南海中沙群島海域溫鹽結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征及其控制因素

黃誠(chéng)，吳能友，吳曉，劉時(shí)橋，張經(jīng)緯，許丞，劉亮，董新柱，陳靚

1. 中國(guó)海洋大學(xué)，青島 266100 2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，?？?5701003. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266237

海水的溫度、鹽度、深度（簡(jiǎn)稱溫鹽深）是海洋的最基本物理參數(shù)[1]。海水溫鹽結(jié)構(gòu)不僅決定了營(yíng)養(yǎng)鹽和初級(jí)生產(chǎn)力的分布變化，而且能夠直接影響水團(tuán)垂直邊界的劃定、潛艇活動(dòng)和水聲儀器的使用。南海是東南亞最大的半封閉邊緣海，屬典型季風(fēng)區(qū)，也是連接亞澳季風(fēng)以及太平洋與印度洋熱量的橋梁[2]，存在顯著的局地性海-氣相互作用[3]。南海的溫鹽深結(jié)構(gòu)相較于大洋具有明顯的邊緣海特征[4]，太陽(yáng)輻射和季風(fēng)對(duì)南海環(huán)流及溫鹽結(jié)構(gòu)均具有重要影響[5]。同時(shí)，南海也是受臺(tái)風(fēng)影響最顯著的海區(qū)之一，隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略推進(jìn)，南海海上航運(yùn)、海洋漁業(yè)資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)等活動(dòng)日益頻繁，了解南海海洋溫鹽深特征顯得十分重要[6]。

研究區(qū)位于南海中部中沙群島海域，以往對(duì)中沙群島海域的研究主要集中于中沙海槽沉積特征[7-8]、海洋地質(zhì)與地球物理[9]、構(gòu)造體系研究[10]、表層沉積物分析[11-13]以及海水地球化學(xué)分析等[14]。在溫鹽結(jié)構(gòu)方面，也開(kāi)展了一定程度的研究工作，如南海海表溫度的時(shí)空分布特征、中沙群島附近海域部分年份溫度、鹽度的躍遷特征及水團(tuán)溫鹽結(jié)構(gòu)特征[1,15-19]。但是對(duì)于該區(qū)域溫鹽結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化特征、海洋動(dòng)力過(guò)程及其控制因素以及臺(tái)風(fēng)等極端天氣事件下水體垂向結(jié)構(gòu)變化的研究仍不夠充分。在全球氣候變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展背景下，研究南海溫鹽結(jié)構(gòu)及其控制因素對(duì)認(rèn)識(shí)南海環(huán)境變化、了解區(qū)域動(dòng)力結(jié)構(gòu)具有重要作用，也為今后在該區(qū)域開(kāi)展進(jìn)一步工作提供了理論基礎(chǔ)。本文依托航次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展南海中部中沙群島海域溫鹽結(jié)構(gòu)變化特征與控制機(jī)制研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬，闡明研究區(qū)溫鹽結(jié)構(gòu)、時(shí)空變化特征及其控制因素，同時(shí)揭示海洋動(dòng)力環(huán)境對(duì)極端海況的響應(yīng)。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬中沙地塊，中沙地塊位于南海北部下陸坡-洋盆過(guò)渡帶，是南海海盆多期擴(kuò)張作用下伸展裂離形成的微陸塊，地球物理探測(cè)結(jié)果表明，研究區(qū)所在海域基底為一減薄的陸殼[9]，該區(qū)特殊的地質(zhì)背景對(duì)南海地質(zhì)構(gòu)演化具有重要意義[10]。中沙地塊被海盆所環(huán)繞，北鄰西北次海盆，東南接西南次海盆，西北側(cè)為中沙海槽盆地，西南側(cè)為中沙南海盆（圖1）。研究區(qū)中部為中沙海臺(tái)，是發(fā)育于中沙隆起之上，獨(dú)特的大型碳酸鹽巖臺(tái)地，整體呈NE走向，由許多水深10～20 m的暗沙和暗礁組成[20]。中沙地塊東、西兩側(cè)地形呈NE走向，南部地形呈近EW走向，且東西兩側(cè)坡度比南側(cè)陡。中沙地塊斜坡區(qū)侵入巖體較發(fā)育，在斜坡南側(cè)發(fā)育數(shù)個(gè)高出海底數(shù)百米的海山[21]。研究區(qū)總體水深為10～4000 m，基本上全部為海域，陸域僅東島等極小部分區(qū)域。

