地球科学进展  2018 , 33 (3): 270-280 https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.03.0270

研究论文

南海西边界急流影响下的近惯性振荡特征分析

江森汇1, 吴泽文2, 舒勰俊3

1.广州航海学院航务工程学院,广东 广州 510725
2.热带海洋环境国家重点实验室,中国科学院南海海洋研究所,广东 广州 510301
3.国家海洋局南海规划与环境研究院,广东 广州 510310

Characteristics of Near-inertial Oscillation Influenced by Western Boundary Current of South China Sea

Jiang Senhui1, Wu Zewen2, Shu Xiejun3

1.School of Harbor Engineering, Guangzhou Maritime University, Guangzhou 510725, China
2.State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
3.South China Sea Institute of Planning and Environmental Research, State Oceanic Administration, People’s Republic of China, Guangzhou 510310, China;

中图分类号:  P731.24

文献标识码:  A

文章编号:  1001-8166(2018)03-0270-11

收稿日期: 2017-11-9

修回日期:  2018-02-2

网络出版日期:  2018-03-20

版权声明:  2018 地球科学进展 编辑部 

基金资助:  *2017年广东省高等教育“创新强校工程”建设项目“基于ADCP观测资料的湍流应力特征及其影响机制分析”(编号:E410709)资助.

作者简介:

First author:Jiang Senhui(1983- ), male, Taizhou City, Zhejiang Province, Lecturer. Research areas include ocean wave motion and mixing.E-mail:jiangsh_gmi@163.com

作者简介:江森汇(1983-),男,浙江台州人,讲师,主要从事海洋波动与混合研究.E-mail: jiangsh_gmi@163.com

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摘要

在利用南海西沙海域多年声学多普勒流速剖面仪(ADCP)观测流速资料分析近惯性内波运动的生成、传播等演变特征的过程中,发现冬季和夏季的近惯性振荡频率存在整体性的偏移效应。ADCP所处海域位于南海西边界急流区,冬季和夏季的背景环流分别为东北向和西南向,背景环流的方向性差异可能影响近惯性振荡频率的偏移效应。针对背景环流的不同方向,筛选出其对应的近惯性振荡信号,进行合成分析,探讨南海西边界急流如何影响近惯性振荡特征。从背景涡度的角度对这一影响机制做出了解释:夏季时,东北方向背景环流的水平剪切使得局地产生负的背景涡度,近惯性振荡频率往低频方向偏移(“红移”现象);冬季时,西南向背景环流的水平剪切导致局地产生正的背景涡度,近惯性振荡频率往高频方向偏移(“蓝移”现象)。

关键词: 近惯性振荡 ; 偏移效应 ; 背景环流 ; 背景涡度

Abstract

Based on observed velocity data of ADCP for near-inertial wave evolution characteristics of generation and propagation, the difference of shifting effect was found in winter and summer. The background circulation in winter and summer is northeast and southwest, respectively. The diversity of the background flow directions may take an important part in shifting effect of the near-inertial wave motion. According to the different directions of the background circulation, the signals of near-inertial oscillation were screened out and analyzed by synthesis for discussing how the directions of background circulation affected the characteristics of near-inertial oscillation. The mechanism of this effect was explained from the perspective of background vorticity: As the direction of background circulation is the northeast, the background vorticity becomes negative and the effective frequency decreases, the near-inertial oscillation frequency shifts to low frequency band (red shift); contrarily, the background vorticity becomes positive and the effective frequency increases with the southwest background circulation, the near-inertial oscillation frequency shifts to high frequency band (blue shift).

Keywords: Near-inertial oscillation ; Shifting effect ; Background circulation ; Background vorticity.

