張雨辰, 張新城, 張金超, 孫忠斌,2, 張志偉,2??

(1.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室， 山東 青島 266100；2.中國海洋大學海洋高等研究院， 山東 青島 266100)

南海是西北太平洋最大的半封閉邊緣海，其通過呂宋海峽與西北太平洋相連。獨特的地理位置和地形條件造就了南海復雜的多尺度動力過程，包括大尺度環(huán)流、中尺度渦、亞中尺度過程和小尺度湍流混合等[1-4]，使其成為研究海洋多尺度動力過程的理想場所?；诂F(xiàn)場觀測和數(shù)值實驗，前人開展了許多重要研究，增加了我們對南海多尺度動力過程的認識[1-5]。

近年來觀測和數(shù)值實驗結(jié)果指出，亞中尺度過程以鋒面、渦絲、小尺度渦旋等形式廣泛存在于海洋上層和復雜地形附近，在海洋能量傳遞和垂向物質(zhì)輸運中扮演著重要角色[6-7]。就時空尺度而言，亞中尺度過程時間尺度為數(shù)天，空間尺度小于局地羅斯貝變形半徑[8]。相應地，羅斯貝數(shù)～O(1)這一時空尺度處于平衡的地轉(zhuǎn)流向非地轉(zhuǎn)流動的過渡上，是中尺度渦動能向小尺度湍流耗散的橋梁，由此亞中尺度過程也被視為海洋能量正級串的重要環(huán)節(jié)[9-10]。亞中尺度的非地轉(zhuǎn)屬性意味著較強的垂向運動，其量級可以達到10～100 m/d，這一數(shù)值遠高于平衡的準地轉(zhuǎn)流動的垂向流速，這說明亞中尺度過程是引起海水垂向運動的重要機制，是海洋上層和內(nèi)部的垂向熱量輸運和物質(zhì)交換的重要通道，對于海氣熱量交換和海洋初級生產(chǎn)力具有潛在的重要影響[11]。

目前，相關(guān)學者針對南海亞中尺度過程的現(xiàn)象和機制也開展了部分研究。其中，Zheng等[12]利用SAR圖像，發(fā)現(xiàn)呂宋海峽巴布延島后方形成類似卡門渦街的渦列，在尺度上這些渦列屬于亞中尺度范疇；劉國強[13]通過高分辨率模式模擬，發(fā)現(xiàn)呂宋海峽內(nèi)島嶼后方存在大量的亞中尺度渦旋，同時中尺度渦和海底地形相互作用同樣可以誘發(fā)亞中尺度過程。董濟海[14]基于ROMS模式以及船載ADCP斷面觀測資料，發(fā)現(xiàn)在南海中尺度渦邊緣存在著豐富的亞中尺度過程，并指出中尺度渦旋產(chǎn)生的強流場拉伸，加強了渦邊緣的水平密度梯度，催生出亞中尺度過程。Zhang等[15]基于高分辨率OFES模式數(shù)據(jù)，探討了南海東北部亞中尺度過程的生成機制，提出呂宋海峽內(nèi)海島后的亞中尺度過程產(chǎn)生于強流與島嶼相互作用，同時中尺度渦邊緣的強拉伸通過鋒生過程也能產(chǎn)生亞中尺度過程。Zheng等[16]綜述了近五年南海亞中尺度過程的研究結(jié)果，并利用衛(wèi)星葉綠素濃度圖像觀測到南海西邊界流系的亞中尺度過程。Dong和Zhong[17]利用ROMs模式分析了南海北部存在著亞中尺度過程的特征，并有著明顯的冬強夏弱特征，且對亞中尺度的生成原因做出了一定的討論。羅士浩等[18]也利用ROMs模式對南海北部的亞中尺度過程進行了研究,通過分析發(fā)現(xiàn)渦旋及鋒面的邊緣亞中尺度現(xiàn)象顯著。冀承振等[19]也利用走航ADCP和ROMs模式重點通過能量譜的方式分析了亞中尺度過程在中尺度渦中心和邊緣的分布異同。上述研究在一定程度上增加了我們對南海亞中尺度過程的認識。然而這些研究只是針對南海局部海域亞中尺度過程開展，所用觀測或模式資料缺乏對整個南海更大空間范圍的覆蓋，因而對南海亞中尺度時空特征的揭示尚不全面。

