李 晗 王 強 黃 科 劉欽燕 TILAK Priyadarshana管玉平 王東曉

(1.中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室 廣州 510301;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.Faculty of Fisheries and Marine Sciences &Technology University of Ruhuna Matara Sri Lanka)

1992—2011年夏季南海西部離岸流區(qū)渦流相互作用特征*

李 晗1,2王 強1①黃 科1劉欽燕1TILAK Priyadarshana3管玉平1王東曉1

(1.中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室 廣州 510301;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.Faculty of Fisheries and Marine Sciences &Technology University of Ruhuna Matara Sri Lanka)

本文利用南海海洋再分析產(chǎn)品REDOS(Reanalysis Dataset of the South China Sea)和風(fēng)場資料CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform),從能量學(xué)角度探討了1992—2011年夏季(6—9月)越南離岸流區(qū)域渦-流相互作用特征,并通過能量收支方程診斷評估了風(fēng)應(yīng)力、壓力梯度、正壓不穩(wěn)定以及平流的相對貢獻。以越南離岸流的強度作為分類標(biāo)準,對1992—2011年劃分為正異常年、負異常年和正常年。結(jié)果表明,在正異常年,渦動能 EKE(Eddy Kinetic Energy)和渦勢能 EPE(Eddy available Potential Energy)極大值主要分布在越南離岸流附近;在負異常年,EKE極大值向南北兩側(cè)分散,EPE極大值向北延伸;在正常年,EKE和EPE的極值空間分布介于正負異常之間。斜壓不穩(wěn)定是 EPE年際變化的主要因素,越南離岸流影響周圍海域的速度和密度分布,是斜壓不穩(wěn)定的主要原因。而影響 EKE年際變化的因素較為復(fù)雜,壓力做功是最主要的影響因素,風(fēng)應(yīng)力做功和平流做功次之,正壓不穩(wěn)定最小,其中正壓不穩(wěn)定依賴于流速大小和由風(fēng)應(yīng)力旋度擾動引起的上層水平流速剪切。

越南離岸流;能量學(xué)分析;渦-流相互作用;年際變化

南海是全球最大的半封閉深水邊緣海之一,面積約為350萬 km2,平均深度逾 1200m,最深可達5000m以上,它通過臺灣海峽與東海相連,通過呂宋海峽與太平洋相通,經(jīng)馬六甲海峽和安達曼海與印度洋相接,又經(jīng)卡里馬塔海峽和巴士海峽分別與爪哇海和蘇祿海相連,是印度洋與太平洋水團和能量交換的重要通道。南海屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,冬季盛行東北季風(fēng),夏季盛行西南季風(fēng),是一個典型受季風(fēng)驅(qū)動的海域(Wyrtki,1961),且存在西向強化現(xiàn)象,冬季為海盆尺度的氣旋式環(huán)流,夏季南海北部為東北向漂流,南部為反氣旋式環(huán)流(Fanget al,1998;Huet al,2000)。

南海西部海域,冬季主要表現(xiàn)為南向的西邊界流,夏季主要表現(xiàn)為東、東北向離岸流。不同文獻對夏季這一流動的稱謂有所不同,如越南離岸流(Caiet al,2007;王東曉等,2013;Quanet al,2016)、夏季東向流(Wanget al,2006;Bayleret al,2008;Liet al,2014)、離岸急流(Ganet al,2008;Xuet al,2008;Zenget al,2009;Zhuanget al,2010)等,在本文中統(tǒng)一使用越南離岸流。已有研究表明,越南離岸流具有顯著地轉(zhuǎn)運動特征(Huet al,2000;王東曉等,2013),主要位置集中在10°—14°N,平均約為12°N;衛(wèi)星觀測、現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬均表明離岸流位置擺動變化與強度之間存在一定聯(lián)系,位置偏南時強度偏大,偏北時強度偏小,向北偏離時偏離程度更大(Caiet al,2007;Liet al,2014;Quanet al,2016)。

越南離岸流受季風(fēng)變化的控制(Xieet al,2003),其流軸主要沿風(fēng)應(yīng)力旋度零線附近分布(王東曉等,2013)。另外,南海風(fēng)場與厄爾尼諾事件有關(guān)(Yanget al,2013;Quanet al,2016),因此越南離岸流呈現(xiàn)一定的年際變化:厄爾尼諾發(fā)展(衰退)年夏季,南海西南季風(fēng)加強(減弱),呈偏西(南)風(fēng),越南離岸流流軸偏南(北),強度增加(減弱)。越南離岸流的變化也與邊界層動力學(xué)和30—60天季節(jié)內(nèi)振蕩有密切聯(lián)系(Ganet al,2008)。越南離岸流伴隨強烈的上升流動力過程,該上升流存在明顯的季節(jié)內(nèi)和年際變化,安南山脈對西南季風(fēng)的阻斷和山脈以南的側(cè)風(fēng)加速導(dǎo)致風(fēng)急流誘發(fā)的風(fēng)應(yīng)力旋度是引起沿岸上升流的主要因素(Xieet al,2003)。冷水隨越南離岸流向南海中部流動,同時南海西部的西南強風(fēng)使得局地海流上涌,二者共同導(dǎo)致夏季南海中西部海表溫度降低,并使得葉綠素濃度和浮游植物密度均較高(Xieet al,2003;Zhaoet al,2007)。安南山脈以東的空氣因氣流過山變得干燥,加之這一海域海表面溫度降低,導(dǎo)致夏季南海西部降水較少(Xuet al,2008;Zenget al,2014b)。這些都表明越南離岸流對夏季南海中西部的生態(tài)環(huán)境具有顯著影響。

