2013年南沙群島海域溫躍層的季節(jié)變化及形成機(jī)理

田永青,黃洪輝,鞏秀玉,余少梅,靖春生,高璐

2013年南沙群島海域溫躍層的季節(jié)變化及形成機(jī)理

田永青1,2,黃洪輝2*,鞏秀玉2,余少梅2,靖春生1,高璐1

(1.國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門361005;2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 南海水產(chǎn)研究所 廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部外海漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州510300)

利用調(diào)查數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)揭示了2013年南沙群島海域溫躍層的季節(jié)變化特征,溫躍層上界深度平均值春、夏、冬季基本一致,介于45～47 m之間,秋季最大,達(dá)60 m;溫躍層厚度平均值夏、秋、冬季基本一致,介于85～87 m之間,春季相對較小,為78 m。溫躍層強(qiáng)度平均值春、夏、秋、冬季幾乎一致,介于0.13～0.15℃/m之間。調(diào)查海域溫躍層上界深度季節(jié)變化的形成機(jī)理為:春季西深東淺的原因是西部受凈熱通量較小、大風(fēng)速、負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度以及中南半島東部外海的中尺度暖渦和反氣旋環(huán)流共同作用,東部近岸海域凈熱通量高值、風(fēng)速相對較小及風(fēng)應(yīng)力旋度引起的Ek man抽吸效應(yīng)共同控制;夏季深度分布較均勻的原因是10°N以北風(fēng)致渦動混合強(qiáng)但受Ek man抽吸影響,10°N以南風(fēng)致渦動混合弱但風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值;秋季深度較其他季節(jié)平均加深15 m的原因是南沙群島海域被暖渦占據(jù),暖渦引起的反氣旋式環(huán)流使得溫躍層上界深度被海水輻聚下壓;冬季正的風(fēng)應(yīng)力旋度產(chǎn)生的Ek man抽吸和冷渦引起的氣旋式環(huán)流共同作用,使得溫躍層上界深度較秋季平均抬升15 m。

南沙群島海域;溫躍層;風(fēng)應(yīng)力旋度;Ek man抽吸

1 引言

20世紀(jì)90年代,一些學(xué)者對南沙群島海域的溫躍層進(jìn)行了研究[1-4],主要揭示了該海域溫躍層三要素(躍層上界、厚度和強(qiáng)度)的時(shí)空分布特征及變化規(guī)律。但這些研究多限于單航次調(diào)查資料的分析結(jié)果,基本沒有探討造成溫躍層時(shí)空分布變化特征的機(jī)制。關(guān)于南海溫躍層的季節(jié)變化,徐錫禎等[2]利用1907-1990年間在南海積累的調(diào)查資料通過氣候態(tài)平均后進(jìn)行了闡述,但這些資料在南沙群島海域并不集中。而有關(guān)年周期內(nèi)的溫躍層季節(jié)變化研究更是鮮見報(bào)道。

影響溫躍層的因素主要有太陽輻射、海面熱收支、風(fēng)應(yīng)力產(chǎn)生的Ek man抽吸、Ek man水平輸運(yùn)[5-6]及海流[7-11]等。Liu等[12],陳希等[13]分別研究了南海中部、北部海區(qū)的溫躍層分布特征,分析了凈輻射通量的分布狀況及隨季節(jié)的變化特征。陳希等[13]分析認(rèn)為,海面凈輻射通量的增強(qiáng)是影響該海域溫躍層形成的最重要因素之一。Liu等[12]指出,海面凈輻射通量的減弱,即海洋失去熱量,會使海洋溫躍層深度變淺。Liu等[12]分析了1998年4月20日到1999年4月8日年間連續(xù)錨定浮標(biāo)資料,分析表明,南海中部溫躍層的季節(jié)性變化主要由海表面風(fēng)應(yīng)力和凈熱通量的季節(jié)性變化引起的;而季節(jié)內(nèi)變化主要由中尺度渦和凈熱通量的季節(jié)內(nèi)變化引起的。Ek man抽吸、Ek man水平輸運(yùn)作用與南海溫躍層深度的關(guān)系密切。周發(fā)琇等[14-15]、Liu等[16]、蘭健等[17]分別對南海溫躍層的季節(jié)變化做過深入研究,認(rèn)為局地風(fēng)應(yīng)力通過Ek man抽吸能夠影響到溫躍層的上升和下降。由于Ek man水平輸運(yùn)效應(yīng),冬季溫躍層深度呈現(xiàn)西北較為深厚、東南較為淺薄的分布結(jié)構(gòu),而夏季東南部較深厚,西北部較淺薄。但以上研究均沒有重點(diǎn)針對南沙群島海域溫躍層季節(jié)變化的動力機(jī)制分析。

南沙群島海域地處南海南端,漁業(yè)資源豐富。溫躍層往往是葉綠素的極大值深度所處位置,對漁場的形成具有重要的影響[18]。本文利用中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所2013年在南沙群島海域開展的春、夏、秋、冬4個(gè)航次的調(diào)查數(shù)據(jù),揭示該海域溫躍層的季節(jié)變化及其形成機(jī)理,不但具有重要的科學(xué)意義,而且對探討南沙群島海域漁場變動規(guī)律提供重要的依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究溫度數(shù)據(jù)來源于中國水產(chǎn)科學(xué)研究院2013年在南沙群島海域開展的4個(gè)航次的CTD調(diào)查,包括春(2013年3月15日至4月8日)、夏(2013年6月15日至2013年7月12日)、秋(2013年9月9日至27日)、冬(2013年11月18日至12月3日),調(diào)查范圍4°～11.5°N,108.5°～117.5°E。CTD獲得數(shù)據(jù)采樣間隔為1/24 s,最后處理成垂向1 m間隔。具體站位布設(shè)見圖1。

