基于精細(xì)溫度觀測(cè)的南海東北部陸坡-深海盆底層湍流混合*

李楊 , 黃鵬起 , 魯遠(yuǎn)征 , 屈玲 , 郭雙喜 ,4,5, 岑顯榮 ,周生啟,4,5, 張佳政, 丘學(xué)林,5

1. 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

4. 中國(guó)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;

5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

海洋是地球系統(tǒng)的重要組成部分, 在維持全球能量收支平衡的過程中扮演著重要的角色(Simmons et al, 2011)。近年來, 人們不再局限于研究上層海洋,對(duì)深海也展開了探索。深海底層與沉積物、冷泉密切相關(guān)(Shanmugam, 2017; 趙斌 等, 2018), 是石油和天然氣等自然資源的“冷藏庫(kù)”。深海不僅貯藏著豐富的資源, 還蘊(yùn)含著巨大的能量。Egbert 等(2000)估算出全球深海的斜壓能量約為維持經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流能量(2TW)的一半?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明, 雖然底層海水溫度變化只有10–3℃左右, 但深海同樣存在活躍的湍流混合(Polzin et al, 1997; Ledwell et al, 2000; van Haren et al, 2011; Holtermann et al, 2012; Waterhouse et al, 2014; Zhao et al, 2016; Holmes et al, 2019)。深海湍流混合產(chǎn)生的上升流和下降流是驅(qū)動(dòng)經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的動(dòng)力來源之一(Rahmstorf, 2003; Callies et al,2018), 也是海洋能量級(jí)串過程中至關(guān)重要的一環(huán),影響著大尺度運(yùn)動(dòng), 維持海洋層結(jié)。此外, 湍流混合將海水能量從海洋上層帶到下層, 參與海洋熱量、動(dòng)量和能量的平衡過程(Munk et al, 1998); 同時(shí)控制溫鹽通量、營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物和微生物的濃度分布,改善和保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境, 維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡(劉倩, 2016)。

20 世紀(jì)90 年代, Munk 等(1998)指出, 大洋平均混合率需達(dá)到10–4m2·s–1才能維持現(xiàn)今的大洋熱鹽環(huán)流強(qiáng)度。但開闊大洋的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明, 大部分海域的混合率僅為10–5m2·s–1。為此, 人們開始探尋強(qiáng)湍流混合海域。南海是存在強(qiáng)湍流混合的邊緣海之一, 蘊(yùn)含著豐富的海洋動(dòng)力現(xiàn)象。呂宋海峽的雙山脊地形與潮流相互作用產(chǎn)生大量?jī)?nèi)波(謝皆爍,2015), 為南海強(qiáng)湍流混合提供能量; 黑潮在呂宋海峽處入侵帶來的中尺度渦對(duì)南海湍流混合也起著不可忽視的作用(李敏, 2013; Zhang et al, 2016)。大量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明, 海山(Toole et al, 1997)、海底山脊(Polzin et al, 1997)、大陸坡(Nash et al, 2007)和海底峽谷(Kunze et al, 2012)等海底地形復(fù)雜的海域均存在強(qiáng)湍流混合。南海海底地形復(fù)雜, 海山、海丘眾多, 并有深海隆地和洼池。豐富的動(dòng)力環(huán)境和地形條件, 使南海成為太平洋系統(tǒng)中不可替代的“混合加工廠”。西北太平洋的深層水、中層水和次表層水經(jīng)呂宋海峽進(jìn)入南海, 被充分混合后返回太平洋,一定程度上驅(qū)動(dòng)大洋熱鹽環(huán)流(尚曉東 等, 2010)。由此可見, 開展南海湍流混合的研究具有重要的科學(xué)意義。