南海西部海域也是海洋渦旋活躍地區(qū)之一,夏季多存在較強的渦旋(Wanget al,2006;Chenet al,2010)。在歷史觀測資料和數(shù)值模擬中,在越南離岸流南北兩側(cè)常伴隨存在一對反氣旋和氣旋式渦旋(Wanget al,2006;Bayleret al,2008;Yanget al,2013;Zenget al,2017)。雙渦結(jié)構(gòu)的分布位置及其強度受夏季西南季風(fēng)的強度、風(fēng)向及風(fēng)應(yīng)力旋度的影響(Chenet al,2010),其存在與否及其年際變化特征也受 ENSO的調(diào)制(Chuet al,2017;Xianget al,2016)。平流作用是雙渦結(jié)構(gòu)存在劇烈的季節(jié)內(nèi)變化的重要原因(Xianget al,2016)。越南離岸流的非線性渦度輸送對雙渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生至關(guān)重要(Wanget al,2006),越南離岸流與雙渦結(jié)構(gòu)存在強烈的相互作用,使南海西部海域的渦動能在南海最強(Heet al,2002;Yanget al,2013)。

以往對于夏季南海西部環(huán)流,尤其是越南離岸流的研究多集中在風(fēng)場對環(huán)流的驅(qū)動及其變化規(guī)律,除了外部風(fēng)場做功以外,海洋內(nèi)部存在復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換,但針對性地從能量學(xué)的角度探討這一區(qū)域渦流相互作用的相關(guān)工作較少(Zhuanget al,2010;Yanget al,2013)。能量學(xué)分析對探討南海西部的海洋內(nèi)部動力過程是必要的,它不但可以解釋海洋環(huán)流的變化特征,還可以通過能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程,呈現(xiàn)中小尺度的海洋內(nèi)部相互作用。本文主要通過能量診斷方程,從能量學(xué)的角度探討 1992—2011年期間夏季南海西部渦流相互作用的年際變化。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用的海洋資料為南海再分析數(shù)據(jù)REDOS(Reanalysis Dataset of the South China Sea;Zenget al,2014a),區(qū)域為1°—30°N,99°—134°E,時間跨度為1992年1月1日至2011年12月31日。主要包含海表面高度、三維溫度、鹽度、海流等變量,垂向分 24層,覆蓋海表至水深 1200m,水平分辨率為0.1°×0.1°,時間分辨率為1 天。REDOS 同化了衛(wèi)星觀測的海表高度異常、衛(wèi)星及船舶觀測的海表溫度、地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實時觀測陣Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)、世界海洋數(shù)據(jù)集WOD09(World Ocean Database 2009)、中國科學(xué)院南海海洋研究所航次獲取的溫鹽深儀CTD(Conductance,Temperature,Depth)資料(Zenget al,2015;Zenget al,2016a,b)和投棄式溫度剖面測量儀 XBT(Expendable Bathythermograph)資料。REDOS資料可基本呈現(xiàn)南海各基本物理量的主要特征及其變化(Zenget al,2014a)。

為進一步驗證REDOS對于夏季南海西部環(huán)流的模擬情況,本文將REDOS的海表面高度與AVISO(Archiving,Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data)衛(wèi)星觀測的絕對海表動力高度ADT(Absolute Dynamic Topography)進行了比對(圖1)。AVISO衛(wèi)星觀測時間跨度為1993年1月1日到2011年12月31日,空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1天。

REDOS和AVISO資料1993—2011年夏季(6—9月平均)海表高度平均分布如圖1所示,均可以看出,夏季南海西部海域主要特征為越南離岸流及其南北的雙渦結(jié)構(gòu),約以12°N為分界,其南、北分別呈現(xiàn)反氣旋式渦旋和氣旋式渦旋,RODOS強度略弱。其中雙渦結(jié)構(gòu)的北部氣旋式渦旋主要分布在110°—114°E,11.5°—14.5°N,南部反氣旋式渦旋主要分布在110°—114°E,7.5°—10.5°N,分別記為NP(North Pole)和SP(South Pole)。通過對比發(fā)現(xiàn),REDOS在氣候態(tài)上模式結(jié)果對越南離岸流南側(cè)的反氣旋渦有些低估,異常出現(xiàn)的氣旋渦使得這一反氣旋渦不明顯,這與模式中反映的該區(qū)域強烈的年際變化是相關(guān)的。由于雙渦結(jié)構(gòu)的位置是不穩(wěn)定的,會隨著越南離岸流的擺動而南北移動,北部的氣旋渦由于沒有出現(xiàn)類似南部的過渡模擬,會呈現(xiàn)較強的氣旋渦,而南部的反氣旋渦由于臨近過渡模擬的氣旋渦,使得氣候態(tài)平均不夠顯著。通過夏季海洋流場(見2.1節(jié)圖6)看出,由于各年反氣旋渦差異較大,導(dǎo)致進行氣候態(tài)平均時被弱化。因此REDOS的流場形態(tài)誤差對本文關(guān)注區(qū)域的能量學(xué)診斷影響不大。本文著重探討南海西部渦流相互作用的年際變化特征,而海表面高度變化與環(huán)流之間存在顯著相關(guān)(Zhuanget al,2010;Liet al,2014),因而在進行數(shù)據(jù)比較時選用三個數(shù)據(jù)集的海表面高度,除REDOS和AVISO外,還引入HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model;http://tds.hycom.org/thredds/dodsC/GLBu0.08)的海表面高度資料進行對比。所用HYCOM數(shù)據(jù)時間跨度為1992年10月2日至2010年12月31日,空間分辨率為1/12°×1/12°,時間分辨率為1天。在扣除三種數(shù)據(jù)氣候態(tài)平均后,分別在NP和SP區(qū)域計算海表面高度的月平均值,得到圖2。REDOS與AVISO的海表面高度在NP和SP的相關(guān)系數(shù)分別為0.84和0.73,HYCOM與AVISO的海表面高度的相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.40,以上都通過0.99的信度檢驗。REDOS與AVISO的海表面高度相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于 HYCOM 與 AVISO的相關(guān)。同時,REDOS與AVISO的逐月偏差小于HYCOM與AVISO的逐月偏差,且都隨著時間發(fā)展偏差逐漸縮小,使得對于近年的數(shù)據(jù)可靠性更高。這可能與REDOS同化了大量南海航次現(xiàn)場觀測資料有關(guān)。