此外，基于模式和觀測資料，前人對海洋熱量輸運也開展了大量研究，這些研究多針對于大尺度環(huán)流和中尺度渦旋引起的水平熱量輸運[20-21]。由于大尺度環(huán)流以及中尺度渦旋引起的垂向流速較弱，相應的垂向熱量輸運較小，此研究條件下海洋內(nèi)的垂向熱量輸運也被忽視，且海洋中垂向流速觀測的難度大，數(shù)值模式分辨率又長期很低，導致此前針對亞中尺度垂向熱通量的研究較為匱乏，直到高分辨率數(shù)值模式發(fā)展。Su等[22]使用MITgcm模式數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)亞中尺度過程能夠產(chǎn)生向上的凈熱量輸運，在中緯度可以達到100 W/m2，這一數(shù)值約為中尺度渦導致的垂向熱量輸運的5倍，可見亞中尺度過程能夠?qū)鉄崃拷粨Q產(chǎn)生重要影響。由此可知，亞中尺度過程是上層海洋熱量收支的重要因素，對海洋內(nèi)部的熱量調(diào)配起到不可忽視的作用。針對南海亞中尺度對熱量收支的影響評估，也需要進一步開展。

本文基于1/30(°)的高分辨率OFES數(shù)值模式結(jié)果對南海亞中尺度的時空特征及其導致的垂向熱量輸運進行了系統(tǒng)地研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 模式數(shù)據(jù)介紹

為研究南海亞中尺度過程的時空特征和垂向熱量輸運特征，本文采用1/30(°)高分辨率OFES模式數(shù)據(jù)進行分析。OFES模式數(shù)據(jù)空間分辨率為1/30(°)，約3.7 km，時間分辨率1天，垂向分層100層，上100 m共20層，上層最淺深度2.5 m，垂向分辨率為5 m。1/30(°)OFES模式是早期1/10(°)模式的拓展版本[23]，模式使用的大氣強迫為6 h一次的JRA-25數(shù)據(jù)。水平混合模型采用雙調(diào)和算子，雙調(diào)和粘性系數(shù)取1.0×109m4·s-1[24]，垂直混合模型采用Noh和Kim格式[25]，1/30(°)模式是從1/10(°)模式的2000年1月1日的輸出結(jié)果基礎(chǔ)之上開始計算的，直到2003年12月31日結(jié)束。1979—2012年的后報模擬遵循了1979—2004年共15年的分辨率為1/10(°)的大氣數(shù)據(jù)的氣候?qū)W積分。1/30(°)模式數(shù)據(jù)的上層海洋環(huán)流的自旋上升周期小于1年。該模式數(shù)據(jù)提供變量包括水平流速、垂向流速、鹽度、溫度、海面壓強、海表高度等[22,26]。該模式的模擬區(qū)域為100°E～70°W、20°S～66°N。本文針對南海海域特別選取了108°E～123°E、10°N～23°N從2001年1月1日至2003年12月31日三年的溫度、鹽度和流速數(shù)據(jù)進行分析。本文所用數(shù)據(jù)由Hide Sasaki提供。

前人研究已經(jīng)多次證明OFES數(shù)值模式可以較好的模擬亞中尺度過程。Sasaki等[24,27]使用該模式探究了北太平洋亞中尺度的時空特征，Qiu等[28]利用該模式在STCC區(qū)域探究亞中尺度渦旋的季節(jié)變化及其對中尺度渦動能的調(diào)制，Zhang等[15]利用該模式數(shù)據(jù)探究了南海東北部亞中尺度的時空特征和生成機制時，將該模式數(shù)據(jù)與船載ADCP斷面觀測流速計算的水平流速波數(shù)譜進行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者在亞中尺度波段(20～80 km)水平流速波數(shù)譜特征具有較好的一致性，波數(shù)譜斜率都接近于-2，符合亞中尺度波段特征。這一結(jié)果說明該模式在南?？梢暂^好的刻畫亞中尺度過程。