近年來, 不少科學(xué)家對(duì)南海北部湍流混合開展了一系列研究。在上中層海域, 基于南海北部-呂宋海峽-西北太平洋的斷面微結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)和參數(shù)化模式結(jié)果, Tian 等(2009)發(fā)現(xiàn)南海海域1000m以下的渦擴(kuò)散系數(shù)為10–3m2·s–1, 比西北太平洋大2 個(gè)數(shù)量級(jí)。Shang 等(2017)測(cè)得呂宋海峽以西的南海上層海域的耗散率和跨密度渦擴(kuò)散系數(shù)分別為8.3×10–9m2·s–3和2.7×10–5m2·s–1, 比南海中、南部高1 個(gè)數(shù)量級(jí)。在陸架、陸坡, 張效謙(2005)分析了南海陸架-陸坡區(qū)域的微結(jié)構(gòu)湍流混合觀測(cè)數(shù)據(jù), 結(jié)果顯示淺海陸架區(qū)域的湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)較強(qiáng), 均值可分別達(dá)到 5×10–7m2·s–3和 2×10–3m2·s–1,相當(dāng)于大洋內(nèi)區(qū)平均值的100 倍。Yang 等(2014)測(cè)得南海北部陸坡的湍動(dòng)能耗散率為3.6×10–8m2·s–3,渦擴(kuò)散系數(shù)為5.2×10–4m2·s–1。在深層海域, Yang 等(2016)通過Gregg-Henyey-Polzin 尺度方法計(jì)算出南海北部離海底 500m 處的渦擴(kuò)散系數(shù)為10–4～10–3m2·s–1。Wang 等(2016)通過內(nèi)潮模擬與能量學(xué)分析得到南海海底以上2000m 內(nèi)的水柱湍動(dòng)能耗散 率 為 10–8～10–6m2·s–3, 渦 擴(kuò) 散 系 數(shù) 為 10–4～10–3m2·s–1。這些研究工作大都聚焦于南海中上層的湍流混合, 較少涉及底層。近年來, 深海觀測(cè)技術(shù)的成熟為南海深海底層湍流混合的研究提供了許多觀測(cè)資料。本文利用高分辨率溫度傳感器在海底上方0.5m 處持續(xù)觀測(cè)4.4d 的溫度數(shù)據(jù), 分析南海東北部2216～3201m 深度范圍內(nèi)底層海水溫度的時(shí)間變化特征, 根據(jù)Ellison 尺度方法計(jì)算底層的湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù), 探討地形粗糙度和內(nèi)潮對(duì)底層湍流混合的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

2019 年5 月14 日—20 日, 國(guó)家基金委南海地球 物 理 航 次 在 南 海 東 北 部 海 域(19°40′48″ —21°48′36″N, 118°43′12″—119°2′24″E)開展了底層海水溫度觀測(cè)。觀測(cè)斷面為陸坡-深海盆式斷面(圖1a 黑色實(shí)心圓), 東北-西南向橫跨300km, 站位深度范圍為2216～3201m, 各站位的海底地形粗糙度用20km×20km 內(nèi)水深數(shù)據(jù)的方差表示(見表1), 水深數(shù)據(jù)是General Bathymatric Charts of the Oceans(GEBCO) 2014 地 形 數(shù) 據(jù) (https://www.gebco.net/data_and_products/gebco_web_services/we b_map_service/gebco_2014_wms.html), 分辨率為30″。本次觀測(cè)共投放25 臺(tái)沉浮式OBS(ocean bottom seismometers)。固定在沉耦架上的OBS 被投放后,受沉耦架的重力作用而自由下落至海底并記錄數(shù)據(jù)。待坐底記錄完畢時(shí), OBS 接收到聲學(xué)釋放指令,熔斷鋼絲熔斷, OBS 與沉耦架脫離, 并利用自身的浮力漂浮至海面。溫度傳感器固定在OBS 的邊緣,每臺(tái)OBS 搭載1 或2 個(gè)溫度傳感器, 其中2、3、5、7、9、11、13、14、19、20、21 和22 號(hào)等11 個(gè)站位的OBS 上搭載2 個(gè)溫度傳感器, 分別以2-1、2-2等表示(詳見表1)。除去工作錯(cuò)誤和丟失的溫度傳感器, 測(cè)得有效溫度數(shù)據(jù)的OBS 站位總計(jì)22 個(gè)(圖1b黑色實(shí)心圓)。溫度傳感器測(cè)量OBS 下放、坐底和回收期間的海水溫度信息, 坐底時(shí)溫度傳感器位于海底上方約0.5m 處。假設(shè)OBS 下放和回收時(shí)勻速運(yùn)動(dòng), 根據(jù)站位水深和溫度傳感器入水、到底、離底、出水的時(shí)間, 可估算出OBS 的平均下降速度約為0.84m·s–1, 平均上升速度約為0.66m·s–1。溫度傳感器由廣州歐納電子科技有限公司開發(fā)生產(chǎn), 傳感器長(zhǎng)12.8cm, 直徑1.96cm, 重80g(含電池), 耐高壓(～10000m 水深), 具備預(yù)先編程的采樣模式, 方便每一次設(shè)置和操作, 噪音水平低(1.2×10–4℃), 分辨率為2×10–4℃, 精確度為±5×10–3℃。觀測(cè)期間, 溫度傳感器的采樣頻率設(shè)為8Hz。因本航次未開展溫鹽深水文觀測(cè), 故選擇國(guó)家基金委南海開放航次水文數(shù)據(jù)庫(kù)中最靠近OBS 斷面的CTD 數(shù)據(jù)(圖1a 紅色五角星)作為參考, 其觀測(cè)時(shí)間為2017 年4 月30日, 其經(jīng)、緯度分別為117°44′24″E、19°15′36″N。該觀測(cè)內(nèi)容由SBE-911plusCTD 直讀式深海溫鹽深測(cè)量?jī)x完成, 采樣頻率為 24Hz, 深度測(cè)量量程為0～6800m, 精度為量程的0.015%, 分辨率為量程的0.001%; 電導(dǎo)率測(cè)量精度為±3×10–4S·m–1, 分辨率為4×10–5S·m–1; 溫度測(cè)量精度為±1×10–3℃, 分辨率為2×10–4℃。

