2013—2014年冬季南海全日非相干內(nèi)潮數(shù)值模擬研究?

牛嘉路， 王 越??， 于海慶

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100； 3.山東大學(xué)海洋研究院， 山東 青島 266237)

在層化的海洋中，當(dāng)正壓潮流經(jīng)變化劇烈的地形時(shí)，如海島邊緣、陸架坡折區(qū)及海底山脊等，會(huì)與地形相互作用產(chǎn)生內(nèi)潮[1-2]。內(nèi)潮在全球海洋中分布廣泛[3-4]，是海洋中正壓潮能量轉(zhuǎn)移、傳播和耗散的重要載體，是驅(qū)動(dòng)海洋營(yíng)養(yǎng)鹽垂向輸運(yùn)[5]、影響海洋結(jié)構(gòu)和海洋環(huán)流[6]，從而影響全球氣候變化不可缺少的動(dòng)力過(guò)程[7]。因此，探究海洋中內(nèi)潮生成與傳播的時(shí)空分布特征，對(duì)理解深海混合和物質(zhì)能量輸運(yùn)等過(guò)程具有重要意義。

在探究?jī)?nèi)潮生成與傳播的時(shí)空分布特征時(shí)，通常會(huì)將內(nèi)潮信號(hào)分解為相干與非相干兩部分[8-15]。正壓潮與地形相互作用產(chǎn)生內(nèi)潮，靠近生成源地的內(nèi)潮與正壓潮基本同相位，帶通濾波后的內(nèi)潮信號(hào)與調(diào)和分析結(jié)果基本相同，此時(shí)內(nèi)潮主要集中在相干部分。隨著傳播距離逐漸增大，海洋中的大尺度環(huán)流和中尺度渦等多尺度動(dòng)力過(guò)程會(huì)顯著改變背景層結(jié)和背景流，對(duì)內(nèi)潮的生成與傳播產(chǎn)生重要影響，此時(shí)局地的內(nèi)潮相位與源地正壓潮相位不再一致，稱為非相干部分。探究?jī)?nèi)潮生成與傳播過(guò)程中非相干部分的時(shí)間變化和空間分布規(guī)律，對(duì)提高內(nèi)潮模擬和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、揭示多尺度過(guò)程對(duì)內(nèi)潮的調(diào)制作用等方面至關(guān)重要[16]。

作為西北太平洋最大的邊緣海，南海是中國(guó)重要的戰(zhàn)略重地，在軍事、經(jīng)濟(jì)、資源等方面意義重大；同時(shí)，南海還是全球海洋中內(nèi)潮信號(hào)最為活躍的海域之一，且存在著多尺度動(dòng)力過(guò)程，對(duì)內(nèi)潮的生成、傳播及耗散產(chǎn)生顯著影響，是研究非相干內(nèi)潮的天然試驗(yàn)場(chǎng)。與半日內(nèi)潮相比，全日內(nèi)潮在南?？蓚鞑ブ? 600 km以外，到達(dá)越南東部沿岸[17]，影響南?；旌系姆秶?，且全日內(nèi)潮的量值和季節(jié)性變化較半日內(nèi)潮更加明顯，其中冬季顯著增強(qiáng)[18-19]。

近年來(lái)，前人對(duì)于南海全日內(nèi)潮的非相干性研究已開展了一系列工作?；诂F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，Pickering等[20]發(fā)現(xiàn)，受黑潮和中尺度渦的影響，呂宋海峽區(qū)域內(nèi)潮的非相干性明顯增強(qiáng)；Xu等[18]基于潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)指出，在呂宋海峽西側(cè)的北部和南部，全日內(nèi)潮的非相干性分別為35%和10%；基于潛標(biāo)觀測(cè)資料，Liu等[19]與Fang等[21]分別估計(jì)出呂宋海峽西側(cè)深水海盆區(qū)域全日內(nèi)潮非相干性約為15%和22%；Cao等[22]根據(jù)南海北部緯向潛標(biāo)陣列觀測(cè)資料,探討了南海北部?jī)?nèi)潮非相干性的空間分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，從呂宋海峽西側(cè)至西北大陸坡區(qū)域，全日內(nèi)潮非相干性可以從20%逐漸增大至50%，而半日內(nèi)潮的非相干性變化并不顯著，基本在30%左右；基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，Lee等[23]發(fā)現(xiàn)，在東沙群島的大陸坡區(qū)域，全日內(nèi)潮的非相干性可增大至75%；同樣基于觀測(cè)資料，Xu等[24]則發(fā)現(xiàn)，在南海西北部的大陸坡區(qū)域全日內(nèi)潮非相干性為60%，此時(shí)全日內(nèi)潮的非相干部分絕對(duì)占主?？梢钥闯?，前人的研究工作和區(qū)域多集中于呂宋海峽與南海東北部海域，對(duì)南海西部和中南部的全日內(nèi)潮非相干性研究較少，且對(duì)于內(nèi)潮非相干性的研究手段多通過(guò)潛標(biāo)觀測(cè)，但這些現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究同樣局限于某些特定的海域，這使得人們對(duì)南海全日非相干內(nèi)潮的認(rèn)識(shí)支離破碎，缺少對(duì)南海各區(qū)域全日非相干內(nèi)潮生成與傳播時(shí)空特征的認(rèn)識(shí)。因此，本文基于有限體積海岸海洋模型(FVCOM, Finite Volume Coastal Ocean Model)對(duì)南海及其毗鄰水域的潮汐-環(huán)流耦合數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)目前研究現(xiàn)狀，探究了南海全日非相干內(nèi)潮生成與傳播的時(shí)空分布特征及影響南海全日內(nèi)潮非相干性的潛在因素。

