高 微 王珍巖 尹孟山

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室 青島 266071;3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100043)

中尺度渦(mesoscale eddy)在全球海洋中廣泛存在, 空間尺度為幾十至幾百公里, 時間尺度為數(shù)十至數(shù)百天, 是目前海洋動力環(huán)境研究的熱點之一。中尺度渦對周圍海水的溫度、鹽度以及葉綠素分布等都具有重要作用, 進而影響所在海區(qū)的物質(zhì)、能量輸送以及海洋中的生物、化學(xué)過程, 甚至對大洋環(huán)流過程產(chǎn)生影響(Martin et al, 2003; Qiu et al, 2005; Almazán-Becerril, 2012)。

在北半球, 中尺度渦按渦旋旋轉(zhuǎn)方向分為呈逆時針旋轉(zhuǎn)的氣旋渦(cyclonic eddy, CE)和順時針旋轉(zhuǎn)的反氣旋渦(anticyclonic eddy, AE)。氣旋渦中心的海面動力高度通常比周圍水體低, 渦旋中心形成垂直向上的水體運動, 渦內(nèi)水體溫度較低, 也被稱為冷渦;反氣旋渦中心的動力高度則比周圍水體高, 渦旋中心處的水體向下運動, 渦內(nèi)水體溫度較高, 又稱暖渦。中尺度渦在平面上表現(xiàn)為若干條閉合等溫線, 溫度場是其最好的表征要素(孫湘平等, 1997)。中尺度渦活動產(chǎn)生的上升流或下降流, 會引起海水上、下層之間的物質(zhì)能量交換, 影響海洋中躍層的分布(Richardson, 1980; Small et al, 2008)。運動流體的能量(機械能)包括勢能和動能: 勢能是流體的位能(位置水頭)和壓強能(壓強水頭或靜壓水頭)之和; 動能指的是流體的速度水頭, 渦旋內(nèi)水體上涌或下沉?xí)a(chǎn)生勢能變化, 但目前為止對于中尺度渦勢能的研究并不常見。通常認為渦旋中心勢能最大, 距中心越遠, 勢能越小, 渦旋邊緣勢能幾乎為零。

帕里西維拉海盆區(qū)(Parece Vela Basin)位于遠離陸地的大洋深海區(qū), 迄今對該海區(qū)的研究大多集中在沉積地質(zhì)學(xué)(Harigane et al, 2011; 明潔等, 2012)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域(Sdrolias et al, 2004; Okino et al,2009), 對該海域水文動力環(huán)境的研究較少, 對其中尺度渦現(xiàn)象的觀測和研究更是少見。另外, 大洋中尺度渦現(xiàn)象本身也是一種具有較大空間尺度的動態(tài)水文過程, 通常難以針對性地對其水文環(huán)境進行直接觀測。本文根據(jù)“科學(xué)一號”考察船在 2003年冬季對帕里西維拉海盆區(qū)上層水體(指 200m以淺水體)進行懸浮體沉積環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查所獲得的水文觀測資料,對該海域上層水體的溫、鹽特征進行分析, 探討在調(diào)查期間該海域中尺度渦過程對上層水體水文環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)域

帕里西維拉海盆區(qū)位于菲律賓海盆東部, 西臨九州海脊和帕勞海脊, 東側(cè)為帕里西維拉裂谷。本文的研究海區(qū)(18°—20°N、135°—140°E)位于帕里西維拉海盆的北部(見圖 1, 虛線所示矩形框內(nèi)為本文研究區(qū)域), 平均水深約為 4800m, 最大水深超過6000m。

