西沙群島西北深水海域的內(nèi)潮特征分析

閆桐， 經(jīng)志友， 齊義泉*， 王東曉

1 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州　510301　2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049

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西沙群島西北深水海域的內(nèi)潮特征分析

閆桐1，2， 經(jīng)志友1， 齊義泉1*， 王東曉1

1 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州5103012 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京100049

摘要基于海南島至西沙群島之間深水海域一長(zhǎng)達(dá)5年的錨定潛標(biāo)測(cè)流資料，采用譜分析、調(diào)和分析和動(dòng)力模態(tài)分解等方法主要分析了局部海域內(nèi)潮的基本特征.結(jié)果表明：研究海域的正壓和斜壓潮均以全日振蕩為主，500～900 m的海洋中層全日等密度線垂向振幅可達(dá)40 m；全日內(nèi)潮主要沿垂直于陸坡方向傳播，與天文潮鎖相的全日內(nèi)潮可占全日內(nèi)潮總能量的41%；海洋上層，O1內(nèi)潮垂向平均振幅與局地海面高度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，K1內(nèi)潮則表現(xiàn)為夏、冬季增強(qiáng)的半年循環(huán)特征；超過(guò)70%的O1分潮能量集中于第一、二斜壓模態(tài)上，K1分潮在第三斜壓模態(tài)上亦有相當(dāng)能量.

關(guān)鍵詞南海西北部; 西沙; 錨定潛標(biāo); 動(dòng)力模態(tài); 內(nèi)潮

1引言

南海北部通過(guò)深度超過(guò)2500 m的呂宋海峽與西北太平洋相通，能量巨大的大洋潮波在通過(guò)海峽進(jìn)入南海時(shí)，受橫跨海峽的高聳海脊作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的內(nèi)潮波并向西北傳入南海北部，使南海北部成為一個(gè)內(nèi)潮波和孤立內(nèi)波十分活躍的海域(Alford et al.，2011).這些西向傳播的內(nèi)波對(duì)南海北部陸架-陸坡區(qū)的動(dòng)力、生態(tài)環(huán)境場(chǎng)(Wang et al.，2007；Jan and Chen，2009)以及海上航運(yùn)和工程設(shè)施具有重要影響，為人們所關(guān)注.

近年來(lái)，隨著現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的累積，關(guān)于南海東北部?jī)?nèi)潮波特征的研究取得顯著進(jìn)展.Duda等(2004)以及Duda和Rainville (2008)先后使用“亞洲海洋國(guó)際聲學(xué)試驗(yàn)”于東沙平臺(tái)東北陸坡獲得的資料分析了包括內(nèi)潮流橢圓和能通量等局地內(nèi)潮特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)該海域以全日內(nèi)潮為主，其在向陸架淺水傳播的過(guò)程中能通量增強(qiáng).Klymak等(2011)的資料亦有類似結(jié)果.此外，東沙島以西強(qiáng)全日內(nèi)潮(張效謙等，2005；Guo et al.，2006；李俊德等，2011)、陸架-陸坡區(qū)內(nèi)潮的季節(jié)變化以及顯著異相(incoherent)特征亦被報(bào)道(Guo et al.，2012；Xu et al.，2013).與上述海域全日內(nèi)潮占優(yōu)不同，緊鄰呂宋海峽的南海東北部深水區(qū)半日內(nèi)潮能量更強(qiáng)，異相運(yùn)動(dòng)特征更顯著，可達(dá)總潮能的3/4(Lee et al.，2012；Liao et al.，2012).由此可見(jiàn)，僅僅是南海東北部，內(nèi)潮的空間差異就極其顯著.

南海西北部亦是一個(gè)內(nèi)波活動(dòng)頻繁的海域，然而目前內(nèi)潮的研究仍不多見(jiàn).Xu等 (2011)發(fā)現(xiàn)在海南島東部陸架區(qū)全日內(nèi)潮流顯著強(qiáng)于半日內(nèi)潮并以第一模態(tài)為主，而半日內(nèi)潮主要表現(xiàn)為第二模態(tài).