表1 各測(cè)站詳細(xì)信息Tab. 1 Detailed information of each station

圖1 研究區(qū)OBS 和CTD 站位示意圖該圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2016)1666 號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作; 圖中黑色實(shí)心圓為2019 年OBS 測(cè)站, 紅色五角星為2017 年CTD 站位Fig. 1 (a) The location of the OBS and CTD stations; (b)Regional bathymetric map indicated by the solid rectangle in the left panel; black dots are the OBS stations in 2019,and red pentagram are the CTD station in 2017

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)溫度、位勢(shì)溫(密)度和浮力頻率

溫度傳感器測(cè)得的原始數(shù)據(jù)為時(shí)間和電阻值。根據(jù)傳感器校正參數(shù), 將電阻值轉(zhuǎn)化為溫度后,根據(jù)OBS 下降、上升速度和溫度傳感器采集時(shí)間,推算出其深度信息, 得到OBS 下降和上升的溫度廓線。由于測(cè)量數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)溫度, 需將其轉(zhuǎn)化為位勢(shì)溫度和位勢(shì)密度, 再計(jì)算垂向溫度梯度和浮力頻率。以2017 年CTD 站位(圖1a 紅色五角星)測(cè)量的鹽度作為參考鹽度, 利用Gibbs-Sea Water 工具包, 將現(xiàn)場(chǎng)溫度廓線轉(zhuǎn)化為位勢(shì)溫度廓線和位勢(shì)密度廓線。圖2a、b 和c 中的灰線分別表示所有溫度傳感器的現(xiàn)場(chǎng)溫度、位勢(shì)溫度和位勢(shì)密度廓線。

根據(jù)所有溫度傳感器下放和回收測(cè)量所獲得的廓線, 統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到該海域不同深度的平均層結(jié)和溫度梯度, 作為各個(gè)站位的背景層結(jié)和溫度梯度。其計(jì)算步驟如下:

1) 由位勢(shì)溫度廓線計(jì)算溫度梯度dθ/dz廓線(圖2d 灰線所示);

3) 求出每個(gè)站位2200～3200m 深度范圍內(nèi)每個(gè)深度對(duì)應(yīng)的溫度梯度和浮力頻率中值, 線性擬合溫度梯度、浮力頻率與深度的關(guān)系式(擬合直線由圖2d 和圖2e 中的黑線表示); 根據(jù)各站位水深, 得到背景溫度梯度和浮力頻率(如圖2d 和圖2e 黑線上的點(diǎn)所示)。

各站位背景溫度梯度和浮力頻率具體數(shù)值詳見表1。圖2 中溫度傳感器觀測(cè)廓線(灰)及溫度梯度/浮力頻率擬合直線(黑)和CTD 對(duì)應(yīng)的觀測(cè)廓線(紅)吻合較好。

圖2 溫度傳感器(灰)和CTD 數(shù)據(jù)廓線(紅)對(duì)比圖a. 現(xiàn)場(chǎng)溫度; b. 位勢(shì)溫度; c. 位勢(shì)密度; d. 溫度梯度; e. 浮力頻率; 圖d 和e 中的黑色線為擬合直線, 黑點(diǎn)代表背景值Fig. 2 Comparison of vertical profiles obtained with the temperature loggers (gray) and historical CTD data (red): (a)in-situ temperature; (b) potential temperature; (c) potential density; (d) temperature gradient; (e) buoyancy frequency. The black dotted line in (d) and (e) is the fitting line

1.2.2 湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)

2 結(jié)果

2.1 底混合層

圖3 2 號(hào)站位Ellison 尺度(a)、湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間序列(b)Fig. 3 Time series of turbulent kinetic energy dissipation rate and turbulent diffusion at station 2: (a) Ellison scale; (b)dissipation rate (black) and turbulent diffusivity (red)

