朱聿超， 趙小龍， 趙　瑋

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

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南海簡(jiǎn)正模態(tài)型季節(jié)內(nèi)振蕩的數(shù)值模擬?

朱聿超， 趙小龍， 趙瑋??

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

摘要：本文基于大洋環(huán)流數(shù)值模式HYCOM對(duì)南海季節(jié)內(nèi)振蕩進(jìn)行模擬，并利用CEOF方法對(duì)季節(jié)內(nèi)振蕩的物理特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，季節(jié)內(nèi)振蕩起源于南海東邊界并以5.87cm·s-1向西傳播，在南海海盆內(nèi)存在3個(gè)完整波型，波長(zhǎng)為360km，周期為71d。季節(jié)內(nèi)振蕩引起的流速振幅在表層最大，隨著深度的增加迅速減小。Rossby波理論的分析結(jié)果表明,該振蕩是南海海盆內(nèi)的簡(jiǎn)正模態(tài)，屬于Rossby波的第一斜壓模態(tài)。

關(guān)鍵詞：南海； 第一斜壓Rossby波； 復(fù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)

ZHU Yu-Chao, ZHAO Xiao-Long, ZHAO Wei. The intraseasonal basin normal mode in South China Sea envisioned from HYCOM[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(2): 1-5.

南海是西北太平洋最大的邊緣海，平均水深大于1 000m，最大水深超過5000m，主要通過呂宋海峽、臺(tái)灣海峽、民都洛海峽等與周圍海區(qū)進(jìn)行水體交換。其中呂宋海峽水深超過2000m，是連接南海與太平洋的唯一深水通道。

南海地處東亞季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)是海洋上層環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力。利用早期水文觀測(cè)、海表面高度記錄，Wyrtki[1]首先給出南海表層環(huán)流結(jié)構(gòu)：在冬季，南海海盆呈現(xiàn)氣旋型環(huán)流；在夏季，南海南部出現(xiàn)反氣旋型環(huán)流。對(duì)于深層，Tian等[2]在呂宋海峽的觀測(cè)表明，南海1000m以下的垂向混合率高于太平洋一側(cè)2個(gè)數(shù)量級(jí)。南海深層的強(qiáng)混合導(dǎo)致太平洋水密度更大，由此產(chǎn)生的水平壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)了從太平洋到南海的深層溢流。太平洋深層水通過巴士海峽進(jìn)入南海后，在深層形成水平氣旋型的環(huán)流[3-4]。在南海內(nèi)區(qū)強(qiáng)混合的作用下，深層水上升并在垂直方向上形成南海深層徑向翻轉(zhuǎn)流。由于缺乏直接觀測(cè)，溫鹽診斷與數(shù)值模擬是研究南海深層環(huán)流的主要手段[4-8]。

季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)流場(chǎng)的變異有非常重要的影響：WOCE計(jì)劃對(duì)馬斯克林海盆進(jìn)行了2年的海流觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)存在顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩，周期為60d，流速振幅達(dá)到10cm·s-1。振蕩信號(hào)以7.0cm·s-1的相速度向西傳播，符合正壓Rossby波的特征[9]；北大西洋深層西邊界流的觀測(cè)結(jié)果表明流場(chǎng)存在以40d為周期的季節(jié)內(nèi)振蕩，地形Rossby波是造成振蕩的原因[10]。由于觀測(cè)資料的匱乏，對(duì)于南海季節(jié)內(nèi)振蕩的研究主要集中在中上層。Zhuang等[11]結(jié)合衛(wèi)星高度計(jì)與OFES模式資料，對(duì)南海海表面高度的季節(jié)內(nèi)振蕩進(jìn)行了研究：在南海北部陸架區(qū)及越南東側(cè)海域分別存2個(gè)強(qiáng)季節(jié)內(nèi)振蕩區(qū)域，振蕩周期約為10周，西傳Rossby波是產(chǎn)生季節(jié)內(nèi)振蕩的原因之一。Zheng等[12]利用2007年與2009年夏季航次獲得的CTD資料，發(fā)現(xiàn)南海內(nèi)部存在3個(gè)沿緯向的完整波型。Zhang等[13]基于1年的潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在呂宋海峽中層存在周期為10～30d和60d的季節(jié)內(nèi)振蕩，并且與上層的季節(jié)內(nèi)振蕩呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

地形與緯度、層結(jié)、幾何形狀共同決定了封閉海盆內(nèi)的簡(jiǎn)正模態(tài)[14]，而南海海盆內(nèi)的簡(jiǎn)正模態(tài)具有季節(jié)內(nèi)振蕩的特征[12]。本文基于HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)模式并結(jié)合現(xiàn)有的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)南海簡(jiǎn)正模態(tài)引起的季節(jié)內(nèi)振蕩進(jìn)行研究。