1.2 方法介紹

1.2.1 亞中尺度信號提取方法 根據(jù)Zhang等在文章中對模式數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)波數(shù)譜的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亞中尺度過程斜率在波長80 km附近發(fā)生改變[15]，結(jié)合海洋實際情況和模式資料的特征，本文定義空間尺度小于80 km的動力過程為亞中尺度過程，具體的方法是用該點原始的物理量(包括u，v，w，ρ，T)減去以該點為中心邊長為80 km的正方形內(nèi)所有點的平均值作為該點亞中尺度波段的物理量。

其中亞中尺度垂直相對渦度的計算公式為：

(1)

1.2.2 亞中尺度垂向熱通量計算 為探究亞中尺度垂向熱通量的時空特征和對上層海洋熱収支的影響，本文對亞中尺度垂向熱通量和海氣界面凈熱通量進行了計算。其中，亞中尺度垂向熱通量計算公式為：

VHF=Cpρw′T′。

(2)

式中：VHF為亞中尺度過程引起的熱通量；Cp=4 096 J/(kg·℃)，是海水的比熱容；ρ是海水密度；w’和T’分別是亞中尺度過程引起的垂向流速和溫度異常。其中VHF正值代表亞中尺度過程向上輸送熱量，反之，代表向下輸送熱量

海氣界面凈熱通量計算公式為：

Qnet=SW-LW-LH-SH。

(3)

式中：Qnet表示凈熱通量；SW是表示向下的凈短波輻射；LW表示向上的凈長波輻射；LH表示潛熱通量；SH表示感熱通量。這四個物理量采用OFES模式所用強迫場數(shù)據(jù)JRA-25的結(jié)果，其空間分辨率為1.25°，時間分辨率為6 h，單位為W/m2。Qnet正值代表熱量從大氣通過海氣界面向海洋輸運使上層海水增溫；反之，Qnet負值代表熱量從海洋輸送給大氣，使上層海水降溫。

2 南海亞中尺度過程的時空特征

圖1展示了2001年5月30日、7月30日、10月30日和1月30日南海在2.5 m處模擬的亞中尺度垂直相對渦度(已除以局地科氏參數(shù)f標準化)，分別代表春、夏、秋、冬四個季節(jié)。在這里亞中尺度相對渦度和垂向流速均是基于1.2.1中的方法提取?？梢钥闯?，在1月30日(見圖1(d))，南海的相對渦度大體較強，其中部分地區(qū)羅斯貝數(shù)絕對值達到了1。最顯著的亞中尺度過程發(fā)生在臺灣西南、呂宋海峽、越南以東以及西沙中沙海域，這些地區(qū)分布著細長的亞中尺度渦絲，其相對渦度呈現(xiàn)正負交替。在臺灣西南地區(qū)，亞中尺度細絲主要分布在黑潮流套和中尺度渦外圍，而呂宋海峽的亞中尺度細絲主要分布在黑潮路徑上小島嶼的背風面。越南以東以及西沙中沙海域渦旋也主要分布在中尺度渦的周圍。然而在夏季(如7月30日)，只有呂宋海峽出現(xiàn)了較大的亞中尺度相對渦度(見圖1(b))，在南海內(nèi)部亞中尺度相對渦度較弱。5和10月亞中尺度相對渦度在南海內(nèi)部介于1和7月之間，區(qū)別在于，5月臺灣西南的相對渦度較強，而10月越南以東的相對渦度較強。與大羅斯貝數(shù)相對應，亞中尺度運動具有很強的輻散輻合，在次表層產(chǎn)生較大的垂向速度(見圖2)。亞中尺度垂向流速在50 m深度可以達到10～100 m/d，這比中尺度造成的垂向流速要大一到兩個數(shù)量級。