圖1 1992至2011年6—9月海表面高度的氣候態(tài)平均Fig.1 Climatological sea surface height of AVISO(a)and REDOS(b)data,respectively,from June to September,1992 to 2011

通過逐年6—9月平均的夏季海洋上層流場可以看到(見2.1節(jié)圖6),對于南部反氣旋渦的模擬在季節(jié)尺度上較為可靠。另外,通過20年109.5°—114°E緯向平均 6—9月的渦度變化進一步來看(圖略),反氣旋渦從六月中旬開始出現(xiàn)在9°N附近,并在7、8月份逐漸向北移動并達到強盛,與9月末衰減,這也可以說明REDOS對南部反氣旋渦的模擬情況是可以接受的。實際上REDOS對于反氣旋渦的模擬并非沒有體現(xiàn),而是受反氣旋渦的分布不夠穩(wěn)定等導(dǎo)致其氣候態(tài)平均場體現(xiàn)較弱,但這對于我們本文用它來探討渦流相互作用年際變化影響不大。并且REDOS與AVISO的逐月偏差小于HYCOM與AVISO的逐月偏差,因此在本研究中,我們采用REDOS數(shù)值產(chǎn)品。

REDOS資料是由 CCMP(Cross—Calibrated,Multi—Platform)風(fēng)場數(shù)據(jù)驅(qū)動的,為保持一致,本文也采用CCMP V2.0的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行風(fēng)應(yīng)力做功診斷分析。時間跨度為1992年1月1日至2011年12月31日,空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1天。

圖2 REDOS與AVISO和HYCOM月平均海表面高度(單位:m)對比圖Fig.2 Comparison of REDOS monthly averaged sea surface height with AVISO and HYCOM

1.2 能量平衡診斷方程

能量學(xué)分析可以較好地展示渦流相互作用過程中的能量變化,有助于深入的分析影響夏季南海西部環(huán)流的海洋內(nèi)部因素,本文主要從兩個角度進行探討:通過正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定過程,平均流(越南離岸流)與渦動能(Eddy Kinetic Energy,EKE)和渦勢能(Eddy available Potential Energy,EPE)進行能量交換,以及渦動能通過正壓不穩(wěn)定、壓強做功、風(fēng)應(yīng)力做功、平流做功和耗散項實現(xiàn)能量平衡。

單位質(zhì)量的渦動能和渦勢能定義如下(B?ninget al,1992):

其中,u′=u-,v′=v-,u和v分別是緯向速度和經(jīng)向速度,和分別是1992至2011年6—9月緯向速度和經(jīng)向速度的氣候態(tài)平均,g為重力加速度,ρ為海水密度,(x,y,z,t)=ρ(x,y,z,t)-ρb(z),ρb(z)為1992至 2011年 6—9月南海西部 108°—118°E,8°—16°N 的時間平均和水平平均的背景場密度,是同一區(qū)域的時間平均,是位勢密度的時間平均和水平平均。

四箱能量圖可以描述平均動能、平均勢能、渦動能和渦勢能之間的能量轉(zhuǎn)換(B?ninget al,1992;Beckmannet al,1994),并陸續(xù)應(yīng)用于部分研究南海渦流相互作用的相關(guān)工作(Zhuanget al,2010;Zuet al,2013;Genget al,2016)。在四箱能量圖中,用于分別代表勢能和動能間渦流相互作用的T2項和T4項分別為:

T2項表示平均勢能和渦勢能之間的轉(zhuǎn)換,正值表示由于平均流和渦旋間的密度差異大,造成斜壓不穩(wěn)定,使平均勢能向渦勢能轉(zhuǎn)換。T4項表示雷諾應(yīng)力逆平均剪切的做功,正值表示由于強的水平速度剪切造成正壓不穩(wěn)定,平均動能向渦動能轉(zhuǎn)換(B?ninget al,1992)。需要說明的是,T2和T4的第一個負號表示能量傳遞的方向,即平均能向渦能轉(zhuǎn)化,而T2分母上的負號與 EPE的負號含義一致,即垂向坐標(biāo)軸以向上為正方向。

EKE可以有效地描述渦旋的變化,對于夏季南海西部海域,也是體現(xiàn)渦流相互作用的有效指標(biāo)。因此本文還進行 EKE能量平衡的計算分析,方程如下(Ivchenkoet al,1997;Genget al,2016):

其中方程左側(cè)為EKE隨時間的變化項,WW為風(fēng)應(yīng)力做功項:

PW為壓強做功項:

ADV為平流項:

DIFF為耗散項:

