雅浦-馬里亞納海溝連接區深層流季節內變異的特征和機制*

趙秋雅 汪嘉寧 張 航 張志祥 馬 強馬衛東 王 凡,3,4 楊紅衛

(1.山東科技大學數學與系統科學學院 山東青島 266590; 2.中國科學院海洋環流與波動重點實驗室 山東青島 266071;3.嶗山實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室 山東青島 266237; 4.中國科學院大學海洋學院 山東青島 266400)

大洋深層海洋在全球氣候變化和生物地球化學循環中扮演著重要的角色。西太平洋緊鄰歐亞大陸和我國, 是全球地形最為粗糙的海域之一, 粗糙地形引起的巨大潮能耗散為深海動力過程提供了能量, 產生了豐富的深層多尺度動力過程。此外, 西太平洋上層有豐富的環流系統和暖池, 通過上、下層的潛在動量能量交換會影響深海動力過程, 因此西太平洋是開展深海動力過程研究的理想區域(汪嘉寧等, 2022)。季節內振蕩是全球大洋中普遍存在的一個變異特征(Stammer, 1997), 其在上層的產生機制多種多樣, 如中尺度渦旋等海洋過程(Zhanget al, 2013; Wanget al,2016)和馬登-朱利安振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO)等大氣強迫過程(Matthewset al, 2007); 而在中深層海洋, 水體內部的中尺度渦(Shuet al, 2022)和地形羅斯貝波(topographic Rossby waves, TRW)被認為是引起季節內振蕩的主要原因?？茖W家在中國南海(Shuet al, 2016; Quanet al, 2021; Zhenget al, 2021)、墨西哥灣(Oeyet al, 2002; Hamilton, 2009)和加拿大海盆(Zhaoet al, 2018)等地點陸續觀測到了TRW 的存在, 研究其變異特征和動力機制。但這些海域的水深基本上均小于3 000 m, 而在開闊大洋數千米的深層由于直接觀測比較少, 其季節內振蕩的動力機制和與上層海洋的聯系仍不明確。

雅浦-馬里亞納海溝連接區(Yap-Mariana Junction,YMJ)位于西太平洋, 在2 500 m 以深形成了3 個深水通道, 其中東深水通道連接馬里亞納海溝和東馬里亞納海盆, 北深水通道連接西馬里亞納海盆, 南深水通道連接雅浦海溝和西卡羅琳海盆(圖1)。YMJ 是深層經向翻轉環流上、下分支攜帶南極上、下繞極深層水入侵西太平洋的首要區域, 對西太深層水的更新和變化具有極其重要的影響, 是西太平洋深海研究的熱點區域(Kawabeet al, 2003; Siedleret al, 2004;Wanget al, 2021; Zhouet al, 2022)。

圖1 西太平洋雅浦-馬里亞納海溝連接區附近的地形(水深)及其東、北、南通道位置(沿通道斷面用橫線表示), 和東通道站位(YMJ-E: 140.43°E, 10.83°N; 五角星)Fig.1 Topography of the Yap-Mariana Junction (YMJ) in the western Pacific Ocean (depth), the locations of YMJ’s eastern, southern,and northern channels (the short bars), and the eastern YMJ site (140.43°E, 10.83°N; the star)

基于雅浦-馬里亞納海溝連接區北深水通道的3套潛標觀測數據, Ma 等(2019)發現該通道流速和等溫線振幅在季節內尺度上隨著深度增加而增強, 其中4 200 m 處流速振幅達到45 cm/s, 1.5 °C 等溫線振幅可達600 m, 該現象被形象地稱為“深海風暴”。研究表明該處季節內深層強化現象是由TRW 引起的, 觀測流速或等溫線振幅的垂向分布符合TRW 的波解方程, 擬合解釋方差達到90%以上, 且季節內振蕩具有自上而下位相基本一致的特征。文章還借助高分辨模型數據討論了TRW 的兩種能量來源, 一是上層的強渦旋通過位渦守恒激發, 二是低頻的深層背景流通過正壓和斜壓不穩定向季節內變異提供能量。上述工作是深層季節內變異研究的重要進展, 但受制于文章篇幅和數據的長度仍有一些問題有待解決, 比如TRW 導致的深層季節內變異是否存在于YMJ 其他區域, 是否還有上述兩個機制以外的其他過程可以激發TRW, 以及在季節內時間尺度上全水體動力關聯的物理圖景是什么等。