圖1 2001年5月30日(a)、7月30日(b)、10月30日(c)和1月30日(d)當日亞中尺度表層Ro的空間分布Fig.1 Sphot of distribution of OFES-simulated surface submesoscale Ro on (a) May 30，(b) July 30, (b) October 30 and (d) January 20, 2001

圖2 2001年5月30日(a)、7月30日(b)、10月30日(c)和1月30日(d)當日亞中尺度50 m處w的空間分布Fig.2 Snapshot of distribution of OFES-simulated submesoscale vertical velocity on (a) May 30，(b) July 30, (b) October 30 and (d) January 20, 2001,at 50 m depth

為了進一步揭示亞中尺度過程在季節(jié)和空間上的變化，圖3和4分別展示了2002—2003年春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12～2月)四個季節(jié)表層(2.5 m)亞中尺度羅斯貝數(shù)平均值和50 m深度亞中尺度垂向流速絕對值的平均值。在空間上，亞中尺度過程的季節(jié)平均|Ro|和|w|的分布與日平均結(jié)果基本一致。在亞中尺度活躍的幾個區(qū)域中，呂宋海峽和越南東部兩個強流區(qū)的亞中尺度過程最強，其他區(qū)域次之；時間上，南海亞中尺度過程整體上具有顯著的冬春強、夏秋弱的季節(jié)變化特征，這與前人利用ROMs等模式得出的結(jié)論相一致。但是在不同的區(qū)域，季節(jié)變化特征也存在差異。呂宋海峽處，亞中尺度過程主要受到黑潮強流和地形相互作用的影響，而黑潮在四季均較強，因此，呂宋海峽在四季均呈現(xiàn)較強的羅斯貝數(shù)和垂向流速，最大季節(jié)平均羅斯貝數(shù)和垂向流速分別達到了3.1和290 m/d。而在臺灣西南海區(qū)，由于受到冬春季較強的黑潮入侵以及冬春季較深的混合層的影響，亞中尺度過程呈現(xiàn)出顯著的冬春強、夏秋弱的特點。南海北部陸坡陸架區(qū)主要受混合層深度及中尺度渦旋傳播的影響，冬季亞中尺度過程比夏季顯著活躍。越南以東海域亞中尺度主要發(fā)生在秋冬季節(jié)，這可能是受到越南季風急流和冬季混合層深度的影響。在西沙和中沙以及南海南部的島礁附近，亞中尺度過程也常年活躍，但冬季強度明顯大于其他季節(jié)。

3 亞中尺度過程的垂向熱通量

3.1 亞中尺度過程垂向熱通量的時空分布

南海具有活躍的亞中尺度過程，而亞中尺度過程能夠引起較強的垂向流速，是海洋內(nèi)部垂向熱量輸運的重要通道。圖5中4幅子圖展示了春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12～2月)四個季節(jié)35 m深度亞中尺度垂向熱通量(以下簡稱熱通量)的季節(jié)分布。通過對比可以看出，熱通量的季節(jié)變化顯著，冬季顯著大于其他季節(jié)，且多呈現(xiàn)較強的正值分布(即向上輸運熱量)，最大值超過40 W/m2，而在其他季節(jié)，熱通量較弱，且呈現(xiàn)正負交替的空間分布。

空間上，南海北部和越南以東海域熱通量較強。呂宋海峽和臺灣西南海域是南海亞中尺度垂向熱輸運最強的兩個區(qū)域，考慮到熱通量強度和邊界效應的影響，本文選擇這兩個區(qū)域作為研究對象(見圖5(d)中兩個黑色框形區(qū)域)。第一個研究區(qū)域位于臺灣島西南(117°E～119.3°E、21.5°N～20.2°N)，命名為ST區(qū)域，該區(qū)域主要受到黑潮入侵南海的影響。第二個研究區(qū)域位于呂宋海峽內(nèi)部(121°E～122°E、20°N～21.5°N)，命名為LS區(qū)域，該區(qū)域主要受到黑潮和地形的影響。

