基于潛標觀測的呂宋海峽以東深海潮流特征研究

曠芳芳，潘愛軍*，張俊鵬，黃獎，蔡尚湛

( 1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

1 引言

由于深海潛標能提供長時間序列的海流的直接觀測資料，對深海海流的研究具有重要作用。于克哲[1]使用磁錄海流計在千米潛標系統(tǒng)南海試驗期間獲取的深海海流資料，對該海域深層海流進行了初步分析，提出了潮流和余流的運動規(guī)律；Zhai等[2]使用菲律賓以東的深海潛標數(shù)據(jù)分析了近底層海流和潮流的季節(jié)變化特征；在南海，多名學者通過定點觀測海流資料分析了觀測海區(qū)的正壓潮和內潮等特征[3–9]。

深層海洋與上層海洋存在著不同的動力環(huán)境和機制，近年來深海在全球海洋氣候變化中的作用得到越來越多海洋學家的重視，深海對海洋熱量的再分配引起了全球變暖的停滯[10]，深刻影響著全球的氣候變化。菲律賓海位于副熱帶西太平洋，該海域上層有北赤道流、副熱帶逆流等多種流系交匯，還是黑潮的源地，在西太平洋海氣相互作用以及氣候變化等的研究中具有重要作用；針對該海域表層和次表層已經(jīng)有非常多的研究成果，但對深海的綜合環(huán)境信息仍知之甚少。為了解呂宋海峽東側深層海水的流動特征及其對深海生態(tài)的影響，我們在該海域布放了1套深海潛標進行長期觀測，獲得了長達1年的連續(xù)觀測資料。以下將對潛標觀測數(shù)據(jù)進行分析，重點討論該海域潮流的垂向分布以及時間變化特征。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)介紹

潛標位于西太平洋呂宋海峽以東約500 km的菲律賓海（圖1a），位置為 19.75°N，126.75°E。全球地形數(shù)據(jù)GEBCO顯示，潛標所在位置水深約5 300 m，周邊50 km的范圍內水深為4 800～5 810 m（圖1b），局地地形西北?東南走向。在潛標上層水深160 m配置了1個ADCP海流剖面儀向上觀測，層間距為4 m，有效觀測深度為60～160 m，本文中選取100 m和160 m兩個層次代表次表層；在810 m、1 550 m、2 560 m和4 040 m掛載了單點海流計觀測深海和近底層的海流。海流的觀測時間為2015年6月至2016年6月，時間頻率為1 h?1。另外，使用WOA2013提供的季節(jié)平均的溫鹽數(shù)據(jù)計算觀測點的浮力頻率（圖2），其計算公式為

圖1 潛標位置（a）和水深分布（b）Fig.1 Location of the mooring (a) and water depth around the mooring (b)

式中，N為浮力頻率；g為重力加速度；ρ為根據(jù)水溫和鹽度數(shù)據(jù)計算的位勢密度。

可看到在300 m以淺冬季的層結相對較弱，躍層位于50～200 m的深度，300 m以深季節(jié)變化不明顯。

圖2 通過WOA2013計算出的浮力頻率剖面Fig.2 Vertical structure of buoyancy frequency calculated from data in WOA2013

2.2 潮流調和分析

使用T_tide程序[11]對逐時的觀測海流數(shù)據(jù)進行潮流的調和分析，計算主要分潮的潮流橢圓要素，包括長軸、短軸、傾角、相位和橢圓率。其中，長軸代表分潮的最大流速；短軸代表分潮的最小流速，當短軸為正值時表示逆時針旋轉，短軸為負值時表示順時針旋轉；傾角代表最大流速與東方向的夾角；橢圓率為短軸和長軸的比值。

2.3 動能計算公式

潮動能（Ketide）和總動能（Keall）的計算公式為

式中，u和v為觀測的緯向流速和經(jīng)向流速；utide和vtide為經(jīng)T_tide程序提取的潮流流速。

2.4 潮流性質判斷方法

通過計算潮流的形態(tài)數(shù)來判斷潮流的性質，其計算公式為

式中，a為潮流形態(tài)數(shù)；WK1、WO1和WM2分別為K1、O1和M2分潮流的平均最大流速（即為潮流橢圓的長軸）。若a≤0.5，為正規(guī)半日潮流；若 0.5