海洋底層是海洋水體和地球固體邊界發(fā)生相互作用的交界處, 是海水能量的重要耗散地。海流和內(nèi)波等動(dòng)力過程經(jīng)過海底粗糙地形, 發(fā)生剪切作用,造成水體翻轉(zhuǎn)混合, 從而形成海底混合層(Turnewitsch et al, 2003)。首先, 本文關(guān)注各站位近海底是否存在混合層結(jié)構(gòu), 以及底混合層的特征變化?；贠BS 下放和回收時(shí)溫度傳感器測(cè)得的溫度廓線, 根據(jù)混合層內(nèi)海水溫度均勻這一特征判斷底混合層BML(bottom mixed layer)的存在情況。從海底向上看, 當(dāng)某一深度海水與底層海水的溫度差超過閾值0.005℃時(shí), 定義該深度到海底的距離為底混合層厚度(Beaulieu et al, 1998; Lozovatsky et al,2012)。圖4 展示了各站位OBS 下放和回收時(shí)溫度傳感器測(cè)得的溫度廓線。在13～19 號(hào)站位, 混合層厚度最大可達(dá)近100m, 而在16 號(hào)站位的上升廓線未發(fā)現(xiàn)底混合層。整個(gè)觀測(cè)斷面底混合層厚度變化范圍是0～151m(表1), 中值是37m。對(duì)于一般的下放式CTD, 回收時(shí)水體受到大體積采水瓶擾動(dòng), 傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)存在很大誤差, 因此分析時(shí)選用下放廓線, 而不選用回收廓線。由于本次觀測(cè)溫度傳感器放置于OBS 旁側(cè), 擾動(dòng)誤差較小, 其下放和回收廓線可對(duì)比使用。如表1 和圖4 所示, 在大部分站位的下降和上升溫度廓線中, 發(fā)現(xiàn)底混合層厚度并不相同。在觀測(cè)的4.4d 內(nèi), 下降廓線與上升廓線的底混合層厚度平均變化24m。在4～6 號(hào)站位, 下降廓線的底混合層比上升廓線厚, 例如5 號(hào)站位的底混合層厚度變化最大, OBS 下降和上升前后的底混合層厚度分別為151m 和21m, 厚度變化為130m。這說明深海存在復(fù)雜多變的動(dòng)力過程, 使得底混合層厚度在短短的4.4d 內(nèi)就發(fā)生了改變。

圖4 各站位OBS 下放(黑線)和回收(紅線)過程的位勢(shì)溫度廓線a. 1～12 號(hào)站位; b. 13～22 號(hào)站位Fig. 4 Potential temperature profiles acquired in the deployment (black) and recovery (red) processes at each site:(a) stations 1～12; (b) stations 13～22

2.2 底層溫度的分布特征

深海底層溫度是反映深海底邊界層動(dòng)力過程和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)參量。本文通過各站位的底層海水溫度時(shí)間序列分析海水溫度的變化特征。圖5a 展示了各站位底層海水溫度時(shí)間序列中值隨緯度的變化, 其中1～16 號(hào)站位位于深海盆, 17～22 號(hào)站位位于陸坡-深海盆過渡區(qū), 整個(gè)觀測(cè)斷面的底層海水溫度時(shí)間序列中值為2.08～2.21℃。對(duì)比圖5c 發(fā)現(xiàn), 底層海水溫度中值隨緯度的變化趨勢(shì)與地形變化趨勢(shì)基本相同。本次觀測(cè)測(cè)得南海東北部2216～3201m 深度范圍內(nèi), 深海盆及陸坡-深海盆過渡區(qū)海底上方0.5m 處, 底層海水溫度在2.15℃上下波動(dòng)。

圖5 各站位底層溫度和湍流混合的空間分布a. 位溫中值和浮力頻率, 其中誤差棒代表溫度的標(biāo)準(zhǔn)差; b. 湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù); c. 地形起伏Fig. 5 Spatial distribution of turbulent mixing and bottom temperature at each station: (a) median value of potential temperature and buoyancy frequency, the error bar represents the standard deviation of temperature; (b) turbulent kinetic energy dissipation rate and turbulent diffusivity; (c) topographic relief