此外,還使用了調(diào)查期間月平均的ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù),空間精度0.25°×0.25°,下載網(wǎng)站:https://manati.star.nesdis.noaa.gov/datasets/ASCATData.php;月平均NCEP凈熱通量數(shù)據(jù),空間精度約為1.875°×1.875°,下載網(wǎng)站:http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.sht ml;AVISO高度計(jì)數(shù)據(jù),空間精度0.25°×0.25°,下載網(wǎng)址:http://www.aviso.oceanobs.com/en/data/index.ht ml。

圖1 2013年南沙群島海域調(diào)查站位分布Fig.1 The position distribution of the survey around the Nansha Islands sea area in 2013

2.2 計(jì)算方法

確定溫躍層的方法一般是先選定溫躍層強(qiáng)度的最低指標(biāo)值,把該溫度垂向梯度值大于等于最低指標(biāo)值所在深度范圍稱之為躍層。躍層上、下端點(diǎn)所在深度分別為躍層上、下界深度。躍層下界深度與上界深度之差為躍層的厚度;溫躍層上、下界深度對應(yīng)的溫度值之差除以躍層厚度所得的值為躍層的強(qiáng)度。躍層強(qiáng)度ΔT/ΔZ的最低指標(biāo)值選取依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》[19-20]:

ΔT/ΔZ=0.05℃/m,當(dāng)水深大于200 m時(shí);

ΔT/ΔZ=0.2℃/m,當(dāng)水深小于200 m時(shí)。

在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)南海溫躍層為季節(jié)性溫躍層和永久性溫躍層并存,為探討規(guī)律性特征,本文僅針對永久性溫躍層進(jìn)行研究。個(gè)別測站永久性溫躍層出現(xiàn)多躍層現(xiàn)象,但躍層間垂向間隔較小(多小于10 m),則取第一躍層的上界為溫躍層的上界,最后一躍層的下界為溫躍層的下界,并由此求得溫躍層的深度、厚度和強(qiáng)度。

另外,調(diào)查海域西南部陸架海域調(diào)查水深小于200 m,陸坡區(qū)地形變化劇烈,單純以200 m水深界定溫躍層標(biāo)準(zhǔn)閾值往往會使得溫躍層上界深度出現(xiàn)不連續(xù)。為避免此現(xiàn)象發(fā)生,在200 m水深附近測站溫躍層標(biāo)準(zhǔn)選取按照吳魏等[21]的方法,即若大多數(shù)為深水站,其他測站位于深水和淺水交接處,則取深水站標(biāo)準(zhǔn);反之則取淺水站標(biāo)準(zhǔn)。在本文操作中靠近陸坡區(qū)的測站按深水標(biāo)準(zhǔn),位于大陸架西南部的淺水測站則按淺水標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,以此方法保證了溫躍層上界深度的連續(xù)性。

3 結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算方法獲得南沙群島調(diào)查海域溫躍層季節(jié)變化特征如表1所示。

3.1 溫躍層上界深度

由溫躍層上界深度數(shù)據(jù)繪得溫躍層上界深度季節(jié)分布如圖2所示。

表1 2013年南沙群島海域溫躍層季節(jié)變化特征值Tab.1 The seasonal characteristic value of ther mocline around the Nansha Islands sea area in 2013

圖2 2013年南沙群島海域溫躍層上界深度季節(jié)分布Fig.2 The seasonal distribution of ther mocline upper-bounds depth around the Nansha Islands sea area in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.su mmer;c.autu mn;d.winter

由圖2可知,溫躍層上界深度在調(diào)查海域總體分布特征如下:春季西部深東部淺,夏季分布整體較為均勻,除東北、西南部小于40 m外,其他調(diào)查海域均在40～50 m之間;秋季整個(gè)調(diào)查海域普遍加深,僅加里曼丹島外海和中南半島東部外海小部分海域小于55 m外,其他海域均深于60 m;冬季除調(diào)查海域東北、西南部海域小于45 m外,中部海域均大于45 m。

再結(jié)合溫躍層特征值表1可知,溫躍層上界深度平均值秋季(9月)最深,可達(dá)60 m。春、夏、冬季基本一致,介于45～47 m之間;上界深度的最大值為秋季最深,可達(dá)83 m。夏季最小,為57 m。春、冬季介于70～74 m之間;上界深度的最小值仍是秋季最大,可達(dá)40 m。夏季次之(30 m),春冬季最小,約為17 m。

由上界深度的均方差分布可知,春、冬季上界深度分布差異最大,秋季次之,夏季最小。

3.2 溫躍層厚度

由溫躍層厚度數(shù)據(jù)繪得溫躍層厚度季節(jié)分布如圖3所示。

由圖3可知,調(diào)查海域溫躍層厚度總體分布特征如下:春季由北向南呈深-淺-深-淺的形態(tài),加里曼丹島北部外海為最大厚度值出現(xiàn)區(qū),中心區(qū)可超過140 m;夏季呈中心厚四周薄,最大值中心超過150 m,位于7°N,111°E;秋季大體呈中部厚南北薄,10°N以北中南半島東南部和7°N以南的調(diào)查區(qū)域厚度均小于80 m,中東部海域深度大于100 m;冬季呈中部薄四周厚的的形態(tài),中部海域小于70 m,四周除西南部陸架淺水區(qū)小于60 m外均大于80 m。此外,西南部淺水陸架區(qū)常年厚度較薄。