南海及周邊陸地島嶼均位于熱帶溫帶氣候帶[22]，調(diào)查區(qū)氣候類型為熱帶海洋季風(fēng)氣候，每年5月下旬至9月盛行西南季風(fēng)，11月至翌年4月中旬盛行東北季風(fēng)。年平均氣溫23～28.3 ℃，冬夏、晝夜溫差不大[23]。雨量充沛，年降雨量多在1500～2000 mm，南部＞2500 mm。調(diào)查區(qū)每年5—10月為臺(tái)風(fēng)高發(fā)季，氣候受臺(tái)風(fēng)等熱帶氣旋和風(fēng)暴影響顯著。該區(qū)域受低緯度熱帶天氣系統(tǒng)副熱高壓帶、熱帶輻合帶、熱帶低壓和熱帶氣旋等多種因素控制[15]，并受中、高緯度天氣系統(tǒng)的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心分別通過(guò)2020年8月15日—9月17日（06航次）、9月23日—11月1日（07航次）、11月14—28日（航次海補(bǔ)）3個(gè)航次，對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)20個(gè)站位進(jìn)行了溫鹽深測(cè)量（圖1），獲取了不同站位、不同深度的溫鹽信息。測(cè)量?jī)x器采用美國(guó)SBE公司生產(chǎn)的SBE-911Plus，每個(gè)站位做了自海面到海底垂直剖面觀測(cè)。利用中國(guó)海洋大學(xué)開(kāi)發(fā)的SeaBird911Plus直讀式CTD處理分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提取CTD上升、下降過(guò)程的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步剔除感溫時(shí)段數(shù)據(jù)和儀器上下跳躍引起的逆壓數(shù)據(jù)，將溫鹽數(shù)據(jù)垂向插值成1 m分層，得到調(diào)查區(qū)各站位溫鹽剖面結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在每個(gè)站位均按照σ分層采集了表、中、底3層水體樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抽濾分析實(shí)驗(yàn)，得到調(diào)查區(qū)懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)固定在錨系上不同深度的ADCP觀測(cè)獲取了DDHL01—DDHL04共4個(gè)站位水體航次期間垂向流速分布（圖1）。

圖1 調(diào)查區(qū)CTD及定點(diǎn)海流站位示意Fig.1 CTD and currents observation sites within the study area

2019年第29號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴蓬”（PHANFONE）于12月26日進(jìn)入南海，27—28日經(jīng)過(guò)中沙群島海域?！鞍团睢边^(guò)境前，12月23日，工區(qū)SST為25～27.5 ℃，12月27日，“巴蓬”影響下海洋表層快速降溫，工區(qū)平均SST驟降至23.5 ℃。12月30日，臺(tái)風(fēng)影響消失，工區(qū)SST為26～27 ℃，基本恢復(fù)臺(tái)風(fēng)過(guò)境前的水平。作為一種極端天氣事件，臺(tái)風(fēng)能夠在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)研究區(qū)海洋環(huán)境產(chǎn)生劇烈的影響，顯著改變海水的溫鹽結(jié)構(gòu)。為了研究不同時(shí)間尺度研究區(qū)溫鹽結(jié)構(gòu)變化特征，本研究還通過(guò)FVCOM模型模擬了臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間中沙群島海域海水溫鹽結(jié)構(gòu)的變化。