1 模式與方法

1.1 模式設(shè)置

基于FVCOM構(gòu)建的覆蓋南海中北部海域的潮汐-環(huán)流耦合模型，經(jīng)緯度范圍為：105°E—130°E，5°N—30°N。本模型在水平網(wǎng)格設(shè)置方面共有39 044個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(開邊界節(jié)點(diǎn)為222個(gè)),網(wǎng)格數(shù)為76 530個(gè)(開邊界網(wǎng)格為442個(gè))，共包含三條開邊界線；在垂向上共設(shè)計(jì)了41個(gè)sigma層，在深海大洋區(qū)域的水平分辨率為10 km，在重點(diǎn)關(guān)注的南海海域則設(shè)為6～8 km，網(wǎng)格分辨率由加密處到開邊界處均勻過(guò)渡。

本模型采用了美國(guó)國(guó)家地學(xué)測(cè)量中心(National Geodetic Center)提供的數(shù)字水深數(shù)據(jù)庫(kù)(Digital Bathymetric Database Version 5.2)，同時(shí)結(jié)合了ETOP01和海圖水深對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)雙線性插值的方法插值到網(wǎng)格點(diǎn)上，并對(duì)大洋海域里重點(diǎn)地形突變的區(qū)域進(jìn)行平滑處理，模型水深如圖1所示。該模型的三維溫鹽初始場(chǎng)采用ECCO2模型提供的數(shù)據(jù)，氣象強(qiáng)迫(風(fēng)、蒸發(fā)、降水、氣壓、凈熱通量及凈短波輻射通量等)采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)發(fā)布的氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)再分析數(shù)據(jù)(CFSV2，https://rda.ucar.edu/datasets/ds093.1/)。該模型還基于Nudging方法對(duì)海表面高度(SSH)和海表面溫度(SST)進(jìn)行了同化模擬。其中，SSH同化數(shù)據(jù)來(lái)源于多高度計(jì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品(ftp://my.cmems-du.eu/Core/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP_ OBSERVATIONS_008_047/dataset-duacs-rep-global-merged-allsat-phy-l4)；SST同化數(shù)據(jù)來(lái)源于NCEP 提供的天平均最優(yōu)插值海表面溫度數(shù)據(jù)(OISST，https://psl.noaa.gov/cgi-bin/db_search/DBListFiles.pl?did=132&tid=86485&vid =2423)，SSH與SST數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)，時(shí)間分辨率為1 d。模型的開邊界強(qiáng)迫包括：溫度、鹽度、環(huán)流及水位，同時(shí)加入潮波強(qiáng)迫，開邊界潮位數(shù)據(jù)來(lái)自于TOPEX/ Poseidon Global Inverse Solution (TPXO 7.2)(取自Tide Model Driver，TMD)，包含4個(gè)主要分潮：O1、K1、P1和Q1。

(紅線代表開邊界。Red lines denote open boundary.)

