南海相對(duì)渦度的時(shí)空變化特征分析*

袁承儀，匡曉迪，李秀梅，李 菲

(1.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081)

南海是西北太平洋最大的半封閉邊緣海，南海海盆呈碗狀，最大水深約為4 700 m，主要經(jīng)呂宋海峽與太平洋進(jìn)行物質(zhì)、動(dòng)量與能量的輸運(yùn)和交換。南海的動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)南海水團(tuán)性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境演化及對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要影響[1-2]。

在南海環(huán)流研究方面，劉秦玉等[3]和Qu等[4]指出，南海上空風(fēng)場(chǎng)季節(jié)性轉(zhuǎn)向引起的風(fēng)應(yīng)力旋度變化，與側(cè)向上太平洋水通過呂宋海峽的入侵，共同控制了南海上層環(huán)流的形成與季節(jié)變化。南海的深層存在著氣旋式的環(huán)流，Lan等[5-6]和肖勁根等[7]基于數(shù)值模擬和敏感性實(shí)驗(yàn)，指出了呂宋海峽兩側(cè)密度差異引起的“深水瀑布”是驅(qū)動(dòng)環(huán)流的主要機(jī)制。Tian等[8]對(duì)呂宋海峽環(huán)流與南海深層環(huán)流的觀測(cè)研究進(jìn)行了綜述；王東曉等[9]總結(jié)了南海深層環(huán)流與經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的模擬與診斷結(jié)果。南海的上層和深層主要是太平洋通過呂宋海峽處的入流影響南海。南海中層為反氣旋式環(huán)流，對(duì)應(yīng)著呂宋海峽處的出流過程，是南海對(duì)太平洋水團(tuán)及西邊界流的反饋。因此，需要進(jìn)一步地探討南海環(huán)流垂向各層的配置，并完善中層環(huán)流的時(shí)空變化特征研究。

由于南海流場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，特別是中、深層流場(chǎng)資料的缺乏，本文使用了包含數(shù)據(jù)同化的高分辨率全球海洋分析系統(tǒng)輸出的流速場(chǎng)。由于南海環(huán)流在垂向上具有顯著的分層特征，為了更好地定量刻畫各層環(huán)流場(chǎng)的時(shí)空變化特征，本文應(yīng)用Stokes定理，通過計(jì)算不同深度上海域積分的相對(duì)渦度來表征相應(yīng)環(huán)流的整體強(qiáng)度與方向。在此基礎(chǔ)上，探討南海相對(duì)渦度和海盆尺度環(huán)流的垂向分層、季節(jié)變化、年際變化以及與呂宋海峽水通量的聯(lián)系等。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的水溫，鹽度和流速數(shù)據(jù)均來自于法國(guó)Mercator中心高分辨率全球海洋分析系統(tǒng)輸出的逐日平均物理場(chǎng)PSY4數(shù)據(jù)集(Marine.copoernicus.eu)。該分析系統(tǒng)包括了海洋水動(dòng)力與海冰的耦合模型以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，其中海洋水動(dòng)力模型為Nucleus for European Modelling of the Ocean (NEMO)。模型使用的大氣強(qiáng)迫為3 h一次的ECMWF數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Large和Yeager提出的塊體公式計(jì)算風(fēng)應(yīng)力、感熱和潛熱通量[10]。系統(tǒng)應(yīng)用卡門濾波和三維變分的混合方法，同化了衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，遙感海表面水溫?cái)?shù)據(jù)和實(shí)測(cè)溫、鹽剖面等。分析系統(tǒng)的其他詳細(xì)配置參見文獻(xiàn)[11]。Ryan等[12]通過與Argo浮標(biāo)、實(shí)測(cè)溫鹽數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等的比較，評(píng)估了6個(gè)主要的全球海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，指出PSY4是具有較高準(zhǔn)確性的預(yù)報(bào)系統(tǒng)之一。

