[14－16]。由于本研究采用的觀測資料長度達(dá)14個(gè)月，不但可以將頻率很近的分潮如O1和K1或者M(jìn)2和S2進(jìn)行分離，還可有效地分辨長周期分潮如Sa和Ssa。本文采用Pawlowicz等[18]提供的潮流調(diào)和分析程序包t＿tide對(duì)觀測海流作整個(gè)時(shí)間序列的潮流調(diào)和分析和逐月數(shù)據(jù)的潮流調(diào)和分析。

3.1 長序列數(shù)據(jù)的調(diào)和分析

圖3 逐月溫度的功率譜Fig.3 Monthly power spectrums of temperature

潮流橢圓要素決定了分潮的基本特征：長半軸和短半軸分別表征可能的最大和最小潮流；如果潮流矢量隨著時(shí)間逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則短半軸為負(fù)，反之短半軸為正；傾角是長軸和東向之間的夾角；遲角是格林威治遲角，指實(shí)際海洋比平衡潮理論中分潮達(dá)到最大振幅時(shí)落后的角度。表2給出了通過95%置信水平檢驗(yàn)且信噪比大于2的分潮的潮流橢圓要素值及相應(yīng)誤差。

由表2可知，該觀測點(diǎn)處的顯著分潮主要是太陽輻射一年分潮（Sa）、全日分潮（O1、K1）和半日分潮（M2），而Sa分潮最強(qiáng)，這可能是觀測點(diǎn)溫度顯著的季節(jié)變化的反應(yīng)。也可能是由于觀測資料長度的限制，這是前人研究中未曾發(fā)現(xiàn)的[14－16]。Sa分潮作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最大流速達(dá)6.9cm/s，長半軸與短半軸之比為9.22，往復(fù)性質(zhì)遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)性質(zhì)；另外，Sa長軸基本為南北方向，平行于等深線，最大流速與原始海流偏差相當(dāng)，而潮流V分量對(duì)原始海流V分量的方差貢獻(xiàn)為29.4%，遠(yuǎn)大于U分量的8.5%，表明Sa分潮是海流V分量低頻運(yùn)動(dòng)的重要成分。

全日分潮O(jiān)1、K1和半日分潮M2均作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最大流速分別是1.30，0.91和0.70cm/s；（WK1＋WO1）/WM2＝3.16，為不規(guī)則全日潮。O1振幅不到Sa的20%，長軸指向西北－東南方向，長短軸之比為6.51；K1的長軸南北走向，長短軸之比為2.88，有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)特性；K1的振幅為O1的69.51%，可造成該海區(qū)日不等現(xiàn)象。最強(qiáng)半日潮M2的最大流速僅為最強(qiáng)全日潮O(jiān)1的53.76%，其它半日潮振幅都小于0.3cm/s。M2分潮的長軸基本上呈東西方向，與等深線垂直，長短軸之比為1.61，旋轉(zhuǎn)特性很明顯。全日和半日分潮中較小振幅的分潮均作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

表2 整個(gè)時(shí)間序列的潮流調(diào)和分析的潮流橢圓要素Table 2 tidal elliptic elements from the long－term harmonic analysis of the currents

3.2 逐月數(shù)據(jù)的調(diào)和分析

有文獻(xiàn)對(duì)2006年5月觀測點(diǎn)附近（11°16′N，110°46′E）17d的海流資料分析揭示，400m層以下潮流所能解釋的U分量方差大于V分量方差[15]，而本文連續(xù)14個(gè)月數(shù)據(jù)的調(diào)和分析結(jié)果顯示，潮流V分量方差貢獻(xiàn)大于U分量。本文猜想，由于該海區(qū)潮流有很強(qiáng)的斜壓性導(dǎo)致分潮的潮流橢圓隨著時(shí)間有很大的變化，特定時(shí)間的分析結(jié)果不具有普遍性。為了驗(yàn)證上述猜想，對(duì)長期觀測數(shù)據(jù)拆分成逐月數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行調(diào)和分析，O1，K1，M2和S2分潮的潮流橢圓隨時(shí)間的變化見圖5。圖中與橢圓中心對(duì)應(yīng)的橫軸時(shí)間表示對(duì)應(yīng)的月份，同一月份中缺少潮流橢圓的分潮的信噪比小于1。