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江森汇, 吴泽文, 舒勰俊. 南海西边界急流影响下的近惯性振荡特征分析[J]. 地球科学进展, 2018, 33(3): 270-280 https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.03.0270

Jiang Senhui, Wu Zewen, Shu Xiejun. Characteristics of Near-inertial Oscillation Influenced by Western Boundary Current of South China Sea[J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(3): 270-280 https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.03.0270

1 引言

近惯性内波属于海洋内波的一种,其能量主要来源于非稳定风场(比如热带气旋)的能量输入[1,2]和非地转流的地转调整[3,4,5]以及海洋内潮波的次谐频不稳定机制(Parametric Subharmonic Istability,PSI)[6,7,8]。近惯性内波普遍存在于全球海洋中[9],在全球海洋能量收支平衡中起着非常重要的作用[10];近惯性内波及其造成的混合效应影响着海气界面的动量和热量交换过程并引起温跃层的偏移[11],为大洋混合提供了重要的能量来源[12]。从20世纪60年代开始,一些科学工作者通过长时间序列的流场观测资料研究近惯性内波;直到现在,近惯性振荡的生消、演变规律及其产生机制一直是众多海洋学家研究的热点问题。海洋是一个非常复杂的系统,包含着大尺度环流、中尺度涡、中小尺度内波及微尺度混合等多尺度运动。尤其大尺度背景环流、中尺度涡旋和内潮对近惯性振荡的生成、传播、演变过程具有非常显著的调制作用。诸如,大尺度的背景环流能够对近惯性振荡产生频移效应[13];中尺度涡旋的背景涡度影响近惯性振荡能量在垂向上的传播,暖涡比冷涡更有利于近惯性能量穿透混合层下传至海洋深层[14,15];内潮与近惯性振荡发生非线性波波相互作用,导致近惯性振荡能量转移,限制了近惯性振荡流速的成长[16]等。

南海是一个半封闭的边缘海,局地生成和西太平洋传入的热带气旋活动相当频繁(根据历史资料统计,每年平均超过15次),为近惯性振荡的生成提供了前提条件。另外,根据我国近年来在南海投放的海流观测系统所获取的资料显示,南海海域存在显著的近惯性振荡能量。对于南海海域的近惯性振荡,已有不少文献进行了相关报道和研究。这其中,一些是基于观测资料,对某一热带气旋过境导致的近惯性振荡特征进行详细分析[17,18];一些是结合背景中尺度涡旋,从涡度的角度出发分析中尺度涡旋对近惯性振荡生成、传播的影响[19];一些是基于某一热带气旋,探讨内潮和近惯性振荡的波波相互作用以及PSI机制[16,20];还有一些,从时间尺度上分析局地近惯性振荡的季节变化特征[19];另外,还有从数值模拟的角度分析热带气旋激发近惯性振荡的机制[21,22]

无论是从观测角度还是从数值模拟角度,目前南海的近惯性振荡研究主要集中在热带气旋过境激发的近惯性振荡特征分析以及中尺度涡旋、内潮等动力因素对其影响方面,较少涉及南海西边界急流对近惯性振荡的影响,即南海西边界急流发生方向转变后,近惯性振荡特征是如何演变的?由于南海是季风和热带气旋并存的海域,在季风的影响下,南海冬季和夏季环流在方向、强度等方面存在显著差异,尤其是在由吕宋海峡到海南岛,再经由西沙群岛至越南沿岸海域。冬季时,南海海洋上层环流从吕宋海峡出发沿着东北—西南方向向海南岛流动,在西沙群岛附近出现转折,沿着越南沿岸向南偏西方向流动;夏季时,则是从越南沿岸往北流向西沙群岛海域,再转为西南流向东北,到达吕宋海峡附近海域[23]。由于上述原因,南海冬季和夏季的温度、盐度结构特征存在明显差异,进而导致夏季时激发的近惯性振荡和冬季时激发的近惯性振荡之间存在差异性,明确阐述两者之间的差异性对更加深入理解南海海域近惯性振荡的演变规律具有重要意义。本文将利用南海西沙群岛附近海域的长期流速观测资料(2007—2013年),针对南海西边界急流是如何影响近惯性振荡特征这个问题开展研究,以期明确其物理机制。

2 数据处理

2.1 潜标系统观测数据

流速观测数据来自于中国科学院南海海洋研究所自2007年6月在南海西沙群岛海域投放的潜标观测系统,其布放位置参见图1。该潜标观测系统包含2套声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Prolilers, ADCP),文中取位于上层海洋且向上观测的ADCP资料进行分析。