本文采用的PSY4數(shù)據(jù)水平分辨率為1/12(°)，垂向50層；用于南海研究的空間范圍是14°N～24°N，108°E～124°E(見圖1(a))，時(shí)間范圍是2014—2017年。在本文校驗(yàn)中，使用了氣候態(tài)的World Ocean Atlas 13 (WOA 13)v2觀測(cè)數(shù)據(jù)集(https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/)，水平分辨率1/4(°)，垂向102層；該氣候態(tài)的冬、夏季溫、鹽和密度場(chǎng)由2005—2012年的觀測(cè)值平均得到。

圖1 南海地形與呂宋海峽區(qū)域用于水通量計(jì)算的斷面位置Fig.1 Bathymetry in the South China Sea and the sections for the calculations of volume transport through the Luzon Strait

1.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

呂宋海峽附近海域是南海與太平洋水交換的關(guān)鍵區(qū)域，因流場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)不易獲取，故通過與WOA數(shù)據(jù)的冬、夏季密度場(chǎng)的比較，來校驗(yàn)PSY4數(shù)據(jù)的空間分布特征與季節(jié)變化。圖2為呂宋海峽區(qū)域200與3 000 m水深處PSY4數(shù)據(jù)與WOA數(shù)據(jù)的冬、夏季平均密度場(chǎng)。200 m水深處PSY4數(shù)據(jù)與WOA數(shù)據(jù)的時(shí)空變化規(guī)律基本一致。冬季，具有較低密度的太平洋海水呈舌狀經(jīng)呂宋海峽北側(cè)入侵南海，在呂宋海峽以西的南海海域形成“東北低-西南高”的密度分布；夏季，兩數(shù)據(jù)集計(jì)算的密度場(chǎng)均顯示海峽處西向入侵顯著減弱，因此，海峽以西南海海域的“南-北向”密度差異明顯減小。從密度的絕對(duì)值上看，PSY4數(shù)據(jù)集計(jì)算的密度略高于WOA數(shù)據(jù)集0.2 kg·m-3。

3 000 m水深處，PSY4與WOA數(shù)據(jù)集的密度場(chǎng)均顯示海峽東側(cè)的太平洋水密度高于西側(cè)的南海水，而海峽內(nèi)部的密度介于兩者之間，是該深度上水交換的主要通道；但是，兩數(shù)據(jù)集密度的絕對(duì)量值差異較大，PSY4的密度值顯著小于WOA密度值。對(duì)比冬夏季分布，兩數(shù)據(jù)集密度場(chǎng)在200 m處的整體季節(jié)變化均強(qiáng)于3 000 m處。呂宋海峽東、西兩側(cè)的密度差異全年存在，是維持太平洋向南海溢流的重要原因[13]。

1.3 水通量與渦度的計(jì)算

在南海的垂向各個(gè)層次上，西北太平洋海水經(jīng)由呂宋海峽以西的各斷面最終進(jìn)入南海(見圖1(b))。采用公式(1)定量地計(jì)算垂直于各斷面的水通量，其中：A為用于計(jì)算水通量的斷面；Vn為垂直于斷面方向上的流速投影。

(1)

(2)

(3)

本文將參照PSY4數(shù)據(jù)中實(shí)際渦度的變化特征，劃分南海渦度與環(huán)流的各個(gè)垂向?qū)哟巍Ｔ诟鲗哟紊希懻摱?1—2月)、夏季(6—8月)平均渦度的空間分布特征。為了探討南海中、深層相對(duì)渦度與呂宋海峽以西關(guān)鍵斷面水通量的聯(lián)系，計(jì)算2014—2017年逐月的平均渦度與水通量。

圖2 呂宋海峽區(qū)域200與3 000 m水深處PSY4數(shù)據(jù)(a～d)與WOA數(shù)據(jù)(e～h)冬、夏季密度場(chǎng)Fig.2 Winter and summer mean density fields at water depth of 200 and 3 000 m at the Luzon Strait derived from PSY4 (a～d)and WOA (e～h)datasets