該模型內(nèi)模的時(shí)間步長(zhǎng)為6 s，外模的時(shí)間步長(zhǎng)為60 s。模型輸出結(jié)果包括三維溫度、鹽度、環(huán)流及水位等，時(shí)間分辨率為1 h。該模型首先經(jīng)過(guò)10年的氣候態(tài)模擬得到較為穩(wěn)定的初始場(chǎng)，然后自2011年1月1日起模擬至2014年2月1日。本文采用模型2013年11月1日至2014年2月1日(最后3個(gè)月)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究。

1.2 模式驗(yàn)證

王昭允等[25]已對(duì)模式數(shù)據(jù)進(jìn)行了正壓潮和內(nèi)潮的驗(yàn)證。四大分潮(O1、K1、P1和Q1)同潮圖的對(duì)比結(jié)果顯示：從整體相位和振幅的大小與空間分布上看，該模式模擬的與TPXO 7.2數(shù)據(jù)結(jié)果具有較好的一致性，這與前人的研究結(jié)果也基本相符合[26-27]。模擬的全日內(nèi)潮能通量結(jié)果與Alford等[28]的潛標(biāo)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比表明：在南部斷面上，全日內(nèi)潮向西北方向傳播，且在傳播過(guò)程中逐漸向南偏移；而在北部斷面上，模式模擬的全日內(nèi)潮能通量的傳播方向較觀測(cè)結(jié)果來(lái)說(shuō)略微向北偏移，這很可能與模式初始設(shè)置時(shí)對(duì)地形進(jìn)行的平滑處理有關(guān)。除此之外，在呂宋海峽北部的東脊和西脊之間，模式模擬的全日內(nèi)潮能通量呈現(xiàn)出反氣旋式結(jié)構(gòu)，這與Alford等[28]和Buijsman等[29]的研究結(jié)果相一致。綜上所述，該模式結(jié)果較為準(zhǔn)確地模擬了呂宋海峽和南海中北部的全日內(nèi)潮。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)模式的溫度、鹽度和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行垂向線性插值，并將流速進(jìn)行正壓流與斜壓流分離后進(jìn)行濾波提取全日內(nèi)潮信號(hào)，使用的頻帶為[0.85，1.20] cpd。參考Nash等[30]和Pickering等[20]工作的方法，通過(guò)調(diào)和分析將原始的全日內(nèi)潮信號(hào)分解為相干與非相干兩部分，調(diào)和分析得到的結(jié)果即為相干部分，而從原始內(nèi)潮信號(hào)中剔除相干部分后所得的差值則為非相干部分：

Ui=U-Uc，

(1)

(2)

(3)

式中：U表示正壓流速；u′表示斜壓流速；p′表示擾動(dòng)壓強(qiáng)；下標(biāo)i表示非相干；下標(biāo)c表示相干?；谏鲜稣龎毫魉?、斜壓流速和擾動(dòng)壓強(qiáng)的相干—非相干分解結(jié)果，可以將內(nèi)潮生成與內(nèi)潮能通量分解為相干項(xiàng)與非相干項(xiàng)。

內(nèi)潮生成量C可分解為：

(4)

(5)

Ci=C-Cc。

(6)

內(nèi)潮能通量F可分解為：

(7)

(8)

Fi=F-Fc。

(9)

此外，為了衡量全日內(nèi)潮的非相干性，可以用內(nèi)潮非相干系數(shù)R來(lái)表示：

(10)

式中：X表示內(nèi)潮生成量或能通量；Xc表示內(nèi)潮生成量或能通量的相干部分。R越大，代表內(nèi)潮的非相干部分占比越大，相干部分占比越小，內(nèi)潮非相干性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 南海全日非相干內(nèi)潮生成的時(shí)空分布特征

南海全日內(nèi)潮的生成分布于多個(gè)區(qū)域，主要集中在呂宋海峽(LS)、東沙群島(DS)、中沙群島(ZS)、南沙群島(NS)、海南島南部(SH)和越南東部沿岸(DV)等海域[25]。影響全日內(nèi)潮生成的因素眾多，如地形、正壓潮、背景層結(jié)和背景流等，都會(huì)顯著改變內(nèi)潮生成的量值大小，而內(nèi)潮的非相干性很大程度上是由于內(nèi)潮的相干部分與復(fù)雜多變的海洋動(dòng)力過(guò)程相互作用產(chǎn)生的[31-32]。

圖2展示了南海冬季平均的全日內(nèi)潮生成空間分布圖。由圖中各組成部分的空間分布來(lái)看，呂宋海峽與東沙群島附近海域是全日內(nèi)潮生成的重要源地。從3個(gè)月的時(shí)間平均結(jié)果來(lái)看，全日內(nèi)潮的非相干性在呂宋海峽區(qū)域基本不超過(guò)20%，東沙群島附近海域全日內(nèi)潮的非相干性較強(qiáng)，且延西南方向有逐漸增大的趨勢(shì)，其中在海南島的東部海域，全日內(nèi)潮的非相干性達(dá)到了70%，在越南東部沿岸，全日內(nèi)潮的非相干性甚至達(dá)到了80%；除此之外，在南沙群島的東部，尤其是在巴拉望島西部沿岸，全日內(nèi)潮的非相干性顯著高于南海其他區(qū)域，全日內(nèi)潮的非相干性可達(dá)85%，且范圍更大。相比而言，中沙群島附近海域全日非相干內(nèi)潮的生成則明顯較少。

((a)生成總項(xiàng)，(b)相干生成，(c)非相干生成，(d)非相干生成占生成總項(xiàng)的比重。(a) Time-mean baroclinic generation, (b) Coherent baroclinic generation, (c) Incoherent baroclinic generation, (d) the proportion of incoherent baroclinic generation in the total baroclinic generation.)