本文利用南海海洋研究所布放于南海西北部海南島至西沙群島之間深水區(qū)長(zhǎng)達(dá)5年的潛標(biāo)測(cè)流資料，通過(guò)譜分析、調(diào)和分析、濾波和動(dòng)力模態(tài)分解的方法主要探討了該海域內(nèi)潮的垂向結(jié)構(gòu)及其時(shí)間變化，全日和半日分潮的能量以及在各模態(tài)之間的分布情況.

2現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

潛標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)緯度為(17°07.012′N，110°18.102′E)，局地水深約1400 m(圖1a)，由兩臺(tái)分別向上和向下觀測(cè)的ADCP及一條300 m長(zhǎng)的溫鹽鏈組成.觀測(cè)時(shí)間段為2007年8月—2012年8月，期間因維護(hù)儀器的需要，整個(gè)觀測(cè)過(guò)程分為5段.潛標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)配置、儀器觀測(cè)范圍和跨陸坡地形示意圖分別見(jiàn)表1和圖1b.ADCP測(cè)流數(shù)據(jù)采用“最鄰近”插值方法垂向插值到10 m間隔的固定層上，為避免海底回波反射的影響，向下觀測(cè)的ADCP測(cè)量范圍取至1350 m，時(shí)間采樣間隔取1 h.兩流速分量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45流至沿等深線和垂直于等深線方向.另外，收集了不同航次期間站點(diǎn)附近十幾條CTD垂向剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)，用以在動(dòng)力模態(tài)分解中求解本征方程.

3結(jié)果

南海的潮波主要為大洋潮波經(jīng)呂宋海峽傳入，其中一支沿南海北部陸坡向西南進(jìn)入研究海域，自東向西經(jīng)過(guò)觀測(cè)站跨陸架流入北部灣(圖1a).圖1b顯示潛標(biāo)所在深水區(qū)西側(cè)為陡峭的陸坡地形，100～600 m的陸架坡折帶屬全日臨界、超臨界地形，在較強(qiáng)的垂直于陸坡的正壓潮流分量作用下，有可能產(chǎn)生顯著的內(nèi)潮波.

3.1觀測(cè)海流與海水密度

流速矢量旋轉(zhuǎn)譜可以給出順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分量能量在頻率域的分布情況，通過(guò)計(jì)算旋轉(zhuǎn)系數(shù)還可以確定海流的極化特征.圖2所示為正壓及觀測(cè)海流旋轉(zhuǎn)譜在不同深度范圍的垂向平均.正壓海流為對(duì)第三、四和五段包括近底層觀測(cè)海流數(shù)據(jù)在垂向上做深度加權(quán)平均得到，旋轉(zhuǎn)譜計(jì)算采用60天時(shí)間窗口和30天滑動(dòng)步長(zhǎng).全日和半日振蕩在各旋轉(zhuǎn)譜中均較顯著，其中全日振蕩(D1)因O1和K1分潮成典型雙峰結(jié)構(gòu)，峰值遠(yuǎn)大于半日潮譜峰(D2).周期為40.7h的慣性振蕩譜峰(f)亦較明顯，且均存在頻率藍(lán)移現(xiàn)象.高階諧波在上層和近底層譜中可清晰看到，表明內(nèi)潮波之間的非線性相互作用.因在北半球受向右的科氏力影響，振動(dòng)以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)分量為主.

根據(jù)Gonella (1972)，動(dòng)能譜可寫為S=S-+S+，S-和S+分別為順時(shí)針和逆時(shí)針譜，代表流矢量極化特征的旋轉(zhuǎn)系數(shù)定義為CR=(S--S+)/S.當(dāng)CR=0時(shí)，海流為直線的往復(fù)流；CR=±1時(shí)，為純圓周運(yùn)動(dòng).表2給出圖2中各旋轉(zhuǎn)譜在近慣性、全日和半日頻帶上的動(dòng)能譜值和旋轉(zhuǎn)系數(shù).慣性振蕩能量從海洋上層向深層逐漸遞減，近底層能量很小，慣性流均呈近圓周運(yùn)動(dòng).全日潮流顯著大于半日潮流，二者在海洋上層能量最強(qiáng)，中層相對(duì)近底層能量略有減弱，暗示局地內(nèi)潮可能以一階斜壓模態(tài)為主.全日和半日潮流在上層做橢圓運(yùn)動(dòng)，近底層接近往復(fù)流.正壓半日潮流亦具有較強(qiáng)的極化性.