2 季節(jié)變化

2.1 垂向分層與上層季節(jié)變化

為定量地表征南海海盆尺度環(huán)流的整體強(qiáng)度與方向，計(jì)算垂向各層相對(duì)渦度，并進(jìn)行海盆平均。為避免沿岸流系的影響，在水深超過100 m的區(qū)域?qū)ο鄬?duì)渦度進(jìn)行海盆平均，圖3即為上述平均渦度的垂向剖面。依照年平均相對(duì)渦度的正負(fù)變化(見圖3(a))，可在垂向上將南海劃分為相對(duì)渦度為正的上層(0～1 400 m)，相對(duì)渦度為負(fù)的中層(1 400～2 300 m)和相對(duì)渦度為正的深層(2 300 m～海底)。與此相對(duì)應(yīng)，在垂向上可以將海盆尺度的環(huán)流分為：上層的氣旋式環(huán)流，中層的反氣旋式環(huán)流以及深層的氣旋式環(huán)流。

首先，在海盆積分渦度為正值的南海上層，探討渦度與整體環(huán)流的季節(jié)差異。如圖3(c)和(d)所示，相對(duì)渦度的最大絕對(duì)值(冬季平均值超過4.0×10-7s-1)位于上200 m層，表征了最強(qiáng)的海盆尺度環(huán)流位于該層。在水深小于200 m處，冬、春季和晚秋(10月—次年4月)的相對(duì)渦度為正值，對(duì)應(yīng)了氣旋式的海盆環(huán)流；夏季前后(5—9月)的相對(duì)渦度為負(fù)值，對(duì)應(yīng)了反氣旋式的環(huán)流。與基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)給出的上層流場(chǎng)季節(jié)變化特征及冬、夏季轉(zhuǎn)換是一致的[16]。圖3(b)顯示最顯著的季節(jié)變化亦出現(xiàn)在該層，相對(duì)渦度在冬、夏季反號(hào)，且季節(jié)變化的最大幅度達(dá)到6.3×10-7s-1，是該層內(nèi)年平均相對(duì)渦度值1.7×10-7s-1的3.7倍。Gan等[14]和王兆毅等[17]基于高分辨率的數(shù)值模擬，指出了南海上空的風(fēng)應(yīng)力旋度和側(cè)向的黑潮入侵是造成該層環(huán)流與相對(duì)渦度季節(jié)變化的首要因素。隨著水深的增加，風(fēng)應(yīng)力旋度帶來的季節(jié)差異逐漸減小。如圖3(c)和(d)所示，在600～1 400 m的水深范圍內(nèi)，全年平均與冬、夏季平均的相對(duì)渦度剖面幾乎是重合的；即全年的相對(duì)渦度變化不顯著，也不存在明顯的季節(jié)變化。

((a)矩形代表上、中和深層垂向平均渦度的量值；(b)和(d)中顏色代表垂向逐層渦度的量值。(a)denote vertically averaged vorticity in the upper,middle and deep layers,respectively;Color shading in (b)and (d)denotes the vorticity in each vertical layer.)
圖3 2014—2017年季節(jié)平均(a)與逐月平均(b)南海海盆(h>100 m)平均相對(duì)渦度垂向剖面及南海上層(0～1 400 m)的季節(jié)平均(c)與逐月平均(d)渦度剖面
Fig.3 Vertical profiles of seasonal mean (a)and monthly mean (b)relative vorticity averaged in the SCS basin (h>100 m) during 2014—2017 and the detail structures of seasonal mean (c)and monthly mean (d)vorticity profile in the upper layer (0～1 400 m)of the SCS

因此，在南海相對(duì)渦度為正值的上層，按照季節(jié)變化特征，可以進(jìn)一步細(xì)化為3個(gè)子層：冬、夏季變化最為顯著的0～200 m層；基本無季節(jié)變化的600～1 400 m層；以及作為過渡位于上述兩者之間的，存在小幅度季節(jié)變化的200～600 m層。

