南海西部海流和溫度長期定點觀測分析＊

朱曉婷，陳學恩

（中國海洋大學海洋環境學院，山東 青島266100）

南海是鄰近中國大陸最大的半封閉深水海盆，海岸線和海底地形非常復雜。南海上層環流季節變化的大量研究表明：南海本地季風場決定了南海的上層環流結構，即在冬季的東北季風盛行時期，整個南海體現為1個強的氣旋式環流系統；而夏季受西南季風影響，南海環流結構比較復雜，南海北部有1個比冬季稍弱的氣旋式環流，南部卻相反[1－3]。該環流特征的垂向范圍在一些文獻中被提到，例如1979—1982年南海北部的調查研究發現，其可達500m以深[4]，數值研究發現其在越南東南外海可達600～1 200m的中層[5]。上述文獻對南海尤其是南海西邊界流區上層和中層定義的粗糙，反映了較深層的現場觀測資料的匱乏導致了對南海環流垂向結構刻畫的不清晰。

南海西部存在西向強化現象，隨著季風方向的轉變，在越南沿岸產生冬季向南，夏季向北的強流[3]。眾多觀測、數值研究表明，在夏季季風期間，越南東南岸的北向西邊界流在12°N～14°N轉向東形成越南離岸急流[2，3－7]，該急流的出現標志著南海盛夏環流趨于穩定[6]，并且生成急流的區域是南海中尺度渦多發區域[2，6－10]。2007年冬季的argo浮標觀測發現，南向的西邊界流向下伸展到1 000m，并且300～600m層鹽度均勻，反映了強氣旋環流導致的強混合[11]。通過歷史水文數據發現，太平洋高鹽水沿著南海的北部和西邊界入侵南海[13]。數值研究表明，除夏季外，黑潮均通過呂宋海峽入侵南海表層，而夏季，南海的次表層和中層均存在黑潮入侵[12]。對南海海域內海流的潮流調和分析多揭示觀測區域以全日潮為主[14－16]。2002年5月在南海西邊界流區定點連續海流顯示了該點海流斜壓性很強[15]。

綜上所述，南海環流非常復雜。南海南北物質、動量和能量主要通過西邊界流進行交換，西邊界流在南海環流系統中有著重要的地位。本文分析了南海西南部西邊界流區某一特定深度上長于一年的海流和溫度觀測，揭示了觀測時期海流和溫度的變化特征，為相關的研究提供稀缺觀測資料的佐證或者研究依據。

1 資料簡介

2006年，越南和德國聯合在南海西部西邊界流區放置了帶有海流計和溫度計的沉積物捕撈器，取得了超過14個月的連續觀測數據。觀測點的經緯度為11°49.930′N，110°00.20′E，處于越南外海水深為1 708m的陸坡上（見圖1）；該觀測取得了636m水深處，2006年4月27日8時～2007年7月7日16時的流速、流向和溫度數據，數據的采樣間隔1h。將World Ocean Atlas 2009（WOA09）數據集[17]的冬季和夏季各層的統計平均溫度水平線性插值到觀測點所在的經緯度上，得到觀測點多年平均的冬夏兩季溫度垂直剖面曲線（見圖1右），觀測點（636m）遠處于溫躍層下方，冬夏兩季的溫度幾乎相同，表明在多年平均狀態下觀測點海溫的季節變化不明顯。

圖1 地形（藍點：觀測點位置）和氣候態溫度剖面Fig.1 Topography around the sediment trap site and climatological temperature，salinity profile

2 統計特征與波譜分析

2.1 海流與溫度的統計特征

原始海流和溫度的時間序列包含了低頻、潮頻和大于潮頻的高頻變化，溫度最大值為8.13℃，最小值為6.69℃，平均值為7.4℃。對海流流向和流速分段出現的頻率進行統計（見圖2），結果表明：從2006年4月27日～2007年7月7日，海流能量集中在V分量上（南北向流速，下同）；北向流的流速大小和出現頻率都超過南向流速：25～35cm/s流速主要向北，北向常見的流速為15～20cm/s，而南向最常見的流速是5～15cm/s。另外，向北的海流傾向于偏西，向南的海流傾向于偏東。

圖2 原始海流流速流向的頻率分布Fig.2 Frequency distribution of amplitudes and directions of the observed current

