很多学者都对南海环流进行了研究, 认为南海东北部环流的主要影响因素是季风驱动和黑潮的水交换。受季风影响, 南海冬季呈一个气旋式的环流、夏季基本呈一个反气旋环流^[10]。北赤道流(North Equatorial Current, NEC)在达菲律宾沿岸后, 由于地形阻隔而发生分叉并形成2支经向西边界流, 其中向北流动的即为黑潮, 因此, NEC的分叉位置对于黑潮的水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用, 而黑潮的输运量又与吕宋海峡水交换量及黑潮入侵南海北部的方式相关^[11]。因此, 黑潮在吕宋海峡的强度和位置随时间变化明显^{[12, 13]}。Caruso等^[14]通过研究卫星数据及ASIAEX的数据, 按照黑潮入侵的纬度, 将1997— 2005年各年间分别观测到的黑潮入侵南海方式划分为3种类型：①以分支形式深入南海, 之后沿陆架断层流向西南部; ②在北部入侵, 主要发生在台湾近岸, 产生一个较弱的气旋涡, 侵入南海海盆距离较短; ③在南部入侵, 主要发生在台湾海峡中部, 产生一个反气旋流套, 并常分离出中尺度涡, 入侵南海海盆距离较深(图1)。

Fig.1

图1

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Fig.1 chematic showing the different types of Kuroshio intrusions[14]Curve 1 (grey)：The mean position of the Kuroshio as it partially enters the Luzon Strait. Curve 2a (thick, solid)：The South China Sea Branch of the Kuroshio enters and flows southwestward along the shelf break; Curve 2b (short dashed)：An anticyclonic loop current is formed by the Kuroshio before its returning to the mean path; Curve 2c (long dashed)：An anticyclonic eddy detached from the type 2b intrusion; Curve 3 (thin, solid)：The Kuroshio enters in the northern part of the strait and forms a cyclonic circulation before returning to the mean path图1 黑潮入侵的不同类型[14]1（灰色）黑潮进入中国南海的平均位置; 2a（粗实线）黑潮进入中国南海分支, 之后沿陆架断层流向西南; 2b（短虚线）黑潮在返回平均路径前形成的反气旋流套; 2c（长虚线）从2b方式入侵后分离出来的反气旋涡; 3（细实线）黑潮从菲律宾吕宋岛北部进入南海, 在返回平均路径前形成气旋涡

除了表层流场可能由于黑潮入侵南海东北部而导致流场存在水平的流速剪切外, 至少在吕宋海峡附近海区的海流也存在着垂向上的剪切, 例如有时表现为上层和底层的海流往西进入南海、中层的海流则往东进入太平洋的“ 三明治” 结构^[15], 而有时即使海流垂直上同向、但出现上、中层流速较强而往下层则流速迅速衰减的垂向剪切结构^[16]。

南海环流的另一个主要特征是存在多涡结构, 其形成和演变与大尺度海盆环流、中尺度主要流系之间的质量和能量交换过程密切相关, 中尺度涡在南海环流体系中起了关键作用。由于各种原因, 历史水文资料反演的动力高度场未能较好地反映中小尺度的涡旋特征; 通过分析现场观测资料虽然可以得到涡旋细结构和垂直结构, 但由于资料数量、时限和数据同步性的限制, 较难获得对南海中尺度涡的全局性认识。Hwang等^[17]最早使用1993— 1999年的绝对动力高度等值线识别涡旋, 得到7年间南海大约有218个涡, 其中94个冷涡, 124个暖涡; 平均冷/暖涡的涡度分别为1.684× 10^-6和-1.738× 10^-6rad/s。Chen等^[6]统计得到17年的南海涡旋的产生数目分布, 其中包括434个反气旋涡和393个气旋涡。根据多年卫星高度计资料统计南海所出现的涡旋结果^{[18, 19]}还表明：在东北季风期间台湾岛以南生成的多为反气旋涡, 涡旋移动距离一般较短; 而在吕宋岛西北部, 东北季风期间多生成气旋涡, 西南季风期间多生成反气旋涡; 南海一半以上的中尺度涡产生于冬季, 其中大部分来自南海东岸; 南海平均每年出现18个涡旋, 出现数量和年际变化和ENSO现象有一定关系^[20]。