針對(duì)不同的海洋動(dòng)力環(huán)境，圖3展示了2014年1月6日南海全日內(nèi)潮生成的空間分布圖。相比于3個(gè)月的平均結(jié)果，呂宋海峽全日非相干內(nèi)潮的生成顯著增大，其中在西脊的中南部， 全日非相干內(nèi)潮生成占比可達(dá)70%以上；南海東北部陸坡區(qū)全日非相干內(nèi)潮生成也顯著增大，非相干性可達(dá)80%。沿東沙群島西北部方向，全日非相干內(nèi)潮生成占比也在明顯增大，在海南島東南部海域，全日內(nèi)潮非相干性基本維持在60%以上，在越南東部沿岸海域達(dá)到最大，非相干性可達(dá)90%；在巴拉望島西部海域全日內(nèi)潮非相干性同樣可達(dá)90%以上。

圖3 2014年1月6日南海全日內(nèi)潮冬季生成的空間分布圖

為了進(jìn)一步探究影響呂宋海峽和南海東北部陸坡區(qū)全日非相干內(nèi)潮生成增大的因素，圖4展示了3個(gè)月平均態(tài)(見圖4(a))與2014年1月6日(見圖4(b))背景流與海表高度異常(SLA)疊加的空間分布圖，其中圖4(b)存在典型的黑潮分叉入侵形態(tài)。通過(guò)對(duì)比可以看出，黑潮入侵至呂宋海峽中部，一部分繼續(xù)向西北方向入侵，另一部分則向東北方向入侵，且黑潮入侵的強(qiáng)度較大，在路徑上與全日內(nèi)潮的生成過(guò)程發(fā)生相互作用，從而使得局地內(nèi)潮相位與源地正壓潮相位不再一致。通過(guò)對(duì)比可知，這可能是呂宋海峽和南海東北部海域全日非相干內(nèi)潮生成顯著增大的關(guān)鍵因素，這也與Pickering等[20]的研究結(jié)果相一致。

(黑色箭頭表示背景流場(chǎng)，填色表示海表高度異常。Black arrows denote background current, Colors are sea level anomaly)

2.2 南海全日非相干內(nèi)潮傳播的時(shí)空分布特征

呂宋海峽作為主要生成源地，大量全日內(nèi)潮生成后向西傳播進(jìn)入南海內(nèi)區(qū)，繼續(xù)沿西南方向傳播，最后在陸架陸坡區(qū)破碎耗散。海洋中的大尺度環(huán)流、中尺度渦等多尺度動(dòng)力過(guò)程會(huì)顯著改變內(nèi)潮傳播的相速度，進(jìn)而改變內(nèi)潮的傳播路徑和相位，使內(nèi)潮發(fā)生折射[28-29]，從而導(dǎo)致內(nèi)潮的非相干性增強(qiáng)。

圖5展示了南海冬季平均的全日內(nèi)潮能通量空間分布圖。從圖中可以看出，在呂宋海峽區(qū)域，全日內(nèi)潮能通量主要分為兩部分，分別向西北太平洋和南海方向傳播，且能通量強(qiáng)度逐漸減弱。傳播至呂宋海峽西部海域進(jìn)入東沙群島后，能通量顯著減少，但隨著傳播距離的增加，全日內(nèi)潮能通量的非相干性逐漸增大。從呂宋海峽西側(cè)至西北大陸坡，全日內(nèi)潮非相干性從15%逐漸增加到55%，傳播至東沙群島附近海域時(shí)全日內(nèi)潮能通量非相干性達(dá)到60%，在海南島東南部和越南東部沿岸能通量非相干性可達(dá)75%；傳播至南沙群島附近海域時(shí)全日內(nèi)潮能通量非相干性同樣可達(dá)70%以上。

((a)能通量總項(xiàng)(填色),(b)相干內(nèi)潮能通量(填色)，(c)非相干內(nèi)潮能通量(填色)，(d)非相干內(nèi)潮能通量占比(填色)。 (a) Time-mean baroclinic energy flux(shaded), (b) Coherent baroclinic energy flux(shaded), (c) Incoherent baroclinic energy flux(shaded), (d) the proportion of incoherent baroclinic energy flux in the total baroclinic energy flux(shaded).)