3.2.1O1分潮O(jiān)1分潮潮流橢圓旋轉(zhuǎn)特性、振幅和長短軸之比隨月份變化較大。其分潮潮流橢圓長軸于2006年6、7、8、10月和2007年1、4、6月均呈西北－東南方向，只有2006年6月和2007年4月為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其余均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，說明月數(shù)據(jù)容易得到O1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的結(jié)果；上述月份O1長短軸之比變化很大，2006年7、10月和2007年6月旋轉(zhuǎn)特性顯著，其余均月份往復(fù)特性顯著。其余月份中O1長軸的方向變化較大，往復(fù)和旋轉(zhuǎn)特性差異明顯，2006年9月和2007年3月呈東北－西南方向，2006年11月和12月幾乎呈南北方向但旋轉(zhuǎn)方向相反，2007年5月份幾乎呈東西方向。

3.2.2K1分潮K1分潮于2006年7、12月和2007年2月呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其余月份相反，說明月數(shù)據(jù)更容易得到K1分潮順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。K1分潮的長軸方向、振幅比O1分潮更富于變化，2006年5月和2007年1～6月振幅較大，其余月份較小。杜巖等[15]分析了2002年5月540m以淺的海流觀測資料，發(fā)現(xiàn)該海區(qū)潮流具有很強(qiáng)的斜壓性，400m以下的潮流U分量的方差貢獻(xiàn)大于V分量的方差貢獻(xiàn)；值得注意的是，這與2007年5月份的結(jié)果一致，與2006年5月份的結(jié)果相反?？梢姴煌攴菹嗤路莸恼{(diào)和分析結(jié)果差異也很大。

3.2.3M2和S2分潮M2分潮的旋轉(zhuǎn)方向多為逆時(shí)針，最大流速相對(duì)全日分潮較弱；長軸在2006年5月、7～10月以及2007年3月呈西北－東南方向，2006年6月和2007年2月呈南北方向，2006年11月和2007年5月呈東西方向的往復(fù)流。S2分潮最弱，長軸基本呈南北方向。

綜上所述，該海區(qū)全日潮振幅強(qiáng)于半日潮，但是由于該海區(qū)的潮流斜壓性很強(qiáng)，主要分潮的潮流橢圓要素隨時(shí)間變化很大。

圖4 2006年5月～2007年6月的逐月調(diào)和分析結(jié)果Fig.4 Results of the monthly harmonic analysis from May，2006to June，2007

4 低頻特征

因?yàn)橛^測海區(qū)為南海中尺度渦多發(fā)區(qū)域[6－10]，本文假設(shè)2.2部分所述的海流低頻變異受中尺度渦的影響。定義余流為原始海流與長期調(diào)和分析得出的潮流之差，將余流V分量、潮流V分量和溫度的逐日平均繪于圖5，結(jié)合模塊化海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（MODAS－2D）在南海1/4（°）的海表面高度數(shù)據(jù)（SSH）[19]及混合坐標(biāo)海洋模式同化系統(tǒng)（HYCOMDAS）全球1/12（°）的三維溫鹽流同化數(shù)據(jù)[20－21]進(jìn)行驗(yàn)證猜想。由于HYCOM同化數(shù)據(jù)不包含潮流信息，觀測分析出的潮流V分量小于余流V分量的時(shí)期HYCOM數(shù)據(jù)更具可靠性，因此重點(diǎn)關(guān)注2006年6月15日～7月13日，12月12日～19日2段時(shí)期的變異現(xiàn)象（見圖5）。

由MODAS－2DSSH 和 HYCOM 數(shù)據(jù)可知，2006年6月15日，觀測點(diǎn)東北方向存在著1個(gè)強(qiáng)勁的反氣旋渦[3－7]。圖6a和6b給出了2006年6月29日過觀測點(diǎn)的緯向溫度斷面圖和600m層的水平流場，600～800m層的等溫線向下彎曲，證實(shí)該海區(qū)暖渦影響可達(dá)表層以下，此時(shí)觀測點(diǎn)處于暖渦邊緣。該暖渦呈西北－東南方向的橢圓形，近越南陸架一側(cè)流速較另一側(cè)弱；隨著時(shí)間推移，該渦向西南方向移動(dòng)、減弱，中心逐漸靠近觀測點(diǎn)，7月13日消失。綜上所述，2006年6月15～29日的日平均溫度逐漸升高和余流V分量的方向反轉(zhuǎn)系暖渦經(jīng)過所致。