為了逐月分析海流和溫度時間序列，定義以下統計量：T0為溫度的時間平均值；Tmax為溫度的最大值；σT為溫度的標準偏差；V0為北向流速的時間平均值；Vmax為北向流速的最大值；σV為北向流速的標準偏差；定義海流矢量S＝（U，V），S＝｜S｜，Smax和θmax為海流最大速度及其方向；tmax為最大流速發生的時刻。相關統計結果表明：

（1）σV最大為2006年5月的14.75cm/s，最小為2007年4月的4.64cm/s，大部分月份σV與V0大小相當，表示海流的變化較劇烈（見表1）。

（2）Tmax于2006年10～11月僅為7.64℃，于2007年4月達到8.13℃，且2006年5、6月與2007年5、6月的T0分別相當，因此觀測點的溫度具有較明顯的季節變化特征。

（3）2006年與2007年的5、6月Vmax、V0的符號分別相反，說明該點海流具有顯著的年變化，與前人基于該海域溫鹽觀測所反演流場的情形吻合[6]。

（4）對Vmax、V0和θmax的分析一致表明，2006年5月份～2007年1月份（除了2006年7和12月份）北向流速占優，而其他月份南向流速占優。

（5）2006年7與12月有1個顯著的共同特點：前1個月的V分量都具有較大量值而且符號與之相反。對海流作低通濾波，并利用帶有顯著性檢驗的FFT進行檢驗。低通濾波的臨界頻率設為36h，剔除潮流的影響。低通濾波后的海流方向和大小的頻率分布仍具有上述特點，表明2006年7與12月發生了特殊的低頻運動，第4部分將作詳細分析。

2.2 海流與溫度的波譜分析

對逐月的原始海流和溫度作FFT分析，得到海流和溫度的置信水平超過95%的功率譜。溫度功率譜的全日周期譜峰非常顯著（見圖4）。海流的V分量在2006年7月、2007年4～6月表現出顯著的全日周期，而半日周期不顯著；此外，在2006年12月、2007年6月出現比較顯著的近慣性周期（45～58h）譜峰。海流的U分量（東西向流速，下同）除了2006年6月份，其他月份的全日周期能量都很顯著；同V分量，半日周期能量很弱，偶爾出現比較明顯近慣性周期能量（圖略）。

表1 海流和溫度的逐月統計屬性Table 1 Monthly statistics of the currents and temperature

3 潮流調和分析

前人對南海海域潮流調和分析所用的資料長度多短則不到1個月，長仍不超過5個月[14－16]。由于本研究采用的觀測資料長度達14個月，不但可以將頻率很近的分潮如O1和K1或者M2和S2進行分離，還可有效地分辨長周期分潮如Sa和Ssa。本文采用Pawlowicz等[18]提供的潮流調和分析程序包t＿tide對觀測海流作整個時間序列的潮流調和分析和逐月數據的潮流調和分析。

3.1 長序列數據的調和分析

圖3 逐月溫度的功率譜Fig.3 Monthly power spectrums of temperature

潮流橢圓要素決定了分潮的基本特征：長半軸和短半軸分別表征可能的最大和最小潮流；如果潮流矢量隨著時間逆時針方向旋轉，則短半軸為負，反之短半軸為正；傾角是長軸和東向之間的夾角；遲角是格林威治遲角，指實際海洋比平衡潮理論中分潮達到最大振幅時落后的角度。表2給出了通過95%置信水平檢驗且信噪比大于2的分潮的潮流橢圓要素值及相應誤差。

由表2可知，該觀測點處的顯著分潮主要是太陽輻射一年分潮（Sa）、全日分潮（O1、K1）和半日分潮（M2），而Sa分潮最強，這可能是觀測點溫度顯著的季節變化的反應。也可能是由于觀測資料長度的限制，這是前人研究中未曾發現的[14－16]。Sa分潮作逆時針旋轉，最大流速達6.9cm/s，長半軸與短半軸之比為9.22，往復性質遠大于旋轉性質；另外，Sa長軸基本為南北方向，平行于等深線，最大流速與原始海流偏差相當，而潮流V分量對原始海流V分量的方差貢獻為29.4%，遠大于U分量的8.5%，表明Sa分潮是海流V分量低頻運動的重要成分。

全日分潮O1、K1和半日分潮M2均作逆時針旋轉，最大流速分別是1.30，0.91和0.70cm/s；（WK1＋WO1）/WM2＝3.16，為不規則全日潮。O1振幅不到Sa的20%，長軸指向西北－東南方向，長短軸之比為6.51；K1的長軸南北走向，長短軸之比為2.88，有較強的旋轉特性；K1的振幅為O1的69.51%，可造成該海區日不等現象。最強半日潮M2的最大流速僅為最強全日潮O1的53.76%，其它半日潮振幅都小于0.3cm/s。M2分潮的長軸基本上呈東西方向，與等深線垂直，長短軸之比為1.61，旋轉特性很明顯。全日和半日分潮中較小振幅的分潮均作順時針旋轉。

