朱明權(quán) ，岑顯榮，魯遠征 ，郭雙喜 , ，屈玲，黃鵬起 ，方文東 ，陳舉 ，周生啟 , *

(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，廣東 廣州 510301；2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458；3. 中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510301；4. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)設(shè)計與陶瓷藝術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528225；5. 湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056；6. 中國科學(xué)院南海海洋研究所 海南西沙海洋環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站，廣東 廣州 510301；7. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

內(nèi)波（IW）是海洋中普遍存在的波動現(xiàn)象[1]，也是海洋物質(zhì)和能量輸運的重要載體。內(nèi)波可分為具有天文潮頻率的內(nèi)潮（IT）、具有局地近慣性頻率的近慣性內(nèi)波以及高頻非線性內(nèi)波等。內(nèi)波不僅影響著海洋的湍流混合[2]、營養(yǎng)物質(zhì)的輸運[3]，并且對海洋工程設(shè)施、潛艇航行有重大威脅[4]。

南海由于其特殊的地理條件，內(nèi)波活動十分活躍，成為研究內(nèi)波的天然實驗場。前人已在南海開展許多重大內(nèi)波觀測實驗和相關(guān)的研究工作。如亞洲海國際聲學(xué)實驗（Asian Seas International Acoustics Experiment，ASIAEX）[5]和海峽內(nèi)波實驗（Internal Waves in Straits Experiment，IWISE）[6]聚焦呂宋海峽和南海北部進行了一系列內(nèi)波研究。太平洋通過呂宋海峽西傳進入南海的潮汐能量十分巨大，K1、O1、M2、S2分潮的能通量分別為28 GW、21 GW、29 GW和3 GW[7]。呂宋海峽的海脊復(fù)雜地形使正壓潮向內(nèi)潮轉(zhuǎn)化的能量為35 GW，其中9 GW在呂宋海峽局地耗散，26 GW向南海和太平洋輻射[6]。Alford等[8]基于呂宋海峽的現(xiàn)場觀測資料，估算西傳的能量通量為（40±8） kW/m。Zhao等[9]基于現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)南海西北部的全日內(nèi)潮受到呂宋海峽西傳的全日內(nèi)潮影響，而半日內(nèi)潮主要由北部的陸架斷裂帶生成。為研究南海北部內(nèi)潮的時間變化特征，一般將內(nèi)潮分為相干和非相干兩部分[10]，非局地生成的內(nèi)潮具有顯著的非相干性[11]。前人的觀測研究均表明，當內(nèi)潮從呂宋海峽傳播至南海北部陸坡、陸架區(qū)時，隨著與源區(qū)距離的增加，內(nèi)潮在傳播過程中與中尺度渦和背景層結(jié)相互作用，改變了內(nèi)潮的相位和頻譜上的能量分布[10]，使其非相干性呈現(xiàn)增加趨勢[12-14]。

呂宋海峽西傳內(nèi)潮不僅影響海洋混合在南海北部的空間分布，還影響了東沙群島周邊珊瑚礁的生態(tài)。內(nèi)潮周期性驅(qū)動冷水沖刷珊瑚，緩解了由于海表溫度上升所造成的影響，減輕了珊瑚的生長壓力[15]。內(nèi)潮還給微生物帶來生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，促進珊瑚礁生態(tài)的發(fā)展[3,16]。Wu等[17]通過數(shù)值模擬研究表明，西沙群島的局地地形與正壓潮的相互作用產(chǎn)生內(nèi)潮，對島礁周邊豐富的珊瑚生態(tài)系統(tǒng)有著重要影響。但在西沙群島內(nèi)的觀測研究工作相對稀少，近年來僅鄧曉東等[18]通過觀測發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)過境時，會增強西沙海域的近慣性能量。因此，有必要在西沙群島內(nèi)進行更多的海洋水文觀測，為研究島礁的地質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建物理動力框架。

本文基于西沙群島潟湖區(qū)29 d的觀測資料，研究了潟湖區(qū)內(nèi)正壓潮和內(nèi)潮的基本特征，討論了深度平均分析海流方法的適用性，并探討全日內(nèi)潮的主要來源。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 浮標觀測資料