3 結果與討論

3.1 海流高頻變化頻譜特征分析

圖3是各層次海流在高頻段（3 d以內）的旋轉譜分析結果。如圖所示，各層次海流的高頻波動以順時針（CW）旋轉為主，譜密度峰值分別對應S2(12 h)、M2(12.4 h)、K1(23.9 h)、O1(25.8 h)4個分潮的潮周期，其中M2和K1分潮相對S2和O1分潮更為顯著。另外各層次海流還表現(xiàn)出31.8～35.4 h的近慣性周期，經(jīng)計算本地理論慣性周期為35.5 h，可以看到上層（100 m和160 m）的近慣性周期與理論慣性周期非常接近，而中層和深層（810～4 040 m）為32 h左右，略小于理論慣性周期。Zhai等[2]對西太平洋潛標（8°N）的分析中發(fā)現(xiàn)該海域近底層海流的慣性振蕩周期略大于理論慣性周期，與本文的分析結果有所不同。其原因還有待進一步研究。

圖3 各層次海流旋轉譜分析Fig.3 Rotary spectrum analysis of currents at different depth

3.2 潮流橢圓要素及潮流能量

使用全年的海流觀測資料用T_tide程序計算各層次 4 個主要分潮（M2、S2、K1和 O1）的潮流橢圓要素，計算后的結果見圖4?？梢姵? 550 m處的O1分潮呈逆時針旋轉外，其他層次的4個分潮都為順時針旋轉。在次表層，160 m層各分潮的潮流橢圓與100 m層相似，但流速相對較小；4個主要分潮中，M2分潮最大（100 m和160 m的最大流速分別為8.58 cm/s和7.14 cm/s）、K1分潮次之（100 m和160 m的最大流速分別為6.01 cm/s和5.51 cm/s）、S2分潮最??；各分潮的傾角為148°～174°，即各分潮的最大流速方向均為西北?東南向；橢圓率為?0.75～?0.5，表現(xiàn)出旋轉流的特征。在中層（810 m），4個主要分潮中，K1分潮最大（最大流速為 2.86 cm/s）、M2次之（1.85 cm/s）、S2分潮最小，K1和S2分潮的最大流速方向為東北?西南向，M2和 O1為西北?東南向。在深層（1 550～4 040 m），K1分潮的最大流速最大，M2次之，S2分潮最??；1 550 m層K1和S2分潮的最大流速方向為東北?西南向，M2為東?西向，O1為西北?東南向；在2 560 m和4 040 m層，K1分潮的最大流速為西北?東南向，M2為東北?西南向，O1為南?北向，S2為東-西向。

圖5為各層次的潮動能、總動能以及潮動能占總動能之比。由圖可見次表層（100～160 m）的潮動能比中層（810 m）和深層（1 550～4 040 m）大 1～2個數(shù)量級，在810～2 560 m潮動能隨深度減小，近底層（4 040 m層）的潮動能大于深層（1 550 m和2 560 m）。次表層（100 m、160 m）和近底層（4 040 m）的潮動能占總動能的20%以上，在中層和深層（810～2 560 m）的潮動能占總動能的10%左右。

另外，通過計算各層次潮流的形態(tài)數(shù)，可判斷次表層（100～160 m）為不正規(guī)半日潮流，中層和深層（810～4 040 m）為不正規(guī)全日潮流。

3.3 潮流的季節(jié)變化

為了探討潮流的季節(jié)變化，在每個時間點使用30 d的數(shù)據(jù)（前后各15 d）用T_tide程序進行潮流的調和分析，獲得了主要分潮M2和K1的長軸的時間序列（圖6），以及計算了潮動能的時間序列及其小波譜（圖7）。