由于耗散項在REDOS數(shù)據(jù)中難以準確給出其耗散系數(shù),而不同的耗散系數(shù)的選取會帶來較大誤差,故本文著重考慮WW、PW、T4和ADV四項對EKE能量平衡的貢獻。在計算過程中,除WW項僅計算海表做功外,其他各項做功均為20—150m深度積分后的垂向平均。取150m為最大深度是由于氣候態(tài)平均的越南離岸流—的東向分量和北向分量主要影響150m以淺的區(qū)域(圖3),150m以深的變量迅速變小,引入后可能會造成一定的誤差。同時沒有納入0—20m之間的數(shù)據(jù),是由于本文計算的 EPE和T2兩項對垂向位勢密度梯度非常敏感,而在部分海域在0—20m極小,且存在很大的噪音,使得處于分母的會導(dǎo)致EPE和T2在相鄰的格點存在巨大差異,遠超其應(yīng)有的量級,而這一情況在20m以深基本消失。因此在后續(xù)計算過程中,除只作用在海表的變量外,其余各變量均采用這種方法進行計算。

圖3 110°E斷面流場U分量和11°N斷面流場V分量的氣候態(tài)平均Fig.3 Climatological average of U component of current along 110° E section and V component of current along 11° N section

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季流場的年際變化

圖4為1992至2011年6—9月的氣候態(tài)平均場平面圖。從海表風(fēng)場可以看到明顯的夏季西南季風(fēng),以及在安南山脈東南地區(qū)的強氣旋式渦旋,紅色線表示風(fēng)應(yīng)力旋度為零的等值線,分布在10°—13°N之間,其南側(cè)有較弱的反氣旋式渦旋。圖4b為0—150m深垂向積分后的平均流場及單位質(zhì)量動能標(biāo)準差,在11°N以北存在顯著的氣旋式渦旋,其南則并沒有顯著的反氣旋式渦旋,這是由于該區(qū)域的渦流特征存在復(fù)雜的變化和波動,氣候態(tài)平均會抹平許多季節(jié)內(nèi)的變化信息,在110°E,7°N附近出現(xiàn)的氣旋式渦旋可能是過度模擬的結(jié)果(Quanet al,2016),但也呈現(xiàn)了近似的雙渦結(jié)構(gòu)和東向的離岸流。

圖4 6—9月海表面風(fēng)場和上層流場氣候態(tài)平均的空間分布Fig.4 Spatial distribution of climatological average for ocean surface wind and upper layer current from June to September

標(biāo)準差的大小有助于展現(xiàn)數(shù)值波動幅度最大的區(qū)域,從圖 4b來看,平均動能標(biāo)準差主要分布在越南沿岸及東向離岸流附近,據(jù)此可以選定具有代表性的計算區(qū)域,即 109.5°—114°E,9°—14°N。注意到這一區(qū)域緯向跨度較大,正是越南離岸流軸線分布的不穩(wěn)定,使得渦流相互作用在這一區(qū)域活躍而復(fù)雜。

為客觀描述流場的年際差異,需制定分類標(biāo)準,不同于Li等(2014)僅計算U分量的方法,本文根據(jù)U分量判斷是否為東向流后計算單位質(zhì)量的動能作為越南離岸流的強度指標(biāo)。這是由于,根據(jù)對 REDOS逐日流場的查看,越南離岸流并不是一支穩(wěn)定的定常流,其形態(tài)是在風(fēng)應(yīng)力旋度和渦流相互作用影響下頻繁彎曲擺動的東向流。因而對于逐日流場而言,其V分量可能會發(fā)生顯著的變化,但若只考慮U分量進行計算,會丟失一部分動能信息,導(dǎo)致計算產(chǎn)生誤差。

圖5 越南離岸流強度及緯度Fig.5 Intensity and latitude of Vietnam Offshore Current

根據(jù)圖 4b的空間分布,選取 109.5°—114°E,9°—14°N區(qū)域海流進行垂向積分,其中U分量為正的格點的動能平均值作為平均動能指數(shù) IE,動能最大位置對應(yīng)的緯度平均值為YAVE,其余變量亦選擇相同的計算區(qū)域。圖5展示了不同年份越南離岸流的強度及平均緯度,考慮到計算指數(shù)的方案,大值可能包含部分越南離岸流以外的東向流的動能,以0.01m2/s2和0.02m2/s2為分界線,大于 0.02m2/s2為正異常,小于0.01m2/s2為負異常,二者之間為正常。在Li等(2014)文中IE與YAVE存在一定的負相關(guān),而在本文計算中則相關(guān)性較弱,這可能是由三方面原因造成,一是由于所使用的數(shù)據(jù)不同,數(shù)據(jù)之間不同的初始條件、邊界條件、插值和同化方案不同的情況下,會帶來完全不同的影響;二是由于計算指數(shù)時使用的方案不同會造成一定差異;三是由于本文計算采用 0—150m 垂向積分后的平均,在流的大小和方向上都會與僅計算海表流場有所不同。與Quan等(2016)對夏季南海西邊界流時的分類結(jié)果大體一致,不同的是Quan等(2016)采用的判據(jù)為越南離岸流的緯度,而以越南離岸流強度的大小作為分類標(biāo)準。

圖6 1992—2011年每年6—9月海洋上層平均流場及海表面高度Fig.6 Mean ocean upper layer current and sea surface height from June to September,1992—2011

利用上述分類方式,正異常年為1992、1994、1997、1999、2002、2004、2005、2009和2011年,負異常年為1995、1996、2006和2010年,1993、1998、2000、2001、2003、2007和2008年為正常年。1992至2011年6—9月逐年平均流場分布如圖6所示,流場為0—150m 的垂向積分后平均得到,與海表流有所差異。在正異常年,流場與渦旋,尤其是氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)強且清晰;在正常年,經(jīng)向流顯著,氣旋式渦旋依然較強;在負異常年,流場趨于混亂或呈現(xiàn)反位相分布的渦旋結(jié)構(gòu)。