本文將利用高分辨率的再分析模式數據集, 在較長時間尺度上對YMJ 東深水通道(圖1)深層流的季節內變異特征、機制和全水體的動力關聯進行進一步分析, 闡明該通道流速和溫度的季節內變異機制對全面認知南極水的入侵具有重要科學意義。

1 數據與方法

1.1 GLORYS 再分析數據

本文主要使用全球海洋再分析產品GLORYS12V1(以下簡稱GLORYS) 2017～2019 年逐日和逐月的海表面高度(sea surface height, SSH)、溫度、鹽度和流速數據。該產品由哥白尼海洋環境監測服務中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)提供, 產品來源于歐洲海洋模式NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), 其經緯度水平分辨率均為1/12°, 垂直方向分為不等間距的50 層, 層厚隨著深度增加而增大, 在表層10 m 層厚約1～2 m, 在100 m 層厚約20 m, 在1 000 m 層厚約200 m, 在3 000～5 000 m 層厚約350～450 m。GLORYS 同化了衛星高度計、海表面溫度以及溫度與鹽度剖面等觀測數據。

Ma 等(2019)評估了GLORYS 模式數據對YMJ區域深層溫度、流速季節內變異的模擬能力, 發現其可以很好地再現觀測的深層季節內變異和TRW 過程。Wang 等(2021)評估和證實了GLORYS 模式數據對YMJ 區域深層經向翻轉環流季節性路徑和流量的模擬能力。以上研究表明本文使用GLORYS 數據研究YMJ 區域的深層季節內變異機制是可行的。

1.2 計算方法

其中,θ表示波數矢量K與y軸的順時針方向夾角,具體求解方法見Meinen 等(1993)。根據公式(3),ω>0需要滿足沿等深線方向的k為負, 因此波數矢量K只能指向y軸向上的第二或者第三象限, 從而θ的范圍為0°～180° (Hamilton, 2009)。

TRW 水平波長L可由公式(4)計算

其中,x和y表示東西和南北方向坐標, 計算選擇相距4 個模式格點(約為33.3 km)的u和v進行。

位渦守恒公式為

其中,h表示水層厚度。

2 結果和討論

2.1 深層的季節內能量分布

圖2 給出了YMJ 及其周邊海域2017～2019 年4 405 m 深度上季節內水平動能平均值和標準差值的分布。結果顯示YMJ 東深水通道位于一個季節內動能平均值的大值區(圖2a), 且具有較大變化(圖2b),比YMJ 其他通道的量值大4～5 倍, 這也說明對東通道開展研究的意義。

圖3 給出了 2017～2019 年 YMJ 東深水通道YMJ-E 站位(140.43°E, 10.83°N, 下同)處全水深季節內動能的時間-深度變化。季節內能量在垂向上呈現兩個大值區, 分別是上層1 000 m以淺和深層2 500 m以深, 中層1 500～2 500 m 處僅在2017 年2～4 月短暫出現大值。

2.2 TRW 及其引起的深層季節內振蕩

圖4 為YMJ-E 站位全水深季節內水平動能的保能譜圖, 結果顯示季節內能量的顯著周期在40～90 d,深層季節內最大能量對應的周期約為68 d。季節內能量在表層至2 500 m 呈現減小趨勢, 而后在2 500 m至海底呈現增強趨勢, 4 500 m 處季節內能量值與表層和次表層相當, 這些定量特征與圖3 給出的定性結果是一致的。

圖4 2017～2019 年YMJ-E 站位全水深季節內動能的時間-深度變化能譜Fig.4 Energy spectra of time-depth variance of the full-depth intraseasonal kinetic energy in 2017～2019 at the YMJ-E Site

