南海中尺度波动现象研究进展

第20卷第2期2005年2月

地球科学进展

ADVANCES I N E ART H SC I ENCE

Vol.20　No.2

Feb.,2005

文章编号:100128166(2005)022*******

南海中尺度波动现象研究进展3

蔡树群,董丹鹏,王盛安,龙小敏,黄企洲

(中国科学院南海海洋研究所LE D重点实验室,广东　广州　510301)

摘　要:Kelvin波和Rossby波是经常出现于海洋中的边界波;南海的复杂岸线、陡变地形和热盐场时空结构的不均匀性具有形成强迫Kelvin波和地形Rossby波的条件。现有研究表明,南海大部分中尺度涡形成于东部一些较大岛屿附近;这些中尺度涡一旦形成后,就在β效应作用下向西移动并最终耗散于西边界,且其波动一般以Rossby波的形式向西传播。因此,南海环流的多涡结构与中尺度波动之间存在着一定的联系。在南海北部,中尺度涡主要由黑潮入侵和风应力旋度所诱生,而在南海南部而以风应力旋度为主要成因。提出了利用线性波动动力学模式来研究南海南部中尺度波动、分析风应力强迫所产生的中尺度波动特征和规律,并据此建立相应的数值模式来揭示该海区环流的动力学和热动力学机制的思路,以便了解该海区流场季节性变化与中尺度波动之间的内在关系。

关　键　词:中尺度波动;环流;涡旋;南海

中图分类号:P731 文献标识码:A

0　引　言

众所周知,在重力和科氏力作用下,海洋中的大尺度水平波动可按其恢复力的性质分为2类[1]:一类是以重力为恢复力并同时受到地转影响的波动,通常称为重力波;另一类是以科氏参数随纬度变化的β效应为恢复力的长波,通常称旋转梯度波、罗斯波或行星波。

由于实际海洋中存在侧边界、纬度和地形的变化,水平大尺度波动便可能变形成为水平各向异性的被拦截的“边界波”,它包括[2,3]:开尔文波、边缘波(在海岸附近和陆架被拦截的重力波)、陆架波(在海岸附近和陆架被拦截的罗斯波,或称地形强迫罗斯波)、双开尔文波和海底拦截波等。此外,在上升流区,由于锋面的存在还会出现锋面波;以及由于在赤道附近因科氏参数发生变号导致罗斯波和惯性重力波呈现出显著的经向形变。与边界波不同,有些波动并不会富集于拦截区内而是自由地向开阔海域传播,即所谓漏泄波,如在陆架上的斯弗德鲁普(Sverdrup)波和普安卡雷(Poincare)波。

1　南海环流的多涡结构和中尺度波动现象

南海是一个半封闭海盆,海盆的地形十分复杂,其西北和西南部具有宽阔的大陆架,而东西两侧地形异常陡峭,故200m等深线基本上构成了一个长轴向为东北—西南向的菱形海盆;南海中部和东部则是深度逾4km的深海盆,众多的岛礁、浅滩及暗沙散布其间,尤其是在南部海区。

南海北部是一个环流结构相当复杂的海区,其受黑潮入侵、季风、净热通量等的影响,水团性质主要受南海海盆水和黑潮水两大水系的支配,流态格

3　收稿日期:2003211220;修回日期:2004205224.

3基金项目:中国科学院南海海洋研究所知识创新工程领域前沿项目(编号:LY QY200310);国家自然科学基金项目“南海南部流场季节性变化与中尺度波动特征的研究”(编号:40376003);“十五”南沙群岛及其邻近海区综合调查课题(编号:

2001D I A50041)资助.

　作者简介:蔡树群(19682),男,广东省汕头人,研究员,主要从事海流数值模拟、内波研究.E2ma il:caisq@scsi

局多变,涡旋众多,因此其研究成果虽多但颇有争议[4～6]。相比之下,南海南部环流的研究尚不多,但有一点似乎比较肯定,即其流态主要受季风和净热通量等的影响[7～9]。现有关于该海区环流特征的认识,主要是通过一些海洋水文物理调查、数值模拟结果取得的[3,10]。近20多年来,南海(特别是南海南部)的环流研究随着其日益重要的区位优势和资源的需求而受到重视。如在1977—1978年和1982—1983年的南海中部调查以及多年的“南沙科学考察”,取得了自W yrtki[11]根据船舶漂移资料和风资料首次给出南海表层环流的季风漂流形态以来的一些很有意义的成果。如通过利用观测的温盐(包括进行内插的)资料分别计算了包括南海南部在内的地转流场[12～14];又如,通过数值模拟研究揭示了整个南海海区环流的季节变化特征[7,15～17]。