圖3 2013年南沙群島海域溫躍層厚度季節(jié)分布Fig.3 The seasonal distribution of ther mocline thickness around the Nansha Islands sea area in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.summer;c.autumn;d.winter

溫躍層厚度的特征值由表1可知,溫躍層厚度平均值夏、秋、冬季幾乎一致,介于85～87 m之間。春季相對較小,為78 m;溫躍層厚度最大值春、夏、冬季差別不大,介于143～152 m之間。秋季相對較薄,為117 m;溫躍層厚度最小值夏季最大,可達(dá)32 m。秋季次之,為19 m。春、冬季最小,僅7～10 m。從厚度的均方差分布可知,春、冬季差異大于夏秋季。

3.3 溫躍層強(qiáng)度

由溫躍層強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪得溫躍層強(qiáng)度季節(jié)分布如圖4所示。

溫躍層強(qiáng)度為溫躍層上、下界深度對應(yīng)的溫度值之差除以躍層厚度所得的值,強(qiáng)度值與厚度成反比。從圖4也可看出溫躍層強(qiáng)度分布與溫躍層厚度呈很好的對應(yīng)關(guān)系,即溫躍層厚度大的區(qū)域溫躍層強(qiáng)度弱。

由圖4可知,調(diào)查海域溫躍層強(qiáng)度分布總體為春季由北向南呈強(qiáng)-弱-強(qiáng)的形態(tài);夏季大體呈中間弱四周強(qiáng);秋季分布總體為中部弱南北強(qiáng);冬季大體為中心區(qū)域強(qiáng)四周弱。西南部淺水陸架區(qū)常年溫躍層強(qiáng)度很強(qiáng),強(qiáng)度值大于0.15℃/m。

溫躍層強(qiáng)度的特征值具體由表1可知,溫躍層強(qiáng)度平均值春、夏、秋、冬季幾乎一致,介于0.13～0.15℃/m之間;溫躍層強(qiáng)度最大值秋季最大,達(dá)0.39℃/m。春、夏、冬季接近,介于0.26～0.28℃/m之間;溫躍層強(qiáng)度最小值春夏秋冬幾乎也一致,介于0.08～0.11℃/m之間。

圖4 2013年南沙群島海域溫躍層強(qiáng)度季節(jié)分布Fig.4 The seasonal distribution of ther mocline intensity around the Nansha Islands sea area in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.summer;c.autumn;d.winter

4 溫躍層季節(jié)變化的形成機(jī)理

由以上結(jié)果分析可知,調(diào)查海域溫躍層頂界深度平均值春、夏、冬季幾乎無變化,秋季加深了15 m。分布形態(tài)上夏、冬季類似。厚度平均值夏、秋、冬幾乎一致,春季比其他季節(jié)小8 m左右。分布形態(tài)上夏、冬季溫躍層深度表現(xiàn)卻相反,即夏季中部深四周淺,冬季中部淺四周深。此外,南沙群島海域溫躍層特征值季節(jié)變化的形態(tài)也與南海中北部海域的溫躍層特征值季節(jié)變化[12-13,22]有很大差異,是什么機(jī)理造成該海域溫躍層季節(jié)形態(tài)的的差異呢?

影響溫躍層的動力因素有凈熱通量、風(fēng)應(yīng)力及其引起的Ek man抽吸、Ek man水平輸運(yùn)[5-6]及中尺度冷、暖渦[23]、環(huán)流[7-11]等。下文將分別就各要素對南沙群島調(diào)查海域溫躍層上界深度的影響進(jìn)行分析。

4.1 凈熱通量的影響

調(diào)查期間凈熱通量分布如圖5所示。凈熱通量為海洋熱量凈收支,正值表示海洋吸熱,負(fù)值表示海洋失熱。單純海洋吸熱會使得海洋層結(jié)增加,溫躍層上界深度變淺。反之,海洋失熱將使得溫躍層上界深度變深。Liu等[12],陳希等[13]在研究南海中部、北部海區(qū)的溫躍層分布特征時(shí)認(rèn)為海面凈熱通量與該海域溫躍層的形成密切相關(guān)。

由圖5可知,春季凈熱通量為全年中最高季節(jié),加里曼丹島北部外海為凈熱通量高值中心,最高可超過100 W/m2。海洋大量吸熱使得該海域?qū)咏Y(jié)加強(qiáng),溫躍層上界深度變淺。中南半島東南外海海域?yàn)閮魺嵬肯鄬Φ椭抵行?即該海域海洋吸熱較少,層結(jié)較弱,溫躍層上界深度較深。凈熱通量分布與溫躍層上界深度有較好的對應(yīng)關(guān)系。

夏季凈熱通量整體相較春季大幅減少,使得海洋層結(jié)減弱,而溫躍層上界深度卻較春季并未明顯增加,說明其他動力過程對該季節(jié)溫躍層上界深度影響起主要貢獻(xiàn)。

秋季凈熱通量分布與夏季形態(tài)一致,但略有增強(qiáng)。東北部調(diào)查海域海洋失熱,西南部及加里曼丹島近岸淺水陸架海域海洋為吸熱中心。但該季節(jié)的溫躍層上界分布較春、夏季明顯加深,說明凈熱通量在該季節(jié)并非重要因素,揭示了該海域其他動力過程占主導(dǎo)作用。