2018年8月3 -31日在南海西沙群島潟湖區(qū)進行了29 d的全水深浮標觀測。該浮標觀測地點的經(jīng)緯度為16.90°N，112.23°E（圖1a），水深為69 m。浮標觀測系統(tǒng)（圖1b）包括一個2 m高的坐底式三腳架和80 m長的溫度鏈。坐底式三腳架搭載一個上視的300 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）和一個下視的高頻ADCP（Signature1000），斜桿上搭載一個距底0.78 m的seabird SBE-37SM型CTD（Conductivity Temperature Depth Profiler），以及垂直桿上搭載有24個溫度記錄儀（廣州歐納電子科技有限公司）。在上方80 m的溫度鏈上，搭載有34個溫度記錄儀和一個CTD37（距底40 m）。本文分析上視ADCP和底部CTD的觀測數(shù)據(jù)研究潮流。上視的ADCP觀測流速共54層，層間距為2 m，采樣間隔為3 min，觀測盲區(qū)為4.27 m，有效數(shù)據(jù)為1～29層，對應(yīng)觀測深度為8～64 m。底部CTD的采樣時間間隔為6 s，記錄海水的溫度、鹽度以及壓強等數(shù)據(jù)資料。地形圖使用了高分辨率（1"）的ETOPO1數(shù)據(jù)，下載地址為：https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/。

圖1 南海地形圖（a）和浮標示意圖（b）Fig. 1 Bathymetry of the South China Sea (a) and mooring diagram (b)紅色方框表示西沙群島，紅色十字表示浮標觀測點Red square represents Xisha Islands, red cross represents location of the mooring

2.2 內(nèi)波信號的提取

內(nèi)波的頻率范圍為[f，N]（f是慣性頻率，N是浮力頻率），其中潮頻率的內(nèi)波即為內(nèi)潮。從觀測流速中提取內(nèi)波信號，首先需要分離正壓和斜壓部分，若觀測的流速覆蓋全水深，對觀測流速進行深度平均得到正壓流[14]。還可以通過全球正壓模型Tpxo7.2[19]得到正壓潮流部分[12]，觀測潮流減去正壓潮流，得到內(nèi)潮（斜壓潮流）。進一步對內(nèi)潮進行調(diào)和分析，得到相干內(nèi)潮，剩余部分為非相干內(nèi)潮。

2.2.1 基于深度平均流計算的內(nèi)潮

對觀測時間內(nèi)的原始流速u（z,t）進行深度平均得到正壓流速ubt（z,t）[20-23]，再將原始流速減去正壓流速即可得到斜壓流速ubc（z,t）假設(shè)海水的深度為H，則正壓流速和斜壓流速可以表示為

為了提取出不同頻帶流速信號，本文利用4階Butterworth濾波器對流速進行帶通濾波。如圖2所示，對深度平均流速進行動能譜分析，確定濾波的頻率帶: 全日頻率帶[0.8，1.15] cpd，半日頻率帶[1.76,2.15] cpd，近慣性頻率帶[0.85f, 1.2f]（f為觀測位置的局地慣性頻率，f=0.5832 cpd，1 cpd = 2π/86400 s-1）。再對斜壓流速ubc（z,t）進行上述不同頻率帶的帶通濾波，得到相應(yīng)的全日內(nèi)潮（dIT）、半日內(nèi)潮（sdIT）和近慣性內(nèi)波（niIW）的流速。

圖2 深度平均流的動能譜Fig. 2 Power spectra of the depth-averaged current

2.2.2 基于Tpxo7.2模式正壓潮流計算的內(nèi)潮

另一種方法是采用全球正壓模型Tpxo7.2潮汐模式[19]預(yù)測的正壓潮流和潮位數(shù)據(jù)（包含11個主要分潮），包含全日正壓潮（O1、K1、N1、P1）和半日正壓潮（M2、S2、N2、K2）。將觀測流速帶通濾波，得到全日潮流和半日潮流，再將其分別減去模式對應(yīng)的全日正壓潮和半日正壓潮，得到全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮。