圖1 研究區(qū)域地理位置概況(改自靳寧, 2007)Fig.1 The oceanographic sketch of the study area

研究海區(qū)大致處于北赤道流(North Equatorial Current, NEC, 圖1中向西的黑色箭頭所示)和副熱帶逆流(Subtropical Countercurrent, STCC, 圖1中向東的黑色箭頭所示)的交匯位置。其中, 北赤道流介于8°—20°N之間, 是一支穩(wěn)定的西向淺層流。副熱帶逆流的范圍大致界定在 18°—27°N 附近, 厚度約 150m,夏強冬弱(管秉賢, 1987; 李鳳榮等, 2004)。劉秦玉(2000)指出副熱帶逆流不是一支位置穩(wěn)定的東向流,而是呈現(xiàn)為多變的多渦結(jié)構(gòu), 經(jīng)常表現(xiàn)為氣旋和反氣旋式渦旋成對出現(xiàn)。一些學(xué)者認為 STCC與 NEC之間的垂直剪切造成的斜壓不穩(wěn)定是該海域中尺度渦頻發(fā)的主要原因(管秉賢, 1987; Qiu et al, 2010)。

前人研究(Talley, 1993; Suga et al, 2000)發(fā)現(xiàn), 研究海區(qū)存在的水團主要為次表層北太平洋熱帶水(North Pacific Tropical Water, NPTW)和北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water, NPTW)。其中, 北太平洋熱帶水位于10°—20°N之間, 從東向西延伸且由強變?nèi)酢Ｋ纬捎诒碧窖蟾睙釒Лh(huán)流的中部海域,該海域過量的蒸發(fā)使其具有高鹽(S＞34.8)特征, 核心鹽度大概為35.1。在北太平洋副熱帶環(huán)流的平流之下,大部分NPTW潛沉后匯入向西流動的北赤道流(Toole et al, 1988; Sato et al, 2004)。同時, 該海域由于中尺度渦的存在, 研究區(qū)也會受到位于 NPTW 之下的中層低鹽(S＜34.3)的北太平洋中層水的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的數(shù)據(jù)主要有三個來源: 一是在研究海區(qū)布設(shè)92個站位進行現(xiàn)場調(diào)查獲得的區(qū)內(nèi)上層水體(200m以淺)溫度、鹽度等水文數(shù)據(jù); 二是在現(xiàn)場調(diào)查期間由 T/P、Jason-1、ERS-2和 Envisat四顆高度計衛(wèi)星測得的研究區(qū)及附近海域海面測高資料融合而成的準同步(2004年1月中旬)海面高度數(shù)據(jù); 三是2003年10月至2004年1月期間西北太平洋的月平均降雨量數(shù)據(jù)。

2003年12月12日到2004年1月27日期間, 中國科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)一號”考察船在帕里西維拉海盆區(qū)北部海域設(shè)置 7個斷面、92個觀測站位進行現(xiàn)場觀測調(diào)查, 各相鄰調(diào)查站位間距約為 30公里(站位分布見圖 2)。此次海上調(diào)查主要使用 SBE9/11型 CTD進行現(xiàn)場剖面水文觀測; 使用儀器自帶的數(shù)據(jù)處理軟件SBE Data Processing對獲得的溫度、鹽度等數(shù)據(jù)按1m層平均進行處理; 使用ArcGIS、Grapher等軟件進行數(shù)據(jù)繪圖分析。

衛(wèi)星觀測資料來自法國測高數(shù)據(jù)用戶服務(wù)網(wǎng)站(Aviso/Altimetry)提供的北太平洋準同步(2004年1月中旬)海表面測高影像產(chǎn)品。該網(wǎng)站提供的影像數(shù)據(jù)已扣除多年平均海面高度值, 并插值到全球 0.25°×0.25°網(wǎng)格上, 形成格點化的海面高度數(shù)據(jù)集(時間分辨率為7天)。利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS對該網(wǎng)站提供的海表面衛(wèi)星測高影像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)讀取、矢量轉(zhuǎn)換和編繪, 生成研究區(qū)及鄰近西北太平洋海區(qū)海表面高度異常影像(圖3)。