2.2 數(shù)值模型

本次工作采用FVCOM模型（An Unstructured Grid，F(xiàn)inite-Volume Coastal Ocean Model）構(gòu) 建 了 包括研究區(qū)在內(nèi)的南海沉積動(dòng)力模型。FVCOM模型由美國(guó)麻省大學(xué)海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)開(kāi)發(fā)[24]，該模型考慮了多種海氣要素（如風(fēng)場(chǎng)、熱通量、蒸發(fā)和降水、海冰以及河流淡水的輸入等）的作用，模擬結(jié)果可靠，近年來(lái)被廣泛用于大洋和區(qū)域海洋的研究中[25]。南海沉積動(dòng)力模型范圍為：11°～16°N、105°～122°E（圖2），其構(gòu)建充分利用了航次調(diào)查獲取的水深地形資料以及美國(guó)地球物理中心（NGDC）發(fā)布的ETOP1水深數(shù)據(jù)（https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html）。大氣強(qiáng)迫 數(shù) 據(jù) 采 用ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）提供的海表風(fēng)場(chǎng)、溫度、大氣壓、蒸發(fā)降水以及太陽(yáng)長(zhǎng)短波輻射等氣象數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.125°。以往對(duì)比研究表明，ECMWF產(chǎn)品與實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)具有良好的相關(guān)性[26]，被廣泛應(yīng)用于中低緯度海洋動(dòng)力過(guò)程的研究。

圖2 南海數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格及水深示意圖Fig.2 Model grid and bathymetry in the South China Sea

為確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性，在研究區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格加密，并利用驗(yàn)潮站2020年10月份水位數(shù)據(jù)與模擬水位進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，驗(yàn)潮站的潮位隨時(shí)間的連續(xù)變化過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合（圖3）。同時(shí)選取了MX1定點(diǎn)觀測(cè)的海流數(shù)據(jù)與模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬的流場(chǎng)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，能較好地再現(xiàn)工區(qū)水動(dòng)力過(guò)程（圖4）。

圖3 驗(yàn)潮站水位驗(yàn)證圖驗(yàn)潮站位見(jiàn)圖1a。Fig.3 Comparison of the water level between model and observationTide station is shown in Fig. 1a.

圖4 流速驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Comparison of the current between model and observation

此外，本次工作還對(duì)比了DBPH147CTD站位溫鹽模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，總體來(lái)說(shuō)，兩者吻合較好。雖然模擬鹽度在上層略低于實(shí)測(cè)鹽度，但模型仍能較好地模擬出海水躍層的位置（圖5），因此認(rèn)為建立的數(shù)學(xué)模型是可靠的。

圖5 溫鹽驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Comparison of the temperature and salinity between observed values and simulated values

3 實(shí)測(cè)溫鹽結(jié)構(gòu)及流速結(jié)構(gòu)特征

3.1 海水溫鹽平面分布特征

本次CTD取樣時(shí)間在夏、秋之交，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，表層海水整體溫度較高，平均溫度為30.0～31.2℃，呈NW、SE兩端高，中間低的特點(diǎn)；最高溫度可達(dá)31.2 ℃，分布于中沙海臺(tái)東北角。表層海水鹽度為33.6～34.1 PSU，呈NW側(cè)高、SE側(cè)低的分布特點(diǎn)。

底層海水溫度低，平均1～25 ℃，其中深水區(qū)平均溫度僅為1～3 ℃，但中沙海臺(tái)由于水深較淺，底層海水總體溫度偏高，平均可達(dá)23～25 ℃。底層海水鹽度為34.1～35.2 PSU，中沙海臺(tái)區(qū)鹽度最低，最大值在中沙海臺(tái)往東南方向，深度急劇變深的區(qū)域。由于在研究區(qū)西北側(cè)為中沙海槽區(qū)，深度整體變化不大，因而鹽度也相對(duì)均一。總體來(lái)看，調(diào)查區(qū)底層溫鹽分布受海底地形影響明顯（圖6）。

圖6 工區(qū)夏季表底層實(shí)測(cè)溫鹽分布數(shù)字代表站位名稱。Fig.6 Summer temperature and salinity distribution of the surface/bottom seawaterThe numbers refer to the stations.