表1　潛標(biāo)系統(tǒng)基本信息

圖1　(a)由TPXO中國(guó)近海正壓潮汐模型所得南海北部正壓潮能通量(蛋青色底色和黑色等值線代表水深，黑色五角星表示潛標(biāo)系統(tǒng)位置)，(b)包括潛標(biāo)配置的跨陸坡截面(圖1a中紅色直線)地形(空心圓圈表示海底全日臨界和超臨界地形)Fig.1　(a) Barotropic tidal energy flux derived from the TPXO global tidal solution in the Northern South China Sea with bathymetry represented by cyan and black contours. The mooring location is indicated by the black star. (b) Schematic topography crossing mooring location with designed depths of ADCP and CTs. Critical and super-critical diurnal slopes at seabed are indicated by open circles

內(nèi)潮在層化海洋中的運(yùn)動(dòng)直接導(dǎo)致等密度面的起伏，圖3a為第三和四段觀測(cè)期間溫鹽鏈記錄的2009年7月和2011年1月兩個(gè)月中15天內(nèi)海水密度隨時(shí)間變化情況，其垂向位移大小代表觀測(cè)站海洋中層內(nèi)潮垂向振幅.可見(jiàn)海水等密度面周日起伏特征顯著，振幅可達(dá)40m.在某些時(shí)段，如2009年7月7日至10日和2011年1月6日至10日，等密度面主要表現(xiàn)為具有非線性特征的高頻抖動(dòng)而非規(guī)則正弦形波動(dòng).對(duì)各層密度時(shí)間序列的功率譜分析結(jié)果表明全日振蕩最顯著，半日振蕩次之(圖3b).功率譜計(jì)算取60天時(shí)間窗口和30天滑動(dòng)步長(zhǎng)，與ADCP觀測(cè)海流的旋轉(zhuǎn)譜結(jié)果不同，這里沒(méi)有顯著的近慣性振蕩譜峰存在，原因可能是潛標(biāo)溫鹽鏈處于較深的海洋中層，上層風(fēng)生近慣性波能量在該處通常向下傳播的最大深度不會(huì)超過(guò)450 m(Chen et al.，2013；毛華斌等，2013).

圖3　第三段和第四段布放期間(a)溫鹽鏈觀測(cè)的等密度面深度時(shí)間變化序列，(b)垂向平均的功率譜Fig.3　(a) Potential density from CTs-chains over a period of 15 days in third and fourth deployments， (b) Vertically averaged power spectra of potential density

DepthrangeInertialDiurnalSemidiurnalTotalspectrumRotarycoefficientsTotalspectrumRotarycoefficientsTotalspectrumRotarycoefficientsbarotropic0.040.850.760.460.17-0.15<200m0.340.912.890.600.450.52400～500m0.150.860.830.390.18-0.11>1150m0.040.851.080.170.190.19

圖2　水平流速旋轉(zhuǎn)譜于不同深度的垂向平均(實(shí)線為順時(shí)針?lè)至浚?虛線為逆時(shí)針?lè)至?，灰色虛線是Garret-Munk75內(nèi)波譜)Fig.2　Vertically averaged rotary spectra at different depths. Solid line is clockwise component. Dashed line is counter-clockwise component. Gray solid line is GM75 internal wave spectrum

3.2正壓潮流

對(duì)第三、四和五段觀測(cè)期間得到的正壓海流分量利用UTide工具包做標(biāo)準(zhǔn)調(diào)和分析(Codiga, 2011)，得到主要分潮的潮流橢圓(圖4).海區(qū)正壓全日潮顯著強(qiáng)于半日潮流，全日O1和K1分潮傾角近乎東-西方向，與圖1a中正壓潮能通量傳播方向一致.半日潮流傾角皆與正東方向呈30壓左右?jiàn)A角，主軸接近沿等深線方向.除M2外，O1、K1和S2均表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn).