2.2.3 相干和非相干內(nèi)潮的計算

正壓潮的各分潮在頻譜上表現(xiàn)為窄頻帶的峰值，而與地形、層結(jié)和中尺度渦等的相互作用使內(nèi)潮能量具有間歇性以及相位具有不穩(wěn)定性，在頻譜上可能會出現(xiàn)寬頻帶的峰值。調(diào)和分析的計算公式為

式中，u0為原始流速；Un、 ψn和 σn分別為各個分潮的振幅、相位以及頻率，下文的計算選取了O1、K1、 M2和S24個分潮。

對內(nèi)潮進行調(diào)和分析，獲得內(nèi)潮中的相干部分（相干內(nèi)潮，cIT），內(nèi)潮減去其相干部分，得到非相干部分（非相干內(nèi)潮，icIT）[10]。一般來說cIT接近其生成源地，與當?shù)氐奶煳某钡南辔徊畋３植蛔儯琲cIT則是非局地的內(nèi)潮，其相位變化不穩(wěn)定。本文使用了u_tide[24]工具包（集合了t_tide, r_t_tide和versatile tidal analysis等工具包內(nèi)的函數(shù)）進行調(diào)和分析的計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 正壓潮流特征

前人在南海的觀測研究表明，全日潮強于半日潮。如圖2所示，全日潮流在整體海流中占主導(dǎo)，半日潮流和近慣性流較弱。對動能譜積分，得到全日潮流動能占總動能的41%，半日潮流和近慣性流僅占總動能的6%、5%。

比較觀測和模式的4個主要分潮的正壓潮流橢圓。如圖3所示，觀測和模式結(jié)果均顯示4個分潮的長軸大小依次為K1、O1、M2、S2，全日分潮O(jiān)1、K1明顯大于半日分潮M2、S2，說明在觀測海區(qū)，全日潮流占主導(dǎo)，半日潮流較弱，與圖2動能譜結(jié)果一致。全日分潮的短軸均為負值，而半日分潮的短軸均為正值，表明全日潮流（O1、K1）為順時針旋轉(zhuǎn)，半日潮流（M2、S2）為逆時針旋轉(zhuǎn)。對O1、K1分潮來說，觀測與模式預(yù)報結(jié)果的長短軸、傾角基本一致，而相位結(jié)果相差較大。M2分潮的長短軸，傾角和相位都比較接近，但是S2分潮則是傾角和相位接近，長短軸的差異較大，模式結(jié)果的S2分潮長短軸比觀測結(jié)果小1個量級。

圖3 正壓潮4個主要分潮的潮流橢圓Fig. 3 The ellipses of four dominant barotropic tidal currents藍線：深度平均；紅線：模式預(yù)報Blue line: depth-averaged; red line: predicted by model

如表1、表2所示，全日分潮O(jiān)1、K1潮流橢圓的傾角為[148°，164°]，呈西北-東南走向，說明O1、K1在漲落潮時的主要流向為西北-東南流向。同時浮標觀測點處的沿等深線的方向與正東方向夾角為133°，兩者的角度較為接近，說明地形對全日潮流（O1、K1）起到了調(diào)制作用。而半日分潮M2、S2的傾角為[-1°，-14°]，呈東西走向，在漲落潮時主要流向為東-西流向。

表1 深度平均流的主要分潮的橢圓要素Table 1 Elliptical elements of four major constituents of depth-averaged currents

表2 模式預(yù)測的主要分潮的橢圓要素Table 2 Elliptical elements of four major constituents of model

如圖4a和圖4b所示，深度平均方法獲得的全日正壓潮和模式預(yù)測的全日正壓潮的流速存在一些異同。第215～222 天，全日周期的相位基本一致，但在222 d之后，全日周期的相位開始發(fā)生偏移，該差異在圖3a和圖3b中也有所體現(xiàn)。二者的東西向流速u的振幅均大于南北向流速v的振幅，u、v都受到大-小潮的調(diào)制，振幅存在近14 d的周期變化。不同的是，兩者的大、小潮的相位相差了近半個相位（6～7 d）。深度平均結(jié)果在小潮（230 d）前后，流速出現(xiàn)最大值，在大潮（223 d、237 d）前后，流速反而出現(xiàn)了最小值。