图1   潜标位置及台风路径
红色“★”代表潜标观测系统的投放位置,紫色线表示2007—2013年,过境南海西沙海域的热带气旋的行进路径,包括从西太平洋穿过菲律宾进入南海的和南海局地生成的热带气旋

Fig.1   A map of the ADCP mooring station and typhoons’ track
Location of the ADCP mooring station is marked by a red pentagram.Typhoons’ track are labeled by purple full line

2007—2013年,该潜标观测系统经历了6次投放—回收过程,具体的投放、回收时间以及经度、纬度信息详见表1

表1可以看出,这套潜标观测的时间从2007年8月到2013年12月,每个阶段的布放位置稍有偏差,但偏差距离较小;垂向观测分辨率是8 m或16 m,采样的时间间隔均为1 h。这套潜标观测系统的布放—回收时间基本保持在1年左右,仅有2009年5月到2010年9月的为近一年半时间回收的,但仪器使用正常,观测数据与其他时间段相比也不存在异常情况。另外,潜标观测系统所处的水深为1 400~1 500 m。每个时间段内,上层ADCP的观测距离相差不多,仅在2010年9月至2011年8月,由于布放原因,其ADCP位置比其他时间段内的位置下降将近100 m,所得到的观测深度为137~641 m,使得水深100 m以浅的流速数据缺失。图1中热带气旋数据来自美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)提供的数据,详细信息见Unisys Weather网站(http:∥weather.unisys.com/hurricane/index.php)。

表1   潜标系统搭载的ADCP(75 kHz)观测数据概况

Table 1   The survey of data observed by the ADCP mooring system

序号起始时间终止时间经度(E)纬度(N)观测水深
/m
垂向分辨率
/m
采样间隔
/min
12007/08/202008/08/21110.30°17.11°35~459860
22008/08/222009/05/03110.30°17.12°45~4611660
32009/05/042010/09/04110.39°17.10°37~477860
42010/09/052011/08/23110.41°17.13°137~641860
52011/08/242012/08/22110.43°17.17°62~5421660
62012/08/232013/12/08110.42°17.17°35~539860

注:潜标观测系统所用ADCP的频率是75 kHz,采样时间间隔是60 min

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2.2 近惯性振荡信号的获取

大气强迫导致的近惯性振荡产生于混合层,其85%的能量集中于上层500 m[24],尤其是在200 m以浅的上层水深,其余则可以有效地穿过温跃层,甚至进入海洋深层[25,26],最终耗散消失。为了尽可能保留近惯性振荡特征,取公共段50~250 m水深对ADCP流速资料进行分析,舍弃了2010年9月至2011年8月的观测数据。

众所周知,海水运动是不同尺度、不同频率的动力过程综合作用的结果,海洋流动是低频的大洋环流、潮流、高频的近惯性运动以及其他频率的动力过程共同作用形成的。为了减少其他动力过程对近惯性振荡的干扰,需采用特定的频段对观测得到的海洋流速进行滤波,保留近惯性振荡的信号,去除其他动力过程的信号。因此,首先采用带通滤波器,从流速观测资料中提取近惯性振荡信号,滤波频段设定为0.8~1.2 f;再利用获取的近惯性信号绘出近惯性振荡动能及其标准差分布(图2)。近惯性振荡动能采用以下公式计算:

NIKE=12ρ(ui2+vi2),(1)

式中:NIKE是近惯性振荡动能;uivi分别表示近惯性振荡流速东分量和北分量;ρ是海水密度,采用GODAS月平均温度、盐度数据计算得到的密度剖线。

图2   2007—2013年近惯性动能及其标准差
蓝色实线表示观测水深公共段(50~250 m)垂向平均的近惯性振荡动能,其他实线是各观测时间段内各自的垂向平均近惯性振荡动能;“8.7”代表2007—2013年整体观测资料的3倍标准差值,以此来确定近惯性振荡发生的具体时间段;由于观测水深的原因,舍弃了2010年9月至2011年8月的观测数据