1模式設(shè)置及分析方法

本文對(duì)季節(jié)內(nèi)振蕩進(jìn)行模擬時(shí)采用了與Zhao等[5]相同的模式設(shè)置。模式計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)南海及部分西北太平洋區(qū)域(4°N～25°N，105°E～125°E，見圖1)。模式水平分辨率為1/12(°)，垂向分為32層，采用2000m處參考?jí)簭?qiáng)，目標(biāo)位勢(shì)位密依次為28.10，28.90，29.70，30.50， 30.95，31.50，32.05，32.60，33.15，33.70，34.25，34.75，35.15，35.50，35.80，36.04，36.20，36.34，36.46，36.56，36.64，36.70，36.74，36.78，36.82，36.84，36.86，36.88，36.92，36.96，37.01和37.06kg·m-3。模式采用GDEM3溫鹽數(shù)據(jù)作為初始場(chǎng)，鑒于Tian等[2]在呂宋海峽的觀測(cè)，本文將南海1000m以下垂向混合率設(shè)為10-3m2·s-1。外強(qiáng)迫不是影響海盆內(nèi)簡(jiǎn)正模態(tài)的因素，因此忽略海表面強(qiáng)迫，東邊界采用溫鹽松弛邊界條件，其它邊界均為閉邊界。模式在5年之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此本文采用5～10a的模式結(jié)果進(jìn)行分析。

通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)方法可將隨時(shí)間變化的變量場(chǎng)分解為不隨時(shí)間變化的空間函數(shù)部分與只依賴時(shí)間變化的時(shí)間函數(shù)部分。傳統(tǒng)EOF分解獲得的是空間駐波結(jié)構(gòu)，不能刻畫西傳Rossby波。因此，本文采用復(fù)EOF(CEOF)方法對(duì)模式流場(chǎng)進(jìn)行分析。CEOF方法是把實(shí)數(shù)隨機(jī)向量，利用Hilbert變換后作為虛部構(gòu)成復(fù)值隨機(jī)向量。對(duì)復(fù)值隨機(jī)向量進(jìn)行EOF分解，得到的結(jié)果不僅反映出狀態(tài)變率，還會(huì)反映出在相同時(shí)間上狀態(tài)的空間變化。具體原理可參見Barnett[15]的工作。

圖1　模式計(jì)算區(qū)域地形

2模式結(jié)果

根據(jù)Barnett[15]的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用CEOF方法分析波動(dòng)時(shí)，需要先對(duì)原始變量場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波。為了選取合適的帶通頻段，作者先對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)獲得的海表面高度異常(Sea level anomaly, SLA)資料進(jìn)行分析。文中所用的SLA數(shù)據(jù)來(lái)于法國(guó)AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)項(xiàng)目,該數(shù)據(jù)融合了TOPEX/Poseidon,ERS-1/2等多種衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，空間分辨率為25km，時(shí)間分辨率為7d。本文利用1992—2013年的SLA數(shù)據(jù)，分別計(jì)算振蕩周期在 8～120d(見圖2(a))，40～80d(見圖2(b))，14～40d(由于采樣間隔為7d，可分辨最小周期為14d，(見圖2(c))之間的能量比例。

(選擇的頻段為2π/120 ～2π/80d(a)、2π/80 ～2π/40d(b)and 2π/40 ～2π/14d(c)。The selected frequency bands are 2π/120 ～2π/80 d (a), 2π/80 ～2π/40 d (b) and 2π/40 ～2π/14 d (c).)

圖2不同頻段內(nèi)譜能量百分比

Fig.2The spectrum percentage between a selected frequency band

從圖2可以看出80～120d周期振蕩在南海北部的能量比例可以達(dá)到30%，在其余海域的能量比例在20%以下；40 ～80d周期振蕩的能量比例最大，在中央深水區(qū)的能量比例可以達(dá)到70%；14 ～40d周期振蕩在南海北部陸架區(qū)、泰國(guó)灣內(nèi)的能量比例可以達(dá)到60%以上，但在南海內(nèi)區(qū)的能量比例很低。雖然SLA反應(yīng)的季節(jié)內(nèi)振蕩可能與大氣強(qiáng)迫有密切的關(guān)系，但大氣強(qiáng)迫如果與簡(jiǎn)正模態(tài)具有相同的頻率，會(huì)通過共振機(jī)制將此頻率的信號(hào)增強(qiáng)[9]。因此先假設(shè)40～80d是本文所關(guān)心的振蕩周期，把帶通濾波后流速數(shù)據(jù)進(jìn)行CEOF分解。選取14°N斷面的結(jié)果進(jìn)行CEOF分解，展示其垂向結(jié)構(gòu)與傳播特性。CEOF分解后可獲得第一模態(tài)的時(shí)間相位函數(shù)與時(shí)間振幅函數(shù)(見圖3(a))、空間相位函數(shù)(見圖4(a))與空間振幅函數(shù)(見圖4(b))。第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為41.6%。