圖4 正壓潮的時間序列Fig. 4 Time series of barotropic current藍線：觀測的全日潮；紅線：模式預(yù)測的全日潮。a. 東西方向的速度；b. 南北方向的速度；c. CTD觀測的海底壓強變化和模式預(yù)測的海平面高度變化的時間序列Blue lines: observed diurnal tides; red lines: diurnal tides predicted by model. a. East-west velocity; b. north-south velocity; c. time series of sea bottom pressure measured by CTD and sea level height predicted by model

通常情況下，正壓潮的潮位變化和海底壓強的變化是接近的[25]，潮位的變化主要是由海水的輻散和輻合引起的。如圖4c所示，模式預(yù)測的潮位變化與放置在海底CTD觀測到的海底壓強變化十分吻合，推測Tpxo7.2模式在觀測點的潮汐預(yù)報是可信的，說明了在潟湖區(qū)，水深較淺（觀測點水深為69 m），使用深度平均的方法計算正壓潮流有局限性。

綜上所述，受觀測限制，在用深度平均方法計算正壓潮時，沒有包含海表和海底的流速數(shù)據(jù)，導(dǎo)致深度平均的全日正壓潮仍然包含較多的全日內(nèi)潮信號。導(dǎo)致全日分潮（O1、K1）的觀測結(jié)果和模式結(jié)果有較大的相位差，半日分潮S2的觀測結(jié)果的長短軸比模式結(jié)果的長短軸大一個量級。

3.2 正壓潮與相干內(nèi)潮的相位差

為了進一步厘清圖4a和圖4b中觀測流速和模式流速的差異原因，我們對全日正壓潮與全日內(nèi)潮的相位進行分析，對內(nèi)潮調(diào)和分析獲得全日相干內(nèi)潮（O1、K1）的調(diào)和常數(shù)，并與正壓潮的進行對比。結(jié)果表明O1、K1分潮的潮流橢圓均沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。圖5表明，從海表至海底，全日內(nèi)潮O(jiān)1流速的相位與全日正壓潮O(jiān)1的相位差分別為205°～245°、190°～220°、165°～220°。同理計算 K1的相位差如圖6所示，分別為40°～120°、50°～155°、95°～200°。

圖5 O1分潮相位差的概率密度函數(shù)分布Fig. 5 Probability density function distribution of O1 tidal phase difference

圖6 K1分潮相位差的概率密度函數(shù)分布Fig. 6 Probability density function distribution of K1 tidalphase difference

表3和表4分別展示了圖5和圖6中概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF）分布圖中峰值對應(yīng)的相位差大小。對于O1分潮，不同深度的相位差都接近180°，說明正壓潮與內(nèi)潮的流向相反。推測在大潮（223 d）前后，正壓潮與內(nèi)潮的流速相互抵消較大部分，導(dǎo)致深度平均流的振幅較小；在小潮（230 d）前后，正壓潮流與內(nèi)潮流的抵消作用不顯著，導(dǎo)致深度平均流包含較多內(nèi)潮信號，振幅較大。

表3 O1分潮概率密度函數(shù)峰值對應(yīng)的相位差Table 3 Phase difference corresponding probability density function peak of O1 constituent

表4 K1分潮概率密度函數(shù)峰值對應(yīng)的相位差Table 4 Phase difference corresponding probability density function peak of K1 constituent

對于K1分潮，在8 m深度，相位差為116°，正壓潮流向與內(nèi)潮流向接近垂直，抵消作用不顯著。在36 m、64 m深度，相位差分別為154°、175°，因此與O1分潮的過程類似，在大潮（223 d）前后抵消作用顯著，小潮（230 d）前后抵消作用微弱。以上結(jié)果表明，觀測海區(qū)的全日內(nèi)潮與全日正壓潮的流向不同，推測兩者的強度相當。大潮期間（223 d前后），全日內(nèi)潮和全日正壓潮流速相當，抵消作用強，使觀測流速較小；小潮期間（230 d前后），全日正壓潮較弱，而全日內(nèi)潮依然很強，使觀測流速較大（圖4a，圖4b）。