東深水通道為東西走向, 受此地形約束通道內深層緯向流速遠大于經向流速, 下面我們僅對其緯向流速進行分析。我們對2017～2019 年緯向水平流速進行經驗正交函數(empirical orthogonal function, EOF)分解, 結果顯示其模態一和模態二的解釋方差分別為61.2%和24.5%, 第一模態可以較好地解釋水平流速的主要變化, 其特征向量代表緯向水平流速的振幅。圖5a 給出了2017～2019 年緯向水平流速EOF 第一模態的平均振幅(黑點), 可以看出振幅在2 800～4 400 m 呈現隨深度增加而增加的特征, 基本符合TRW 的特征。我們使用TRW 水平流速的波解方程[公式(1)]對振幅的垂直分布U(z)進行擬合(圖5a 黑線), 擬合后的方程解為U(z) = 5.7 ×1 0-6cosh ( 0.002 4z), 擬合的解釋方差為93.4%, 捕獲深度為420.1 m, TRW 的波解方程可以很好地刻畫YMJ-E 站位處的水平流速振幅的垂向分布。

圖5 YMJ-E 站位2017～2019 年全時段(a)和三個事件期間(b～d)水平流速EOF 第一模態的振幅(圓點)和TRW 波解方程擬合值(曲線)的垂向分布Fig.5 Vertical distributions of horizontal velocity amplitude of the EOF first mode (dots) and the fitting of the TRW’s theoretical wave solution (curve) at the YMJ-E Site during 2017～2019 (a) and the three events (b～d)

我們進一步利用TRW 的頻率關系[公式(3)], 使用N和地形參數等計算TRW 頻率和周期, 驗證其與季節內動能保能譜得到的能量最大值周期是否一致。N的計算基于GLORYS 模型2017～2019 年2 800～4 400 m 平均溫鹽數據, 結果約為5.6×10-4s-1, 地形坡度?H取自經過50 km2中位濾波平滑的ETOPO1地形數據, 其值約為1.1×10-2。按照Meinen 等(1993)方法, 基于捕獲深度和地形參數等迭代求解出波數矢量和地形梯度之間的夾角θ約為11°。將上述數值帶入公式(3), TRW 的周期約為62 d。而季節內動能保能譜顯示該通道處季節內能量的峰值周期為68 d, 兩個數值基本接近, 進一步說明了TRW 是引起深層季節內能量強化的主要原因。

基于公式(4)計算了YMJ-E 站位處TRW 的水平波長, 捕獲深度取圖5a 與6b 中捕獲深度的平均值492 m, 水平波長約為78 km。我們進一步向后追蹤了YMJ-E 站位60 d 周期TRW 的傳播路徑(Maet al,2019), 發現它在YMJ-E 站位東南75 km 處終止(圖7),與水平波長數值基本相當。這表明YMJ-E 站位附近的TRW 主要是局地生成的, 并非由遠端傳播而來,下面我們來探尋TRW 局地的能量來源。

圖7 后向追蹤YMJ-E 站位(粉色圓點)60 d 周期的TRW 能量傳播路徑(紅色)Fig.7 Backward energy path (red) for the 60-day period TRW from the YMJ-E Site (pink circle)

2.3 TRW 的能量來源

圖8 給出了YMJ-E 站位不同深度上的季節內流速矢量的時間變化圖, 結合圖3 水平季節內動能的時間深度變化, 我們可以看出雖然深層季節內流速在全部時間段展現出TRW 的特征, 但不同時刻水平流速和動能的垂直分布均不相同。我們選取了3 個代表性事件: 事件一的時間段為2019 年7 月16 日至2019 年9 月8 日, 此時間段的季節內流速和動能在次表層存在大值區, 后隨深度增加逐漸減小, 到2 866 m 后又逐漸增大; 事件二的時間段為2017 年2 月2 日至2017 年3 月24 日, 此時間段的季節內流速和動能在中層存在大值區, 后隨著深度增加量值逐漸減小, 到3 221 m 后深層又逐漸增大; 事件三的時間段為2019 年9 月25 日至2019 年11 月15 日, 此時間段季節內流速和動能最大值位于深層, 上層至 3 597 m 層的量值均較小。三個事件中季節內能量垂直分布顯著差異說明其深層季節內能量來源可能存在著差異, 下面我們將對三個事件進行單獨分析來進行探究。