月平均降雨量資料來自網(wǎng)站(www.esrl.noaa.gov)由 CPC Merged Analysis of Precipitation (CMAP)提供的西北太平洋2003年10月至2004年1月期間的月平均降雨量數(shù)據(jù)。該網(wǎng)站提供的降雨量數(shù)據(jù)由五顆衛(wèi)星(GPI, OPI, MSU, SSM/I scattering and SSM/I emission)共同獲得, 覆蓋范圍包括 88.75°N—88.75°S, 1.25°E—178.75°W, 空間分辨率為 2.5°×2.5°。

圖2 采樣站位分布圖(圖中虛線L1、L2、L3表示以下討論中涉及到的典型斷面位置)Fig.2 Deployment of the sampling sites

圖3 2004年1月中旬的西北太平洋海表面高度異常衛(wèi)星圖像(圖中虛線矩形框內(nèi)表示研究區(qū))Fig.3 The SSH satellite image of the northwest Pacific in mid-January, 2004

3 結(jié)果與討論

3.1 研究海區(qū)的中尺度渦現(xiàn)象

圖3為2004年1月中旬西北太平洋(包括研究區(qū))的海表面高度異常圖像。分析圖像可以發(fā)現(xiàn)在衛(wèi)星過境期間, 整個西北太平洋海區(qū)中尺度渦活動頻發(fā)。其中, 中尺度渦海表面高度異常值的高值區(qū)出現(xiàn)在西北太平洋的北部, 異常值變化范圍普遍超過±20cm;海表面高度異常值的低值區(qū)出現(xiàn)在南部, 異常值介于–10至10cm之間。從圖中還可以發(fā)現(xiàn), 2004年1月中旬在研究區(qū)內(nèi)(圖3所示虛線矩形框內(nèi))同時存在冷、暖渦活動過程。冷渦活動區(qū)位于研究區(qū)西部, 海表面高度異常值表現(xiàn)為負值, 最低值約為–15cm; 暖渦活動區(qū)位于研究區(qū)東部, 海表面高度異常值表現(xiàn)為正值, 最高值約為+13cm, 范圍略小于西部的冷渦。

3.2 研究區(qū)水體溫鹽分布特征

3.2.1 平面分布 結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)及前人研究成果,按等溫線間隔為0.2°C、等鹽線間隔為0.02繪制在調(diào)查期間研究區(qū)典型水深層位(表層、50m、100m、150m、200m)上的溫度、鹽度平面分布圖(圖4)。

溫度平面分布圖顯示(圖4a至e), 研究區(qū)各典型層位的等溫線分布趨勢基本相似, 溫度在平面上均呈現(xiàn)西高東低的特征。前人指出研究區(qū)所屬海區(qū)表層水可能受到向東流動的副熱帶逆流影響, 而觀測數(shù)據(jù)表明研究區(qū) 50m以淺的西部高溫水體有由西北向東南流動的趨勢(圖 4中箭頭所示), 東部水體的流向較西部水體稍顯復(fù)雜, 整體上表現(xiàn)為向正東方向流動。136°—138°E 之間、0707 站位(19.24°N, 137.32°E,圖 4中星形所示)附近出現(xiàn)的低溫中心在各層一直存在, 且其范圍隨著深度的加深沿北東-南西方向逐漸擴大。該低溫中心即冷渦存在的證據(jù), 而 0707站位就是冷渦活動區(qū)的中心位置。冷渦中心水體上升, 引起下層溫度較低的海水上涌, 導(dǎo)致冷渦中海水較其周圍水體的溫度降低,形成此低溫中心。100m層處138°—139°E 之間、0812 站位(18.97°N, 138.71°E, 圖4中黑點所示)附近存在一個封閉的高溫中心(即暖渦活動區(qū)中心位置)。暖渦中心水體向下運動, 上層溫度較高的水體下沉, 致使其中心的海水溫度高于周圍水體, 形成該高溫中心。隨著深度繼續(xù)增加, 此暖渦一直存在, 且范圍略有增大。