3.2 海水溫鹽垂向分布特征

雖然調(diào)查區(qū)不同站位之間水深差別較大，但溫度和鹽度結(jié)構(gòu)特征在垂向上分布趨勢(shì)相似（圖7）。調(diào)查區(qū)溫度垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為自表至底逐漸降低的趨勢(shì)，且在表層存在厚度不等的混合層。海-氣通量變化過(guò)程和風(fēng)浪攪拌作用使海洋表層產(chǎn)生具有一定厚度、水溫均一的水層，該水層即為海洋混合層?；旌蠈雍穸仁茄芯亢Ｑ笊蠈觿?dòng)力過(guò)程、海氣相互作用以及生態(tài)環(huán)境的基本物理量?；旌蠈拥纳疃榷x為溫度比表層低0.5 ℃的深度，其特點(diǎn)為溫度垂直變化小，平均溫度接近海表溫度[27]。調(diào)查區(qū)混合層的深度為20～90 m，其中，DBPH186CTD和DBPH147CTD站位混合層深度最深，約90 m?；旌蠈又?，水體溫度快速降低，但當(dāng)水深＞1000 m，垂向溫度逐漸均一，幾乎不再變化。

調(diào)查區(qū)垂向鹽度剖面在不同站位間變化趨勢(shì)也大體相近，但變化幅度差別較大（圖7）。水體鹽度在混合層較為均一，由于接受大氣降水的影響鹽度值要低于底層；混合層以下鹽度逐漸升高，在約100 m出現(xiàn)鹽躍層，鹽度達(dá)到極大值，隨后鹽度值隨水深增加開(kāi)始降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。但不同站位的鹽度極大值有一定的差異，如DBPH096CTD和DBPH179CTD站位由于分布于中沙大環(huán)礁淺水區(qū)，水深僅有70 m，水體混合相對(duì)比較均勻，鹽度垂向基本無(wú)變化，表層、底層鹽度僅有約34 PSU；鹽度的極大值也較其他站位要小。這種極大值的差異可能和數(shù)據(jù)采集不同時(shí)間區(qū)域降雨量及海流流場(chǎng)變化有關(guān)，南海地區(qū)降水季節(jié)峰值在秋季，主要集中在8—10月[28]，這2個(gè)站位數(shù)據(jù)采集由06航次（8月15日—9月17日）完成，正好是區(qū)域降水峰值期，對(duì)表層鹽度影響較大。DBPH098CTD站位鹽度在水深1000 m處出現(xiàn)第2次突變，鹽度值由34.5 PSU變?yōu)?5 PSU，可能受中層局部環(huán)流的影響。

圖7 調(diào)查區(qū)典型站位溫度、鹽度變化與水深關(guān)系Fig.7 The relationship of temperature, salinity and water depth of the typical stations

3.3 垂向流速結(jié)構(gòu)

本次調(diào)查，通過(guò)固定在錨系上不同深度的ADCP觀測(cè)獲取了中沙海槽及其周邊海域MX1—MX4共4個(gè)站位水體垂向流速分布特征（圖8）。

圖8 調(diào)查區(qū)水體垂向流速大小及方向Fig.8 Current distribution at surface, middle and bottom layer in the water column

中沙海槽西南部（MX1）垂向流速大小自表至底逐漸降低，方向在表層和中層相一致，底層相反。表層流速具有明顯的周期性波動(dòng)，流速在0.01～0.19 m/s；在流向上，以SW向?yàn)橹?，個(gè)別時(shí)段流向轉(zhuǎn)為NW或S向。中層流速變化頻率較表層低，流速范圍為0.01～0.12 m/s；流向上以S向?yàn)橹?。底層流速大小略低于中層流速，方向以NE向?yàn)橹鳌?/p>

