中国海洋湖沼学会主办。
文章信息
- 侯华千, 谢强, 陈更新, 何云开, 舒业强, TILAK Priyadarshana, 姚景龙, 王东晓. 2016.
- HOU Hua-Qian, XIE Qiang, CHEN Geng-Xin, HE Yun-Kai, SHU Ye-Qiang, TILAK Priyadarshana, YAO Jing-Long, WANG Dong-Xiao. 2016.
- 2005-2009年、2011年和2013年南海东北部120°E断面秋季体积输运的年际变化
- OBSERVED INTER-ANNUAL VARIABILITY OF VOLUME TRANSPORT AT 120°E TRANSECT IN NORTHEASTERN SOUTH CHINA SEA
- 海洋与湖沼, 47(1): 36-42
- Oceanologia et Limnologia Sinica, 47(1): 36-42.
- http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20150400125
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文章历史
- 收稿日期: 2015-04-26
- 收修改稿日期: 2015-09-10
2. 中国科学院大学 北京 100049;
3. 中国科学院三亚深海科学与工程研究所 三亚 572000;
4. Faculty of Fisheries and Marine Sciences & Technology University of Ruhuna,Matara, Sri Lanka
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Institute of Deep-Sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China;
4. Faculty of Fisheries and Marine Sciences & Technology University of Ruhuna, Matara, Sri Lanka
吕宋海峡位于台湾岛和吕宋岛之间,其宽度大约为350km,海槛深度在2400—2600m之间,是连接中国南海与西太平洋的唯一深水通道。南海与西太平洋在吕宋海峡存在显著的水交换,吕宋海峡体积输运强弱能影响整个南海,特别是南海北部的环流结构(Wyrtki et al,1961; Nitani,1972; Qiu et al,1996; Hu et al,2000; Yaremchuk et al,2009; Chen et al,2011a,2014; Nan et al,2014; Su et al,2014)。
吕宋海峡体积输运存在显著的季节和年际变化,主要被黑潮入侵、ENSO、中尺度涡和季风等四种因素所控制(Qu,2000; Centurioni et al,2004; Zhao et al,2009; Chen et al,2011a,b)。东北季风利于黑潮入侵南海,因而冬季体积输运普遍高于夏季(Wyrtki,1961; Fang et al,2005)。Qu等(2004,2006)的模式研究表明,吕宋海峡体积输运在El Niño年份相对较高,La Niña年份相对较低。Rong等(2007)基于多年的海表高度数据和World Ocean Atlas 2001(WOD01)海温数据,得到了多年冬季和春季的吕宋海峡体积输运,指出ENSO能够影响整个南海的海表高度和海表温度,进而影响南海和周围大洋的水体交换,包括吕宋海峡水输运。亚热带的模态水由于存在太平洋年代际震荡(PDO)的影响,同样影响吕宋海峡次表层的体积输运,并使其产生年际变化(Yu et al,2015)。
吕宋海峡体积输运随深度亦有显著变化。研究发现,吕宋海峡存体积输运在上、下层西向,中层东向的斜压“三明治”结构,其中上层大约为表层至到500m,中层为500—1500m,下层为1500m以下(Tian et al,2006; Liang et al,2008; Yuan et al,2008,2009)。每一层水流方向沿经线呈现交替分布(Qu et al,2004; Tian et al,2006; Zhou et al,2009)。Tian等(2006)年基于2005年10月断面水文观测和同期LADCP数据计算表明,上层体积输运约为–9Sv,中层体积输运约为5Sv,下层约为–2Sv。然而,Yang等(2010)研究表明,2007年6月吕宋海峡对应的三层体积输运分别为5Sv、2.5Sv和–2Sv,未出现“三明治”结构。