各站位底層海水溫度的時(shí)間序列如圖6 所示,圖中各站位按深度由淺到深依次排列。為能更直觀地展示各站位底層海水的溫度變化, 將各站位底層海水溫度的時(shí)間序列向上或向下平移。由于科考船從1 號(hào)站位依次向北下放和回收OBS, 各站位的底層海水溫度時(shí)間序列起始時(shí)間并不相同。由圖6 可知, 各站位底層海水溫度隨著站位深度的增加而減小, 但各站位底層海水溫度的低頻波動(dòng)并非隨著深度的增加而單調(diào)地減小。圖6 中各站位底層海水的溫度波動(dòng)大小隨深度的變化未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律,如15、17 和19 號(hào)站位底層海水溫度波動(dòng)較小, 而1、9、14 和16 號(hào)站位波動(dòng)較大。深度最深(3201m)的1號(hào)站位, 其溫度波動(dòng)可達(dá)0.2℃。此外, 11、14 和22號(hào)站位底層海水溫度在保持漲落的同時(shí)整體呈上升趨勢(shì), 而5 號(hào)站位呈下降趨勢(shì)。由此可見, 深海底層海水并非都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 各站位底層海水溫度時(shí)間序列圖中左側(cè)文字標(biāo)注為: 站位號(hào)(站位水深)+/-平移溫度值Fig. 6 Time series of bottom-water temperature at each station

海水的溫度高頻漲落間接反映水體的不穩(wěn)定性,是利用Ellison 尺度方法估算湍流耗散率的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖7a 表示各站位底層海水溫度時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差隨站位深度的分布, 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)去除了低頻的溫度波動(dòng), 具體計(jì)算方法見本文1.2.2 節(jié)。本次觀測(cè)斷面底層海水的溫度變化量級(jí)約為10–4～10–3℃。與溫度波動(dòng)相同, 溫度漲落與站位深度也不存在明顯的正比關(guān)系。1 號(hào)站位比3 號(hào)站位深28m, 該站位底層海水溫度的漲落卻是3 號(hào)站位的近4 倍。16 和17號(hào)站位相鄰, 深度僅相差29m, 16 號(hào)站位底層海水的溫度漲落卻是17 號(hào)站位的近6 倍。綜上可知, 底層海水溫度低頻的波動(dòng)和高頻的漲落均未隨深度的增加而減小, 表明各觀測(cè)站位的動(dòng)力環(huán)境并不相同,深水站位可能存在較強(qiáng)的動(dòng)力過程。

圖7 各站位底層溫度和湍流混合隨站位深度的分布a. 溫度時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差; b. 湍動(dòng)能耗散率; c. 渦擴(kuò)散系數(shù)Fig. 7 Distributions of bottom temperature and turbulent mixing with depth: (a) standard deviation of temperature time series;(b) turbulent kinetic energy dissipation rate; (c) turbulent diffusivity

2.3 湍流混合的分布特征

本文基于Ellison 尺度方法估算了各站位的湍流混合大小(表1)。圖5b 給出了各站位底層湍動(dòng)能耗散率(黑)和渦擴(kuò)散系數(shù)(紅)時(shí)間序列中值隨緯度的分布。緯度最低處1 號(hào)站位湍流混合最強(qiáng), 湍動(dòng)能耗 散 率 為 2.8×10–9m2·s–3, 渦 擴(kuò) 散 系 數(shù) 為7.9×10–3m2·s–1。隨著緯度的增高, 2～7 號(hào)站位的湍流混合呈減小趨勢(shì), 湍動(dòng)能耗散率在7 號(hào)站位減小至2.1×10–10m2·s–3, 渦擴(kuò)散系數(shù)減小至2.27×10–4m2·s–1。隨后湍動(dòng)能耗散率在 8 號(hào)站位增大至1.58×10–9m2·s–3, 渦擴(kuò)散系數(shù)減小至 1.5×10–3m2·s–1,僅次于1 號(hào)站位。9～22 號(hào)站位的湍動(dòng)能耗散率在4.42×10–10m2·s–3上 下 波 動(dòng), 渦 擴(kuò) 散 系 數(shù) 在4.66×10–4m2·s–1上下波動(dòng)。對(duì)比圖5c 發(fā)現(xiàn), 湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)隨緯度的變化趨勢(shì)與地形變化趨勢(shì)有一定的相似性。