中沙海槽中部（MX2、MX3），MX2水體表、中層流速變化規(guī)律相近且流速高于底層流速。表、中層流速大小為0.1～0.22 m/s；底層流速為0.02～0.16 m/s。表層流向主要為S向，個(gè)別時(shí)段為NW或NE向，存在明顯的周期性特征；中層流向?yàn)榉€(wěn)定的S向。底層流速方向沒(méi)有明顯的規(guī)律性。而同在中沙海槽中部的MX3海流卻呈現(xiàn)與MX2完全相反的規(guī)律。MX3流速自表至底逐漸降低，水體流向以N向流為主，流向存在周期性變化。推測(cè)由于中沙海臺(tái)地形突起，水體溫鹽結(jié)構(gòu)在空間分布上存在差異（圖6），進(jìn)而導(dǎo)致局地海洋鋒面的形成，進(jìn)而形成流速切邊鋒，從而造成MX2、MX3海流反向。

在中沙北海嶺以南（MX4），垂向流速自中層往下快速降低，水體流速為0.01～0.1 m/s，其中，表層流速在9月2日16:00以后逐漸增大，最大可至0.18 m/s。垂向流速方向以N向和S向?yàn)橹鳌?/p>

4 溫鹽結(jié)構(gòu)變化特征的數(shù)值模擬

在實(shí)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用FVCOM模型對(duì)調(diào)查區(qū)溫鹽結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并分析其海表和垂向上溫鹽結(jié)構(gòu)季節(jié)變化特征，從而獲得調(diào)查區(qū)更豐富的溫鹽結(jié)構(gòu)信息。

4.1 海表溫度季節(jié)變化

海表溫度（Sea Surface Temperature, SST）是描述海洋表層熱狀況最為重要的參數(shù)之一[29]，表征了海洋熱力、動(dòng)力過(guò)程，是海洋與大氣相互作用的綜合結(jié)果。海-氣之間的能量交換是通過(guò)海-氣界面進(jìn)行的[30]，SST 的任何微小變化都可能帶來(lái)海洋內(nèi)部熱能儲(chǔ)蓄的重大變化。模擬結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)年平均SST為25～32 ℃（圖9），整體表現(xiàn)為夏季溫度高，冬季溫度低，夏冬季節(jié)溫度較為穩(wěn)定，而在春秋2季溫度變化較快，具有明顯的季節(jié)特征。表層最低氣溫出現(xiàn)在1月份，為24.97 ℃；12月和2月次之，約為26 ℃。2—5月工區(qū)SST明顯上升，在6月上升至最大值，為31.84 ℃，整個(gè)區(qū)域溫度分布均勻。7—9月略有下降，但10月溫度略有回升，到11月溫度再次迅速降低。

圖9 調(diào)查區(qū)表層月均溫度分布Fig.9 Monthly distribution of surface temperature in the study area

調(diào)查區(qū)SST在空間分布上也具有較為明顯的季節(jié)特征，冬季整體溫度較低，南北溫差較大，南側(cè)溫度高，北側(cè)溫度低，最大溫差約為2～3 ℃，呈NE—SW向帶狀分布。1、2月份工區(qū)海表溫差最為明顯，春季海面溫度上升速度較快，南北溫差縮小，帶狀分布弱化。6月份海面溫度達(dá)到最高，仍能看出微弱的南北差異。到8、9月份，溫度較7月份有所下降，南北溫差幾乎消失，空間分布較均勻，平均溫度約28.3 ℃。11月份SST明顯下降，南北溫差變大。12月份時(shí)，北側(cè)溫度下降明顯，最低溫度約為25 ℃，西南側(cè)溫度仍然較高，約為25 ℃，南北溫差變大，NE—SW帶狀分布重新出現(xiàn)。

4.2 海表鹽度季節(jié)變化

模擬結(jié)果顯示，工區(qū)鹽度全年分布穩(wěn)定，具有明顯的季節(jié)特征。工區(qū)表層鹽度為33.75～35 PSU，底層鹽度為34～35.5 PSU。工區(qū)表底層鹽度的月季變化相對(duì)于溫度要小的多。表層鹽度在1月份最低，約為33.8 PSU；2月份鹽度升高，平均鹽度34.89 PSU；3月份工區(qū)鹽度降低，最低鹽度約為34.3 PSU；4月份以后鹽度逐漸升高，6月份達(dá)到最大；7—10月份工區(qū)鹽度再次降低；11、12月份鹽度再次升高，12月份達(dá)到全年最大鹽度，平均鹽度＞35 PSU。空間上，工區(qū)表層鹽度整體表現(xiàn)為北部低、南部高的特點(diǎn)，其中，1—3月以及9、10月份南北鹽度差異最大；而6月和12月份區(qū)域鹽度均一，變化不明顯（圖10）。