南海东北部所呈现的多涡结构受季风、黑潮和地形等因素的影响：①从风应力因素来看, 海洋通过大尺度风应力的 Ekman抽吸作用获得位能, 在一定条件下所获取的位能可以转换成中尺度涡的动能, 例如：Chu等^[21]指出南海的中尺度涡可能由风应力旋度激发; Metzger^[22]认为, 冬季吕宋岛西北海区生成的气旋涡与盛行的当地正风应力旋度有关; Yang等^[23]也认为这些气旋涡是由于风应力强迫所产生, 并以Rossby波形式传播; Nof等^[24]发现在南海东北部由于东北季风引起的涡旋快速形成并迁移, 其迁移速度为10~20 cm/s, 远大于绝大部分类似尺度的涡旋移动速度。②从黑潮因素来看, 黑潮在吕宋海峡也可能形成如墨西哥湾那样的“ 流套” 结构并分离出中尺度反气旋涡^{[25, 26]}; 由于在吕宋海峡的黑潮入侵而导致反气旋涡从黑潮脱落的现象主要发生在12月至次年3月, 其中一些涡旋以约10 cm/s的速度向西移动, 且冬季脱落的涡旋比夏季的要强大^[27]; 或者, 因黑潮西侧的正涡度平流输入导致在南海激发周期性的气旋涡^[28]。③岛屿地形的诱导可能是一个重要因素, 有研究表明, 黑潮与吕宋海峡中的巴布延岛作用可以产生反气旋涡, 该反气旋涡能够向西移动^[26]; 此外, 风与陆地地形的相互作用所形成的风应力旋度或者地形风应力直接作用产生的局地风急流也可能是南海东部中尺度涡产生的重要因素^[29]。

南海东北部是一个内潮波显著的海区^[30], 且其季节性变化明显。观测研究结果表明, 在东沙群岛附近海区的内潮以全日内潮为主^[31], 全日内潮O₁和K₁比半日内潮M₂和S₂成分占优; 与秋季层结程度较高相比较, 冬季海水层结减弱, 内潮强度相应减弱; 但在吕宋海峡西部的深海, 研究发现该海域的半日内潮无季节性变化规律, 但是全日内潮则呈现夏冬强、春秋弱的季节性变化, 该季节性变化规律主要是由于吕宋海峡全日潮调制而产生的, 与季节性跃层无关^[32]。

最近的研究表明, 由于南海东北部全日内潮与半日内潮活动都较强盛, 内潮之间的非线性相互作用及其破碎引起海洋内部混合大大增强。通过锚定潜标观测数据分析发现, 低频内潮波之间通过参数化次谐波不稳定(Parametric Subharmonic Instability, PSI)机制产生了一系列的高频潮谐波, 能量从内潮转移到高频波; M2内潮的PSI机制主要产生两种频率不同的次谐频波：频率约等于M1的全日内波和频率明显不等于M1的近惯性波, 两个高模态的全日内波与一个低模态的半日M2波构成了一组PSI共振三合波, 能量从M2转移到了全日内波; 此外还观测到半日内潮波在海洋上层入射波与反射波之间强烈的非线性相互作用, 并致使内潮波破碎, 把内潮波的势能转化成动能, 引起海流突然增大现象, 最大增速达到0.4 m/s, 半日内潮能量转移时间为2.5天。在此过程中伴随着海流的强烈剪切从而引起内潮波破碎, 由此引发海洋内部强烈的垂向混合^{[33, 34, 35]}。

Duda等^[36]根据亚洲国际海洋声学实验的数据也发现了南海东北部存在明显的全日内潮及相对较弱的半日内潮, 且内潮在传播途中可逐渐破碎并演变出很多非线性高频内波, 并认为观测到的全日内潮是局地生成的, 而半日内潮则可能生成于吕宋海峡后向西传播至南海东北部海域。内潮可通过线性变陡^[37]或非线性变陡^{[38, 39]}等机制激发产生强非线性内孤立波^[40]。

南海东北部也是一个内孤立波十分活跃的海区。早在20世纪70年代, Fett等^[41]就从卫星图片中发现在东沙群岛附近存在着内孤立波。许多学者通过利用多源的卫星遥感图像对南海北部海洋内波的空间分布特征进行了统计^{[38, 42~44]}, 结果表明：内孤立波主要分布在吕宋海峡至东沙群岛之间的海域（图2）, 该海域一年四季均有内孤立波出现, 但存在着明显的季节变化规律^{[45, 46]}, 夏季最多, 因为夏季强而浅的温跃层有利于内孤立波生成, 冬季最少, 因为冬季深的混合层则会抑制其生成; 具体在每月中, 理论上每天内孤立波都有可能发生, 但在观测到的内孤立波大部分分布于新月和满月之日, 这与潮流在该时段属于大潮期潮流强度较大有关^[44]; 大部分内孤立波在从吕宋海峡向西传播至东沙群岛附近的珊瑚礁海区时发生折射, 一些则撞击陆架且小部分被反射; 在陆架坡附近, 内孤立波的传播方向普遍与地形等值线相垂直^[47]。