上述分析說明了圖3、圖4中觀測的深度平均的和模式預(yù)測的振幅、相位差異大的兩個原因：（1）深度平均的全日正壓潮中含有較多的內(nèi)潮信號；（2）全日正壓潮和全日內(nèi)潮的相位差，使全日正壓潮和全日內(nèi)潮在大（?。┏鼻昂蟀l(fā)生強（弱）的抵消作用。

通常，內(nèi)潮的最大值一般出現(xiàn)在天文大潮前后。潮齡表示大潮發(fā)生的時間與新月/滿月的時間之差，前人在夏威夷海脊的研究表明，在源區(qū)附近內(nèi)潮的潮齡變化范圍可以達到-1～9 d[26]，說明了當?shù)禺a(chǎn)生的內(nèi)潮和當?shù)氐恼龎撼辈灰欢ㄊ峭辔坏?，可以存在一個相位差。西沙群島復(fù)雜的島嶼地形，影響了內(nèi)潮的傳播路徑和傳播速度，使西沙群島內(nèi)潮齡的空間分布十分復(fù)雜。

潟湖區(qū)的表層流，受潮汐、表面波和風(fēng)應(yīng)力的共同驅(qū)動，流速通常較大。潟湖區(qū)的底層流受到內(nèi)波的調(diào)制，流速和流向變化大。Davis 等[27]在東沙環(huán)礁開展了海底的觀測研究，揭示了內(nèi)波能夠增強底層的海流，甚至使其反向。同時帶來了冷水，有助于珊瑚礁適應(yīng)變暖事件[28]?？梢姖暫^(qū)海表與海底的流速分布，對于認識潟湖區(qū)內(nèi)潮的整體結(jié)構(gòu)特征非常重要，因此有必要在將來的工作中重點觀測。

3.3 全日內(nèi)潮的動能

通過前兩小節(jié)的分析可知，研究區(qū)域的全日內(nèi)潮強度至少應(yīng)與全日正壓潮相當，才能抵消全日正壓潮的流速，造成圖4中的差異。本節(jié)分析了全日內(nèi)潮動能在不同深度上的差異，以及其主要來源。對全日內(nèi)潮進行調(diào)和分析得到全日相干內(nèi)潮，全日內(nèi)潮減去相干部分得到全日非相干內(nèi)潮。

如圖7所示，全日相干內(nèi)潮發(fā)生大潮的時間在深度上存在差異，50 m以深，在225 d、238 d前后發(fā)生大潮，在50 m以淺，第一個大潮發(fā)生的時間逐漸延后，但第二個大潮仍在238 d前后發(fā)生。

圖7 全日相干內(nèi)潮水平動能的時間-深度剖面Fig. 7 Horizontal kinetic energy of diurnal coherent internal tide