圖5 上：溫度日平均序列（藍(lán)）和平均溫度（黑）；下：潮流（紅）和余流（藍(lán)）的V分量日平均序列、潮流強(qiáng)度小于余流的時(shí)期（V＝0處黑點(diǎn)）。豎直虛線位置對(duì)應(yīng)的日期為2006年6月15日、7月13日、12月12日、12月19日Fig.5 Top panel：daily mean temperature（blue）and the average temperature（black）；bottom panel：daily mean northward component of the tidal current（red）and the residual current（blue），the period when the tidal speed is smaller than the residual（black dots at V＝0），the date of June 15，July 13，Dec.12，Dec.19of 2006（blue dotted）

圖6 HYCOM 2006年6月29日（a）溫度緯向斷面（等值線間隔0.4℃）；（b）600m層水平流場（黑色直線交叉點(diǎn)為觀測點(diǎn)）；（c）和（d）為2006年12月19日，描述同a和bFig.6 From HYCOM in June 29，2006（a）zonal section of temperature with interval of 0.4℃；（b）horizontal velocity field at 600m，the black lines cross at observation spot；（c）and（d）in Dec.19，2006，same description as（a）and（b）

同樣，2006年12月12日觀測點(diǎn)東側(cè)逐漸生成一個(gè)冷渦，到12月19日，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，300～800m深度上等溫線存在很強(qiáng)的上凸現(xiàn)象（見圖6c，d）。由于冷渦幾乎沒有移動(dòng)，觀測點(diǎn)溫度比較穩(wěn)定，南向流隨冷渦的削弱而減?。ㄒ妶D5）。

5 結(jié)論

利用位于南海西部、越南外海大陸坡上14個(gè)月的定點(diǎn)（11°49.930′N，110°00.20′E）、溫度和海流連續(xù)觀測資料，結(jié)合多種數(shù)據(jù)，利用譜分析和調(diào)和分析等多種統(tǒng)計(jì)方法，揭示了2006年4月27日～2007年7月7日期間海流和溫度的時(shí)間變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）觀測期間內(nèi)，溫度具有明顯季節(jié)變化，最大值8.13℃，最小值6.69℃，平均值7.4℃；溫度逐月FFT譜分析表明，溫度具有明顯的全日周期變化，可能受潮流影響。

（2）海流統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，海流能量主要集中在V分量上。2006年5、6月份的Vmax、V0和Smax分別與2007年的符號(hào)完全相反，說明該海區(qū)海流具有顯著的年變化；2006年5月份至2007年1月份（除了2006年7月和12月）北向流速占優(yōu)，而其他月份南向流速占優(yōu)。

（3）海流的整個(gè)時(shí)間序列的調(diào)和分析表明：該海區(qū)為不規(guī)則全日潮；最顯著的4個(gè)分潮為太陽輻射一年分潮Sa、全日分潮O(jiān)1、K1和半日分潮M2，最大流速分別為6.9，1.30，0.91和0.70cm/s，均作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，長短半軸之比分別為9.22，6.51，2.88，1.61，表明往復(fù)特性依次減弱而旋轉(zhuǎn)特性依次增強(qiáng)。Sa和K1分潮長軸與等深線平行，指向南北方向；而M2分潮長軸基本與等深線垂直，指向東西方向；O1分潮長軸則指向西北－東南方向。由于顯著的Sa分潮的存在，日平均潮流表現(xiàn)為振幅較大的一年周期的震動(dòng)。

（4）對(duì)逐月海流資料進(jìn)行調(diào)和分析發(fā)現(xiàn)，該海區(qū)全日潮最顯著；短序列的資料的傾向于分析出O1和K1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的結(jié)果；由于很強(qiáng)的潮流斜壓性，該海區(qū)主要分潮的潮流橢圓要素隨時(shí)間變化很大。

（5）2006年7月和12月海流異常的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象由中尺度渦造成。2006年6月15～29日觀測點(diǎn)東北方向的橢圓形的暖渦逐漸接近觀測點(diǎn)同時(shí)逐漸減弱導(dǎo)致了日平均溫度逐漸升高和余流V分量由很強(qiáng)逐漸減弱的變化特征。2006年12月12～19日觀測點(diǎn)東側(cè)發(fā)展了1個(gè)很強(qiáng)的冷渦，影響的范圍300～800m，由于該冷渦不移動(dòng)，且觀測點(diǎn)處于冷渦的邊緣，所以造成了溫度比較平穩(wěn)和海流V分量的南向的流動(dòng)隨著渦的削弱而明顯減小的變化特征。

致謝：德國漢堡大學(xué)Thomas Pohlmann博士提供了寶貴的觀測數(shù)據(jù)；于華明博士給予的有益的建議，在此一并表示感謝。

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