圖7分別表示正異常、負異常和正常年的三種類型合成流場、SSH和風(fēng)場的空間分布特征。從流場來看,正異常年整體流速大,在越南東南沿海約 11°N開始向東流動,并逐漸轉(zhuǎn)向東北,其北的氣旋式渦旋強盛,其南受南海西南的氣旋式渦旋影響,沒有出現(xiàn)顯著的反氣旋式渦旋,但對比正常年和負異常年仍有強的反氣旋趨勢。負異常年整體流速小,離岸流北部的氣旋式渦旋很弱。正常年并非簡單地介于正、負異常之間,而是在形態(tài)上更接近負異常,且經(jīng)向流較強。由于分類標(biāo)準并非緯向流的強弱,而是東向流單位質(zhì)量的動能,說明僅憑借緯向流并不能完全反映越南離岸流的強弱,將經(jīng)向分量考慮進來是有必要的。

圖7 海表面風(fēng)場、海洋上層環(huán)流、EKE和EPE的年際差異Fig.7 Interannual differences of sea surface wind,upper layer ocean current,EKE and EPE

圖7d、e、f顯示了風(fēng)場在越南離岸流強弱年份間的差異,從風(fēng)向上看,正異常年更偏西風(fēng),而負異常年更偏南風(fēng);從風(fēng)應(yīng)力旋度上看,在越南東南沿岸始終呈現(xiàn)較集中的正的風(fēng)應(yīng)力旋度,正異常年的強度大,負異常年強度小,正常年則介于兩者之間。風(fēng)應(yīng)力旋度對夏季南海西部流場的影響已多有討論,主流觀點認為安南山脈對南海夏季西南季風(fēng)的阻擋使得在其西南部風(fēng)速變大,在風(fēng)速最大值以北由于較大的風(fēng)應(yīng)力剪切,出現(xiàn)強的正風(fēng)應(yīng)力旋度,海表流場也趨于呈現(xiàn)氣旋式渦旋,產(chǎn)生的上升流使海表溫度下降(Xieet al,2003)。對于三類情況,風(fēng)速的大小并沒有明顯差異,推測其對海表流場的直接做功也差異較小,海洋內(nèi)部的渦流相互作用在不同年份的差異可能是導(dǎo)致的流場年際變化的另一個主要原因,因此我們需要關(guān)注渦旋能量的空間分布、強弱及其變化。

2.2 四箱能量圖分析

圖9a和10a分別顯示了EPE和EKE兩種渦能的空間分布,對比可以看出,EKE強度略大于EPE,且在空間分布上,也比EPE更廣泛。具體而言,EKE在正異常年南北分散更小,有向東延伸的趨勢,而負異常年則明顯向南北兩側(cè)分散,在11°N附近達到極小值,正常年則介于兩者之間。注意到 EKE在三種分類中強度變化不顯著,主要是空間分布的差異,在越南離岸流強的年份,EKE的分布也越向離岸流集中,反之則在越南離岸流處很小,這說明 EKE的分布依賴于平均流的分布及其強度,在平均流強的海域會產(chǎn)生更大強度的 EKE,結(jié)合氣候態(tài)平均和標(biāo)準差的空間分布,可知越南離岸流的強度影響其南北兩側(cè)的雙渦結(jié)構(gòu)。與 EKE略有不同的是,在不同年份,EPE在強度和空間分布上均有一定差異,在正異常年分,EPE明顯沿越南離岸流的流軸路徑由越南東南沿岸向東北方向延伸,負異常年則幾乎呈經(jīng)向分布,沿南海西部沿岸向北延伸,正常年則在強度和空間分布上都有所折中。相比較而言,EPE對越南離岸流的路徑依賴度很高,EKE更多地依賴于海流本身的強度。

圖8 渦動能和渦勢能時間變化,正、斜壓不穩(wěn)定的平均空間分布Fig.8 Average spatial distribution of EKE(a)and EPE(b)changes with time,barotropic(c)and baroclinic(d)instability

圖8b和圖8d所示為南海西部EPE的時間變化項 dEPE與T2在空間分布和強度上高度對應(yīng),說明EPE的變化主要受到斜壓不穩(wěn)定影響,注意到幾乎在越南東南沿岸的水平梯度較大,會放大局地擾動動量u′ρ～′和v′ρ～′。Geng等(2016)的試驗表明,對于獨立運動的渦旋,T2在渦旋與平均流靠近的一側(cè)主要為正。在夏季南海西邊界,渦旋并不是孤立存在的,而是依托于越南離岸流并隨之變化。離岸流從岸界出發(fā)后分別向東、東北方向擺動,速度擾動較大,且由于上升流和渦旋的存在,密度擾動也較大,故渦旋與平均流相互作用最顯著的位置即越南東南沿岸,使得其T2達到正極值。由此可以基本解釋夏季南海西部T2的空間分布及其對EPE的影響。

從圖9中可見,EPE的強度和空間分布與T2在不同年份十分吻合,也說明了夏季南海西部勢能間的渦流相互作用主要受斜壓不穩(wěn)定控制。越南離岸流強弱對斜壓不穩(wěn)定的強度影響較小,但對其空間分布影響顯著,這是由于,離岸流會與其鄰近海域產(chǎn)生較大的密度差異,進而產(chǎn)生圍繞其流軸出現(xiàn)的較大的斜壓不穩(wěn)定,使平均勢能向渦勢能轉(zhuǎn)換。T2在主要區(qū)域均為正,即能量從 MPE向 EPE轉(zhuǎn)化,且區(qū)域集中在越南東南沿岸。在越南離岸流流速最大的約110°E,11°N附近,T2達到極大值。根據(jù)公式,T2主要變化項來自