表2 整個時間序列的潮流調和分析的潮流橢圓要素Table 2 tidal elliptic elements from the long－term harmonic analysis of the currents

3.2 逐月數據的調和分析

有文獻對2006年5月觀測點附近（11°16′N，110°46′E）17d的海流資料分析揭示，400m層以下潮流所能解釋的U分量方差大于V分量方差[15]，而本文連續14個月數據的調和分析結果顯示，潮流V分量方差貢獻大于U分量。本文猜想，由于該海區潮流有很強的斜壓性導致分潮的潮流橢圓隨著時間有很大的變化，特定時間的分析結果不具有普遍性。為了驗證上述猜想，對長期觀測數據拆分成逐月數據，分別進行調和分析，O1，K1，M2和S2分潮的潮流橢圓隨時間的變化見圖5。圖中與橢圓中心對應的橫軸時間表示對應的月份，同一月份中缺少潮流橢圓的分潮的信噪比小于1。

3.2.1O1分潮O1分潮潮流橢圓旋轉特性、振幅和長短軸之比隨月份變化較大。其分潮潮流橢圓長軸于2006年6、7、8、10月和2007年1、4、6月均呈西北－東南方向，只有2006年6月和2007年4月為逆時針旋轉，其余均為順時針旋轉，說明月數據容易得到O1順時針旋轉的結果；上述月份O1長短軸之比變化很大，2006年7、10月和2007年6月旋轉特性顯著，其余均月份往復特性顯著。其余月份中O1長軸的方向變化較大，往復和旋轉特性差異明顯，2006年9月和2007年3月呈東北－西南方向，2006年11月和12月幾乎呈南北方向但旋轉方向相反，2007年5月份幾乎呈東西方向。

3.2.2K1分潮K1分潮于2006年7、12月和2007年2月呈逆時針旋轉，其余月份相反，說明月數據更容易得到K1分潮順時針旋轉的結果。K1分潮的長軸方向、振幅比O1分潮更富于變化，2006年5月和2007年1～6月振幅較大，其余月份較小。杜巖等[15]分析了2002年5月540m以淺的海流觀測資料，發現該海區潮流具有很強的斜壓性，400m以下的潮流U分量的方差貢獻大于V分量的方差貢獻；值得注意的是，這與2007年5月份的結果一致，與2006年5月份的結果相反。可見不同年份相同月份的調和分析結果差異也很大。

3.2.3M2和S2分潮M2分潮的旋轉方向多為逆時針，最大流速相對全日分潮較弱；長軸在2006年5月、7～10月以及2007年3月呈西北－東南方向，2006年6月和2007年2月呈南北方向，2006年11月和2007年5月呈東西方向的往復流。S2分潮最弱，長軸基本呈南北方向。

綜上所述，該海區全日潮振幅強于半日潮，但是由于該海區的潮流斜壓性很強，主要分潮的潮流橢圓要素隨時間變化很大。

圖4 2006年5月～2007年6月的逐月調和分析結果Fig.4 Results of the monthly harmonic analysis from May，2006to June，2007

4 低頻特征

因為觀測海區為南海中尺度渦多發區域[6－10]，本文假設2.2部分所述的海流低頻變異受中尺度渦的影響。定義余流為原始海流與長期調和分析得出的潮流之差，將余流V分量、潮流V分量和溫度的逐日平均繪于圖5，結合模塊化海洋數據同化系統（MODAS－2D）在南海1/4（°）的海表面高度數據（SSH）[19]及混合坐標海洋模式同化系統（HYCOMDAS）全球1/12（°）的三維溫鹽流同化數據[20－21]進行驗證猜想。由于HYCOM同化數據不包含潮流信息，觀測分析出的潮流V分量小于余流V分量的時期HYCOM數據更具可靠性，因此重點關注2006年6月15日～7月13日，12月12日～19日2段時期的變異現象（見圖5）。