根据上述的研究成果,可以归纳得到平均意义上的南海南部的上层环流结构大致为:在夏季风期,该海域的上层为一个大尺度的反气旋式环流所控制,环流的形态近似为流轴大致沿西南方向延伸的椭圆,环流的西翼为一支强的东北向沿岸风生海流(有称“越南沿岸急流”)[14],位于万安滩之东南、南沙海槽西北部还各有一个小的气旋涡;在冬季风期,南沙海区西部存在一个中尺度的气旋式环流,环流的西翼随季风转向而为一支西南向的沿岸流,而在东部,则相应存在一个相当尺度的反气旋式环流与之相抗衡,此外,在这一对涡旋的北部(即南海中部)为一个反气旋式环流;而在季风的转换期(春季和秋季),该海域的环流结构则为处于冬夏季风期的流态之间的多涡结构。风应力(旋度)被认为是流场季节性变化的主要成因,而净热通量、侧边界效应、行星效应和非线性效应等是流场变化的另一些重要因素。

随着大量对南海的实测调查的深入,人们对观测发现的某些环流结构,特别是对其产生的动力学和热力学机制还有着许多疑问。如南海南部的上层环流,在1989年12月的一次南沙考察结果中表明,在南沙海槽处存在着一个气旋式环流[18];而在1993年12月的一次南沙群岛及其邻近海区的考察中则发现,在南沙中西部海区上层存在着一个中尺度的气旋式环流,但在其东部则相应存在一个相当尺度的反气旋式环流[14]。在近几年诸如“南海季风试验”和“中国近海环流形成变异机理、数值预测方法及对环境影响的研究”等项目的组织策划下,人们进行了几乎覆盖整个南海海域的遥感观测和水文气象现场试验,依据这些观测资料计算得到的结果[19～22]是:夏季风爆发前(春季),中南半岛以东海区有2个反气旋涡,在南海中部为一气旋性环流,而在夏季风爆发后(夏季),中南半岛以东海区变为一个反气旋涡,而在南海中部的气旋性环流范围减弱。这似乎有点出人意料,因为夏季风爆发前(春季)后(夏季)的中南半岛以东海区存在(2个或1个)反气旋涡与上述平均意义上的认识有所不同,因此,人们自然会提出这样一些问题:这些反气旋涡是由局地的风应力所诱生,还是首先在南海东南部形成后,在β效应作用下向西移动而来[23,24]?总之,形成这种异常的动力学和热力学机制及其变化的成因尚待进一步的研究。此外,多年的卫星遥感资料也表明[7,25～28],南海流场和海面高度场还存在着较大的年际变化,这可能与海面风应力场的年际变化波动存在着很大的关系。根据最近连续8年的卫星高度计资料研究表明①,南海大部分中尺度涡形成于东部一些较大岛屿附近并绝大部分向西传播、最终耗散于西边界。一般来说,中尺度涡一旦形成后,它就在β效应作用下向西移动,且其波动一般以罗斯波的形式向西传播[29]。因此,南海环流的多涡结构与中尺度波动之间一定存在着紧密的关系。实际上,由于南海的岸线和地形复杂多样,岛礁星罗棋布,存在着因海底地形变化和岸界而形成的地形“边界区”、热盐场时空结构的不均匀性而形成的锋面“边界区”和由于科氏参数在赤道上发生变号而形成的赤道“边界区”,因此具有形成各种中尺度(正压和斜压)波(如强迫开尔文波、地形罗斯波)的条件,而南海环流的多涡结构,则可认为是在运动学的层面上显示了各种大尺度波动及其相应的边界波的存在[3]。

目前,对南海环流动力机制的研究已取得一些初步的成果,如Metzger等[30]曾利用一个1

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层的约化重力模式研究了风应力和黑潮对于南海环流的贡献。W u等[25]根据数值模拟结果指出南海流场和海面高度的季节变化主要与波动的第一、二模态有关。蔡树群等[31,32]通过利用正压(一层)陆架海与斜压(两层)深海耦合模式研究表明,冬季南海南部可能出现以一个反气旋涡在南沙海槽处产生、发展

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第2期 蔡树群等:南海中尺度波动现象研究进展

①王桂华,苏纪兰.用高度计资料研究南海多涡结构及其运动规

律.见:中国物理海洋学的进展与展望战略学术研讨会摘要集.

2003.