為進(jìn)一步分析兩者與地形深度的關(guān)系, 由圖7b和圖7c 分別給出各站位的中值及平均值隨站位深度的變化。由圖7b 和圖7c 可知, 無論是中值還是平均值, 不同站位深度的耗散率大小相當(dāng), 略有減小。中值變化范圍為1.3×10–10～2.8×10–9m2·s–3, 平均值變化范圍為4.6×10–10～1.1×10–8m2·s–3。由于該海域底層海水層結(jié)相差較小(見圖2e ), 不同站位深度的渦擴(kuò)散系數(shù)同樣大小相當(dāng), 中值和平均值變化范圍分別是1.8×10–4～7.9×10–3m2·s–1和6.7×10–4～3.1×10–2m2·s–1。1 號(hào)站位深度最深, 但其耗散率與渦擴(kuò)散系數(shù)卻是最大, 平均值甚至可達(dá) 1.1×10–8m2·s–3和3.1×10–2m2·s–1。對(duì)比深度相近的1 和3 號(hào)站位及16和17 號(hào)站位, 1 號(hào)站位的湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)比3 號(hào)站位大1 個(gè)數(shù)量級(jí), 16 號(hào)站位的湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)是17 號(hào)站位的4 倍。綜上所述,由于觀測(cè)位置距海底約0.5m, 處于海水與固地邊界作用的底邊界層內(nèi), 其海底的混合無論深度大或小,耗散率與擴(kuò)散系數(shù)均較大。底層不同站位之間也存在明顯的空間差異, 其變化約在1 個(gè)量級(jí)范圍內(nèi)。深海盆(1～16 號(hào)站位)及陸坡-深海盆過渡區(qū)(17～22號(hào)站位)底層的湍動(dòng)能耗散率量級(jí)為10–10～10–9m2·s–3,渦擴(kuò)散系數(shù)量級(jí)為10–4～10–3m2·s–1, 比開闊大洋背景擴(kuò)散系數(shù)(10–5m2·s–1)高出1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 討論

3.1 地形粗糙度對(duì)底層湍流混合的影響

由圖6 和圖7 可知, 南海北部近海底存在較強(qiáng)的湍流混合, 同時(shí)呈現(xiàn)出明顯的空間差異性, 這可能是由局地地形的不同粗糙程度引起。大量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明, 海山、海底山脊、大陸坡和海底峽谷等海底地形粗糙度大的海域均存在強(qiáng)湍流混合(Toole et al, 1997; Polzin et al, 1997; Nash et al, 2007; Kunze et al, 2012)。為探究海底地形粗糙度對(duì)底層湍流混合的影響, 由圖8 給出各站位湍動(dòng)能耗散率(黑)和渦擴(kuò)散系數(shù)(紅)隨地形粗糙度的變化分布, 圖中數(shù)字標(biāo)號(hào)為站位號(hào)。結(jié)合圖5c 的地形可知, 1 號(hào)站位地形粗糙度最大, 位于海山山頂, 底層湍流混合最強(qiáng)。17號(hào)站位位于陸坡-深海盆過渡區(qū)的凹槽, 地形粗糙度也較大, 但底層湍流混合卻最小。16 號(hào)站位與17號(hào)站位相鄰, 其地形粗糙度為17 號(hào)站位的1/3, 但湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)卻是17 號(hào)站位的4～5倍。8 號(hào)站位地形粗糙度較小, 位于海山山腳, 但湍流混合較強(qiáng), 僅次于1 號(hào)站位。另外, 從圖8 可以看出, 無論是耗散率還是渦擴(kuò)散系數(shù), 兩者均未隨地形粗糙度的增加而增大。除去1 號(hào)站位, 耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)隨地形粗糙度的增加甚至有減小的趨勢(shì)。這說明現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)未能顯示底層湍流混合與地形粗糙度存在明顯的相關(guān)性。過去不少研究工作發(fā)現(xiàn), 底層混合隨地形粗糙度的增大而增大。例如,Jing 等(2011)發(fā)現(xiàn)西北太平洋盆地中部海槽和Okidaito 海脊處海底地形粗糙度為3×105m2, 該處近海底1500m 的擴(kuò)散系數(shù)達(dá)10–4m2·s–1, 比平坦地形處高出1 個(gè)數(shù)量級(jí)。本文觀測(cè)點(diǎn)非?？拷５?離底0.5m), 局地的底層動(dòng)力環(huán)境和地形對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的湍流混合影響更大, 而觀測(cè)斷面不同站位的局地底層環(huán)境和地形可能存在較大差異, 造成底層湍流混合與地形粗糙度的相關(guān)性不明顯。Huang 等(2021)基于2018 年在南海北部測(cè)量的底層海水溫度數(shù)據(jù), 同樣沒有發(fā)現(xiàn)湍流混合與地形粗糙度存在明顯的相關(guān)性。此外, 本文各站位的地形粗糙度均較小且變化范圍小(102～103m2), 可能未體現(xiàn)出地形粗糙度的影響。根據(jù)Li 等(2014)對(duì)西北太平洋底層混合和地形粗糙度關(guān)系的研究, 地形粗糙度變化范圍達(dá)到4 個(gè)量級(jí)(102～106m2)才能顯示出兩者的相關(guān)規(guī)律。