由MODAS－2DSSH 和 HYCOM 數據可知，2006年6月15日，觀測點東北方向存在著1個強勁的反氣旋渦[3－7]。圖6a和6b給出了2006年6月29日過觀測點的緯向溫度斷面圖和600m層的水平流場，600～800m層的等溫線向下彎曲，證實該海區暖渦影響可達表層以下，此時觀測點處于暖渦邊緣。該暖渦呈西北－東南方向的橢圓形，近越南陸架一側流速較另一側弱；隨著時間推移，該渦向西南方向移動、減弱，中心逐漸靠近觀測點，7月13日消失。綜上所述，2006年6月15～29日的日平均溫度逐漸升高和余流V分量的方向反轉系暖渦經過所致。

圖5 上：溫度日平均序列（藍）和平均溫度（黑）；下：潮流（紅）和余流（藍）的V分量日平均序列、潮流強度小于余流的時期（V＝0處黑點）。豎直虛線位置對應的日期為2006年6月15日、7月13日、12月12日、12月19日Fig.5 Top panel：daily mean temperature（blue）and the average temperature（black）；bottom panel：daily mean northward component of the tidal current（red）and the residual current（blue），the period when the tidal speed is smaller than the residual（black dots at V＝0），the date of June 15，July 13，Dec.12，Dec.19of 2006（blue dotted）

圖6 HYCOM 2006年6月29日（a）溫度緯向斷面（等值線間隔0.4℃）；（b）600m層水平流場（黑色直線交叉點為觀測點）；（c）和（d）為2006年12月19日，描述同a和bFig.6 From HYCOM in June 29，2006（a）zonal section of temperature with interval of 0.4℃；（b）horizontal velocity field at 600m，the black lines cross at observation spot；（c）and（d）in Dec.19，2006，same description as（a）and（b）

同樣，2006年12月12日觀測點東側逐漸生成一個冷渦，到12月19日，強度逐漸加強，300～800m深度上等溫線存在很強的上凸現象（見圖6c，d）。由于冷渦幾乎沒有移動，觀測點溫度比較穩定，南向流隨冷渦的削弱而減小（見圖5）。

5 結論

利用位于南海西部、越南外海大陸坡上14個月的定點（11°49.930′N，110°00.20′E）、溫度和海流連續觀測資料，結合多種數據，利用譜分析和調和分析等多種統計方法，揭示了2006年4月27日～2007年7月7日期間海流和溫度的時間變化特征，主要結論如下：

（1）觀測期間內，溫度具有明顯季節變化，最大值8.13℃，最小值6.69℃，平均值7.4℃；溫度逐月FFT譜分析表明，溫度具有明顯的全日周期變化，可能受潮流影響。

（2）海流統計結果表明，海流能量主要集中在V分量上。2006年5、6月份的Vmax、V0和Smax分別與2007年的符號完全相反，說明該海區海流具有顯著的年變化；2006年5月份至2007年1月份（除了2006年7月和12月）北向流速占優，而其他月份南向流速占優。

（3）海流的整個時間序列的調和分析表明：該海區為不規則全日潮；最顯著的4個分潮為太陽輻射一年分潮Sa、全日分潮O1、K1和半日分潮M2，最大流速分別為6.9，1.30，0.91和0.70cm/s，均作逆時針旋轉，長短半軸之比分別為9.22，6.51，2.88，1.61，表明往復特性依次減弱而旋轉特性依次增強。Sa和K1分潮長軸與等深線平行，指向南北方向；而M2分潮長軸基本與等深線垂直，指向東西方向；O1分潮長軸則指向西北－東南方向。由于顯著的Sa分潮的存在，日平均潮流表現為振幅較大的一年周期的震動。

（4）對逐月海流資料進行調和分析發現，該海區全日潮最顯著；短序列的資料的傾向于分析出O1和K1順時針旋轉的結果；由于很強的潮流斜壓性，該海區主要分潮的潮流橢圓要素隨時間變化很大。

（5）2006年7月和12月海流異常的運動現象由中尺度渦造成。2006年6月15～29日觀測點東北方向的橢圓形的暖渦逐漸接近觀測點同時逐漸減弱導致了日平均溫度逐漸升高和余流V分量由很強逐漸減弱的變化特征。2006年12月12～19日觀測點東側發展了1個很強的冷渦，影響的范圍300～800m，由于該冷渦不移動，且觀測點處于冷渦的邊緣，所以造成了溫度比較平穩和海流V分量的南向的流動隨著渦的削弱而明顯減小的變化特征。

致謝：德國漢堡大學Thomas Pohlmann博士提供了寶貴的觀測數據；于華明博士給予的有益的建議，在此一并表示感謝。

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