圖4　正壓分潮流橢圓(紅色為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)潮流矢量，藍(lán)色代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，橢圓內(nèi)黑線與長(zhǎng)軸夾角表示格 林威治遲角)Fig.4　Barotropic tidal ellipses of O1, K1, M2 and S2. Red ellipses indicate the tip of the tidal current vector rotating clockwise. Blue one refers to counterclockwise rotation. The angle between black lines in the ellipses and major axes denote phase lag with respect to Greenwich Time

3.3內(nèi)潮流

對(duì)后三段觀測(cè)，從實(shí)測(cè)海流中減去正壓海流即為斜壓海流，再分別進(jìn)行調(diào)和分析便可將內(nèi)潮流分離出來(lái).由于在前兩段觀測(cè)中，缺少深層的海流記錄，本文利用3.2節(jié)得到的正壓潮流橢圓參數(shù)回報(bào)前兩段觀測(cè)時(shí)期的正壓潮流，然后對(duì)扣除該正壓潮流的實(shí)測(cè)海流做調(diào)和分析以得到前兩段觀測(cè)期間的斜壓潮流.圖5僅列出第二、三和四段觀測(cè)期間內(nèi)潮流橢圓垂向分布，以作說(shuō)明.由于各段觀測(cè)期長(zhǎng)短不一(第二、三、四段觀測(cè)分別長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月、16個(gè)月和1年)，并且垂向采樣深度不同，同一分潮在同一深度不同觀測(cè)段的內(nèi)潮流橢圓略有差異，但內(nèi)潮總體垂向結(jié)構(gòu)特征基本一致.全日O1和K1內(nèi)潮顯著大于半日內(nèi)潮，代表內(nèi)潮能通量傳播方向的橢圓長(zhǎng)軸傾角在觀測(cè)深度范圍內(nèi)基本為穩(wěn)定的跨陸坡方向.O1內(nèi)潮表現(xiàn)為顯著第一模態(tài)特征，海洋上層和近底層內(nèi)潮流較強(qiáng)，在500～600 m的中層潮流最弱.K1內(nèi)潮小于O1內(nèi)潮，400 m左右內(nèi)潮流振幅減弱至最小，向下復(fù)又增強(qiáng).半日內(nèi)潮流振幅較弱，100 m以下振幅小于1 cm·s-1.

本文所得到的鎖相內(nèi)潮運(yùn)動(dòng)比例與Xu等(2013)在同為南海西北部的東沙群島西側(cè)陸坡處得到的結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)全日內(nèi)潮運(yùn)動(dòng)中有40%是與天文潮強(qiáng)迫鎖相的，較弱的半日內(nèi)潮則為10%.與此不同，Lee等(2012)在南海東北部陸坡處的研究結(jié)果表明鎖相的同時(shí)包括正壓和斜壓的潮流運(yùn)動(dòng)僅占觀測(cè)的潮頻帶流速方差的21%.對(duì)比結(jié)果表明南海東北部和西北部的內(nèi)潮因地理位置(包括地形、相對(duì)源區(qū)的位置等)和局地的海洋水文狀況不同具有很強(qiáng)的空間差異性.

表3　各段觀測(cè)期內(nèi)鎖相的全日(半日)內(nèi)潮對(duì)全日(半日)內(nèi)潮總能量的貢獻(xiàn)(單位：%)

圖5　第二、三和四段觀測(cè)期間四個(gè)主要分潮的內(nèi)潮流橢圓垂向分布Fig.5　Internal tidal ellipses for four major constituents in second, third and fourth deployments