Fig.2   Depth-averaged near-inertial kinect energy and its standard deviation from 2007 to 2013
The blue line represents the depth-averaged near-inertial kinect energy of the common water depth from 50 to 250 meters, and the lines with other color are of each observation period. The standard deviation of common water depth from 50 to 250 m is 8.7 J. The observation data of the period from September 2010 to Augast 2011 are abandoned due to deeper observation water depth

图2可以看出,每个极大值对应近惯性振荡过程或者孤立内波过程,结合热带气旋资料,进一步发现这些极大值的绝大部分与热带气旋的过境有密切关系;只有极个别情况找不到热带气旋与之对应,可能是由孤立波过程引起的。图2中横线上的数字表示3倍标准差的值,根据“3σ定律”来确定观测时间段内较强的近惯性振荡个例。在整个观测时间段内,存在2个特大值:2008年4月(台风0802,威马逊,Rammasun)和2013年11月(台风1330,海燕,Haiyan)这2个近惯性振荡过程,其极值远超过3倍标准差,在后续数据处理过程中将其舍去。从各自水深平均的近惯性振荡动能和公共段平均的近惯性振荡动能对比来看,公共段的能量基本能够把各自平均的能量包含在内,这也印证了近惯性振荡能量的绝大部分存在于海洋上层;在第二个观测时间段内,公共段的能量不能够完全覆盖其自身的平均能量,说明在少数情况下,近惯性振荡能量能穿过海洋上层,进入海洋中层甚至深层。根据图2确定较强的近惯性振荡能量时间段,并结合近惯性能量沿水深的分布图,罗列出较强近惯性振荡发生的具体时间段。为了区分不同方向的背景环流的影响,将近惯性振荡发生的时间按夏季(5~9月)和冬季(11~12月、1~3月)分别给出(表2)。从表2中可以看出,近惯性振荡的发生夏季多于冬季,这主要与热带气旋发生的时间相关,夏季是热带气旋的高发期,冬季热带气旋发生较少。

表2   观测时间段内冬、夏季台风信息及其对应的近惯性振荡

Table 2   Near-inertial oscillations corresponding to typhoons during the observation period in winter and summer

季节近惯性振荡发生时间段是否参与合成
2007年08月21日至2007年09月13日
2008年08月01日至2008年08月21日
2008年09月23日至2008年10月17日
2009年07月30日至2009年08月26日
2009年09月25日至2009年10月09日
夏季2010年07月14日至2010年08月05日
2010年08月15日至2010年09月04日
2012年07月28日至2012年08月20日
2013年06月25日至2013年07月16日
2013年08月01日至2013年08月29日
2013年09月25日至2013年10月12日
2007年10月15日至2007年10月28日
2007年11月02日至2007年12月01日
2008年02月08日至2008年02月27日
2009年03月07日至2009年04月04日
冬季2010年03月05日至2010年04月13日
2011年09月25日至2011年11月16日
2012年10月22日至2012年11月26日
2012年12月18日至2013年01月13日
2013年10月12日至2013年10月29日

注:按照不同季节(冬季和夏季)将近惯性振荡进行分类;近惯性振荡发生在夏季多于冬季,这主要是跟热带气旋发生的时间相关,夏季是热带气旋的高发期,冬季热带气旋发生较少

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2.3 背景流速的确定以及近惯性振荡最终合成

潜标观测系统处于南海西边界急流的转折区域,很多科学家通过海洋观测资料和卫星遥感资料证实了南海西边界急流的存在[27,28,29,30],并使用数学模型重现了南海西边界急流[31,32,33,34],发现南海西边界急流在海洋上层(200 m以浅)较强,其流动方向保持高度统一性,300 m以深急流强度逐渐减弱,方向与上层相比稍有偏转。本文取公共段水深(50~250 m)来计算潜标观测海域的平均背景环流,与前人的结果比较吻合,确保背景环流的可靠性。我们把流速观测资料中的高频流动(如近惯性振荡)、潮流(如全日潮流、半日潮流等)过滤掉,保留一个月周期以上的海流运动作低通滤波,获得背景环流(图3)。