圖3 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)四個季節(jié)季節(jié)平均亞中尺度|Ro|的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the seasonalmeansof submesoscale Ro of spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) respectively

圖6展示了ST區(qū)域、LS區(qū)域的區(qū)域平均熱通量隨深度、時間的變化情況，黑色實線為區(qū)域平均的混合層深度。ST區(qū)域，正值熱通量強值對應的深度主要出現(xiàn)混合層內(nèi)，最深能夠持續(xù)到混合層底之下離海表100 m的深度，對應的時間上出現(xiàn)在每年的12月至次年3月初范圍內(nèi)，此時伴隨著混合層的變淺。但正值熱通量的強值持續(xù)時間較短，2003年持續(xù)的時間基本上只有一個月左右，這可能與黑潮流套或脫落產(chǎn)生的暖渦影響該區(qū)域的有關(guān)。其它時間混合層內(nèi)熱通量主要以較弱的正值為主，少數(shù)時間會出現(xiàn)負值。在LS區(qū)域，正值熱通量基本能夠到達混合層底，時間上與ST區(qū)域一致。而與ST區(qū)域不同的是正值熱通量的強值持續(xù)時間較長，基本上可以持續(xù)整個冬季。最大熱通量發(fā)生深度在35 m左右，最大強度發(fā)生的時間為每年的1～2月。

3.2 亞中尺度垂向熱通量對上層海洋的影響

為了探究亞中尺度過程對海洋垂向熱量輸運的影響，本文計算了海氣界面凈熱通量，圖7展示了海氣界面凈熱通量的季節(jié)變化和空間分布。如圖7所示，南海北部上層海洋在春季和夏季從大氣中獲取熱量，熱通量最大值可達126 W/m2，在秋季和冬季向海洋中釋放熱量，熱通量可達243 W/m2。海-氣界面凈熱量通量的平均量值要遠大于亞中尺度過程引起的垂向熱通量，而且海-氣界面凈熱量通量也與混合層深度的季節(jié)變化基本一致。由此可知，在大多數(shù)時間內(nèi)，海-氣界面凈熱通量的輸入對混合層深度的變化起決定作用。

為探究亞中尺度垂向熱通量在ST和LS區(qū)域的重要性，將其與海-氣界面凈熱通量以及混合層深度的變化趨勢比對，如圖8所示。圖8(a)為ST區(qū)域35 m深度垂向熱通量(區(qū)域平均)隨時間的變化情況。由圖可知，ST區(qū)域亞中尺度垂向熱通量主要為正值，以向上輸送熱量為主，并呈現(xiàn)出冬強夏弱的季節(jié)變化特征。三年的區(qū)域平均熱通量最大值分別為50、30和40 W/m2左右。每年的11月到次年3月，亞中尺度過程造成正值熱通量一直維持在較高的水平，下層海水的熱量被源源不斷地輸送給上層。而與此同時，海-氣界面的凈熱通量在這一階段基本為負值，即海洋在向大氣釋放熱量(見圖8(b))。海洋失去熱量的大小隨著冬季的減退急劇減少，在冬末(1～2月)減少到10 W/m2的量級。在這段時間內(nèi)，亞中尺度過程垂向輸運的熱量約占相同時間內(nèi)海洋向大氣輸送總熱量的20%～50%(見圖8(c))， 平均占比26%， 個別時間甚至可以達到90%以上(2003年2月中旬)，因而垂向熱通量對上層海洋的熱量收支的影響是不可忽略的。這一過程也改變了該地區(qū)混合層深度的變化趨勢——盡管海洋仍舊在向大氣持續(xù)釋放熱量，但是混合層厚度卻已經(jīng)開始變淺(見圖8(d))。

(黑線代表混合層深度。The black line represents MLD.)圖6 ST(a)和LT(b)區(qū)域平均亞中尺度垂向熱通量隨深度、時間變化Fig.6 Vertical and temporal variations of the means ofsubmesoscale vertical heat flux in the ST(a) and LT(b) regions, respectively