圖9 渦勢能和斜壓不穩(wěn)定的年際差異Fig.9 Interannual differences of EPE and baroclinic instability

T2是 EPE變化的主要因素,而圖 8c所示的T4不能類似T2進行對 EKE解釋,這是因為如圖8中,dEKEt在南海西部都有較強分布,而T4的極值則主要分布在越南沿岸及其南向延伸區(qū)域,在空間分布和強度上與dEKEt都有顯著差異。如圖10b所示,在不同年份下,T4的空間分布和強度差異都不顯著,而圖10a中EKE呈現(xiàn)出顯著的年際變化,說明由其他因素在EKE的年際變化上起到主要作用。因此有必要進一步對EKE的年際變化進行能量平衡收支分析。

2.3 EKE收支平衡分析

圖10所示,PW和ADV項的整體強度都大于WW和T4項,不同的是,PW和ADV項呈密集的空間正負交替分布,二者的空間變化說明壓強和平流的做功對渦流相互作用的發(fā)展階段是敏感的,存在顯著的天氣尺度變化。

T4的極值部分主要沿南海西部沿岸分布,對應(yīng)T2的正極值位置處,T4始終為正極值,且其南北兩側(cè)均為負極值。這說明在越南離岸流最強的位置通過正壓不穩(wěn)定,能量從平均能向渦能轉(zhuǎn)化,而在渦旋遠離流軸的位置,渦動能向平均動能轉(zhuǎn)化,對比圖 8b可知,局地風(fēng)應(yīng)力旋度的擾動也會通過增大上層環(huán)流水平剪切速度使正壓不穩(wěn)定增大。

而WW項主要呈正分布,即對EKE的變化有一直具有正的貢獻。WW在正異常年分正分布更廣泛,在負異常年,離岸流南北兩側(cè)各有一部分負極值分布。從強度來看,WW在不同年份的正極值差異較小,主要區(qū)別在于負極值的強度及分布。對于負異常年,負極值之間的正值向東北延伸,而正異常年和正常年,負異常間的正值向東延伸,這與風(fēng)向和風(fēng)應(yīng)力旋度的分布類似。注意到對于負異常年份,WW的負(正)極值對應(yīng)EKE極大(小)值區(qū)域,這一現(xiàn)象在正異常和正常年也有所體現(xiàn),但相對影響范圍更小,這說明WW 對越南離岸流較強時更利于渦旋的發(fā)展,較弱時對其發(fā)展貢獻變小,甚至局地抑制發(fā)展。

PW在空間分布上的差異并不顯著,但在強度上有明顯差異:在繪制相同等值線數(shù)量的情況下,三幅圖都達到了色標(biāo)的極大、極小值,而在正異常年分出現(xiàn)更多留白,說明這些年份的絕對值和標(biāo)準差更大,且分布更為集中,負異常年則相對較小,正負分布則也更為均勻,正常年介于兩者之間,這說明在正異常年,PW 做功的強度和空間差異更大。這是由于正異常年的渦旋結(jié)構(gòu)更強盛,使得壓強的擾動變大,進而導(dǎo)致PW變大。

ADV的分布與EKE分布類似,在正異常年分布更趨于向越南離岸流靠攏,在負異常年趨于向南北兩側(cè)分散,在正常年則介于兩者之間。更準確地,是ADV的分布依賴于 EKE強度的水平梯度,這是由ADV公式?jīng)Q定的,在EKE分布出現(xiàn)極值的區(qū)域,由于 EKE依賴于流速大小,使得這些區(qū)域的流速較大,因此通常ADV也會更顯著。

總體而言,從T4、WW、PW 和ADV四項的絕對強度來看,PW是最主要的影響因素,ADV和WW次之,T4項最小。各項對于夏季南海西部的影響有所不同,PW和ADV空間變化大,具有顯著的擾動特征;WW 主要做正功,總體而言是 EKE能量的穩(wěn)定來源之一;T4的貢獻主要在南海西部沿岸,空間分布穩(wěn)定,即在岸界的正壓不穩(wěn)定很強,這是由于這一區(qū)域的地形由大陸坡變?yōu)榇箨懠?使得兩區(qū)塊水體交接處的水平速度剪切很大,而在速度最強的10°—12°N是越南離岸流的主要離岸緯度,速度剪切最大,是岸界能量從平均動能向渦動能轉(zhuǎn)化的主要區(qū)域。

通過選定合適的區(qū)域(109.5°—114°E,9°—14°N,深度為20—150m),觀察EKE平衡在不同年份間的差異(表1)。由于EKE平衡方程依賴于區(qū)域守恒,而南海西部海域是一個側(cè)邊界和三個開邊界條件,本身難以精確滿足封閉的守恒條件,計算過程中也沒有考慮本身量級較大的摩擦項,再加上局地渦旋的水平運動對能量本身產(chǎn)生凈差異,故實際計算結(jié)果存在較大的偏差。盡管如此,仍可通過 EKE平衡各變量的相對變化探討EKE的演變機制。

表1 EKE平衡方程各項統(tǒng)計(單位:10–5m2/s3)Tab.1 Statistics of terms in EKE balance equation (in 10–5m2/s3)