如圖8所示，對全日正壓潮（diurnal barotropic tide,dbT）和全日內(nèi)潮的動能進行一天的滑動平均處理后，發(fā)現(xiàn)全日相干內(nèi)潮動能的最大值大于全日正壓潮，說明溩湖區(qū)的全日內(nèi)潮是強于正壓潮的，在223 d前后，全日相干內(nèi)潮和全日正壓潮的動能幾乎相等，但兩者的流向不同，相互抵消使得觀測流速較小，發(fā)生小潮，在230 d前后，全日正壓潮較弱，兩者幾乎沒有抵消，全日相干內(nèi)潮的動能與223 d的全日正壓潮動能相近，使觀測流速較大，發(fā)生大潮。全日正壓潮在223 d和237 d存在極大值，與大小潮周期吻合，而全日相干內(nèi)潮（diurnal coherent internal tide, dcIT）的動能在227 d、238 d存在極大值，全日相干內(nèi)潮出現(xiàn)大潮的時間滯后天文潮1～3 d，大潮間隔的天數(shù)為11 d，且小于大-小潮（14 d）的調(diào)制周期，這是由于全日相干內(nèi)潮的動能在不同深度上存在差異（圖7），而深度積分將不同深度的差異互相疊加導(dǎo)致的。全日非相干內(nèi)潮（diurnal incoherent internal tide, dicIT）的動能在時間上則沒有明顯的規(guī)律。對時間和深度積分，得到全日相干內(nèi)潮的動能占全日內(nèi)潮總動能的91%，遠大于全日非相干內(nèi)潮的動能。前人的研究發(fā)現(xiàn)，當內(nèi)潮從呂宋海峽傳播到南海北部陸坡、陸架區(qū)后，內(nèi)潮的非相干性變得十分顯著[12-14]，若潟湖區(qū)的內(nèi)潮是由呂宋海峽等地傳播而來，應(yīng)呈現(xiàn)顯著的非相干性。而圖8表明潟湖區(qū)內(nèi)潮的相干性非常顯著，圖2的功率譜中在O1、 K1分潮頻率存在明顯的譜峰，也佐證了潟湖區(qū)的全日內(nèi)潮相干性高。前人研究發(fā)現(xiàn)，西沙群島當?shù)氐恼龎撼迸c局地地形相互作用會產(chǎn)生大量的內(nèi)潮[17]，因此潟湖區(qū)的全日內(nèi)潮更有可能是在西沙群島當?shù)厣傻?，而從呂宋海峽、中沙群島等地傳播而來的可能性較小。

圖8 深度積分后全日相干/非相干內(nèi)潮和Tpxo7.2的全日正壓潮的水平動能的時間序列Fig. 8 Time series of depth-integrated of horizontal kinetic energy of diurnal coherent/incoherent internal tide and diurnal barotropic tide of Tpxo7.2

本文推測由于水深和地形的影響，西沙群島當?shù)禺a(chǎn)生的內(nèi)潮的傳播速度和路徑發(fā)生了改變，使?jié)暫^(qū)內(nèi)潮的潮齡大于天文潮的潮齡，兩者流速能夠部分抵消。

4 結(jié)論

本文基于分析南海西沙群島潟湖區(qū)的浮標觀測數(shù)據(jù)，研究了西沙群島潟湖區(qū)的正壓潮、內(nèi)潮的基本特征，討論了用深度平均方法分析海流的適用性，并探究了全日內(nèi)潮的主要來源，得出以下結(jié)論：

（1）在潟湖區(qū)內(nèi)，全日潮流起主導(dǎo)作用，其水平動能占整體海流動能的41%，半日潮流和近慣性流僅為6%、5%。全日正壓潮流沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，半日正壓潮流沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。全日正壓潮流受到地形的調(diào)制，漲落潮時主要為西北-東南向（沿等深線方向），半日正壓潮流主要為東-西向。

（2）在潟湖區(qū)內(nèi)，觀測和模式的正壓潮流其大-小潮周期存在半個相位差（6～7 d），造成該差異的主要原因是潟湖區(qū)全日內(nèi)潮強于全日正壓潮，兩者的潮齡不同，大（?。┏逼陂g強（弱）的抵消作用使得觀測流速較?。ù螅Ｍ茰y采用深度平均方法時，缺少近海表和海底的流速數(shù)據(jù)，使得觀測的全日正壓潮流中仍然包含全日內(nèi)潮信號。

（3）在潟湖區(qū)內(nèi)，內(nèi)潮以全日潮為主，全日相干內(nèi)潮動能占全日內(nèi)潮總動能的91%，相干性十分顯著。說明潟湖區(qū)的全日內(nèi)潮主要是在西沙群島當?shù)厣傻模鴱膮嗡魏{、中沙群島等地傳播而來的可能性很小。

致謝：感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所西沙海洋環(huán)境國家觀測研究站的陳償、黎大寧、龍振華等人在浮標布放和回收工作中的幫助。