图2

Fig.2

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	图2 多年遥感图片统计得到的自吕宋海峡至南海东北部内孤立波分布[48]Fig.2 Distribution of internal solitary waves in the northeastern South China Sea acquired from multi-year satellite images

20世纪90年代初由于海上石油公司在陆丰外海进行石油勘探时因受内孤立波的破坏性影响, 才开始引起人们对该海域内孤立波研究的重视并逐步开展现场观测^[3]。观测仪器包括从常规的ADCP流速剖面仪、温度链、CTD到新近的倒立式回声探测仪PIES^[48]等, 观测网点也从零星锚定潜标或单点系泊观测发展为阵列网络式观测, 其中包括大型的国际联合观测试验ASIAEX和WISE^[8]。观测范围也从吕宋海峡到海南岛附近。通过多源的数据分析研究结果表明：从吕宋海峡到东沙群岛之间的海域所观测到的内孤立波强度较大, 以向下凹陷波波型为主, 其波致流速在1.5~2.9 m/s之间^{[49, 50]}, 波的振幅最大可达170 m, 半倍宽度为3 km左右, 有时还可观测到内孤立波改变极性的现象, 即在内孤立波从深水处的下陷波型传播至南海北部陆架坡折区时向浅水处的上升波型转换的现象^[51]; 通常它们表现为第一模态, 且存在2种波包类型：A型波包通常振幅较大并且到达观测点的时间比较规则, 最大振幅波为波包的先锋波, 它通常伴随着全日潮日不等较强的时候产生; B型波包通常振幅较小且每天延迟一小时出现, 最大振幅波位于波包中间, 它通常伴随着全日潮日不等较弱的时候产生^[52]。在吕宋海峡以西的观测结果表明, 该处的内孤立波已经发育成熟, 其波致流速大于1.8 m/s, 波的振幅约为200m^[53]。观测结果还表明, 南海夏季出现的内孤立波以斜压第一阶模态波为主, 而冬季出现的内孤立波则以斜压第二阶模态波为主^[54]。不同模态内波的产生实际上与水体垂向层结结构的变化有很大关系^[55]。

为了从动力学上揭示内孤立波的形成机制和传播演变规律, 内孤立波的数值模拟模式主要包含传播模式、生成和传播模式两类, 它们从最初的一维、二维向目前的三维发展。其中的内孤立波传播数值模式包含基于KdV, eKdV, mKdV和RLW方程模式^{[42, 56~59]}, 模拟并解释了卫星遥感图片中所呈现的内孤立波从深海向浅海传播时的极性转变、以及在传播过程中经过东沙群岛时迎岛一面的波序列反射和背岛一面波序列的衍射— 折射— 断裂— 重新汇合成新的波序列等过程。而内孤立波生成和传播模式主要用来解释南海北部吕宋海峡内孤立波生成的动力机制, 其中包括：背风波形成机制^[60]、背风波因强潮流湍动混合坍塌机制^[44]、内潮波导及背风波联合机制^[46]、内潮释放机制^[61]、内潮凹陷线性变陡机制^[37]、内潮凹陷非线性变陡及背风波联合机制^[39]等。

在内孤立波的生成过程中, 海脊坡度特征、潮流强度、水体层结程度乃至背景流的流向等因素对所激发的内波强度、振幅和传播方向等均有重要的影响; 同时, 吕宋海峡附近由东部较浅的兰屿海脊与西部较深的恒春海脊构成的双峰地形可能对所诱生的内波模态（如第一或第二模态）、类型（A或B型波）、强度、能量转换规律等起重要作用^{[37, 55, 62~65]}; 此外, 南海北部水体层结的季节性变化也是影响内孤立波生成的另一个重要因素^{[46, 66]}。夏季强而浅的温跃层有利于内孤立波的生成, 而冬季深的混合层则会抑制其生成。Zheng等^[45]认为, 只有局地初始扰动得到充分成长的内波才能够离开源地而传播; 由于受到诸多因素影响, 吕宋海峡以东靠近太平洋一侧的初始扰动很难充分成长, 从而难以离开源地向东传入太平洋。最后, 地转效应对于内孤立波的传播路径、波峰线形状的不对称性也有一定的影响^{[48, 57]}。

如前所述, 在南海东北部变化复杂的海流（图1）和中尺度涡（图2）背景流场下, 抛开背景剪切流场或者将中尺度涡而假设背景场为静止的做法来研究内潮和内孤立波显然不能真实地揭示或解释内波的生成和演变规律, 更难以奢谈厘清流场与内波之间的能量交换特征和规律。