首先,分析50~250 m水深平均背景环流的方向。夏季时,按照前人的研究结果,潜标观测位置的上层背景环流方向是东北向,即背景环流流速的东分量和北分量均为正值,分别指向东和北方向。从图3可以发现,大部分观测时段内,背景环流流速东分量和北分量是正值,合成之后形成东北方向的流;也存在一些异常情况,如2009年9月25日至10月9日,背景环流流速的东分量和北分量均为负值,合成之后形成西南方向的流,与正常情况相反;2010年7月14日至8月5日、2012年7月28日至8月20日和2013年9月25日至10月12日3个时段,背景环流流速的东分量和北分量有正有负,并不十分一致。根据背景环流流速东分量和北分量的正负分布,保留两者均为正的观测时段,舍弃那些异常的时段。另外,50~250 m水深平均的背景环流流速东分量和北分量均值是0.1 m/s,最大值约为0.2 m/s;在2013年6月25至7月16日观测时段内,背景环流流速的东分量最大值超过0.3 m/s。冬季时,潜标观测位置海洋上层背景环流的流向是西南方向,即其流速东分量和北分量均为负值,分别指向西和南方向。图3中,大部分观测时段内,背景环流流速东分量和北分量是负值,合成之后形成西南方向的流;在2010年3月5日至4月13日和2012年10月22日至11月26日观测时段内,背景环流流速的北分量从负值上升到正值,再回到负值,可能是受到某些气象动力因素的影响,导致背景环流的流场发生突变,使得背景环流的方向发生偏转;根据背景环流流速东分量和北分量的正负分布,我们保留两者均为负的观测时段,舍弃其他异常时段,以保证最终合成结果的可靠性。50~250 m水深平均的背景环流流速量值基本跟夏季时的相当;在2008年2月8~27日,背景环流流速东分量和北分量在大部分时间内均超过0.25 m/s。

图3   垂向平均背景环流和近惯性流速分布
左图是夏季时的分布,右图是冬季时的分布;保留1个月以上周期的海流运动作低通滤波,获得背景环流;采用带通滤波器,从流速观测资料中提取近惯性振荡信号,滤波频段设定为0.8~1.2 f;红色线段表示垂向平均背景环流流速分布,红色实线(粗)代表背景环流流速东分量,红色虚线(细)表示背景环流流速北分量;蓝色线段表示近惯性振荡垂向平均流速分布,蓝色实线(粗)表示近惯性振荡流速东分量,蓝色虚线(细)表示近惯性振荡流速北分量

Fig.3   A diagram of depth-averaged background circulation and near-inertial current
The background circulation is obtained by low pass filter, and the near-inertial current is achieved by bandpass filter (0.8~1.2 f) from observation data. The red line represents the depth-averaged background circulation, including east component (coarse) and north component (fine). The blue line represents depth-averaged near-inertial current, including east component (coarse) and north component (fine).The left picture show the season of summer, and the right is winter

其次,来看一下近惯性振荡流速的分布情况。总体来看,从流速观测资料中滤波获得的近惯性内波是以振荡波的形式存在,围绕地转频率f做运动;近惯性振荡经历的时间长短也各不相同,最短的为半个月,最长的为一个半月。近惯性振荡演变过程也存在差异:在大部分的观测时段内,随着时间的变化,近惯性振荡能量逐渐增加,到一定峰值后,再慢慢耗散,衰减消失;在有些观测时段内,如2013年8月1~29日和2011年9月25日至11月26日,近惯性振荡经历了2次或2次以上的过程,这可能与几个不同的热带风暴的连续过境有关;还有一些,比如2012年10月22日至11月26日,近惯性振荡形成最大值后,衰减至一定量值并维持了近一个月时间,这可能跟海洋内部的某些动力因素或过程有关,正好利于其能量的维持。另外,50~250 m水深平均的近惯性振荡流速东分量和北分量的最大值一般为0.1 m/s左右,其余部分大概维持在0.05 m/s左右;近惯性振荡流速的东分量和北分量存在一定的相位差,时间上大概相差几个小时,其原因还有待进一步研究。