圖10 調(diào)查區(qū)表層月均鹽度分布圖Fig.10 Monthly distribution of surface salinity in the study area

4.3 垂向溫鹽結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)模型模擬結(jié)果提取了工區(qū)DBPH012CTD和DBPH016CTD 2個(gè)站位的月均垂向溫鹽分布剖面。分析發(fā)現(xiàn)工區(qū)溫度垂直結(jié)構(gòu)分布全年各季節(jié)具有類似的變化趨勢(shì)。夏季表層溫度高，最高溫度可達(dá)31 ℃；冬季表層溫度低，最低溫度約25 ℃，春季和秋季溫度介于二者之間。垂向上，在0～300 m水深，溫度下降速率較快，約為0.067 ℃/m，＞300 m水深，溫度下降速率0.013℃/m?？傮w上，表層溫度季節(jié)變化明顯，底層溫度各月份沒(méi)有明顯變化。

以DBPH012CTD站位為例，該站位表層溫鹽的月際變化明顯，底層變化相對(duì)較?。▓D11）。溫度整體呈現(xiàn)夏高冬低的特點(diǎn)，表層水溫在1月份為全年最低，溫度＜25 ℃，2、12月溫度次之，3月和11月份溫度為26～27 ℃，其余月份表層溫度＞28℃。自2月開(kāi)始表層溫度逐漸升高，至6月達(dá)到最高，表層溫度超過(guò)30℃；7月份以后表層溫度逐漸降低。溫躍層深度大約為45 m，水深＜50 m隨深度增加溫度逐漸降低。

圖11 DBPH012CTD站位月均垂向溫鹽分布剖面Fig.11 Monthly vertical profiles of temperature and salinity at DBPH012CTD site

鹽度垂向分布表現(xiàn)為春秋季鹽度要明顯低于其他月份。10月份受臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域降水增加，表層鹽度最低為＜33.6 PSU。鹽躍層深度大約為50 m，水深50～200 m之間鹽度隨深度的增加逐漸增加，至200 m處鹽度達(dá)到極大值34.5～34.6 PSU。＜200 m鹽度降低，至500 m水深約為34.4 PSU；＜500 m鹽度隨深度增加繼續(xù)增加。底層鹽度月均變化不明顯，整體表現(xiàn)為表層高溫低鹽、底層低溫高鹽的特征（圖12）。底層鹽度較表層鹽度高，但沒(méi)有明顯的季節(jié)性變化特征。

圖12 DBPH012CTD站位表底層溫鹽月均變化Fig.12 Monthly variation of surface/bottom temperature and salinity at DBPH012CTD site

5 討論

5.1 海洋動(dòng)力過(guò)程的季節(jié)性變化對(duì)溫鹽結(jié)構(gòu)的影響

海流能改變?nèi)驘崃糠植?，?duì)氣候有明顯影響[31]。受大氣環(huán)流和海流的共同作用，低緯度地區(qū)的熱量被不斷輸送到中高緯度地區(qū)，使高低緯度之間的溫差相對(duì)穩(wěn)定。調(diào)查區(qū)位于中國(guó)南海中部，周邊海域開(kāi)闊，風(fēng)區(qū)較長(zhǎng)，流場(chǎng)主要受季風(fēng)及南海環(huán)流體系控制。中沙群島位于亞洲東南部季風(fēng)盛行地帶，屬熱帶季風(fēng)氣候和赤道氣候。對(duì)調(diào)查區(qū)2019年風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析表明，春季以東南風(fēng)為主，風(fēng)速較小，月均最大風(fēng)速約為5 m/s；夏季以西南偏南風(fēng)為主，受臺(tái)風(fēng)影響，最大風(fēng)速可達(dá)12 m/s；秋季轉(zhuǎn)為冬北風(fēng)，平均風(fēng)速約為8 m/s；冬季以冬北風(fēng)為主，為全年風(fēng)速最大的季節(jié)，風(fēng)速最大達(dá)到12 m/s（圖13）。