冬季凈熱通量為全年最低值,與秋季相比海洋大幅失熱。大約5°N以北海域均為失熱區(qū),失熱最強(qiáng)中心可達(dá)80 W/m2。海洋強(qiáng)失熱使得上層海洋層結(jié)減弱,該過程可使得溫躍層上界深度加深。而溫躍層上界深度平均值卻較秋季抬升變淺15 m。表明冬季其他動力過程在該海域占主導(dǎo),對溫躍層的形成起抑制作用。

綜上,南沙群島海域的凈熱通量僅在春季與溫躍層上界深度分布密切相關(guān),其他季節(jié)對溫躍層上界深度影響并非重要因素。

圖5 2013年調(diào)查期間南沙群島海域凈熱通量季節(jié)分布Fig.5 The seasonal distribution of the net heat flux around the Nansha Islands sea area during the survey in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.su mmer;c.autu mn;d.winter

4.2 風(fēng)應(yīng)力及引起的Ek man抽吸

風(fēng)應(yīng)力取決于風(fēng)速的大小,故本文近似以風(fēng)速大小表征風(fēng)應(yīng)力大小。風(fēng)速大時(shí)可引起的渦動混合增強(qiáng),進(jìn)而混合層加深,溫躍層上界深度變深。反之,風(fēng)速小時(shí),弱的渦動不足以加深溫躍層上界深度。

從圖6可知,春季加里曼丹島的南部近岸海域風(fēng)速小于北部海域,小風(fēng)速造成的海洋渦動混合弱,而且靠近加里曼丹島的南部近岸海域風(fēng)應(yīng)力旋度為正值,即Ek man抽吸效應(yīng)容易誘發(fā)深層水上涌。深層水上涌將使得溫躍層上界深度抬升變淺,溫躍層厚度增加;北部風(fēng)速大,使得混合加強(qiáng),而且風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值,均利于溫躍層上界深度加深。

夏季整個(gè)南沙調(diào)查海域10°N以北風(fēng)應(yīng)力旋度為正值,即Ek man抽吸效應(yīng)易于底層水上涌。同時(shí)該海域風(fēng)速較大,又增加了海洋上層混合,兩者作用相互削弱;10°N以南風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值,易于表層水上輻聚下沉,利于溫躍層上界深度加深。但南部海域風(fēng)速較小,產(chǎn)生的海洋渦動混合弱,又不利于溫躍層上界深度加深。故整個(gè)調(diào)查海域溫躍層上界深度較為均勻。

秋季整個(gè)南沙調(diào)查海域凈熱通量、風(fēng)應(yīng)力旋度、風(fēng)場分布均與夏季基本一致,但溫躍層上界普遍加深。造成此現(xiàn)象應(yīng)為其他因素在主導(dǎo)。

冬季整個(gè)南沙調(diào)查海域?yàn)槿曛泻Ｑ笫嶙顝?qiáng)季節(jié),利于溫躍層上界深度加深。另外,風(fēng)速在8°N以北的海域達(dá)到全年中最大值,大風(fēng)速增強(qiáng)了海洋上層混合。但該季節(jié)溫躍層上界深度并未顯著增加,相反較秋季變淺15 m。從風(fēng)應(yīng)力旋度分布可知,整個(gè)調(diào)查海域幾乎均為正值,即受Ek man抽吸效應(yīng),整個(gè)調(diào)查海域溫躍層上界深度抬升變淺。

圖6 2013年調(diào)查期間南沙群島海域風(fēng)速(圖中等值線,單位:m/s)及風(fēng)應(yīng)力旋度(圖中色標(biāo),單位:10-5 N/m3)季節(jié)分布Fig.6 The seasonal distribution of the wind speed(contour line,the units:m/s)and the wind stress curl(color patch,units:10-5 N/m3)around the Nansha Islands sea area during the survey in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.su mmer;c.autu mn;d.winter

4.3 風(fēng)應(yīng)力引起的Ek man水平輸運(yùn)

很多學(xué)者[19,24-25]研究南海深水海盆時(shí)指出受季風(fēng)影響,冬季溫躍層深度呈現(xiàn)西北部較深厚、東南部較為淺薄的分布結(jié)構(gòu),夏季東南部較深厚,西北部較淺薄。而南沙群島海域卻并未表現(xiàn)出如此分布形態(tài),冬季東南部較厚,夏季整個(gè)調(diào)查海域溫躍層上界深度分布大體一致。表明Ek man水平輸運(yùn)對南沙群島海域溫躍層上界深度影響不是主要因素。

4.4 中尺度渦和海流

潘愛軍和劉秦玉[23]研究北太平洋副熱帶西部模態(tài)水時(shí)指出中尺度的暖渦能夠加深混合層厚度,相反冷渦起到抑制減弱混合層厚度的作用。此外,海流的平流作用可以使得不同性質(zhì)的水團(tuán)相互混合,溫躍層上界深度和厚度也會發(fā)生改變。大尺度的環(huán)流引起海水的輻聚或輻散同樣能改變溫躍層上界深度及厚度[7-11,25]。