2.2 中、深層季節(jié)變化

在南海中層，年均相對(duì)渦度為負(fù)值，存在“冬強(qiáng)夏弱”的季節(jié)差異(見圖3(a))。從圖3(b)所示的逐月平均渦度看，1—6月與10—12月的相對(duì)渦度為負(fù)值，7—9月的相對(duì)渦度接近零值且絕對(duì)值顯著小于前者。與相對(duì)渦度變化相對(duì)應(yīng)，南海中層的海盆尺度環(huán)流同樣具有“冬強(qiáng)夏弱”的特征。從年均上看，中層內(nèi)單位水深相對(duì)渦度約為1.2×10-8s-1，其絕對(duì)值顯著小于南海上層和深層內(nèi)的相對(duì)渦度，分別為上、深層量值的28%和34%。Gan等[15]使基于歷史現(xiàn)場(chǎng)剖面觀測(cè)的美國(guó)海軍全球數(shù)字環(huán)境模式 Generalized Digital Environment Model(GDEM)數(shù)據(jù)診斷出了南海的相對(duì)渦度剖面，中層相對(duì)渦度約為1.1×10-8s-1，水深范圍約為750～1 500 m。與上述研究相比，本文計(jì)算的中層相對(duì)渦度強(qiáng)度與其基本相同，中層的水深范圍深于文獻(xiàn)值。

在南海深層，年均相對(duì)渦度為正值，年平均渦度的量值約為3.6×10-8s-1,稍弱于上層。深層的相對(duì)渦度與海盆環(huán)流存在一定季節(jié)差異，兩者在強(qiáng)度上都具有“夏強(qiáng)冬弱”的特點(diǎn)，與Lan等[6]使用數(shù)值模型計(jì)算的季節(jié)變化規(guī)律是相一致的。

2.3 垂向各層的水平分布

圖4為南海海盆區(qū)(h>100 m)上層(0～1 400 m)深度積分相對(duì)渦度的水平分布。從渦度的絕對(duì)量值上看，在冬、夏季，南海北部和越南以東海域的相對(duì)渦度絕對(duì)值顯著均大于南部海域且陸坡區(qū)域的相對(duì)渦度絕對(duì)值顯著地大于南海內(nèi)部區(qū)域。相對(duì)渦度絕對(duì)值的分布趨勢(shì)在一定程度上反映了南海上層運(yùn)動(dòng)更為活躍的區(qū)域。從渦度的季節(jié)變化上看，對(duì)比圖4(a)和(b)顯示，南海上層渦度具有“冬強(qiáng)夏弱”的變化特征，存在著明顯的季節(jié)差異。從渦度的正、負(fù)值分布上看，冬季南海北部陸坡區(qū)與越南以東海域內(nèi)均存在著顯著的負(fù)渦度區(qū)；但是，相鄰區(qū)域內(nèi)正渦度的量值更大，且面積也略大于負(fù)渦度區(qū)。因此，進(jìn)行海盆的平均或積分后，得到冬季上層渦度為正值，也對(duì)應(yīng)著圖3(a)和(c)中藍(lán)色曲線包絡(luò)的面積為正。因此，在南海上層，總體渦度為正值，對(duì)應(yīng)著南海上層的反氣旋式環(huán)流，且存在顯著的季節(jié)差異。

在南海的中層，冬、夏季(見圖5(a)和(b))的渦度差異遠(yuǎn)小于上層(見圖4)。與上層類似，海盆北部的渦度量值大于南部，對(duì)應(yīng)了環(huán)流的分布特征。中層的渦度在冬、夏季為負(fù)值，對(duì)應(yīng)著海盆尺度的反氣旋式環(huán)流。在呂宋海峽以西121°E附近，存在明顯的渦度的負(fù)值區(qū)域，與南海向呂宋海峽的出流密切相關(guān)。

圖4 冬(a)、夏(b)季平均南海上層(0～1 400 m)垂向積分渦度的空間分布Fig.4 Spatial pattern of the winter (a)and summer (b)mean vorticity integrated in the upper layer (0～1 400 m)of the SCS

圖5 冬(a和c)、夏(b和d)季平均的南海中層(1 400～2 300 m)，深層(2 300 m～海底)垂向積分相對(duì)渦度的空間分布Fig.5 Spatial pattern of the winter (a)and (c)and summer (b)and (d)mean vorticity integrated in the middle (1 400～2 300 m)and deep (2 300 m～Bottom)layers of the SCS