圖8 不同地形粗糙度下各站位的湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)圖中同一站位的耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)呈垂直對(duì)應(yīng)Fig. 8 Turbulent kinetic energy dissipation rate (black) and turbulent diffusivity (red) at each station with different terrain roughness

3.2 內(nèi)潮對(duì)底層湍流混合的影響

相對(duì)海表而言, 由風(fēng)產(chǎn)生的機(jī)械能輸入對(duì)深海底層的影響較小, 內(nèi)潮是深?；旌线^程的主要能量來源。趙玖強(qiáng)(2019)通過利用南海深海錨系觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)南海北部深海以全日潮占主導(dǎo)地位。本文推測(cè)各站位底層湍流混合的差異可能與內(nèi)潮有關(guān)。

將22 個(gè)站位底層海水溫度時(shí)間序列減去平均溫度, 計(jì)算功率譜, 得到溫度信號(hào)在不同頻率上的能量分布。結(jié)果表明每個(gè)站位的能譜峰值位置所對(duì)應(yīng)的頻率并不相同(圖9), 大致可劃分為4 種類型:1、2、3、6、9、16 號(hào)站位存在明顯的全日信號(hào)(圖9a); 19、21、22 號(hào)站位存在明顯的半日信號(hào)(圖9d);8、9、11、12、13、14、15、20 號(hào)站位既有明顯的全日信號(hào)又存在明顯的半日信號(hào)(圖9b); 而4、5、7、10、17、18 號(hào)站位的全日與半日信號(hào)均不明顯(圖9c)。結(jié)合各站位的地形分布 (圖5c)發(fā)現(xiàn), 具有全日信號(hào)的站位多數(shù)位于深度較深的海盆區(qū)域; 而半日信號(hào)較強(qiáng)的站位主要位于斷面北部較淺的陸坡-海盆過渡區(qū)(19～22 號(hào)站位); 在兩者中間的過渡區(qū)域,既存在全日與半日信號(hào)較強(qiáng)的站位, 也存在無全日與半日信號(hào)的站位。

圖9 2019 年5 月觀測(cè)期間1、4、8 和19 號(hào)站位的溫度功率譜圖中虛線分別表示全日和半日潮頻率Fig. 9 Temperature variance spectra at stations 1, 4, 8, and 19 over the entire observational period in May 2019. Dashed lines denote durnal and semi-durnal tide frequencies

圖5b 中除1 號(hào)站位外, 以20°30'N 為分界線,20°30'N 以北的站位(8～22 號(hào)站位)湍動(dòng)能耗散率中值為4.98×10–10m2·s–3, 20°30'N 以南的站位(2～7 號(hào)站位)湍動(dòng)能耗散率中值為1.92×10–10m2·s–3, 北側(cè)站位的湍動(dòng)能耗散率明顯強(qiáng)于南側(cè)站位。觀測(cè)斷面全日、半日內(nèi)潮的空間分布及底層湍流混合的南北差異與Xu 等(2014)提出的呂宋海峽以西深海盆內(nèi)內(nèi)潮生成的南北不對(duì)稱性是一致的。正壓潮流經(jīng)呂宋海峽時(shí), 與海峽內(nèi)地形發(fā)生相互作用,激發(fā)產(chǎn)生內(nèi)潮。呂宋海峽地形在經(jīng)向上呈不對(duì)稱,內(nèi)潮由于在反射和折射過程中受到不同地形的影響, 在緯向和經(jīng)向上都呈現(xiàn)出高度的空間差異性。內(nèi)潮向西傳播導(dǎo)致了呂宋海峽以西深海盆內(nèi)內(nèi)潮的南北不對(duì)稱性, 具體表現(xiàn)為深海盆南側(cè)(19°30'N)的全日內(nèi)潮動(dòng)能是半日內(nèi)潮的 3～4 倍,而北側(cè)(21°N)的全日內(nèi)潮能量與半日內(nèi)潮相當(dāng)。此外, 內(nèi)潮在傳播過程中, 受背景場(chǎng)的影響表現(xiàn)出非相干性。內(nèi)潮在呂宋海峽生成后, 向北傳播的距離大于向南傳播的距離, 北側(cè)的非相干信號(hào)強(qiáng)于南側(cè)(Xu et al, 2013, 2014; Cao et al, 2017),這也和本文北側(cè)底層湍流混合強(qiáng)于南側(cè)的情況一致。