春季中南半島東部外海海表水位為高值異常中心,表明中南半島東部外海存在一中尺度暖渦(圖7a)。該暖渦引起該海域如圖2所示的溫躍層上界深度加深。蔡樹群等[9]的研究結(jié)果顯示春季南沙群島海域中部出現(xiàn)一東北向強(qiáng)流,強(qiáng)流以北存在一反氣旋環(huán)流,與此暖渦位置一致。東南海域海表水位差異不大,表明中尺度渦現(xiàn)象不明顯。溫躍層上界深度在巴拉巴克海峽北部出現(xiàn)一較大值區(qū)域,Cai等[10]分析1994年春季數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)該海域?yàn)榕畢^(qū),冬季殘留在此的反氣旋環(huán)流使得暖水下壓,溫躍層上界深度加深。

夏季整個(gè)調(diào)查海域海表水位高度差異未出現(xiàn)顯著的中尺度渦現(xiàn)象(圖7b)。但南沙群島海域環(huán)流結(jié)構(gòu)為一個(gè)大的反氣旋[8,11],反氣旋環(huán)流使得中心海水輻聚下壓,故中部溫躍層上界深度較厚。就局部而言,溫躍層上界深度在東北部和西南部出現(xiàn)兩個(gè)小值區(qū),原因是在東北部存在一南沙中西部氣旋、西南部存在萬安氣旋[8,11],氣旋環(huán)流使得海水上升輻散。

圖7 2013年調(diào)查期間南沙群島海域海表面高度異常季節(jié)分布Fig.7 The seasonal distribution of the sea surface height anomaly around the Nansha Islands sea area during the survey in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.su mmer;c.autu mn;d.winter

秋季中南半島及加里曼丹島等近岸海域海表水位低,南沙群島海域海表水位高(圖7c),表明整個(gè)南沙群島海域?yàn)橐粋€(gè)大的暖渦結(jié)構(gòu)。暖渦伴隨反氣旋式環(huán)流生成,故調(diào)查海域溫躍層上界深度均被反氣旋環(huán)流產(chǎn)生的海水輻聚下壓,深度較夏季整體增加15 m。

冬季中南半島及加里曼丹島等近岸海域海表水位高,南沙群島海域海表水位低(圖7d),表明調(diào)查海域?yàn)橐淮蟮睦錅u。冷渦伴隨氣旋式環(huán)流生成,故調(diào)查海域溫躍層上界深度均被氣旋式環(huán)流產(chǎn)生的海水涌升而抬升。吳日升等[26]在1998年的南海冬季全海域調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)南沙群島海域?yàn)橐粴庑江h(huán)流結(jié)構(gòu)。就局部現(xiàn)象而言,調(diào)查海域西北部出現(xiàn)溫躍層上界深度最小值區(qū),原因是受南沙氣旋影響,中部出現(xiàn)溫躍層上界深度最大值區(qū),原因是受反氣旋影響[8,11]。

綜上,造成春季溫躍層上界深度西高東低的機(jī)理為:調(diào)查海域北部凈熱通量相對較小,層結(jié)較弱。同時(shí)風(fēng)速大,使得上層混合加強(qiáng)。風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值,利于溫躍層上界深度加深。此外,中南半島東部外海的中尺度暖渦和反氣旋式環(huán)流利于溫躍層上界深度加深;加里曼丹島的南部近岸海域風(fēng)速小于北部,小風(fēng)速造成的海洋渦動混合弱,且靠近加里曼丹島的南部近岸海域風(fēng)應(yīng)力旋度為正值,Ek man抽吸效應(yīng)易誘發(fā)深層水上涌。深層水上升將使得溫躍層上界深度抬升變淺,溫躍層厚度增加。巴拉巴克海峽北部海域出現(xiàn)一溫躍層上界深度大值區(qū),原因是冬季殘留的反氣旋環(huán)流影響。

夏季,調(diào)查海域10°N以北Ek man抽吸效應(yīng)易于底層水上涌,但風(fēng)速較大,增強(qiáng)了海洋上層混合,兩者作用相互削弱。10°N以南風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值,易于表層海水輻聚下沉,但南部海域風(fēng)速較小,產(chǎn)生的海洋渦動混合弱,故整個(gè)調(diào)查海域溫躍層上界深度較為均勻。就局部而言,中部溫躍層上界深度相對較深是受大的反氣旋環(huán)流作用。

秋季,整個(gè)南沙群島海域?yàn)橐慌瘻u結(jié)構(gòu)。暖渦伴隨反氣旋式環(huán)流生成,溫躍層上界深度被反氣旋環(huán)流產(chǎn)生的海水輻聚下壓,深度較夏季平均增加15 m。

冬季,南沙群島海域風(fēng)應(yīng)力旋度引起的Ek man抽吸和氣旋式環(huán)流產(chǎn)生的海水涌升占主導(dǎo),抵消了海洋失熱及強(qiáng)風(fēng)引起的渦動混合效應(yīng),最終使得溫躍層上界深度較秋季抬升15 m。

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

由前面的分析可知,凈熱通量僅在春季與溫躍層上界深度有較好的對應(yīng)關(guān)系。其他季節(jié)均非重要影響因素。這與南海中、北部的結(jié)論[12-13]不一致?？赡芊从沉藘魺嵬吭谀仙橙簫u海域?qū)剀S層的影響并不重要。造成的原因可能是南沙地處熱帶邊緣海,這里太陽輻射等熱通量的季節(jié)變化沒有南海中、北部海域強(qiáng)。

溫躍層的平均厚度幾乎無季節(jié)變化,只有春季較夏、秋、冬季略薄8 m左右。可能反應(yīng)了溫躍層底部水體環(huán)境穩(wěn)定。根據(jù)溫躍層上界深度及厚度平均值,筆者繪制了溫躍層底部140 m層的溫度分布。