南海的深層渦度存在一定的冬、夏季差異，深層渦度的水平分布特征(見圖5(c)和(d))與垂向剖面(見圖3(a))都顯示出了“夏強(qiáng)冬弱”的季節(jié)變化規(guī)律。特別是，在12°N～14°N，112°E～119°E的海域內(nèi)，夏季渦度顯著強(qiáng)于冬季。深層的渦度在冬、夏季均為正值，對(duì)應(yīng)著海盆尺度的氣旋式環(huán)流。在呂宋島以西20°N附近位置，渦度為顯著的正值，對(duì)應(yīng)了太平洋到南海的入流。此外，恒春海脊的2個(gè)缺口位于18°N～20°N之間，是外海水體經(jīng)由呂宋海峽進(jìn)入南海的主要通道，渦度亦為顯著的正值。

3 渦度變化與呂宋海峽水通量

3.1 渦度的時(shí)間序列

通過計(jì)算2014—2017年逐月平均海盆積分渦度剖面，探討垂向各層的季節(jié)與年際變化特征。如圖6所示，在南海上層，冬、夏季渦度的正、負(fù)值變化，是該層次上最顯著的時(shí)間變化信號(hào)；同時(shí)表明，南海上層的季節(jié)信號(hào)強(qiáng)于年際信號(hào)。在中層，渦度的年平均為負(fù)值，且多年平均的渦度剖面存在“冬強(qiáng)夏弱”的季節(jié)變化(見圖3)。對(duì)比圖6中各年份，可見7～9月的相對(duì)渦度存在顯著的年際變化。如2015年夏季南海中層的相對(duì)渦度小于-1.0×10-8s-1，盡管2016與2017年的全年平均渦度仍為負(fù)值，但7—9月存在小于0.05×10-8s-1的微弱正渦度。同時(shí)，出現(xiàn)負(fù)渦度(即反氣旋式環(huán)流)的水深范圍也具有一定的年際差異，例如，在2015年與2017年的6月，負(fù)渦度分別出現(xiàn)在1 400～2 300 m和500～2 000 m的水深范圍內(nèi)。

(圖中顏色代表垂向逐層渦度的量值。Color shading in Fig.6 denotes the vorticity in each vertical layer.)圖6 2014—2017年月平均南海海盆(h>100 m)平均相對(duì)渦度的垂向剖面Fig.6 Relative vorticity averaged in the SCS basin (h>100 m)in each year of 2014—2017

在深度積分渦度的時(shí)間序列圖(見圖7)中可以清楚地看到中、深層的季節(jié)變化及年際變化。在絕大多數(shù)的冬、春季各月，中層渦度為負(fù)值，年與年的差異較小。在夏季各月，年際差異甚至強(qiáng)于冬、夏季的差異。2014年與2015年的8月中層積分渦度均為負(fù)值，約為-1.0×10-5m·s-1；2016與2017年的8月中層渦度約為2.0×10-5m·s-1。因此，南海中層“冬強(qiáng)夏弱”的氣候態(tài)平均特征在特定年份的適用性是有待進(jìn)一步探討的。在南海深層，年際變化與季節(jié)變化信號(hào)都是渦度和環(huán)流在時(shí)間變化上的顯著特征。

3.2 環(huán)流的空間特征

在南海海盆的內(nèi)部，冬季的中層環(huán)流強(qiáng)于夏季，與圖3(a)中所示的冬季海盆積分渦度絕對(duì)值大于夏季是相一致的(見圖8)；環(huán)流的南、北向差異不顯著，其流速與流速梯度較大的區(qū)域位于“西南-東北向”的對(duì)角線上，與中層相對(duì)渦度的分布具有一定聯(lián)系(見圖5(a)和(b))。如圖1(b)和圖8所示，在呂宋海峽M1斷面(20°N～21°N，120.7°E)上，冬、夏季環(huán)流場(chǎng)在此處均為顯著的出流，冬季的量值明顯高于夏季。1 700 m水深上，2014—2017年平均的冬季的出流流速超過5 cm·s-1，夏季的出流流速約為2～3 cm·s-1。因此，在中層南海向呂宋海峽內(nèi)部的出流與海盆內(nèi)部平均的負(fù)渦度是相對(duì)應(yīng)的(見圖3和5)。

圖7 2014—2017年月平均中(a)、深(b)層內(nèi)深度積分相對(duì)渦度的時(shí)間序列Fig.7 Time series of vertically integrated vorticity in the middle (a)and deep (b)layers during 2014—2017