在季風(fēng)作用的控制下，區(qū)域海表流場(chǎng)具有明顯季節(jié)性變化。區(qū)域整體流向在冬季以西南向流為主，夏季以東北向流為主，春、冬2季處于過(guò)渡季節(jié)。冬季，太陽(yáng)輻射減少是區(qū)域海表溫度降低的最主要因素。同時(shí)，強(qiáng)烈的東北季風(fēng)還會(huì)增強(qiáng)上層水體的垂向混合，加速海-氣間的熱交換，進(jìn)一步使得海水溫度下降。在東北季風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，西南向流帶來(lái)了北部相對(duì)低溫的水體，導(dǎo)致區(qū)域海表溫度產(chǎn)生自南向北逐漸降低的趨勢(shì)。春季，南海季風(fēng)發(fā)生轉(zhuǎn)換，冬季盛行的東北季風(fēng)開(kāi)始減弱，夏季風(fēng)逐漸建立，春季風(fēng)速達(dá)到全年最低。此時(shí)海面多為較弱的偏東風(fēng)，伴隨著冬季風(fēng)的減弱，冬季環(huán)流逐漸分裂和轉(zhuǎn)化[32]。風(fēng)應(yīng)力的降低以及太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)使得區(qū)域海表溫度開(kāi)始回升，自春季開(kāi)始南海海域的表層海溫開(kāi)始逐漸上升。南海夏季為西南季風(fēng)盛行期，南海東南側(cè)暖渦形成，同時(shí)受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加區(qū)域整體水溫升高。夏季河流徑流的增加同時(shí)導(dǎo)致了沿岸低鹽水范圍的擴(kuò)散。秋季與春季相似，隨著冬季風(fēng)逐漸形成，海水溫度開(kāi)始降低。

5.2 臺(tái)風(fēng)過(guò)程對(duì)溫鹽結(jié)構(gòu)的影響

除了溫鹽結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化以外，短期內(nèi)的臺(tái)風(fēng)事件能產(chǎn)生很強(qiáng)的海面風(fēng)應(yīng)力，對(duì)上層海洋的熱交換、混合過(guò)程甚至生態(tài)過(guò)程有很大作用。劇烈的臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋的影響深度可以超過(guò)1000 m[33]。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)會(huì)引起海洋的一系列變化：產(chǎn)生巨浪、向大氣輸送高達(dá)100 W/m2的熱量、海洋表層快速降溫、強(qiáng)盛的表層風(fēng)生流、風(fēng)暴潮、混合層加深以及葉綠素濃度升高[34-35]等。

2019年的第29號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴蓬”（PHANFONE）及2020年第17號(hào)臺(tái)風(fēng)“沙德?tīng)枴?SAUDEL)對(duì)工作區(qū)影響均較大。以臺(tái)風(fēng)“巴蓬”（PHANFONE）為例，對(duì)其影響進(jìn)行分析討論。正常情況下，研究區(qū)溫鹽剖面整體表現(xiàn)為表層溫度高、鹽度低，底層溫度低、鹽度高（圖14）。表層水體存在一個(gè)混合層，混合程度較高，混合層內(nèi)水體溫鹽變化不大?；旌蠈又聻闇?、鹽躍層，在此區(qū)域水體溫鹽急劇變化。隨水深增加，溫度逐漸降低，鹽度在100 m附近存在極大值區(qū)。從獲取的剖面來(lái)看，在臺(tái)風(fēng)“巴蓬”過(guò)境期間，強(qiáng)烈的海-氣交互作用導(dǎo)致表層海水溫度（SST）降低了約1 ℃，鹽度變化不大，混合層深度受臺(tái)風(fēng)期間強(qiáng)水體擾動(dòng)影響增加了約30 m（圖13）。躍層上部溫度降低，鹽度略有增加，躍層下部溫度升高，鹽度降低。一般而言，南海季風(fēng)爆發(fā)前后，上層海洋溫鹽結(jié)構(gòu)均發(fā)生較大變化[36]，本研究中臺(tái)風(fēng)“巴蓬”過(guò)境期間研究區(qū)表層鹽度變化并不明顯，這可能與臺(tái)風(fēng)引起的降水調(diào)控有關(guān)，臺(tái)風(fēng)期間的強(qiáng)降水可以抑制海表鹽度的升高[37]。