由圖8可知,調(diào)查海域溫度在該層的季節(jié)分布基本上都為中部海域高溫,四周相對低溫,且溫度變化范圍小。該結(jié)果印證了調(diào)查海域溫躍層底部水體環(huán)境穩(wěn)定的猜測。

圖8 2013年南沙群島海域140 m層溫度分布Fig.8 The seasonal distribution of the temperature at 140 mlayer around the Nansha Islands sea area in 2013 a.春;b.夏;c.秋;d.冬a.Spring;b.summer;c.autumn;d.winter

5.2 結(jié)論

本文利用2013年在南沙群島海域開展的春、夏、秋、冬四季調(diào)查數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù),揭示了該海域溫躍層的季節(jié)變化特征:

(1)溫躍層上界深度的季節(jié)分布為:春季西深東淺,夏季分布整體較為均勻,秋季較其他季節(jié)平均加深15 m,冬季除調(diào)查海域東北、西南部海域小于45 m外,中部海域均大于45 m。調(diào)查海域上界深度平均值春、夏、冬季幾乎一致,介于45～47 m,秋季最大,達(dá)60 m。

(2)溫躍層厚度季節(jié)分布為:春季由北向南呈深-淺-深-淺的形態(tài);夏季呈中心厚四周薄,最大值超過150 m;秋季大體呈中部厚南北薄;冬季為中部薄四周厚。溫躍層厚度平均值夏、秋、冬季基本一致,介于85～87 m之間。春季相對較小,為78 m。

(3)溫躍層強(qiáng)度季節(jié)分布為:春季由北向南呈強(qiáng)-弱-強(qiáng)的形態(tài);夏季大體呈中間弱四周強(qiáng);秋季總體上為中部弱南北強(qiáng);冬季為中心區(qū)域強(qiáng)四周弱。西南部淺水陸架區(qū)常年溫躍層強(qiáng)度較強(qiáng),強(qiáng)度值大于0.15℃/m。

(4)調(diào)查海域溫躍層上界深度季節(jié)變化的形成機(jī)理為:春季西深東淺是由于西部凈熱通量相對較低、大風(fēng)速、負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度以及中南半島東部外海的中尺度暖渦和反氣旋環(huán)流協(xié)同作用,東部近岸海域凈熱通量高、風(fēng)速相對小、且風(fēng)應(yīng)力旋度引起的Ek man抽吸效應(yīng)易使得溫躍層上界深度抬升變淺;夏季分布較均勻的原因是10°N以北風(fēng)致渦動混合強(qiáng)、同時(shí)受Ek man抽吸效影響的相互抑制,10°N以南受風(fēng)致渦動混合弱和風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值的相互抑制。而中部的相對較高值區(qū)是受夏季南沙群島海域大的反氣旋式環(huán)流影響;秋季較其他季節(jié)平均加深15 m是因?yàn)檎麄€(gè)南沙群島海域?yàn)榕瘻u中心,暖渦引起的反氣旋式環(huán)流使得溫躍層上界深度被海水輻聚下壓;冬季正的風(fēng)應(yīng)力旋度產(chǎn)生的Ek man抽吸和冷渦引起的氣旋式環(huán)流共同作用,使得溫躍層上界深度較秋季平均抬升15 m。

(5)不同于南海北、中部海域,Ek man平流效應(yīng)及凈熱通量的季節(jié)變化對南沙群島海域溫躍層季節(jié)變化的影響不是很重要。

[1] 邱章,黃企洲.南沙群島海區(qū)溫躍層時(shí)空分布的分析[G]//南沙群島海區(qū)物理海洋學(xué)研究論文集Ⅰ.北京:海洋出版社,1994:64-80.Qiu Zhang,Huang Qizhou.The analysis of the ther mocline temperal-spatial distribution in the sea area of Nansha Islands[G]//The Journal of Physical Oceanography in the Nansha IslandsⅠ.Beijing:China Ocean Press,1994:64-80.

[2] 徐錫禎,邱章,龍小敏.南海溫躍層基本特征及一維預(yù)報(bào)模式[J].海洋與湖沼,1993,24(5):494-502.Xu Xizhen,Qiu Zhang,Long Xiaomin.The radical characteristics and the one-di mensional calculation pattern of the South China Sea t her mocline[J].Oceanologia et Li mnologia Sinica,1993,24(5):494-502.

[3] 何有海,關(guān)翠華,王盛安,等.南海南部熱結(jié)構(gòu)和水溫的垂直分布[G]//南沙群島海區(qū)物理海洋學(xué)研究論文集Ⅰ.北京:海洋出版社,1994:167-177.He Youhai,Guan Cuihua,Wang Sheng’an,et al.The heat structure and the vertical distribution of water temperaturein t he southern South China sea[G]//The Journal of Physical Oceanography in the Nansha IslandsⅠ.Beijing:China Ocean Press,1994:167-177.

[4] 邱章,徐錫禎,龍小敏.1994年9月南沙群島調(diào)查海區(qū)的躍層特征[J].熱帶海洋,1996,15(2):61-67.Qiu Zhang,Xu Xizhen,Long Xiaomin.The characteristics of the sea water transition layer in theinvestigated area of Nansha Islandsin Sept.1994[J].Tropic Oceanology,1996,15(2):61-67.

[5] Chen Dake,Busalacchi A J,Rothstein L M.The roles of vertical mixing,solar radiation,and wind stressin a model si mulation of the sea surface temperature seasonal cyclein the tropical Pacific Ocean[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1994,99(C10):20345-20359.