圖8 YMJ-E 站位不同深度上的季節內流速矢量的時間變化圖Fig.8 Stick diagrams of time series of the intraseasonal velocities at different depths of the YMJ-E Site

2.3.1 事件一 我們首先使用TRW 波解方程分別對事件一時間段的水平(圖5b)和垂直流速(圖6c)振幅進行擬合。水平流速振幅的擬合方程解為U(z) = 1.6×10-5cosh ( 0.0023z), 解釋方差為95.4%, 捕獲深度為443.4 m。垂直流速振幅的擬合方程解為wrms(z)=1.1 ×10-6sinh ( 0.0017z), 解釋方差為88.6%, 捕獲深度為489.3 m。這說明TRW 是事件一深層季節內振蕩現象的主要原因。

探究事件一TRW 的激發源, 首先檢查此時間段內不同水層的渦旋情況。圖9 給出了事件一期間代表性流速異常場的水平分布, 結果顯示事件一時間段內確有一個次表層氣旋渦經過, 該渦旋分布在541～1 941 m, 其中渦心在1 452～1 941 m 相較于541～1 062 m 向西北方向傾斜。圖10a 和10b 分別給出了2017～2019 年次表層541 m 與深層2533 m 相對渦度[公式(5)]的時間變化和兩者滑動相關系數的時間變化?；瑒酉嚓P系數計算以每個時間點為中心, 涵蓋前后30 d 共60 d 的數據來進行(下同)。結果顯示在事件一時間段內, 次表層和深層的相對渦度均為正, 兩者的相關系數高達0.86。兩者的關系可由位渦守恒[公式(6)]進行解釋, 次表層的氣旋渦引發上升流, 如圖6a 所示引起等溫線的上升, 從而造成深層層厚h的增加, 在同一地點f不變的情況下, 根據位渦守恒深層的相對渦度也應增加, 兩者的變化應相一致。上述分析說明該事件中的深層TRW 是由次表層渦旋通過位渦守恒激發。另外需要指出的是在2017～2019 年時間段內, 表層沒有強渦旋經過YMJ-E 站位并能夠激發深層TRW 過程。

圖10 YMJ-E 站位上層541 m (黃色)、中層1 684 m (橙色)和深層2 533 m (粉色)相對渦度(a); 上層541 m 與深層2 533 m(b)和中層1 684 m 與深層2 533 m (c) 60 d 周期上的滑動相關系數時間序列Fig.10 Time series of the relative vorticities at 541 (yellow), 1684 (orange), and 2533 (pink) m (a); correlation coefficients between relative vorticities at 541 and 2533 m (b) and at 1684 and 2533 m (c) over 60-day segments sliding with time at the YMJ-E Site

2.3.2 事件二 首先使用TRW 波解方程分別對事件二時間段的水平(圖5c)和垂直流速(圖6d)振幅進行擬合。水平流速振幅的擬合方程解為U(z) = 6.8×10-5cosh ( 0.002z), 解釋方差為 94.8%, 捕獲深度為502.1 m。垂直流速振幅的擬合方程解為wrms(z)=1.8 ×10-7sinh ( 0.0024z), 解釋方差為81.3%, 捕獲深度為413.5 m。這說明TRW 也是事件二深層季節內振蕩現象的主要原因。