由于观测资料的限制,吕宋海峡流场结构、体积输运的垂向分布特征等尚不明确,需要进一步研究。本文基于7年九月份的水文观测资料,研究吕宋海峡120°E断面流场结构、体积输运。下文第一部分介绍本文使用的数据和方法; 第二部分探讨断面流场结构、体积输运等的年际变化。
1 数据与方法自2004年以来,中国科学院南海海洋研究所每年8月底至10月初皆对吕宋海峡附近南海东北部120°E断面进行水文观测(2012年除外),观测范围通常为北纬19.5°—21.5°N(2006年和2013年为19°N至21.5°N),采样间隔为0.5°,观测深度一般为1500m。所使用的CTD的温度精度为10–4 ℃,盐度精度为10–3,采样频率为24Hz(Zeng et al,2015)。其中2005年出现少量位置数据异常,通过周围有效数据点插值修正。2004年与2010年由于CTD绞车故障,观测深度分别仅为200m和500m,不能有效用于吕宋海峡水交换研究。故本文用到的CTD数据年份为2005—2009年、2011年和2013年,各年CTD站位如图 1所示。
基于温盐观测,本文先计算120°E断面地转流。地转流计算公式为:
式中,u为纬向速度; u0=0,为“动力零面”流速; f=2wsinj,即行星涡度(其中,w是地球自转角速度,j是纬度); g¢为约化重力加速度; r是局地海水密度; h是所求速度所在深度; H是“动力零面”的深度。本文采取1500m作为“动力零面”深度(因数据观测所限,2007、2013的部分站位和2009年取1000m作为“动力零面”深度; 参见“讨论”部分)。进一步,通过对流速的垂直模态分解(Gill,1984),获得120°E断面流场的正压和斜压特性。分解结果中,第零阶模态为正压模态,速度大小和方向沿垂向均一致; 第一模态为第一斜压模态,速度方向沿深度出现一次变换; 第二模态为第二斜压模态,速度方向沿深度出现两次变换。以此类推,越高阶的斜压模态沿水深方向越复杂,其信号也通常越弱。一般对于大洋的研究,计算到第二斜压模态即可(Gill,1984)。
2 结果分析 2.1 流场结构图 2给出了120°E断面各年的流速结构。可以发现,2005、2006、2007年和2013年流速在垂向上存在明显的斜压特征。这几年,在300m以下的深度,某个特定纬度处(2005年在20°N,2006年在19.5°N,2007年在21°N,2013年在20.5°N),存在一个西向的流核(图 2中的蓝色区域),而该西向流核的上方存在显著的东向流。这一现象印证了吕宋海峡的“三明治”结构的上两层部分。
相比于上述4年,2008年、2009年和2011年流场在垂向上无明显速度反向,呈准正压结构。2008年和2009年的流场结构有些相似,120°E断面南、北两端皆出现东向水输运,而在海峡中部20.5°—21°N区域存在西向水输运。2011年的情况恰好相反,海峡南、北两端是西向水输运,而海峡中部19.7°—21.7°N是东向水输运。
综上,2005、2006、2007年和2013年流场分布斜压性强,呈现“三明治”结构的上两层,上中层分界深度大约为100m至400m,随年份变化; 2008年、2009年和2011年流场呈现准正压形态,“三明治”结构不明显或者不存在。以上结果表明,吕宋海峡流场结构具有显著的年际变化,并非一直呈前人揭示的“三明治”结构。
2.2 体积输运将流场沿经向积分,可以得到120°E断面体积输运的垂向分布特征。由于每年观测范围不同,我们将经度积分范围统一取为19.5°—21.5°N,计算结果如图 3a所示。120°E断面体积输运随深度呈现显著变化: 2005年、2007年和2011年,这3年的体积输运方向随着深度不变,皆为西向(图中正值为东向),总输运显正压; 2008年和2013年,这两年表层至大约200m左右的体积输运方向为西向,中层体积输运方向转变为东向,总输运显斜压; 而2006年和2009年,这两年约50m层以上呈东向输运,次表层和中层则为西向输运,总输运亦显斜压。
进一步,将体积输运垂向积分,得到截面的净体积输运。净体积输运呈显著的年际变化(图 3b): 在2005年出现西向最大体积输运,为–11.2Sv; 在2013年出现东向最大体积输运,为9.1Sv; 在2009年出现最弱体积输运,仅为–1.2Sv。7年观测中,仅2008年和2013年出现了东向体积输运。其中,2008年东向输运可能是由于该年黑潮流套入侵(Chen et al,2011b)在台湾岛西南部产生大的东向体积输运所致。
2.3 模态分解与模态通量分析为进一步研究120°E断面流场分布的正斜压特性,我们对流速较强的上层1000m流场进行模态分解,结果如图 4所示。通过图 4可以发现正压模态与前两斜压模态即可表征当年的流场特征,剩余模态流速较小(图 4第一行)。