表1所示為各分類年的時間平均,dEKEt在正異常年最大,負異常年最小,這與圖 10a的空間分布結(jié)果一致,說明越南離岸流的通過渦流相互作用顯著影響渦旋強度。計算總和SUM 與 dEKEt相差 1—2個量級,這是由多方面原因造成的,前文已有討論。T4和WW在正異常年最強,負異常年最弱,說明正壓不穩(wěn)定與風(fēng)場擾動可能存在一定的正相關(guān),且二者均為正,整體對EKE的發(fā)展做正功。由于T4高值區(qū)主要分布在越南東南沿海,使得整體平均量級較小。由于PW和ADV正負交替的空間分布特征,計算值對選取空間十分敏感,故在此只作量級上的討論,PW基本為四項中的最大項,ADV則在量級上與WW相近。

ADV在正常年較為特殊,為了解釋這一現(xiàn)象,對合成正常年的各年進行逐一查看,發(fā)現(xiàn)在1993年8月5日至8月13日,1998年7月22日至8月10日,和2001年7月27日至8月20日,這些日期在ADV出現(xiàn)極值的海域都有兩個特征,即存在一對相互鄰近的氣旋式渦旋和反氣旋式渦旋,且二者相接處海流速度梯度大。根據(jù) ADV的公式,對于具有明顯流軸的海流,速度大的區(qū)域以東或以北 EKE的水平梯度為負,若此時海流的經(jīng)向分量或緯向分量需至少有一個在笛卡爾坐標(biāo)下是負值,便可導(dǎo)致 ADV為負。而1993、1998和2001指定日期間的ADV負極值區(qū)域都滿足以上條件,故會出現(xiàn)負極值,使得平流效應(yīng)的影響變大。故ADV在正常年份由于天氣尺度過程造成結(jié)果引入較大的負誤差。

將dEKEt減去SUM得到DIFF,可見方程中忽略的耗散項量級較大,與PW相當(dāng),對EKE平衡具有顯著影響,這與Geng等(2016)的結(jié)論一致,可見耗散項對EKE平衡也具有重要作用。

3 討論

本文與 Quan等(2016)都發(fā)現(xiàn)的夏季南海西南部穩(wěn)定存在的氣旋式渦旋,在AVISO資料中則并未發(fā)現(xiàn)較強且穩(wěn)定的氣旋式渦旋,可見REDOS本身也存在一定的不確定性。基于這一點,本文通過選取區(qū)域而非跟蹤流場的方式進行計算,這可避免因可能存在的流場偏差而導(dǎo)致的結(jié)果錯誤。其中最關(guān)鍵的是刻畫越南離岸流強度的指標(biāo)選取。南海西部海域在夏季的流場特征與冬季的穩(wěn)定南向流有顯著差異,夏季流場波動顯著,平均流相比冬季更弱,雖然其氣候態(tài)平均流主要向東,但具體的短時流場情況有所不同,其經(jīng)向分量量級也很顯著,所以在制定刻畫離岸流強度的指標(biāo)時,取緯向分量為正的位置計算其單位質(zhì)量的動能,更能反映其真實的平均動能。

關(guān)于南海 EKE的空間分布、變化特征和主要能量來源已有若干討論(Heet al,2002;Chenet al,2009;Xiuet al,2010;Zhuanget al,2010)。He 等(2002)指出夏季越南東南海域的 EKE高值區(qū)是由越南離岸流的軸線不穩(wěn)定造成的,軸線的波動會與兩側(cè)的渦旋進行強烈的渦流相互作用,對 EKE的演變提供能量。Chen等(2009)則認為夏季越南離岸流的斜壓不穩(wěn)定可能會增強夏季 EKE,但由于冬季強的西邊界流對應(yīng)的 EKE強度較弱,故平均流的斜壓不穩(wěn)定并不是EKE季節(jié)變化的主要因素。Xiu等(2010)進一步指出,除了風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度外,背景流場的不穩(wěn)定、羅斯貝波的不穩(wěn)定都會對渦旋的成長產(chǎn)生影響。這些都說明,影響EKE的因素較為復(fù)雜,風(fēng)的驅(qū)動、海洋內(nèi)部的渦流相互作用和波動的不穩(wěn)定都會影響渦旋的演變過程,而本文通過定量的 EKE平衡診斷分析,證明了這一點。

本文對年際變化中的正異常、負異常年進行區(qū)分的標(biāo)準與 Quan等(2016)不同,這是因為本文主要從能量轉(zhuǎn)換的角度進行探討,而非單純地通過流場形態(tài)進行區(qū)分,故分類結(jié)果略有差異。從Geng等(2016)對單個渦旋的渦流相互作用試驗結(jié)果來看,正、斜壓不穩(wěn)定在渦旋與強流相互作用的不同階段量級差異極大,對與本文而言,由于所選區(qū)域可能同時包含若干渦旋的不同生命階段,故計算整體的強度時的量級要略小于PW、WW和ADV項,計算的dEKEt與SUM之差實際上并非僅僅包含公式中的DIFF項,還包含許多適用條件、數(shù)據(jù)同化、區(qū)域選擇、天氣尺度影響等的誤差,所以在正常年份,會出現(xiàn) DIFF為正的情況,并非代表耗散項做正功。這些恰恰說明海洋中渦流相互作用的過程是十分復(fù)雜多變、難以精準刻畫的。