基于由溫度功率譜劃分的4 種不同類型的站位, 本文分別選取了1、4、8 和19 號(hào)站位, 分析其溫度和耗散率的時(shí)間變化特征。圖10 展示了這4 個(gè)站位在5 月15 日—20 日期間的底層海水溫度、底層湍動(dòng)能耗散率和正壓潮潮高時(shí)間序列, 正壓潮潮高由TPXO8.0 潮汐工具包計(jì)算得到。如圖10所示, 4 個(gè)站位的正壓潮變化基本一致, 但不同站位的底層溫度與耗散率變化卻差異很大, 因此推測(cè)底層溫度變化受正壓潮的影響較小。這些站位的溫度變化包含不同周期(數(shù)小時(shí)至一天)的漲落,說明溫度變化受斜壓潮(內(nèi)潮)影響更大。再者, 大多數(shù)站位的溫度能譜在全日和半日頻帶區(qū)間出現(xiàn)譜峰, 表明全日、半日內(nèi)潮在底層海水溫度變化中起主要調(diào)制作用。大量觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)南海北部存在異?；钴S的內(nèi)潮活動(dòng)(Zhao et al, 2004; Simmon et al, 2011; Ma et al, 2013; 梁輝等, 2016), 本文的觀測(cè)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。

圖10 2019 年1(黑)、4(藍(lán))、8(紅)和19(灰)號(hào)站位底層位溫(a)、湍動(dòng)能耗散率(b)和正壓潮潮高時(shí)間序列(c)Fig. 10 Time series of bottom temperature at stations 1 (black), 4 (blue), 8 (red), and 19 (gray) in 2019: (a) bottom potential temperature; (b) turbulent kinetic energy dissipation rate; (c) barotropic tidal elevation predicted from TPXO 8.0

4 結(jié)論

本文基于高分辨率溫度傳感器于2019 年5 月在南海東北部22 個(gè)站位海底上方0.5m 處持續(xù)觀測(cè)4.4d 的溫度數(shù)據(jù), 分析了2216～3201m 范圍內(nèi)底層海水溫度的時(shí)間變化特征, 根據(jù)Ellison 尺度方法計(jì)算了底層湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù), 探討了地形粗糙度和內(nèi)潮對(duì)底層湍流混合的影響。

底混合層厚度無論是在空間還是時(shí)間上都存在巨大的差異, 4.4d 內(nèi)同一站位的混合層厚度最大可相差130m。觀測(cè)斷面的底層海水溫度為2.08～2.21℃,各站位底層海水的溫度變化量級(jí)約為10–4～10–3℃,溫度的低頻波動(dòng)及高頻漲落都并非隨著深度的增加而減小, 表明南海東北部底層存在豐富的具有時(shí)空差異性的動(dòng)力過程。

由Ellison 尺度方法估算的混合參數(shù)表明, 深海盆及陸坡-深海盆過渡區(qū)的底層湍動(dòng)能耗散率量級(jí)為10–10～10–9m2·s–3, 渦擴(kuò)散系數(shù)量級(jí)為10–4～10–3m2·s–1, 整體比開闊大洋高1～2 個(gè)量級(jí)。底層混合同樣存在明顯的空間差異特征, 耗散率與渦擴(kuò)散系數(shù)隨深度的增加沒有出現(xiàn)顯著的減小趨勢(shì)。湍動(dòng)能耗散率和渦擴(kuò)散系數(shù)均未隨地形粗糙度的增加而增大, 現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)未能顯現(xiàn)底層湍流混合與地形粗糙度存在明顯的相關(guān)性。通過分析各站位的溫度能譜圖發(fā)現(xiàn)存在4 種不同的譜型,全日和半日信號(hào)情況各異。對(duì)比4 種類型站位的溫度、耗散率與正壓潮潮高的時(shí)間變化, 發(fā)現(xiàn)溫度變化更多地受斜壓潮影響, 全日、半日內(nèi)潮起主要調(diào)制作用。底層湍流混合的空間分布特征與呂宋海峽以西深海盆內(nèi)潮的南北不對(duì)稱性相似。與以往的南海湍流混合研究結(jié)果相比, 本方法計(jì)算得到的混合大小在合理范圍之內(nèi)。對(duì)于內(nèi)潮的南北不對(duì)稱性影響底層湍流混合空間差異性的具體機(jī)制, 有待結(jié)合高分辨率模式及精細(xì)地形開展進(jìn)一步的研究。