除上述鎖相的內(nèi)潮外，剩余很大一部分為異相內(nèi)潮，其振幅和相位在傳播過(guò)程中因?qū)咏Y(jié)和背景流場(chǎng)的調(diào)制會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變.為檢查內(nèi)潮強(qiáng)度在長(zhǎng)期觀測(cè)中的變化，根據(jù)其傳播方向和調(diào)和分析的頻率分辨率，對(duì)扣除正壓潮流的垂直于等深線方向的斜壓海流分量進(jìn)行14天長(zhǎng)度時(shí)間窗口和7天滑動(dòng)步長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)和分析(van Aken et al.，2007)，所得四個(gè)主要分潮振幅的深度-時(shí)間變化如圖6所示，注意結(jié)果中同時(shí)也包括與天文潮鎖相的內(nèi)潮分量的貢獻(xiàn).O1內(nèi)潮為顯著第一模態(tài)特征，近底層平均振幅達(dá)3.4 cm·s-1，方差為1.3 cm2·s-2.海洋上層O1內(nèi)潮時(shí)間變化顯著，從年變化角度講，振幅在除2011年外的其他年份夏秋季，均有增強(qiáng)現(xiàn)象.K1內(nèi)潮在2010年冬季近底層振幅顯著增強(qiáng)，海洋上層振幅則表現(xiàn)為冬季和夏季分別增強(qiáng)的半年周期變化.半日內(nèi)潮流較弱，其中M2分潮僅在150 m以淺振幅較強(qiáng)，可以超過(guò)3 cm·s-1.

圖6　跨陸坡方向的全日(a)和半日(b)內(nèi)潮流振幅垂向結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化Fig.6　Temporal variation of internal tide amplitude across slope for four major constituents

3.4內(nèi)潮低頻變化

長(zhǎng)達(dá)5年的定點(diǎn)流速觀測(cè)允許本文一窺局地海域內(nèi)潮的低頻變化特征.在內(nèi)潮運(yùn)動(dòng)非?；钴S的夏威夷群島附近，M2內(nèi)潮的低頻變化已經(jīng)從長(zhǎng)時(shí)間序列的潮位計(jì)數(shù)據(jù)中提取出來(lái).Mitchum和Chiswell(2000)發(fā)現(xiàn)內(nèi)潮振幅或者相位的年際尺度低頻變化與溫躍層深度的低頻變化顯著相關(guān)，較大的M2內(nèi)潮振幅經(jīng)常伴隨著較深的溫躍層亦或較高的海平面高度.Colosi和Munk (2006)將這種年際甚至更長(zhǎng)期的變化歸因于內(nèi)潮產(chǎn)生地和觀測(cè)站之間密度場(chǎng)的改變對(duì)傳播中內(nèi)潮相速度的調(diào)制作用，溫躍層的加深會(huì)導(dǎo)致內(nèi)潮相速度的增加從而減小觀測(cè)站處內(nèi)潮相對(duì)于源區(qū)強(qiáng)迫正壓潮的相位延遲.另外，源區(qū)躍層的變化亦可調(diào)制產(chǎn)生內(nèi)潮的振幅.在線性理論框架下，Vlasenko等(2005)證明溫躍層距離海底越近，產(chǎn)生的內(nèi)潮波振幅越大.所以，海洋上層密度結(jié)構(gòu)的變化對(duì)內(nèi)潮的傳播和生成有非常重要的調(diào)制作用，而海面高度在南?？梢杂行У闹甘緶剀S層的起伏變化(Liu et al.，2001)，從而，南海內(nèi)潮和海面高度的相關(guān)關(guān)系值得期待.

圖7為圖6a中跨陸坡方向O1內(nèi)潮400m以淺垂向平均振幅(藍(lán)色實(shí)線)與衛(wèi)星觀測(cè)海面高度(綠色實(shí)線)的變化關(guān)系，二者峰值在大部分時(shí)間呈很好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.58，超過(guò)95%置信檢驗(yàn).尤其是2010年夏秋季，在一異常強(qiáng)的暖渦影響下(Chu et al.，2014)，O1內(nèi)潮振幅伴隨顯著升高的海面高度亦有較強(qiáng)的增長(zhǎng).經(jīng)360天低通濾波后(虛線)，二者在年際尺度上的正相關(guān)關(guān)系更加顯著，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.82.這說(shuō)明研究海域內(nèi)潮同樣具有顯著的低頻變化特征，受上層密度場(chǎng)調(diào)制，其振幅在季節(jié)內(nèi)及其更長(zhǎng)時(shí)間尺度上正比于溫躍層的深度或者海平面的高度.