综上所述,我们根据平均背景环流的方向、近惯性振荡平均流速大小及其功率谱,对表2中的观测时段进行筛选和处理,将近惯性振荡信号分成2类,分别是东北方向平均背景环流下的近惯性振荡(对应夏季典型流态)和西南方向平均背景环流下的近惯性振荡(对应冬季典型流态),对这2类近惯性振荡信号进行最终的合成分析。其中,东北方向包括2007年8月21日至9月13日、2008年8月1~21日、2009年7月30至8月26日、2010年8月15日至9月4日和2013年8月1~29日,共5个近惯性振荡过程;西南方向包括2007年10月15~28日、2008年2月8~27日、2009年3月7日至4月4日、2011年9月25日至11月16日、2012年12月18日至2013年1月13日和2013年10月12~29日,共6个近惯性振荡过程。

3 结果与分析

3.1 功率谱分析

采用多窗口功率谱方法(Multi Taper Method, MTM)对最终确定的各时段内的观测流速资料进行功率谱计算,针对不同背景环流方向进行合成,考察其变化规律(图4)。图4a是不同方向背景环流下的观测流速能量功率谱,红色实线表示东北向背景环流,蓝色实线表示西南向背景环流,黑色垂线表示局地惯性频率、全日内潮(K1,O1)频率和半日内潮(M2,S2)频率对应的坐标。总体来看,不论平均背景环流是东北方向或是西南方向,在局地惯性频率f、全日内潮频率和半日内潮频率上均体现出极大值,即在这些频率段上存在能量集中现象;整体的分布形态非常相似,低频信号的能量向高频方向慢慢递减。从图4中发现,近惯性振荡能量的极值点对应的频率存在明显差别,夏季时,近惯性振荡能量极值点向低频方向偏移,即发生所谓“红移”现象;冬季时,近惯性振荡极值点向高频方向偏移,即发生所谓的“蓝移”现象;红移偏离局地惯性频率的幅度要大于蓝移偏离的幅度;在全日内潮频率和半日内潮频率上均没有出现明显的“红移”或“蓝移”现象。我们将从背景涡度场的角度来对上述现象进行解释。背景涡度场会使得近惯性运动的频率发生偏移,产生频移效应,从而使其以有效频率进行运动,如下式所示[14]:

fefff+ζ2=f+12(Vx-Uy),(2)

式中:feff为有效频率;f为局地惯性频率;ζ为背景涡度;U,V分别为背景环流的速度东分量和北分量;x,y为直角坐标分量。

背景涡度场的偏移效应,已经在众多的观测中被证实[35,36],造成的频率偏移一般低于10%;影响背景涡度场变化的潜在因素较多,可能是背景环流的水平剪切,也可能是中尺度涡旋等。在本文中,冬季和夏季大尺度背景环流的水平剪切可能会导致背景涡度场的变化,进而影响局地近惯性振荡频率。夏季时,平均背景环流的方向是东北向,其水平剪切导致局地背景涡度为负值,使得有效频率减小,即近惯性振荡频率变小,低于局地惯性频率,往低频方向移动,出现“红移”现象;冬季时,西南向的平均背景环流的水平剪切使得局地背景涡度为正值,导致有效频率增加,即近惯性振荡频率变大,高于局地惯性频率,往高频方向移动,出现“蓝移”现象。这一结果与参考文献[13]的理论描述一致,大尺度背景环流的存在会导致近惯性振荡频率的偏移效应。

另外,合成计算得到的东北向背景环流下的近惯性振荡能量的峰值小于西南向背景环流下的近惯性能量峰值,这与张书文等[13]提出的背景环流对近惯性振荡能量耗散没有贡献的结论存在差异。其可能是由所选取近惯性振荡观测样本的差异性导致,由于近惯性振荡是由热带气旋过境激发产生,热带气旋本身存在很大的差异性,且过境时与观测点的距离也不相同,还有观测点温度、盐度结构随时间变化存在差异,这些因素都有可能导致近惯性振荡能量峰值的不同,需进一步探讨。南海西沙群岛海域是一个近惯性振荡、全日内潮和半日内潮三者并存的海域。在此观测点上,近惯性振荡能量谱和全日内潮能量谱在103 J·cpd量级左右(cpd:cycle per day,频率单位,周期每天),近惯性振荡能量略大于全日内潮能量;半日内潮的能量谱量级是在102 J·cpd左右,远小于近惯性振荡和全日内潮的能量。在近惯性振荡流速合成的过程中,剔除了流态与季节不对应的那部分流速资料,即存在近惯性振荡信号时段内,背景流速在夏季时不是西南向流动或者冬季时不是东北向流动的流速资料。在这些时段内,背景流速可能受到其他动力因素(如中尺度涡)的影响导致流向偏转,在发生流向偏转的背景流速基础上生成的近惯性振荡,其频率偏移效应可能与正常状态下有所差别。