(顏色代表流速的量值大小；亮藍(lán)色表示呂宋海峽處南海的出流斷面。Color shading denotes the magnitude of velocity；Light blue line denotes the section for the outflow of SCS at Luzon Strait.)
圖8 基于2014—2017年P(guān)SY4數(shù)據(jù)的南海中層(1 700 m)冬(a)、夏(b)季平均環(huán)流
Fig.8 Winter (a)and summer (b)mean SCS circulation in the middle (1 700 m)layer derived from PSY4 during 2014—2017

(顏色代表流速的量值大小；亮藍(lán)色表示恒春海脊兩個(gè)缺口斷面的位置。Color shading denotes the magnitude of velocity；Light blue lines denote the sections across two gaps in the Heng-Chun Ridge.)
圖9 基于2014—2017年P(guān)SY4數(shù)據(jù)的南海深層(2 800 m)冬(a)、夏(b)季平均環(huán)流
Fig.9 Winter (a)and summer (b)mean SCS circulation in the deep layer (2 800 m)derived from PSY4 during 2014—2017

如圖9所示，對(duì)于南海的深層環(huán)流而言，整體為氣旋式環(huán)流，夏季強(qiáng)于冬季，與圖3(a)中南海整體積分相對(duì)渦度“夏強(qiáng)冬弱”的季節(jié)特征相一致。北部的流速顯著強(qiáng)于南部，越南以東海域的流速較大。上述深層環(huán)流特征與Wang等[18]利用GDEM數(shù)據(jù)診斷的2 400 m至海底的流場(chǎng)形勢(shì)基本相同，流速“北強(qiáng)南弱”，并具有較強(qiáng)的深海西邊界流。對(duì)比圖9與圖5(c)和(d)，可見海域內(nèi)(如：14°N～18°N，114°E～118°E)氣旋式環(huán)流與正渦度區(qū)在水平分布上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。呂宋海峽西側(cè)的恒春海脊上存在兩個(gè)缺口，太平洋深層水自巴士海峽流入?yún)嗡魏希诤蟽?nèi)的流動(dòng)受到地形的控制，最終經(jīng)由上述缺口(見圖1(b)和圖9)進(jìn)入南海。在缺口處斷面D1和D2上形成了很強(qiáng)入流，與圖5(c)和(d)中缺口處的渦度高值區(qū)是相對(duì)應(yīng)的。Zhou等[19]和Zhao等[20-21]基于現(xiàn)場(chǎng)的潛標(biāo)觀測(cè)，明確了上述流動(dòng)的空間分布和變化特征。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示，南北兩個(gè)缺口處的入流最大超過15 cm·s-1，出現(xiàn)的水深分別位于2 660和2 900 m。本文中使用的PSY4數(shù)據(jù)中的最大流速及其所在水深，與觀測(cè)是基本一致的。

3.3 與呂宋海峽水通量的聯(lián)系

由上節(jié)的流場(chǎng)分布特征可以看出：在中層，M1斷面為南海向呂宋海峽內(nèi)部出流的主要斷面；在深層，D1、D2斷面為呂宋海溝向南海入流的主要斷面(見圖1(b))。計(jì)算上述斷面的逐月平均水通量，其中M1斷面的通量以向呂宋海峽方向?yàn)檎珼1和D2斷面以向南海內(nèi)部為正。通過M1斷面的年平均水通量為0.4 Sv；通過D1和D2斷面的年平均水通量之和為1.7 Sv，兩者分別為1.0和0.7 Sv。在相關(guān)觀測(cè)中，Zhao等[20]通過潛標(biāo)的連續(xù)觀測(cè)估算南海“深水瀑布”的水通量，指出太平洋深層水經(jīng)巴士海峽和陶塘峽谷流入的水通量分別為1.2和0.4 Sv，經(jīng)由呂宋海槽向南流動(dòng)，最終進(jìn)入南海。Tian等[22]使用呂宋海峽120.5°E斷面上的15個(gè)站位觀測(cè),給出1 500 m以下水通量為2.0 Sv；類似的，Yang等[23]根據(jù)121.0°E斷面上的8個(gè)站位，給出1 740 m以深的西向水通量約為1.9 Sv。