(正值代表海洋從大氣接收熱量。 Positive value represents the heat receive from the atmosphere tothe ocean.)圖7 春(a)夏(b)秋(c)冬(d)四個季節(jié)平均海氣界面凈熱通量的大小及空間分布Fig.7 Size and spatial distribution of the seasonally averaged net heat flux at the air-sea interface in spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) respectively

(圖8(c)中未考慮海-氣界面凈熱通量的絕對值小于20 W/m2的情況。Net air-sea heat flux absolute values less than 20 W/m2 are not taken into account in Fig.8(c).)

LS區(qū)域的亞中尺度垂向熱通量與ST區(qū)域基本相似。不同之處在于，冬季高值持續(xù)的時間較ST區(qū)域更長。夏季的情況也與ST區(qū)域略有不同，夏季35 m深度的亞中尺度垂向熱通量輸運熱量的方向是向下的，極值也可以達到-20 W/m2。這可能是與LS區(qū)域在夏季也存在著很強的由于復雜地形與強流相互作用產(chǎn)生的亞中尺度過程有關(guān)，這部分亞中尺度過程將上層海洋的熱量帶到了海洋下層。從對影響上層海洋熱量收支的方面來看，LS區(qū)域冬季亞中尺度垂向熱通量占海氣界面凈熱通量的比例要大于ST區(qū)域，且占比最高的時間段為冬末春初(2～3月)，這一時間段內(nèi)亞中尺度過程垂向輸運的熱量約占海洋向大氣輸送總熱量的比例達到25%～60%(見圖9(c))，平均占比高達40%。與此同時混合層深度迅速變淺(見圖9(d))，而這一時期(2～3月初)海氣界面的凈熱輸送方向依舊是海洋向大氣失熱(見圖7(b))。這一結(jié)果也進一步說明冬末春初該區(qū)域亞中尺度凈熱通量對上層海洋熱量收支的具有重要貢獻，對混合層深度變化產(chǎn)生了重要影響。

(圖9(c)中未考慮海-氣界面凈熱通量的絕對值小于20 W/m2的情況。Net air-sea heat flux absolute values less than 20 W/m2 are not taken into account in Fig 9(c).)

4 結(jié)論

基于2001—2003年3年1/30(°)高分辨率OFES模式數(shù)據(jù)，本文對南海亞中尺度過程的時空特征與垂向熱量輸運進行了分析，結(jié)論如下：

(1)南海存在著豐富的亞中尺度過程，在時間上呈現(xiàn)冬強夏弱的特點；冬季主要分布在呂宋海峽、臺灣西南海域以及越南以東海域，其他季節(jié)亞中尺度過程主要分布在呂宋海峽內(nèi)。

(2)南海亞中尺度過程能夠在冬季上層海洋引起強烈的向上熱量輸運，臺灣西南海域、呂宋海峽、南海北部的陸坡區(qū)附近以及越南以東海域為高值區(qū)。部分海域冬季平均垂向熱通量可超過40 W/m2。向上的垂向熱量輸運通道在臺灣西南區(qū)域深度可以達到100 m左右，在呂宋海峽內(nèi)區(qū)可以到達混合層底部。向上熱量輸運最強的時間出現(xiàn)在1～2月。

(3)亞中尺度過程引起的垂向熱量輸運影響冬季上層海洋的熱量收支，進而能夠影響混合層深度的變化。在ST區(qū)域的冬末(1～2月)和LS區(qū)域的冬末春初(2～3月)，雖然海洋依舊向大氣輸送熱量，但由于氣溫回升，海-氣界面的凈熱通量值減小，而亞中尺度過程引起的垂向熱量輸運在這一時間對上層海洋的熱量收支起到了主導的作用，正的熱通量使混合層深度在海洋向大氣失熱的同時變淺。因此，考慮亞中尺度過程引起的垂向熱量輸運過程對精確刻畫上層海洋溫度變化及熱量收支具有重要的意義。