[6] Mccreary J P,Kundu P K,Molinari RL.A numerical investigation of dynamicsther modynamics and mixed-layer processesin the Indian Ocean[J].Progress in Oceanography,1993,31(3):181-244.

[7] 邱章,蔡樹群.與南沙深水區(qū)溫躍層有關(guān)的海水平均溫度的分布特征[J].熱帶海洋,2000,19(4):10-14.Qiu Zhang,Cai Shuqun.Distribution characteristics of mean sea temperature relative to ther moclinein deep water of Nansha Islands sea area[J].Tropic Oceanology,2000,19(4):10-14.

[8] 方文東,郭忠信,黃羽庭.南海南部海區(qū)的環(huán)流觀測研究[J].科學(xué)通報(bào),1997,42(21):2264-2271.Fang Wendong,Guo Zhongxin,Huang Yuting.A study on circulation observation in the southern South China Sea[J].Chinese Science Bulletin,1997,42(21):2264-2271.

[9] 蔡樹群,龍小敏,陳榮裕,等.春季南沙群島海區(qū)環(huán)流結(jié)構(gòu)的探討[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2004,23(2):37-44.Cai Shuqun,Long Xiao min,Chen Rongyu,et al.A study on circulation structurein springin Nansha Islands sea area,South China Sea[J].Journal of Tropical Oceanography,2004,23(2):37-44.

[10] Cai Shuqun,Long Xiaomin,Wang Shengan,et al.Spring upper war m water of the Nansha Islands sea areain the South China Sea and the nu merical study on its dynamic mechanism[J].Chinese Science Bulletin,2006,51(SⅡ):38-44.

[11] Fang Wendong,Fang Gonghong,Shi Ping,et al.Seasonal structures of upper layer circulationin the southern South China Seafromin situ observations[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2002,107(C11):3202.

[12] Liu Qinyu,Jia Yinglai,Liu Penghui,et al.Seasonal and intraseasonal t her mocline variability in the central South China Sea[J].Geophysical Research Letters,2001,28(23):4467-4470.

[13] 陳希,沙文鈺,李妍.南海北部海區(qū)溫躍層分布特征及成因的初步分析[J].海洋預(yù)報(bào),2001,8(4):9-17.Chen Xi,Sha Wenyu,Li Yan.The elementary analysis for the distribution character of t her mocline in the area of Sout h China Sea[J].Marine Forecasts,2001,8(4):9-17.

[14] 周發(fā)琇,丁潔,于慎余.南海表層水溫的季節(jié)內(nèi)振蕩[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1995,25(1):1-6.Zhou Faxiu,Ding Jie,Yu Shenyu.The inerseasonal oscillation of sea surface temperaturein t he South China Sea[J].Jour nal of Ocean University of Qingdao,1995,25(1):1-6.

[15] 周發(fā)琇,高榮珍.南海次表層水溫的季節(jié)內(nèi)變化[J].科學(xué)通報(bào),2001,46(21):1831-1837.Zhou Faxiu,Gao Rongzhen.Theinerseasonal variation of the subsurface temperaturein the South China Sea[J].Chinese Science Bulletin,2001,46(21):1831-1837.

[16] Liu Qingyu,Yang Haijun,Wang Qi.Dynamic characteristics of seasonal ther mocline in the deep sea region of the South China Sea[J].Chinese Journal of Oceanology and Li mnology,2000,118(2):104-109.

[17] 蘭健,鮑穎,于非,等.南海深水海盆環(huán)流和溫躍層深度的季節(jié)變化[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2006,24(4):436-445.Lan Jian,Bao Ying,Yu Fei,et al.Seasonal variabilities of the circulation and ther mocline depth in the South China Sea deep water basin[J].Advances in Marine Science,2006,24(4):436-445.

[18] 宋利明,張禹,周應(yīng)祺.印度洋公海溫躍層與黃鰭金槍魚和大眼金槍魚漁獲率的關(guān)系[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào),2008,32(3):369-378.Song Li ming,Zhang Yu,Zhou Yingqi.The relationships bet ween thether mocline and the catch rate of Thunnus albacares and Thunnus obesusin t he high seas of the Indian Ocean[J].Jour nal of Fisheries of China,2008,32(3):369-378.

[19] 張義鈞,范文靜,駱敬新,等.GB/T 12763.7-2007海洋調(diào)查規(guī)范第7部分:海洋調(diào)查資料交換[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.Zhang Yijun,Fan Wenjing,Luo Jingxin,et al.GB/T 12763.7-2007 The specifications for oceanographic survey-Part 7:Exchange of oceanographic survey data[S].Beijing:China Standards Press,2007.

[20] 姜波,吳新榮,丁杰,等.南海溫躍層深度計(jì)算方法的比較[J].海洋通報(bào),2016,35(1):64-73.Jiang Bo,Wu Xinrong,Ding Jie,et al.Comparison on the methods of deter mining t he depths of ther mocline in the South China Sea[J].Marine Science Bulletin,2016,35(1):64-73.

[21] 吳巍,方欣華,吳德星,等.南海南部海區(qū)的障礙層[J].科學(xué)通報(bào),2001,46(7):590-594.Wu Wei,Fang Xinhua,Wu Dexing,et al.The barrier layer in the sout hern sea area of the South China Sea[J].Chinese Science Bulletin,2001,46(7):590-594.