目前关于流场与内波之间的相互作用研究仍甚少, 也是目前研究的重要话题^[67]。虽然Cai等^[68]通过线性理论分析还表明, 背景流场特别是具有一定剪切的流场对于内波的垂向结构有重大影响, 其影响程度取决于海流对水深的二次偏导数的大小、波速和浮力频率, 这种影响有时会导致内波随深度严重衰减, 改变其相速度、非线性参数等参数, 并引起上层水体的内波随深度严重衰减, 但垂向剪切的流场对内孤立波的影响如何难以通过线性理论来分析研究。尽管目前已有一些关于流场对内波影响的研究结果, 例如, 通过对南海吕宋海峡内孤立波的数值模拟结果表明：背景流场（包括黑潮入侵强度或方式）的变化可以影响吕宋海峡内孤立波的生成^{[44, 60]}; 吕宋海峡黑潮入侵位置和背景流场的影响是导致出现大多数观测到的内孤立波是向西传入南海、而不是传入太平洋的现象的一个原因^{[61, 63]}; 对于吕宋海峡西向传播的内潮波, 考虑黑潮向北流动时的内波振幅明显比不考虑时的要增强, 而对于东向传播的内潮波, 考虑黑潮向北流动时的内波振幅明显比不考虑时的要减弱^[69]; 黑潮的季节性变化与南海非线性内波的季节性出现频率是一致的^[70], 黑潮入侵南海所致的西向流将导致内潮振幅的减小, 从而促使内孤立波的减弱或消失; 背景流场对内波的传播路径也有一定的影响, 如Park等^[71]研究表明, 南海东北部冬季在考虑黑潮入侵背景流和不考虑黑潮入侵背景流2种情况下内波传播的波峰线分布存在着很大的差异; 此外, 实测结果^[72]也表明, 在恒春海脊产生的第二模态内孤立波在向西传播入南海的过程中, 可能在离开海脊不远处就被东北向流动的强大黑潮背景流所拦截、混合而破碎。但是上述关于流场对内波生成或传播演变的影响研究都没有真正地考虑水平或垂向剪切背景流场的作用（而是采用水平或垂向均匀的背景流场来代替）, 而实际上如前所述, 在吕宋海峡这个内波发生源地的海区, 海流由于黑潮入侵使得三维流场既存在水平也存在垂向的剪切结构, 因此前人的研究既未揭示垂向剪切背景流场对内波生成的影响机制、也未厘清水平或垂向剪切流场对内波传播演变影响的特征和规律。其次, 关于中尺度涡如何影响内波也是目前值得关注的重要话题。Krauss^[73]研究表明, 对于一个扰动的涡旋场, 它将相应地激发出波动的内潮波, 而内潮波有可能通过线性或非线性凹陷变陡机制演变成为内孤立波^{[37, 38]}; Polzin^{[74, 75]}根据中部大洋动力学试验数据来研究内波— 中尺度涡的相互作用, 表明两者通过水平相互作用既是涡旋的一个重要的汇, 而且中尺度涡可以为内波提供O（1）量级的能源收支; Xu等^[76]根据SAR卫星遥感图片的分析研究了挪威远岸处中尺度涡激发内波的现象, 并通过线性理论解释其动力机制。Liao等^[77]还根据eKdV模式方程探讨了内孤立波穿越中尺度涡过程中的形变等效应, 但其中假设中尺度涡是静止的。因此, 对于中尺度涡旋活跃的南海东北部, 这些移动的中尺度涡能否激发内潮或如何影响内波场?气旋涡和反气旋涡对内波的影响有何差异?这些问题十分值得我们进行系统地探讨。

综上所述, 目前仍有下述3个关键科学问题亟待解决：在南海东北部, ①具有水平或垂向剪切的背景海流如何影响内潮、内孤立波的生成和传播演变?②中尺度涡能否激发内潮（即是否是形成内潮的一种机制）?它们如何影响内潮、内孤立波的生成和传播演变规律?③作为上述2个研究内容的延伸是：背景流场（海流与涡旋）与内潮、内孤立波之间能量的转换规律和相互作用关系如何?

针对前述3个关键科学问题, 有必要通过收集南海东北部的多源实测和遥感资料, 同时建立阵列潜标观测系统对该海域的背景流场和内波现象进行长期定点观测^[78], 对南海东北部流场和中尺度涡旋进行识别、结合遥感资料所提取的内波表面谱签名特征来发现南海东北部海流— 内波、涡旋— 内波相互作用的特征和规律, 通过理论分析和数值模拟等手段来揭示南海东北部背景剪切流/涡旋对内潮/内孤立波的生成、传播演变过程的影响以及两者之间的能量转换规律和相互作用。