圖4 典型水深層位的溫度(左列)、鹽度(右列)平面分布圖(圖中虛線表示以下討論中涉及到的典型斷面位置)其中, a、f: 表層; b、g: 50m; c、h: 100m; d、i: 150m; e、j: 200mFig.4 The horizontal distributions of temperature and salinity in typical layers of different depths

圖4f至j為研究區(qū)典型層位的鹽度平面分布圖。從圖中可以看到, 研究區(qū)50m以淺, 鹽度在平面上整體呈現(xiàn)出東高西低的變化趨勢, 最低鹽度出現(xiàn)在調(diào)查海域西北部(即溫度平面分布圖中高溫水體所在位置), 最高鹽度出現(xiàn)在西南部, 隨著水深的增加, 西北部高鹽水體逐漸往北東方向延伸, 與冷渦所在位置漸漸重合。在 100m層, 136°—137°E之間、0905站位(18.64°N, 136.70°E, 圖 4中三角所示)附近存在一個高鹽中心, 冷渦引起的次表層 NPTW 高鹽水(S＞34.8, 受向西流動的北赤道流的控制)的上涌是其形成的主要原因。100m層以深, 高鹽中心逐漸向低鹽中心轉(zhuǎn)化, 且往北東方向延伸, 到達 150m 層時,這部分高鹽水體完全消失。這是由于冷渦引起中層的低鹽水 NPIW(S＜34.3)上涌, 稀釋了該層位的次表層NPTW 高鹽水(S＞34.8), 從而在此處出現(xiàn)低鹽中心。與此同時, 100m層處, 138°—139°E之間、0812站位(18.97°N, 138.71°E, 圖 4 中黑點所示)附近(即暖渦所在位置)還存在著一個低鹽中心, 該低鹽中心的形成是由于暖渦中鹽度較低的表層水下沉引起的。這個低鹽中心由于受到暖渦引起的次表層高鹽水 NPTW 下沉的影響, 在150m層以深開始逐漸向高鹽中心轉(zhuǎn)化,到200m層時變?yōu)楦啕}中心。

為了更好地分析研究區(qū)中尺度渦的存在對上層水體溫鹽特征的影響, 以下特選取 L1、L2和 L3三個典型斷面, 同樣按等溫線間隔為 0.2°C、等鹽線間隔為0.02繪制溫度、鹽度斷面圖, 詳細分析三個斷面的溫鹽分布特征及其成因。

圖5 L1斷面溫度(a)、鹽度(b)分布(橫坐標代表站位號)Fig.5 Distribution profiles of temperature (a) and salinity (b) across Section L1

3.2.2 典型斷面分布 L1斷面即19°N斷面, 該斷面位于調(diào)查海區(qū)中部(圖2中虛線L1所示), 同時橫切海區(qū)內(nèi)的冷渦和暖渦的中心。

圖5a為L1斷面的溫度分布圖, 從圖中可以看到,該斷面80 m以淺大部分海水由于受到太陽輻射的影響溫度普遍高于26°C。80 m以深水體溫度隨著水深的增加而逐漸降低, 等溫線呈波狀分布, 可見該海區(qū)渦旋活動十分顯著, 冷暖渦交替出現(xiàn)。就整體而言,0806—0810站位之間的冷渦和0810—0813站位之間的暖渦最明顯, 冷、暖渦內(nèi)的等溫線呈現(xiàn)出明顯的上凸、下凹狀。其中, 0807站位位于上凸中心區(qū), 即冷渦中心附近; 0812站位位于下凹中心區(qū), 即暖渦中心附近。冷渦與暖渦交界處等溫線梯度明顯, 同一深度冷渦區(qū)中心海水溫度甚至比暖渦區(qū)中心海水溫度低4°C。