本文還利用 1991—2011年每連續(xù)四個月的Nino3.4和IOD指數(shù)平均值與IE進行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,IE與二者的同步與滯后相關(guān)性均較小,絕對值最大約為-0.35,且僅通過 85%的信度檢驗。這與Li等(2014)、Quan等(2016)等的結(jié)果不同,這可能是由于前人對于越南離岸流的標(biāo)準是東向流的大小,而本文考慮了緯向分量,故會使得風(fēng)應(yīng)力旋度在越南離岸流的強度中的作用受到影響,進而使得ENSO和IOD等通過風(fēng)場路徑影響的IE的相關(guān)性較小。

另外,由于本文所使用的海洋資料沒有包含垂向各變量,使得各計算主要為水平分量,Geng等(2016)的計算結(jié)果表明,垂向分量對渦流相互作用具有重要貢獻,渦旋在演變過程中,渦動能在上層由平均動能提供,在逐漸向下傳遞的過程中,渦勢能的作用逐漸凸顯,轉(zhuǎn)化為渦動能以維持在次表層的渦旋強度,使得渦旋從上層向下擴展,在這一過程中的垂向分量具有重要意義,可見考慮垂向變量有利于完善上層環(huán)流的整體能量學(xué)分析。

4 結(jié)論

本文利用1992至2011年6—9月的南海海洋再分析產(chǎn)品REDOS和風(fēng)場資料CCMP,探討了夏季南海西部渦流相互作用的年際變化特征,從能量學(xué)角度分析平均能與渦能之間的相互轉(zhuǎn)化,并以渦動能為代表探討影響其變化的各做功項的年際變化及影響,主要結(jié)論如下:

(1)越南離岸流主要在11°—12°N附近波動,根據(jù)越南離岸流強度進行分類,可知正異常年,越南離岸流及雙渦結(jié)構(gòu)加強;負異常年,越南離岸流極大減弱,雙渦結(jié)構(gòu)不顯著。EKE極值主要沿越南離岸流分布,在正異常年向東延伸,在負異常年向北延伸;EPE極值在正異常年集中在12°N附近,負異常年向南北分散。

(2)EKE在三種分類下的強度變化很小,而EPE的強度則在正(負)異常年有一定增強(減弱)。EKE的大小依賴于流速大小和由風(fēng)應(yīng)力旋度擾動造成的上層水平流速剪切。EPE強度相對較小,越南離岸流影響周圍海域的速度和密度分布,造成的斜壓不穩(wěn)定是導(dǎo)致EPE極值主要沿越南離岸流分布的主要原因。正壓不穩(wěn)定對海底地形較為敏感,在南海西部沿岸是 EKE的主要變化因子,但其以東海域,正壓不穩(wěn)定迅速減小,風(fēng)應(yīng)力做功、壓強做功和平流項成為解釋EKE變化的主要因素。

(3)通過EKE平衡分析得到,在時間變化上,壓強做功起最主要的貢獻,風(fēng)應(yīng)力和平流次之,正壓不穩(wěn)定由于主要分布在沿海地區(qū),區(qū)域整體貢獻最小;在空間變化上,風(fēng)應(yīng)力和平流起主導(dǎo)作用,壓強做功和正壓不穩(wěn)定的影響較弱;摩擦耗散對 EKE平衡具有重要作用。

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CHARACTERISTICS OF EDDY-MEAN FLOW INTERACTION IN THE OFFSHORE CURRENT AREA OF WESTERN SOUTH CHINA SEA

LI Han1,2, WANG Qiang1, HUANG Ke1, LIU Qin-Yan1, TILAK Priyadarshana3,GUAN Yu-Ping1WANG Dong-Xiao1
(1.State Key Laboratory of Tropical Oceanology,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou510301,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;3.Faculty of Fisheries and Marine Sciences &Technology University of Ruhuna,Matara,Sri Lanka)

In the view of energy,the interannual variability of eddy-mean flow interaction around the Vietnam Offshore Current (VOC)in summer (June-September)from 1992 to 2011 was investigated by use of the REDOS(Reanalysis Dataset of the South China Sea)and the CCMP (Cross-Calibrated,Multi-Platform)ocean surface wind.The relative importance of wind stress,pressure gradient,barotropic instability,and advection were analyzed in energy budget.Three types of years during 1992—2011 could be recognized relative to the VOC intensity:positive KE anomaly years,negative KE anomaly years,and normal years.Results show that in the positive KE anomalous years,the peak of Eddy Kinetic Energy (EKE)and the Eddy available Potential Energy (EPE)are mainly distributed along the VOC;in the negative KE anomalous years,the peak of EKE dispersed to the north and south sides,with a northward EPE extension;in the normal years,the spatial distributions of peak EKE and EPE range between the positive and negative KE anomalies.The baroclinic instability is the main reason of the EPE interannual variability.The VOC affects the distributions of velocity and density of surrounding areas,and hence results in the baroclinic instability.However,factors are quite complicated for EKE interannual change,of which pressure work is the most important factor,wind stress work and advection are the secondary,and the barotropic instability is the least.The barotropic instability depends on the velocity of flow and the upper horizontal velocity shear caused by wind stress curl disturbance.

Vietnam Offshore Current;energy budget;eddy-flow interaction;interannual variability

P731

10.11693/hyhz20170400086

* 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)項目,XDA11010302號;國家自然科學(xué)基金項目,41576012號,41628601號,41606030號;廣州市科技計劃珠江科技新星專項項目,201610010148號;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)自主研究項目,LTOZZ1601號,KLOCW1604號;廣東省自然科學(xué)基金項目,2016A030310015號。李 晗,碩士研究生,E-mail:lihandamon@163.com

① 通訊作者:王 強,副研究員,E-mail:wqiang@scsio.ac.cn

2017-04-07,收修改稿日期:2017-05-10