探討南海中、深層渦度(見圖7)與上述對(duì)應(yīng)斷面上逐月水通量(見圖10)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。在中層，渦度與M1斷面水通量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=-0.62，表明中層南海的出流越強(qiáng)，海盆平均的負(fù)渦度的絕對(duì)量值越大。在深層，渦度與D1、D2斷面水通量之和呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.69，表明由呂宋海峽進(jìn)入南海深層的入流越強(qiáng)，海盆平均的正渦度的絕對(duì)量值越大。上述相關(guān)分析的置信水平大于99%。肖勁根等[7]基于包含潮汐、中尺度渦過程的診斷模型研究南海的深海環(huán)流，指出氣旋式環(huán)流的形成，主要是呂宋海峽密度差異驅(qū)動(dòng)的“深水瀑布”，潮汐和中尺度渦的作用次之，風(fēng)場(chǎng)的作用最小。Lan等[5-6]利用HYCOM進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，結(jié)果表明呂宋海峽關(guān)閉時(shí)，氣旋式環(huán)流不存在；呂宋海峽“深水瀑布”帶來的位渦平流輸運(yùn)是氣旋式環(huán)流形成的主要機(jī)制。

圖10 2014—2017年月平均呂宋海峽與南海間中(a)、深(b)層水通量的時(shí)間序列Fig.10 Time series of monthly-mean volume transport between the Luzon Strait and South China Sea in the middle (a)and deep (b)layers during 2014—2017

4 結(jié)論與展望

本研究以相對(duì)渦度表征南海海盆尺度環(huán)流的整體強(qiáng)度，并探討其時(shí)空變化的規(guī)律。基于PSY4數(shù)據(jù)得到的相對(duì)渦度的氣候態(tài)平均的深度剖面，該剖面顯示：(1)對(duì)應(yīng)于南海環(huán)流的經(jīng)典“三明治”結(jié)構(gòu)，年均相對(duì)渦度在垂向上依次分為渦度為正的上層、渦度為負(fù)的中層和渦度為正的深層。

(2)按照季節(jié)變化的特征，可以將南海上層進(jìn)一步細(xì)化為3個(gè)子層。冬、夏季變化最為顯著的0～200 m層，基本無季節(jié)變化的500～1 400 m層，以及位于上述兩者之間存在小幅度季節(jié)變化的200～500 m層。

(3)從氣候態(tài)平均上看，南海中、深層的相對(duì)渦度和環(huán)流分別具有“冬強(qiáng)夏弱”和“冬弱夏強(qiáng)”的季節(jié)變化特征。

(4)在南海的中、深層相對(duì)渦度的年際差異不可忽視，特別是不同年份間7～9月的南海中層相對(duì)渦度的差異甚至超過季節(jié)變化的幅度。

在南海的中、深層，海盆尺度的環(huán)流與相對(duì)渦度具有一致的季節(jié)變化特征。相關(guān)性分析表明，逐月平均的南海中深層相對(duì)渦度的時(shí)間序列分別和各層內(nèi)與呂宋海峽間的水通量存在著顯著的相關(guān)關(guān)系。Lan等[5-6]指出，南海氣旋式深層環(huán)流的季節(jié)變化是“深水瀑布”季節(jié)性變化驅(qū)動(dòng)的，其物理機(jī)制是深水瀑布輸入的正位渦需要由生成氣旋式環(huán)流帶來的位渦耗散所平衡。朱耀華等[13]通過分析GDEM的月平均數(shù)據(jù)和WOA13的季節(jié)平均數(shù)據(jù)指出，深水瀑布的季節(jié)性變化是由呂宋海峽兩側(cè)的密度差和深水瀑布的上游水層厚度共同控制的。南海中、深層環(huán)流與相對(duì)渦度季節(jié)和年際變化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究，有待使用高分辨的數(shù)值模擬，結(jié)合敏感性實(shí)驗(yàn)和渦度的“收支”分析，進(jìn)行下一步的探討。在南海與呂宋海峽之間水交換的關(guān)鍵斷面布設(shè)的潛標(biāo)，也將有益于研究南海渦度與海盆尺度環(huán)流的時(shí)空變化。