從 L1斷面的鹽度分布圖(圖 5b)可以發(fā)現(xiàn), 該斷面80米以淺水體鹽度分布較為復(fù)雜。其中, 0806站位以西表現(xiàn)為鹽度低值區(qū)(S＜34.6), 且水體混合十分均勻; 0810站位以東鹽度略高于0806站位以西, 且這兩部分水體溫鹽分布特征表現(xiàn)十分一致; 而 0806站位和0810站位之間的水體溫鹽分布則有顯著差別。根據(jù)研究區(qū)近兩個月的降雨情況(圖 6)得知, 調(diào)查工作開始的前兩個月, 研究區(qū)西部發(fā)生顯著的降雨過程, 導(dǎo)致西部鹽度比東部低, 而中部水體由于尚未混合完全所以其鹽度分布特征稍顯復(fù)雜。另外, 調(diào)查期間短暫的強降雨可能是導(dǎo)致0808站位60m以淺出現(xiàn)明顯鹽度低值區(qū)的原因。80m以深為高鹽水層(S＞34.8), 最高鹽核出現(xiàn)在 135m 左右, 鹽度可達35.1psu以上, 這部高鹽水體就是潛沉入NEC且隨之向西流動的 NPTW(Toole et al, 1988; Sato et al,2004)。對應(yīng)于斷面溫度圖(圖 5a)中冷、暖渦的中心所在位置(0807、0812站位附近), 80m以深水體中鹽度等值線也出現(xiàn)明顯的上凸和下凹現(xiàn)象。

圖6 西北太平洋2003年10月至2004年1月的月平均降雨量(單位: mm)(圖中虛線矩形框內(nèi)表示研究區(qū))Fig.6 Monthly averaged precipitation of northwest Pacific during Oct. 2003 to Jan. 2004

L2斷面位于研究海區(qū)西部(圖 2中虛線 L2), 即137.3°E斷面, 該斷面縱切冷渦中心。

從該斷面的溫度分布(圖7a)中發(fā)現(xiàn), L2斷面0807站以南、90m以淺大部分海水溫度普遍高于 26°C。冷渦內(nèi)水體溫度明顯低于周圍水體, 溫度梯度較小,溫度差約 1°C。該斷面縱切冷渦中心區(qū)域, 但由于各處的勢能并不完全相同, 使得溫度等值線表現(xiàn)出小幅度的波狀起伏。0707站位位于冷渦中心區(qū)附近, 理論上該處具有最大的勢能, 所以圖中溫度等值線在此處上凸的程度最大。

圖7 L2斷面溫度(a)、鹽度(b)分布(橫坐標代表站位號)Fig.7 Distribution profiles of temperature (a) and salinity (b) across Section L2

圖8 L3斷面溫度(a)、鹽度(b)分布(橫坐標代表站位號)Fig.8 Sectional distribution of temperature (a) and salinity (b) of section L3

L2斷面的鹽度分布(圖7b)顯示, 這條斷面上鹽度低值區(qū)位于 0807站位以南、80m以淺, 即溫度的高值區(qū)所在位置, 鹽度值普遍低于 34.7。正常情況下,120—160m之間的高鹽水(NPTW)會近似水平的隨北赤道流向西流動。然而, 由于該海域冷渦的存在, 由于渦旋在此斷面上從北至南各處具有不同的勢能,使得高鹽水發(fā)生上涌的強度有所不同。斷面溫度分布圖顯示 0707站位附近(冷渦中心)勢能最大, 而在鹽度分布圖中也有所體現(xiàn), 即0707—0907站100m深處高鹽水的高鹽核向上傾斜的最為顯著。

L3斷面即138.7°E斷面, 位于調(diào)查海區(qū)東部(圖2中虛線L3所示), L3斷面縱切暖渦中心。

圖8a所示為L3斷面的溫度分布圖, 該斷面中等溫線在100m深度以下出現(xiàn)明顯的下凹, 表明暖渦在100m以深較為明顯。0812站位(18.97°N, 138.71°E )附近為下凹中心區(qū), 即暖渦中心區(qū), 具有最大的勢能。暖渦邊界等溫線梯度較大, 暖渦內(nèi)水體溫度明顯高于周圍水體, 溫度差高達3—4°C。