((a)藍(lán)色實(shí)線為時(shí)間振幅函數(shù)，紅色虛線為時(shí)間相位函數(shù)；(b)為時(shí)間函數(shù)的功率譜分析，其中紅色虛線為95%置信度的顯著性檢驗(yàn)。(a) The solid blue line denotes the temporal amplitude value and doted red line denotes the temporal phase value between ±π in the left panel. (b) Represents the power spectral analysis for temporal phase function, and doted red line denotes the 95% significance test.)

圖314°N斷面徑向速度的第一模態(tài)時(shí)間振幅函數(shù)與時(shí)間相位函數(shù)(a)與時(shí)間相位函數(shù)的功率譜密度(b)

Fig.3Temporal amplitude and temporal phase for first empirical mode of the meridional

velocities in Lat 14°N (a) and power spectral analysis for the temporal phase function (b)

通過時(shí)間振幅函數(shù)與時(shí)間相位函數(shù)可得到空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化，并可以通過功率譜分析找到振蕩的主要周期。本文對(duì)時(shí)間相位函數(shù)進(jìn)行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)其主要周期是71d(見圖3(b))。

圖4　14°N斷面徑向速度的第一模態(tài)空間相位

通過空間相位函數(shù)可以獲得波動(dòng)傳播方向、波長(zhǎng)等信息。從圖4(a)可清晰看出，在南海深海盆內(nèi)，波自東向西傳播，緯向上存在3個(gè)完整波形，與Zheng[12]的觀測(cè)結(jié)果相一致。同相位線的形態(tài)受地形影響較大。例如在114°E～116°E之間地形變化劇烈，1000m以下同相位線發(fā)生扭曲；在116°E～118°E之間地形平坦，同相位線呈現(xiàn)垂直狀。根據(jù)空間振幅函數(shù)可以分析流速振幅的空間分布。從圖4(b)可以看出，上層流速振幅明顯大于下層，流速振幅的最大值出現(xiàn)在南海西邊界附近，1 000m以下振幅變得很小，變化較微弱。上述結(jié)果表明，波動(dòng)存在垂向結(jié)構(gòu)，與Rossby波的第一斜壓模態(tài)相似。將時(shí)間振幅函數(shù)與空間振幅函數(shù)相乘可以計(jì)算出振蕩引起的流速變化。在表層，流速振幅可達(dá)到1.5cm·s-1，在1000m以下的深層，流速振幅只有mm·s-1量級(jí)。

14°N斷面CEOF分解的結(jié)果表明，這種振蕩是一種西傳波動(dòng)。為了描述波動(dòng)的傳播特性，本文選取500m深度處經(jīng)向速度做CEOF分解(此處只描述其空間相位函數(shù)，見圖5)，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)起源于南海東邊界，同相位線基本與經(jīng)線平行，表明波動(dòng)主要是向西傳播，只有在12°N以南以及中沙島附近的海域，同相位線的形態(tài)受地形影響較大，發(fā)生了一定的扭曲。

通過上述分析得到了振蕩的基本性質(zhì)：振蕩的生成源地是南海的東邊界，以行波的形式向西傳播；在南海海盆內(nèi)存在3個(gè)完整波型；波動(dòng)的周期為71d；波動(dòng)引起的流速振幅在表層最大，隨著深度的增加迅速減小。

圖5　500 m深度徑向速度第一模態(tài)空間相位函數(shù)

3討論

南?？煽醋魇欠忾]的海盆，在其內(nèi)部激發(fā)的Rossby波存在水平結(jié)構(gòu)。正如圖5所示，在南海深海盆內(nèi)存在3個(gè)完整的波形，封閉海區(qū)內(nèi)存在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)簡(jiǎn)正模態(tài)s，需要滿足海盆幾何尺度是Rossby波長(zhǎng)整數(shù)倍的條件[14]。在14°N斷面，南海海盆寬度約為1080km，因此可得到緯向波長(zhǎng)約為360km。