图4还可以发现,在介于全日内潮和半日内潮频率之间,存在一极大值,通过验算得知,该极大值对应的频率为(f+D1),是局地惯性频率与全日内潮频率的叠加。这表明在此海域,存在局地惯性振荡和全日内潮之间的相互作用,从而产生强的(f+D1)内波运动。有研究认为这种强迫非线性相互作用机制是由近惯性流的强剪切驱动,是南海近惯性振荡能量耗散过程的一个重要机制[20]

图4   不同方向背景流速下的合成能量功率谱及其沿水深变化
(a)速度能量谱随频率变化情况;(b)夏季时速度能量谱随水深和频率的变化规律;(c)冬季时速度能量谱随水深和频率的变化规律

Fig.4   A diagram of synthetic energy spectrum and its variation along water depth in different direction background circulations
(a)Synthetic energy spectrum under background circulations of two directions, the red line represents east component of background circulation, the blue line is the north component, and the black lines represents local inertial frequency, diurnal tide (K1 and O1) and semidiurnal tide (M2 and S2) frequency. Energy spectrum’s variation along water depth in summer and (b) in winter (c)

观测流速能量功率谱随水深的变化(图4b,c)也进一步表明了南海西边界急流的方向性影响近惯性振荡频率的偏移效应。夏季时,近惯性振荡能量集中在局地惯性频率的左侧(往低频偏移),强的近惯性振荡能量分布从水深50 m延伸至125 m;冬季时,近惯性振荡能量集中在局地惯性频率右侧(往高频偏移),强的近惯性振荡能量分布一直延伸至150 m左右,略深于夏季时的近惯性振荡,这可能跟冬季和夏季温跃层深度差异有关。另外,冬季时,在120 m以浅水深存在较强的低频运动(频率为0.2~0.5 cpd);冬季的全日内潮的能量要强于夏季的全日内潮能量,从而延伸至更深的水深。

3.2 旋转功率谱分析

旋转谱方法[37]是利用流速矢量的时间序列进行谱分析的方法,旋转谱包含了顺时针谱和逆时针谱,分别反映了以某一特征旋转频率沿着顺时针和逆时针方向旋转的能量分布情况,二者合成的总谱则可以反映总能量随频率的分布情况。

对于任何一个流速矢量都可写成W(t)=u(t)+iv(t),式中:u,v分别是流速的东西分量和南北分量,对应于垂向上每个波数做Fourier变换可将其表示成:

u=a1cosσt+b1sinσt,v=a2cosσt+b2sinσt,(3)

上式可以分解为正、负波数2个部分,即:

u+iv=W+eiθt+W+eiθt, (4)

W+=(a1+b2)+i(a2-b1)=|W+|eiθ+, (5)

W-=(a1-b2)+i(a2+b1)=|W-|eiθ-,(6)

式中:W+,W-分别为流速的逆时针和顺时针旋转分量,而其对应的逆时针旋转谱和顺时针旋转谱分别为:

S+=<W+>/2, S-=<W->/2,(7)

式中:尖括号代表总平均,星号代表共轭;a1,b1,a2,b2分别为成分流速振幅;t是时间;i是复数单位;σ是旋转角速度;θ是相位。由于能量的传播方向与群速度方向相同,而群速度的传播方向与波数方向相反,所以当波数的方向向上时,S-代表能量有向下传播的趋势,而当波数方向向下时,S+则代表能量有向上传播的趋势[37]。我们可以定义差谱S=S--S+,则如果S为正,说明当地能量以向下传播为主,能量源在海表;如果S为负,则代表当地能量以向上传播为主,说明能量源在海底。