圖7　跨陸坡方向400 m以淺O1內(nèi)潮垂向平均振幅和海面高度變化時(shí)間序列 (虛線為360天低通濾波后的相應(yīng)年際變化，各序列已扣除總體時(shí)間平均項(xiàng))Fig.7　Time series of cross-passage internal O1 tidal amplitude averaged above depth 400m (blue lines) and absolute dynamic height from AVISO (green lines). Dashed lines indicate corresponding inter-annual variation by low bass filter with 360 day cutoff frequency

與O1不同，K1內(nèi)潮并未顯示出與局地海面高度的顯著正相關(guān)關(guān)系，而是呈冬、夏季分別增強(qiáng)的半年周期變化特征(圖6a).這種半年循環(huán)恰是正壓K1和P1分潮耦合強(qiáng)迫所致(Danielson and Kowalik，2005).

3.5動(dòng)力模態(tài)分解

在Boussinesq近似條件下，同時(shí)忽略耗散和底邊界坡度，水平流速的垂向結(jié)構(gòu)可以寫成一系列正交垂向動(dòng)力模態(tài)的線性疊加，公式為

(1)

除代表正壓的n=0階模態(tài)外，其余水平速度的垂向結(jié)構(gòu)函數(shù)Φn(n=1,…,)可以通過(guò)求解本征值方程得到，公式為

(2)

其中cn是模態(tài)Φn的相速度，N2(z)是浮力頻率.平底(dΦn/dz=0)和剛蓋(Φn=0)邊界條件被用來(lái)求解該本征值問(wèn)題(Kunduetal.，1975；Pedlosky，1987).

同時(shí)，波的相速度和群速度分別寫為

(3)

(4)

其中ω為分潮的振動(dòng)頻率.Φn得到后，即可通過(guò)最小二乘估計(jì)各模態(tài)的振幅Vn.

圖8a所示為觀測(cè)站處冬、夏兩季的海水N2垂向廓線.夏季，從表層至200 m左右N2均較大，上層海水層化特征顯著；冬季，N2僅在50～100 m的次表層較強(qiáng)，峰值甚至超過(guò)夏季.200 m以深，N2較小，沒(méi)有明顯季節(jié)變化.

圖8　(a)觀測(cè)站處冬(虛線)、夏季(實(shí)線)層結(jié)垂向分布以及(b)前三個(gè)斜壓水平速度垂向動(dòng)力模態(tài)(這里為了更好的顯示模態(tài)的垂向結(jié)構(gòu)根據(jù)各個(gè)模態(tài)的最大振幅已做標(biāo)準(zhǔn)化處理)Fig.8　(a)Vertical profile of square Brunt-V?is?l? frequency calculated from cumulative CTD casts，(b)First three normalized baroclinic modes for horizontal velocity

將N2(z)代入方程(2)求得冬、夏兩季水平速度的斜壓垂向模態(tài)，圖8b列出前3個(gè)模態(tài).第一斜壓模沒(méi)有季節(jié)差異，跨零點(diǎn)深度在500 m左右；第二和三斜壓模，冬季的垂向振幅略強(qiáng)于夏季，但二者跨零點(diǎn)的位置基本一致.據(jù)此，本文利用年平均N2(z)及其對(duì)應(yīng)的垂向動(dòng)力模態(tài)分別最小二乘擬合包括近底層觀測(cè)的第三、四和五段觀測(cè)期的全日分潮流在跨陸坡方向上的振幅和相位(Sánchez-Román et al.，2008).表4列出O1和K1分潮前三個(gè)斜壓模態(tài)的波長(zhǎng)、群速度和相速度信息.

表4　O1和K1分潮前三個(gè)斜壓模態(tài)的相速度、群速度和波長(zhǎng)

觀測(cè)期內(nèi)，跨陸坡的潮流分量可寫為

(5)

其中，a和g分別為分潮流的振幅和相位，A和B則可寫為動(dòng)力模態(tài)的線性疊加，公式為

(6)

(7)

其量值大小代表各模態(tài)的相對(duì)重要性.表5列出擬合后得到的O1和K1分潮零階模和前四個(gè)主要斜壓模的能量貢獻(xiàn)，由其重構(gòu)的振幅和相位廓線繪于圖9.可見(jiàn)，對(duì)于內(nèi)潮振幅較強(qiáng)的O1和K1分潮，動(dòng)力模態(tài)分解所得零階和前四個(gè)斜壓模態(tài)聯(lián)合能夠比較準(zhǔn)確的表示觀測(cè)期間潮流的平均垂向結(jié)構(gòu).