由圖6可見，次表層M2分潮的變化范圍較大，最大流速在100 m層可接近20 cm/s，在160 m層可接近13 cm/s，在冬季（2–4 月）和夏季（8–9 月）增強，冬季增強尤為明顯（圖6a）；次表層K1分潮在秋季（9–10月）明顯減弱，可由最大時的10 cm/s減弱到3 cm/s（圖6b）；在中層的 810 m，M2分潮均在夏季（7–8月）和冬季（2–4月）增強（圖6a），K1分潮也在夏季（8–9 月）和冬季（1–3 月）增強（圖6b）；深層（1 550～4 040 m）各分潮的變化范圍相對較小，1 550 m處M2分潮在夏季（7–8 月）和冬季（2–3月）有所增強，K1分潮在秋季（10–12月）有所減弱；2 560 m處K1和M2分潮的變化范圍均很小；4 040 m處K1分潮在夏季（7–8月）略有增強。對于M2分潮的時間變化，可能與月球繞地的橢圓形軌道引起的地月距離的變化有關；經(jīng)查詢，觀測時段（2015年6月至2016年5月）月球的近地點時間為 2015年的 8–10月和 2016年的 4–5月[12]，文中M2分潮動能在夏季的增強可以用該時段地月距離的變短來解釋，但2016年2–3月M2分潮動能的增強應該是其他的原因導致。

圖4 各層次各分潮的潮流橢圓Fig.4 Tidal ellipse at different levels

圖7表明各層次潮動能表現(xiàn)出較顯著的季節(jié)變化特征。從圖中可以看到，各層次潮動能均在2–3月份增強，在其他時間的變化則不太一致。在次表層和中層，潮動能在夏季（8–9月）和冬季（2–3月）顯著增強，可達到年均值的2倍以上（圖7a，圖7b），這主要與M2分潮和K1分潮在夏季和冬季的增強相對應；在深層，潮動能均在夏季（6–8月）和冬季（2–3月）增強，除此之外，在2 560 m處潮動能在1月出現(xiàn)另一個峰值，而在4 040 m處潮動能在11月也出現(xiàn)峰值。小波分析結果顯示，次表層的潮動能全年表現(xiàn)出了近100 d的振蕩周期；中層的潮動能表現(xiàn)出87 d左右的振蕩周期，在夏半年明顯；深層和近底層則為47 d和114 d左右的振蕩周期。從季節(jié)平均的浮力頻率剖面來看（圖2），在300 m以淺的上層，冬季躍層較深且較弱，其他季節(jié)躍層較淺且相對較強，而在深層季節(jié)變化不明顯，潮動能的季節(jié)變化特征似乎與躍層的變化并不完全一致，其背后的機制還有待將來的進一步分析。

圖6 各層次M2和K1分潮流長軸的時間序列Fig.6 Time series of M2 and K1 constituent major axes at different layers

圖5 各層次潮動能及其占比Fig.5 Tidal kinetic energy and its portion to total kinetic energy at different levels

圖7 各層次潮動能的時間序列及其小波分析Fig.7 Time series and wavelet analysis of tidal kinetic energy at different levels

另外值得注意的是，在做潮流調和分析時由于所使用的海流時間序列的長短不同，所計算的結果也有所不同。使用30 d的數(shù)據(jù)比使用全年的數(shù)據(jù)計算的分潮的潮流橢圓相對較大、潮動能也相對較強。上節(jié)使用全年的數(shù)據(jù)來分析分潮及潮動能的整體特征，而這節(jié)則重點關注其時間變化。

4 結論

通過分析一套深海潛標觀測海流的高頻變化特征，本文得到以下結論：

（1）各層次海流的高頻波動以順時針旋轉為主，次表層海流的近慣性周期與當?shù)乩碚搼T性周期非常接近，而中層和深層（810～4 040 m）略小于當?shù)乩碚搼T性周期。

（2）次表層（100～160 m）的潮動能比中層（810 m）和深層（1 550～4 040 m）大 1～2個數(shù)量級，在 810～2 560 m潮動能隨深度減小，4 040 m層的潮動能大于1 550 m和2 560 m層。表層（100～160 m）為不正規(guī)半日潮流，中層和深層（810～4 040 m）為不正規(guī)全日潮流。

（3）各層次潮動能均在夏季（6–9月）和冬季（2–3月）增強，這主要與M2分潮和K1分潮在夏季和冬季的增強相對應；除此之外，在2 560 m處潮動能在1月增強，而在4 040 m處潮動能在11月也出現(xiàn)峰值。小波分析結果顯示，次表層的潮動能全年表現(xiàn)出了近100 d的振蕩周期；中層的潮動能表現(xiàn)出87 d左右的振蕩周期，在夏半年明顯；深層和近底層則為47 d和114 d左右。

以上研究表明，深海潮流在不同的深度層次具有不同特征，這些特征背后的動力機制如何，還需要在將來通過更多的深海觀測以及數(shù)值模擬進一步地研究。