通过计算各模态速率的平均值,可以揭示各个模态的强弱(表 1)。其中准正压结构流场2008年、2009年和2011年,最大,它们速率平均值分别为0.102m/s、0.157m/s和0.123m/s,远大于最大的斜压模态,并且每年第一斜压模态都大于第二斜压模态。对于最大速度出现在海表的2008年和2011年,第二斜压模态相对较小,但对于最大速度出现在中层(200m—400m)的2009年,第一斜压模态和第二斜压模态贡献相差不大。
年份 | 速率的平均值(m/s) | |||
正压模态 | 第一斜压模态 | 第二斜压模态 | ||
斜压 结构 年份 | 2005 | 0.037 | 0.033 | 0.006 |
2006 | 0.047 | 0.051 | 0.041 | |
2007 | 0.026 | 0.028 | 0.028 | |
2013 | 0.049 | 0.044 | 0.016 | |
正压 结构 年份 | 2008 | 0.102 | 0.061 | 0.022 |
2009 | 0.157 | 0.063 | 0.059 | |
2011 | 0.123 | 0.074 | 0.029 |
斜压结构的2005年,2006年,2007年和2013年,各模态贡献有显著差异。2006年和2007年第一斜压模态最大(0.051m/s和0.028m/s),强于正压模态和第二斜压模态。2005年和2013年正压模态大于第一斜压模态,但是相差很小(2005年相差0.004m/s,2013年相差0.005m/s),所以这两年是由正压模态和第一斜压模态共同主导的。
通过图 4可以看出斜压结构的上层部分被第二斜压模态所显示,而中层部分是通过第一斜压模态显示的。所以当500m以下出现很强流速时,第二斜压模态便会占主导; 对于其它位置,中层流相对较弱,则第一斜压模态占主导。
整体而言,比较斜压模态与正压模态速率平均值可以发现,斜压结构斜压性要强于准正压性。2005年和2013年属于斜压结构,但是其正压性仍然很强,此时断面受正压模态和第一斜压模态共同主导,斜压性大于准正压结构的只受正压模态主导情况,这两年属于正压成分很大斜压结构。
各模态体积输运垂向分布表明(图 5),正压模态反映了各年体积输运的平均值,斜压模态反映了流场的垂向变化。对于2005年,2007年和2011年体积输运一致向西(图 3b),第二斜压模态几乎为零,整体的体积输运分布基本由正压模态和第一斜压模态所表征。而对于体积输运在垂向上出现方向变化的2006、2008、2009和2013年,体积输运主要由前三个模态共同贡献。
3 讨论本研究通过分析七年来的断面CTD资料,计算了120°E断面的流场结构,并对结构的正压斜压性进行了分析。本文取1500m作为“动力零面”深度,但因2007年断面20.6°N以南、2013年断面19.9°N以北和2009年站位的观测深度所限,这些年份相应站位“动力零面”被选定为1000m。研究表明,1000m以下体积输运除了2008年占总体积输运的17%以外,其它各年所占比例都小于8.5%,最小的2005年仅为0.3%。因而1000m以下的体积输运对总体积输运贡献较小,不影响本文的结论。
黑潮入侵南海的路径、方式和吕宋海峡大量的中尺度涡对吕宋海峡流场结构、水交换等皆有重要影响。120°E断面的交替东西向流,可能是黑潮入侵南海的体现,亦可能是南海内部涡旋、环流影响所致(Chen et al,2011c)。因而单个剖面观测到的东西向流,不能简单认为是西太和南海的水交换路径和流量。大面积水文观测、卫星观测资料和数模的结合应用,可以较好地阐明此科学问题。
4 结论基于CTD观测资料,本文研究了2005年至2013年(其中无2010年和2012年)7年120°E断面的流场结构和体积输运,得到以下结论:
(1)120°E断面流场结构存在显著的年际差异,其中2005年、2006年、2007年和2013年流场呈明显斜压结构,流速在深度上不仅存在大小变化,亦存在方向变换; 而2008年、2009年和2011年流场呈准正压结构,流速沿深度仅存在大小变化,没有方向改变。不同年份的体积输运随深度亦有显著差异,2005年、2007年和2011年,体积输运全水深皆向西; 2008年和2013年,体积输运表层向西、深层向东; 2006年和2009年,表层向东、深层向西。净体积输运大小存在很强的年际变化,西向最大为–11.2Sv,出现在2005年; 东向最大为9.1Sv,出现在2013年; 而2009年净体积输运仅为–1.2Sv。
(2)模态分解结果显示: 2006年和2007年断面的斜压性最强,最大模态为第一斜压模态; 2005年和2013年相对斜压性弱,整体由正压模态和第一斜压模态共同主导,最大模态为正压模态; 2008年、2009年和2011年正压性远大于斜压性。整体体积输运结果显示,对于总体积输运显正压的年份,体积输运通过正压模态和第一斜压模态两者主导; 对于总体积输运显斜压的分布方式,由于前三模态所占比例相差不大,所以是由三个模态共同主导。
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