層結(jié)流體中激發(fā)的Rossby波會(huì)存在垂向結(jié)構(gòu)，不同斜壓模態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的Rossby變形半徑，此處先驗(yàn)證n=1時(shí)第一斜壓模的結(jié)果。無(wú)論層結(jié)的垂向結(jié)構(gòu)如何，正壓模態(tài)都可能存在，在這種情況下，變形半徑會(huì)足夠大以至于在頻散關(guān)系中，與k2相比，1/R2較小而可以忽略。緯向波長(zhǎng)約為360km，則k約為1.75×10-5m-1(見圖5)。對(duì)于l的取值，因圖5表明波動(dòng)主要呈現(xiàn)向西傳播的特性，所以本文在頻散關(guān)系中忽略了與l有關(guān)的項(xiàng)。β在14°N取2.22×10-11s-1，計(jì)算獲得正壓周期為57d，計(jì)算結(jié)果明顯小于71d的周期，與譜分析的結(jié)果并不一致，所以排除了正壓Rossby波的可能性。對(duì)于R1的計(jì)算，本文借助WOA 09氣候態(tài)溫鹽數(shù)據(jù)，采用WKB方法計(jì)算出南海第一斜壓Rossby變形半徑[16]。南海第一斜壓Rossby變形半徑空間變化較大，對(duì)于深海區(qū)域，變形半徑在80～120km之間[17]，如果Rossby變形半徑取100km，將這些參量帶入頻散關(guān)系后發(fā)現(xiàn)計(jì)算獲得的周期為75d，這與譜分析獲得的結(jié)果是非常接近的。所以可以確定，模式中獲得的季節(jié)內(nèi)振蕩是Rossby波的第一斜壓模態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)與展望

本文利用HYCOM模式對(duì)南海環(huán)流進(jìn)行模擬，模式輸出流場(chǎng)中出現(xiàn)以71d為周期的季節(jié)內(nèi)振蕩。利用CEOF分析方法，證明西傳第一斜壓Rossby波是振蕩產(chǎn)生的原因。波動(dòng)在緯向上存在3個(gè)完整波型，水平波長(zhǎng)為360km，對(duì)應(yīng)的西傳波速為5.87cm·s-1。通過對(duì)南海上升流與下沉流量級(jí)的分析，本文推測(cè)太平洋深層水通過呂宋海峽入侵南海后下沉，下沉流導(dǎo)致的位渦變化是波動(dòng)產(chǎn)生的主要機(jī)制。以上的機(jī)制解釋只是模式結(jié)果的初步探討，在下一步工作中，需要對(duì)上升流與下沉流的空間分布進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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責(zé)任編輯龐旻

The Intraseasonal Basin Normal Mode in South China Sea Envisioned from HYCOM

ZHU Yu-Chao, ZHAO Xiao-Long, ZHAO Wei

(The Lab of Physical Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:A general ocean circulation model HYCOM isdescribedto usein the modeling of the intraseasonal Basin Normal Mode in the South China Sea (SCS) and a notable intraseasonal oscillation derived from the velocity field is investigated. The Complex Empirical Orthogonal Function(CEOF) analysis is used to characterize the intraseasonal oscillation. The oscillation at a period of 71 days originates along the east boundary of SCS and propagates westward witha wavelength of 360 km, about one third of the basin width. Amplitude of the oscillation reaches its maximum at upper layer and decreases with increasing depth. By utilizing the WOA climatological dataset and Rossbywaves theories, we identified that the wave is first baroclinicRossby wave.

Key words:South China Sea; first baroclinic Rossby wave; complex empirical orthogonal function

DOI：10.6441/j.cnki.hdxb.20150109

中圖法分類號(hào)：P731.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)02-001-06

作者簡(jiǎn)介：朱聿超 (1989-)，男，碩士生。E-mail：zhuyuchao-2008@163.com??通訊作者：E-mail：weizhao@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-04-02；

修訂日期：2015-05-21

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB745003)；南海海洋環(huán)流形成變異機(jī)理及其氣候效應(yīng)項(xiàng)目(GASI-03-01-01-03)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目(91028008)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41176010；41176008)；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA11010202)；三亞深?？茖W(xué)與工程研究所項(xiàng)目(SIDSSE-201207)資助

引用格式：朱聿超， 趙小龍， 趙瑋.南海簡(jiǎn)正模態(tài)型季節(jié)內(nèi)振蕩的數(shù)值模擬[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2016, 46(2)： 1-5.

Supported by National Basic Reasearch Porogram of China(2014CB745003)；Formation，variations and climatic impacts of the circulation in the South China Sea(GASI-03-01-01-03)；National Natural Science Foundation of China(91028008)；National Natural Science Foundation of China(41176010；41176008)；Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA11010202)；Sanya Institute of Deep-sea Science and Engineering(SIDSSE-201207)