探究事件二TRW 的激發源, 同樣檢查此時間段內不同水層的渦旋情況。圖11 給出了事件二期間代表性流速異常場的水平分布, 結果顯示事件二時間段內YMJ-E 站點附近上層并無渦旋產生, 直到中層1 245 m 有一個反氣旋渦經過YMJ-E 站點, 該渦旋一直延續到1 941 m。圖10a 和10c 分別給出了2017～2019年中層1 684 m 與深層2 533 m 相對渦度量值的時間變化和二者滑動相關系數的時間變化, 結果顯示事件二時間段內, 中層和深層的相對渦度均為負, 兩者的相關系數高達0.68。兩者的關系可由位渦守恒[公式(6)]進行解釋, 中層反氣旋渦引發下降流, 如圖6a所示引起等溫線的下降, 從而造成深層層厚h的減小, 在同一地點f不變的情況下, 根據位渦守恒深層的相對渦度也應減小, 兩者的變化應相一致。上述分析說明該事件中的TRW 是由中層渦旋通過位渦守恒激發。

圖11 事件二期間2017 年2 月17 日0.49～2 533 m 層(a～i)的流速異常量值及流速異常矢量(箭頭表示)Fig.11 Horizontal distributions of anomalous velocity magnitudes and anomalous velocity vectors (arrows) at 0.49～2 533 m (a～i) on Feb.17, 2017 during Event 2

2.3.3 事件三 我們首先使用TRW 波解方程分別對事件三時間段的水平(圖5d)和垂直流速(圖6e)振幅進行擬合。 水平流速振幅的擬合方程解為U(z) = 4.2 × 1 0-6cosh ( 0.002 5z), 解釋方差為 97.2%,捕獲深度為400.6 m。垂直流速振幅的擬合方程解為wrms(z) = 9.6 × 1 0-8sinh ( 0.002 4z), 解釋方差為87.9%,捕獲深度為411.0 m。這說明TRW 也是事件三深層季節內振蕩現象的主要原因。

事件三時間段內上層和其他水層流速異常水平分布圖均顯示大洋內部沒有渦旋經過(圖略), 這說明渦旋不是TRW 的激發源。下面我們使用1.2.4 節渦能方程來計算季節內總能量時間導數和深層平均流正壓、斜壓不穩定性的時間變化(圖12)。結果顯示正壓不穩定絕對值一般大于斜壓不穩定的絕對值, 說明正壓不穩定的貢獻占優; 事件三時間段內的季節內總能量的時間導數、正壓和斜壓不穩定項均為正值,前兩項在該時間段內數值較大且變化趨勢較為一致,這說明事件三中平均流主要通過正壓不穩定過程向季節內能量轉化, 為TRW 提供了能量。此外, 2018 年9～11 月和2017 年9～11 月期間的情況與事件三相類似, 平均流也會通過正壓不穩定過程向TRW 提供能量。在事件一中, 正壓和斜壓不穩定值均為正值, 無法解釋季節內總能量的減小。在事件二中, 正壓不穩定值為負值, 斜壓不穩定值很小, 無法解釋季節內總能量的增加。因此, 在事件一和二中, 平均流的正斜壓不穩定過程很可能不是TRW 的主要能量來源, 這與前面的結論相一致。

3 結論

雅浦-馬里亞納海溝連接區(YMJ)東深水通道是太平洋深層經向翻轉環流攜帶南極繞極水進入西太平洋的首要通道, 該通道流速和溫度的多時間尺度變異對西太平洋深層動力狀況、深層水更新等具有重要意義。本文基于全球高分辨率同化模式數據, 發現了該通道深層流和溫度存在著40～90 d 周期的季節內變異, 通過建立全水體的動力關聯揭示了深層季節內變異的動力機制。地形羅斯貝波(TRW)是引起YMJ東通道季節內變異的主要動力機制, TRW 波解方程可以解釋大部分水平和垂直流速振幅垂直分布。TRW引起深層流振幅隨深度增加而增加的結構, 在深層4 405 m 處季節內流速振幅達23 cm/s, 1.45 °C 等溫線振幅可達800 m。地形羅斯貝波在不同時間具有不同的激發機制, 首先, 當次表層有強渦旋經過時, 次表層強渦旋可以通過位渦守恒激發深層的TRW; 第二,當大洋中層有強渦旋經過時, 中層強渦旋也可通過位渦守恒激發深層的TRW; 第三, 深層平均流可以主要通過正壓不穩定向深層季節內TRW 提供能量。