圖9　(a)由零階模和前四個(gè)斜壓模重構(gòu)得到的O1和(b)K1分潮的振幅和相位廓線 (實(shí)線表示實(shí)際觀測(cè)的分潮流振幅和相位廓線，虛線代表重構(gòu)所得)Fig.9　Reconstruction of amplitude and phase of the O1 (a) and K1 (b) tidal constituents (dashed lines) from combination of barotropic and first four baroclinic modes separately from third, fourth and fifth deployments. Real profiles of tidal current are displayed by solid lines

總體來(lái)看，在跨陸坡方向上，全日潮流能量主要集中于第一和第二斜壓模態(tài)上.后三段觀測(cè)期間，O1分潮的前兩個(gè)斜壓模態(tài)的能量貢獻(xiàn)和分別達(dá)74.6%、77.4%和74.6%，比較一致；K1分潮則為41.1%、66.0%和47.0%.與O1的第三和第四高階模態(tài)能量貢獻(xiàn)較小不同，K1的第三模態(tài)對(duì)K1總潮能亦有相當(dāng)貢獻(xiàn)，在第三和第五段觀測(cè)期內(nèi)，甚至達(dá)到25%.不同觀測(cè)期的結(jié)果相互比較，第四段觀測(cè)期的模態(tài)分解結(jié)果與另外兩段存在一定出入.代表正壓的零階模貢獻(xiàn)顯著減小；O1的第三階模態(tài)貢獻(xiàn)增強(qiáng)，K1的則減弱；并且K1的前兩個(gè)斜壓模的貢獻(xiàn)和遠(yuǎn)大于第三和五段觀測(cè)結(jié)果.這種差異可能源于第四段觀測(cè)的垂向采樣深度范圍不同于第三和五段觀測(cè).由圖9可知，O1潮流振幅在150～200m之間存在一個(gè)拐點(diǎn)，K1潮流振幅在150m以淺垂向結(jié)構(gòu)復(fù)雜存在多個(gè)極值點(diǎn).缺少對(duì)潮流垂向變化復(fù)雜的150m以淺近表層的觀測(cè)，很可能是第四段動(dòng)力模態(tài)分解結(jié)果顯著不同于第三、五段的主要原因.

表5　第三、四和五段觀測(cè)時(shí)期各模態(tài)動(dòng)能對(duì)相應(yīng)分潮總動(dòng)能的貢獻(xiàn)百分比(單位：%)

4結(jié)論

本文主要利用2007年8月20日至2012年8月22日錨定于海南島至西沙群島之間深水海域的一個(gè)長(zhǎng)達(dá)5年的潛標(biāo)測(cè)流資料，通過(guò)譜分析、調(diào)和分析、濾波和動(dòng)力模態(tài)分解方法分析了該海區(qū)內(nèi)潮流的特征，主要結(jié)果如下：

(1) 研究海域以全日潮流為主，上層慣性振蕩亦具有相當(dāng)能量.海洋中層等密度線周日垂向振幅可達(dá)40 m.

(2) 全日O1和K1內(nèi)潮顯著大于半日內(nèi)潮，主要為順時(shí)針旋轉(zhuǎn).斜壓潮流橢圓傾角一致為西北—東南走向，表明內(nèi)潮能通量沿跨陸坡方向傳播；向下增長(zhǎng)的遲角表明群速度向上傳，內(nèi)潮能量由下層傳向海表.

(3) 與天文潮強(qiáng)迫鎖相的全日內(nèi)潮約占全日內(nèi)潮總能量的41%，遠(yuǎn)高于南海東北部的鎖相內(nèi)潮比例.考慮異相內(nèi)潮后，海洋上層全日O1內(nèi)潮在跨陸坡方向上的振幅有夏、秋季增強(qiáng)的特征，K1內(nèi)潮則呈夏、冬季增強(qiáng)的半年循環(huán)特征.上層O1內(nèi)潮振幅的時(shí)間變化與局地海面高度有顯著正相關(guān)關(guān)系，表明海洋上層密度場(chǎng)對(duì)內(nèi)潮的顯著調(diào)制作用；而K1內(nèi)潮的半年循環(huán)是正壓K1和P1分潮耦合強(qiáng)迫所致.