圖13 調(diào)查區(qū)年內(nèi)風(fēng)玫瑰圖數(shù)據(jù)引自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心，2019。Fig.13 Annual wind rose in the study areaData from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF, 2019.

圖14 臺(tái)風(fēng)“PHANFONE”過(guò)境前后工區(qū)水體溫鹽剖面變化Fig.14 Vertical temperature and salinity profiles at the study area pre- and post-Typhoon "PHANFONE"

臺(tái)風(fēng)“巴蓬”過(guò)境前后，工區(qū)水體的垂向流速結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化（圖15）。臺(tái)風(fēng)前水體垂向流速大小差距較小，而臺(tái)風(fēng)后流速在表底層有較大的差別。受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力的影響，水體上層流速增加，其中，表層流速增加了2倍以上，由0.3 m/s增至近0.7 m/s。垂向上水體流速的差距會(huì)引起較為強(qiáng)烈的水體剪切，以往許多研究認(rèn)為，這種強(qiáng)流速剪切可能是臺(tái)風(fēng)期間混合層深度增加的主要因素之一，其影響程度甚至要在海-氣相互作用之上[38]。臺(tái)風(fēng)期間垂向上流向同樣發(fā)生了較為明顯的變化，受臺(tái)風(fēng)逆時(shí)針?lè)较蚋咚傩D(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)的影響，流向由近西北向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂舷?，這是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)氣旋型風(fēng)場(chǎng)會(huì)在海洋中同樣激發(fā)一個(gè)氣旋型渦旋，這種渦旋能夠顯著改變區(qū)域流場(chǎng)，在相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心不同位置形成空間差異性的流場(chǎng)[39]。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)夏秋季表層溫度為30.0～31.2 ℃，最高溫度位于中沙海臺(tái)；表層鹽度為33.6～34.1 PSU，最高鹽度分布在西北部東島海域附近。底層溫度為1～25 ℃，鹽度34.1～35.2 PSU，最高鹽度分布在工作區(qū)東南角。

（2）研究區(qū)夏秋季水團(tuán)溫鹽結(jié)構(gòu)總體上表現(xiàn)為表層高溫低鹽、底層低溫高鹽的特征，水體表層存在一個(gè)混合層，混合程度較高，混合層深度在20～90 m。

（3）研究區(qū)不同區(qū)域表、中、底層水體垂向流速有所差異，總體流速范圍為0.01～0.22 m/s。表、中流速表現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，底層流速低且未表現(xiàn)出規(guī)律性；MX2和MX3同在中沙海槽中部，海流呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律可能是由于中沙海臺(tái)地形凸起，局地形成海洋冷鋒面所致。

（4）數(shù)值模擬表明，在冬季，調(diào)查區(qū)南側(cè)的海域海表溫度明顯高于北側(cè)，南北溫差顯著。在夏季，海表溫鹽分布受到臺(tái)風(fēng)作用較為明顯，混合作用加強(qiáng)，使得南北帶狀分布不明顯，海表溫度的空間分布趨于均一。

（5）臺(tái)風(fēng)對(duì)調(diào)查區(qū)的水文環(huán)境有短期的顯著影響。在臺(tái)風(fēng)“巴蓬”（PHANFONE）影響下，調(diào)查區(qū)海表溫度降低了約1℃，混合層深度增加了約30 m，水體垂向混合作用增強(qiáng)。