[22] 蔣國榮,郝少東,杜濤,等.南海北部溫躍層逐月變化特征分析[J].海洋預(yù)報(bào),2011,28(3):40-45.Jiang Guorong,Hao Shaodong,Du Tao,et al.Monthly variabilities of the ther mocline in the northern South China Sea[J].Marine Forecasts,2011,28(3):40-45.

[23] 潘愛軍,劉秦玉.北太平洋副熱帶西部模態(tài)水形成區(qū)海洋渦旋對冬季垂直混合過程的影響[J].科學(xué)通報(bào),2005,50(14):1523-1530.Pan Aijun,Liu Qinyu.The effection of the ocean eddy for med in subtropical wester n mode water in t he North Pacific on the vertical mixing process in winter[J].Chinese Science Bulletin,2005,50(14):1523-1530.

[24] 方雪嬌,王彩霞,徐佳佳.南海溫躍層深度的季節(jié)和年際變化特征[J].海洋湖沼通報(bào),2013(3):45-55.Fang Xuejiao,Wang Caixia,Xu Jiajia.Seasonal and interannual variations of the ther mocline depth in the Sout h China Sea[J].Transactions of Oceanology and Li mnology,2013(3):45-55.

[25] 施平,杜巖,王東曉,等.南?；旌蠈幽暄h(huán)特征[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2001,20(1):10-17.Shi Ping,Du Yan,Wang Dongxiao,et al.Annual cycle of mixed layer in South China Sea[J].Journal of Tropical Oceanography,2001,20(1):10-17.

[26] 吳日升,郭小鋼,李立.1998年冬季南海的海洋水文特征與環(huán)流[J].海洋學(xué)報(bào),2002,24(S1):142-153.Wu Risheng,Guo Xiaogang,Li Li.Winter hydrographic condition and circulation of the South China Seain 1998[J].Haiyang Xuebao,2002,24(S1):142-153.

The seasonal variation of the ther mocline and its for mation mechanismin the sea area around Nansha Islands in 2013

Tian Yongqing1,2,Huang Honghui2,Gong Xiuyu2,Yu Shao mei2,Jing Chunsheng1,Gao Lu1

(1.Thir d Institude of Oceanogr aphy,State Oceanic Ad ministration,Xiamen 361005,China;2.Guangdong Provincial Key Laborator y of Fisher y Ecology and Environ ment/Key Laborator y of Open-sea Fisher y Exploitation,Ministry of Agriculture,South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Guangzhou 510300,China)

With the survey and remote sensing data,we revealed the seasonal characteristics of the ther mocline in the sea area around Nansha Islands sea area in 2013.Specifically,the mean value of the ther mocline upper-bounds depth was al most the samein spring,su mmer and winter,which was around 45 to 47 m,and it was maxi mu min autu mn which was as deep as 60 m.For the ther mocline thickness,in the seasons of su mmer,autu mn and winter it demonstrated al most the same mean value ranging from 85 to 87 m,while a slightly s maller value of 78 m was found in spring.The mean value of the ther moclineintensity was al most the same throughout the year fro mspring to winter,which ranged fro m0.13 to 0.15℃/m.The for mation mechanis mof such seasonal characteristics of thermocline upper-bounds depth was also revealed.In spring,it was deep in the west whereas shallowin the east.This is because that the western area was controlled by relatively low net heat fluxes,high wind speeds and the negative wind stress curl,and it is also influenced si multaneously by the mesoscale war meddy and the anticyclonic circulation fro mthe coastal area off the eastern Indo-China Peninsula;contrarily,the eastern area was controlled by relatively high net heat fluxes,low wind speed as well as the Ek man pu mping effect induced by the wind stress curl.In su mmer,the depth was al most unifor mfro m west to east.It was because that,in the north of 10°N,the wind-induced vortex mixing,though being strong,was under mined by the Ek man pu mping,whereasin the south of 10°N the wind-induced vortex mixing,which although was weak,was affected by the negative wind stress curl.In autu mn,the mean depth was 15 m deeper than thosein the other three seasons.The reason was that the sea area of Nansha Islands was controlled by a war m eddy which induced the anticyclonic circulation that subsequently deepened the ther mocline upper-bounds depth through the convergence of upper layer seawater.When it came to winter,the Ek man pu mping induced by the positive wind stress curl and the cyclconic circulation caused by the cold eddy worked together,which lifted up the mean value of the ther mocline upper-bounds depth by 15 m compared with that in autu mn.

the Nansha Islands sea area;ther mocline;wind stress curl;Ek man pu mping

P731.24

A

0253-4193(2017)12-0020-12

田永青,黃洪輝,鞏秀玉,等.2013年南沙群島海域溫躍層的季節(jié)變化及形成機(jī)理[J].海洋學(xué)報(bào),2017,39(12):20-31,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.003

Tian Yongqing,Huang Honghui,Gong Xiuyu,et al.The seasonal variation of the ther mocline and its for mation mechanismin the sea area around Nansha Islands in 2013[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):20-31,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.003

2017-02-03;

2017-06-30。

廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(LFE-2015-5);國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2016YFC1402607);農(nóng)業(yè)部財(cái)政重大專項(xiàng)(NFZX2013);南海物理海洋與海洋氣象科學(xué)考察歷史資料整編(2017FY201402);國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(海三科2013035)。

田永青(1985—),男,河北省石家莊市人,助理研究員,主要從事南海環(huán)流動力學(xué)研究。E-mail:tianyongqing@tio.org.cn

*通信作者:黃洪輝(1972—),男,江西省南昌市人,研究員,主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究。E-mail:huanghh@scsfri.ac.cn