(4) 動(dòng)力模態(tài)分析表明O1分潮能量主要集中于第一和二階斜壓模態(tài)上，K1分潮的第三階斜壓模亦包含相當(dāng)能量，最高可達(dá)總能量的25%.

(5) 由本文分析所得到的跨陸坡內(nèi)潮能量傳播方向、較高的鎖相內(nèi)潮比例以及與局地海面高度的顯著相關(guān)性，結(jié)合附近陸坡處的全日臨界、超臨界地形(圖1b)，暗示觀測(cè)的內(nèi)潮可能于潛標(biāo)附近陡峭地形處產(chǎn)生.單點(diǎn)的潛標(biāo)觀測(cè)無(wú)法確切斷定內(nèi)潮源區(qū)，而海南島南部活躍的內(nèi)波已被大量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)所證明，海南島東南部陡峭的大陸架坡折被認(rèn)為是這些內(nèi)波的產(chǎn)生源(王雋，2012).未來(lái)，南海西北部?jī)?nèi)潮波的生成耗散和在三維海洋中的傳播演變特征仍需潛標(biāo)陣列等更詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料并輔以數(shù)值模型支持.

致謝感謝甘子鈞先生對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn).

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(本文編輯張正峰)

基金項(xiàng)目中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目(KZCX2-EW-204)、國(guó)家自然科學(xué)基金(U1033003，41276022)和熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目(LTOZZ1502)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介閆桐，男，1984年生，博士研究生，主要從事南海環(huán)流、潮汐潮流的觀測(cè)與數(shù)值模擬研究. E-mail: yantong@scsio.ac.cn E-mail: qiyiquan@scsio.ac.cn

*通訊作者齊義泉，男，1964年生，博士生導(dǎo)師，研究員，主要從事衛(wèi)星遙感資料應(yīng)用以及海洋動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)分析工作.

doi:10.6038/cjg20160723 中圖分類號(hào)P738

收稿日期2015-01-16，2016-02-19收修定稿

Characteristics of internal tides in deep water northwest of the Xisha Islands

YAN Tong1，2， JING Zhi-You1， QI Yi-Quan1*， WANG Dong-Xiao1

1StateKeyLaboratoryofTropicalOceanography，SouthChinaSeaInstituteofOceanology，TheChineseAcademyofSciences，Guangzhou510301，China2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China

AbstractInternal tides are internal gravity waves with quasi-tidal periodicities, which are ubiquitous in the ocean. Their characteristics in deep water areas between the Hainan Island and Xisha Islands in the northwestern South China Sea (SCS) are investigated based on 5-year moored current observations. The methods used in this study include power spectral analysis, harmonic analysis and dynamical mode decomposition are performed. The results show that the barotropic and baroclinic tidal currents in the study region are both dominated by diurnal oscillations. The vertical isopycnal diurnal displacement can reach 40 m at a depth of 500～900 m. Diurnal internal tidal currents mainly propagate across the continental slope, approximately 41% of which is phase locked with astronomical tides. The ratio is nearly double of that in the northeast SCS. In the upper ocean, it is found that the variability of internal O1 amplitude is significantly positively correlated with the local sea level height, which suggests a strong modulation by the upper oceanic density field. On the other hand, the K1 internal tide shows a semi-annual variation with intensification in summer and winter due to the superposition of barotropic forcing from K1 and P1 constituents. Furthermore, dynamical mode decomposition shows that the two baroclinic modes together account for more than 70% of O1 constituent energy, while the contribution of the third mode in the K1 cannot be neglected, which has 25% of total K1 energy in someone deployment.

KeywordsNorthwestern South China Sea; Xisha; Mooring; Dynamical mode decomposition; Internal tide

閆桐， 經(jīng)志友， 齊義泉等. 2016. 西沙群島西北深水海域的內(nèi)潮特征分析. 地球物理學(xué)報(bào)，59(7):2587-2597,doi:10.6038/cjg20160723.

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