采用上述方法对观测流速资料进行计算,获取不同方向背景环流下的顺时针和逆时针旋转功率谱(图5)。从图5可以发现,东北向背景环流下的近惯性振荡极值频率偏向局地惯性频率左边,西南向背景环流下的近惯性振荡极值频率偏向局地惯性频率右边,进一步说明了不同方向背景环流的水平剪切造成了近惯性振荡频率的偏移。夏季时,在近惯性频率上,顺时针旋转谱和逆时针旋转谱均存在极大值,顺时针能量谱极值大于逆时针能量谱极值,表明近惯性振荡下传和上传特征共存,但顺时针能量占优,表现出更强的下传特性,整体上是向海洋深处传播,能量输入源在海洋表面;冬季时,在近惯性频率上,顺时针旋转谱存在极大值,而逆时针旋转谱没有显现出明显的极大值,表明近惯性振荡向上传播的特征非常弱,基本上是纯粹的向下传播特征。相比较东北向背景环流下顺时针能量和逆时针能量的差值,西南向背景环流下的差值要更大,表明冬季时的近惯性振荡具有更强的向下传播特征,进一步印证了近惯性振荡能到达更深的水深范围。

图5   能量旋转功率谱分布
红色实线表示东北向背景环流下的顺时针旋转功率谱;红色虚线表示东北向背景环流下的逆时针旋转功率谱;蓝色实线表示西南向背景环流下的顺时针旋转功率谱;蓝色虚线表示西南背景环流下的逆时针旋转功率谱

Fig.5   A diagram of energy rotation power spectrum
The red lines represent rotation power spectrum under the northeast background circulation, including the clockwise component (solid line) and counterclockwise component (dotted line). The blue lines represent rotation power spectrum under the southwest background circulation, including the clockwise component (solid line) and counterclockwise component (dotted line)

4 结 论

利用南海西沙海域2007—2013年的潜标观测流速资料,采用带通滤波和低通滤波方法分别获取近惯性振荡信号(0.8~1.2 f)和背景环流数据,取水深50~250 m为公共段,对数据进行垂向平均;针对背景环流的不同方向,筛选出其对应的近惯性振荡信号,进行合成分析。基于上述资料,探讨了南海西边界急流如何影响近惯性振荡的频偏效应,并从背景涡度的角度对这一问题进行了解释。结果表明,南海西边界急流的水平剪切会导致近惯性内波产生“红移”(夏季时)或“蓝移”(冬季时)现象。南海西边界急流的方向性会调制近惯性振荡频率的偏移效应,夏季时,南海西边界急流为东北方向,近惯性振荡频率产生红移现象;冬季时,南海西边界急流是西南向,近惯性振荡频率发生蓝移现象。

另外,由上述分析可知,南海西沙群岛海域是近惯性振荡运动、全日内潮和半日内潮共生的海域;近惯性振荡绝大部分是由热带气旋过境时激发,极少数是由其他因素引起;近惯性振荡整体上是从海洋表面向海洋内部传播,即向下传播占优势;夏季和冬季时,近惯性振荡传播的深度存在差异,冬季时近惯性振荡垂向传播的深度更深;该海域存在局地惯性振荡和全日内潮之间的相互作用,从而产生强的(f+D1)内波运动,也是近惯性振荡能量耗散的一个重要机制。

The authors have declared that no competing interests exist.


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通过使用西沙海域锚定潜标的测流数据,分析了距浣熊台风路径100 km处海流受浣熊台风影响前后的动能谱、旋转谱和流剪切谱,从而阐明近惯性波,以及近惯性波与全日内潮波的相互作用机制.台风浣熊之后所引起的近惯性波主要在上250 m较强,其能量是普通风场所引起的40倍.近惯性波的能量向下传播至450 m左右,与此同时,强的近惯性流的剪切驱动着惯性波与全日内潮波之间的相互作用,从而产生强的近惯性波与全日内波的耦合波(f+D1).此三波耦合机制为Davies的波波相互作用理论提供了观测依据,同时,近惯性内波与全日内潮波之间的非线性相互作用,揭示了南海近惯性波能量耗散的一种机制.
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