從L3斷面的鹽度分布(圖8b)可以看到, 斷面80m以淺水體混合較均勻, 鹽度值普遍低于34.7。80m深度向下, 鹽度等值線在0812站位(18.97°N, 138.71°E)附近(暖渦中心所在位置, 具有最大的勢能)下凹程度最大, 海水鹽度明顯低于周圍水體, 這是由于暖渦將表層鹽度較低的海水向下帶至次表層, 沖淡了位于次表層的高鹽水(NPTW)所致; 150m以深暖渦中心海水鹽度變?yōu)楦哂谥車w, 是次表層的高鹽水(NPTW)的高鹽核下沉造成的。

3.2.3 T-S散點圖 圖9為調(diào)查期間研究區(qū)上層水體的T-S散點圖, 該圖更直觀的展示了研究區(qū)的水團分布情況。調(diào)查海域80m以淺水體(表層水)溫度總體上高于 25°C, 且表現(xiàn)為明顯的低鹽特征(S＜34.8);140m深度以下水體混合比較均勻, 表現(xiàn)為低溫高鹽(T＜24°C、S＞34.8)特征, 這部分高鹽水幾乎全部為次表層高鹽(S＞34.8)的NPTW潛沉入NEC的部分(Toole et al, 1988; K Sato et al, 2004); 80—140m之間水體溫鹽性質(zhì)比較復(fù)雜, 大部分水體表現(xiàn)為中等溫度、高鹽特征。特殊的是, 部分站位(如0812、0712站位)在這個深度也表現(xiàn)出高溫低鹽特征, 這是由于調(diào)查海區(qū)中暖渦引起表層的溫度較高、鹽度較低的海水下沉, 與次表層的NPTW高鹽水混合后造成的。另外, 還有部分站位(如 0807站位、0707站位)表現(xiàn)為低溫高鹽特征, 這是冷渦引起深層溫度較低但鹽度較高的NPTW上涌所致。散點圖所表現(xiàn)的調(diào)查海域的溫鹽特征與上文的斷面圖、平面圖所示相符。

圖9 研究區(qū)上層水體T-S 散點圖Fig.9 T-S scatter diagram of upper water

4 結(jié)論

綜上所述, 本文通過分析 2003年冬季帕里西維拉海盆區(qū)上層水體的 CTD觀測數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)在中尺度渦過程對海域水體的溫鹽分布特征有較大影響:

(1)在調(diào)查期間研究區(qū)冷、暖渦活動過程同時存在, 其中, 冷渦出現(xiàn)在調(diào)查區(qū)內(nèi) 136°—138°E 之間,呈北東向延伸; 暖渦出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)138.5°—139°E之間,范圍較小; 冷、暖渦的影響深度均大于200m;

(2)冷渦活動特征從海水表層即開始顯現(xiàn), 其活動中心出現(xiàn)在 0707 站位(19.24°N, 137.32°E)附近,冷渦內(nèi)水體溫度明顯低于周圍水體, 水體鹽度在 100m以淺高于周圍水體, 150m以深低于周圍水體; 暖渦活動特征在 50m以淺水體中表現(xiàn)并不明顯, 其活動中心出現(xiàn)在 0812 站位(18.97°N, 138.71°E)附近, 暖渦內(nèi)水體溫度明顯高于周圍水體, 水體鹽度在100m深度以下開始表現(xiàn)為低鹽中心, 深度超過150m時逐漸變?yōu)楦啕}中心;

(3)調(diào)查海域 80m以淺主要為高溫低鹽表層水,80m以深水體受向西流動的北赤道流控制, 其中,80—140m之間為受中尺度渦影響的溫鹽性質(zhì)復(fù)雜的混合層水, 140—200m 為低溫高鹽的次表層水(即北太平洋熱帶水)。

致謝感謝中國科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)一號”考察船2003年冬季航次全體船員和考察隊員對海上采樣和觀測工作提供的幫助; 中國科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動重點實驗室陳永利研究員為本文寫作提供了寶貴意見, 謹致謝忱。

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