受海洋中多尺度動(dòng)力過(guò)程的影響，全日內(nèi)潮從呂宋海峽傳入南海內(nèi)區(qū)，能通量的非相干性顯著增強(qiáng)。圖6展示了2013年12月30日南海全日內(nèi)潮能通量的空間分布。與3個(gè)月平均的結(jié)果對(duì)比可以看出，在呂宋海峽生成的全日內(nèi)潮向西傳入南海內(nèi)區(qū)時(shí)，能通量明顯向北折射，而后繼續(xù)沿西南方向傳入南海，顯著改變了全日內(nèi)潮的傳播方向。在東沙群島、越南沿岸、中沙群島和南沙群島附近海域，能通量的非相干性可達(dá)90%以上，且在中沙群島和南沙群島影響范圍明顯更大。

為了進(jìn)一步探究南海全日內(nèi)潮能通量非相干性增大的因素，圖7展示了3個(gè)月平均態(tài)與2013年12月30日南海全日非相干內(nèi)潮能通量占比與背景流疊加的空間分布圖。相對(duì)于平均態(tài)的結(jié)果而言，圖7(b)在呂宋海峽存在較強(qiáng)的黑潮入侵，且在西部存在一個(gè)明顯的渦對(duì)(冷渦和暖渦)。在呂宋海峽生成的大量?jī)?nèi)潮進(jìn)入南海內(nèi)區(qū)，經(jīng)過(guò)渦對(duì)后能通量的非相干性顯著增大，這說(shuō)明該過(guò)程對(duì)內(nèi)潮的傳播產(chǎn)生了明顯的調(diào)制作用。由圖6和7可知，受這一渦對(duì)的影響，全日內(nèi)潮能通量的非相干性從35%增大到70%，變化幅度可達(dá)35%。

((a)能通量總項(xiàng)(填色),(b)相干內(nèi)潮能通量(填色)，(c)非相干內(nèi)潮能通量(填色)，(d)非相干內(nèi)潮能通量占比(填色)。 (a) Time-mean baroclinic energy flux(shaded), (b) Coherent baroclinic energy flux(shaded), (c) Incoherent baroclinic energy flux(shaded), (d) the proportion of incoherent baroclinic energy flux in the total baroclinic energy flux(shaded).)

(黑色箭頭表示背景流，填色表示非相干占比。 Black arrows denote background current, Colors are diurnal incoherent proportion.)

3 總結(jié)與展望

基于FVCOM數(shù)值模式構(gòu)建的潮汐-環(huán)流耦合模型，探究了南海全日非相干內(nèi)潮生成與傳播的時(shí)空分布特征，得到主要結(jié)論如下：

(1)平均而言，冬季全日非相干內(nèi)潮生成占比在呂宋海峽基本不超過(guò)20%，從東沙群島西北部至海南島南部和越南東部沿岸，全日非相干內(nèi)潮生成呈增大趨勢(shì)，在海南島附近海域非相干內(nèi)潮生成占比可達(dá)70%，在越南東部沿岸和巴拉望島西部海域非相干生成占比可達(dá)80%。當(dāng)存在分叉形態(tài)的黑潮入侵時(shí)，對(duì)呂宋海峽西脊和南海東北部陸坡區(qū)影響較大，全日非相干內(nèi)潮生成占比可達(dá)80%。

(2)平均而言，全日內(nèi)潮能通量從呂宋海峽進(jìn)入南海后向西南方向傳播，隨著傳播距離的增加，全日內(nèi)潮能通量的非相干性逐漸增大。當(dāng)傳播至海南島和越南東部沿岸，全日內(nèi)潮能通量的非相干性可達(dá)75%，在南沙群島附近海域，全日內(nèi)潮能通量的非相干性達(dá)70%。受渦對(duì)(暖渦和冷渦)影響，當(dāng)傳播至南海中部深海盆時(shí)，全日內(nèi)潮能通量的非相干性從35%增大到70%，變化幅度可達(dá)35%。

模式結(jié)果表明，南海各區(qū)域全日內(nèi)潮在生成與傳播過(guò)程中存在顯著的時(shí)空分布特征，這是由于海洋中存在復(fù)雜多變的多尺度動(dòng)力過(guò)程對(duì)內(nèi)潮的生成與傳播產(chǎn)生重要影響。因此，在未來(lái)的研究中會(huì)針對(duì)模式數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，進(jìn)一步探究在不同背景層結(jié)和背景流情況下南海全日非相干內(nèi)潮的時(shí)空分布特征。