夏 越

(河海大學(xué) 海洋學(xué)院,江蘇 南京 210098)

早期的海洋觀測(cè)由于儀器的限制,觀測(cè)資料的垂向間隔很大,在層間深度上的數(shù)據(jù)必須內(nèi)插,所得到的海水物理量的垂直剖面被繪制為光滑的曲線,由此逐漸形成了如下觀念:在垂直斷面上海水的溫度和其他物理性質(zhì)的廓線是平滑變化的。細(xì)微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)案例最早可以追溯到19世紀(jì)后期的鄂霍茨克海巡航考察[1],不過(guò)當(dāng)時(shí)被歸結(jié)于溫度計(jì)的故障而被排除。直到20世紀(jì)早期,湖泊和海洋中大量增加的溫度連續(xù)剖面頻繁地觀測(cè)到細(xì)結(jié)構(gòu)特征,海洋學(xué)家才逐步意識(shí)到這一過(guò)程。Woods[2]利用染色實(shí)驗(yàn)闡明了溫度等物理量垂向分布的非光滑性,并提出海洋垂向上存在類似片層結(jié)構(gòu)的理論。隨著測(cè)量?jī)x器技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)各種高靈敏度探測(cè)儀探測(cè),現(xiàn)已經(jīng)證實(shí)海水的溫度、鹽度、密度及其垂直梯度的廓線都具有很多精細(xì)結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)在深達(dá)3 000 m的深度上都有所發(fā)現(xiàn)[3],并被統(tǒng)稱為海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)。

海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)的存在影響著海洋聲速測(cè)量結(jié)果,研究細(xì)微結(jié)構(gòu)有利于水下定位技術(shù)的發(fā)展;研究形成和破壞海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)過(guò)程中的能量,對(duì)估算海洋中能量的轉(zhuǎn)化,包括估計(jì)大尺度洋流動(dòng)能的耗散率都是十分重要的;海洋中低于聲頻范圍的內(nèi)重力波的傳播,也突出了細(xì)微結(jié)構(gòu)的效應(yīng),內(nèi)重力波的許多動(dòng)力學(xué)和能量的特征只有根據(jù)密度細(xì)微層結(jié)的存在才可能被理解。因此,研究海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)是很有意義的。

在海洋學(xué)中,“細(xì)結(jié)構(gòu)”一詞傳統(tǒng)上用于描述與分層有關(guān)的非均質(zhì)性,而“微結(jié)構(gòu)”一詞常用于描述與小規(guī)模湍流有關(guān)的非均質(zhì)性[4]。其中,海洋細(xì)結(jié)構(gòu)的概念在不同的文獻(xiàn)中的定義有所差別:Munk[5]將海水物理量垂向變化尺度介于1～100 m的脈動(dòng)稱為細(xì)結(jié)構(gòu);Gregg[6]把遠(yuǎn)大于耗散尺度而小于溫躍層的e折厚度的脈動(dòng)稱為細(xì)結(jié)構(gòu);而Eriksen和Curtis[7]和Kunze等[8]將細(xì)結(jié)構(gòu)尺度局限在1～10 m;方欣華等[9]結(jié)合季節(jié)性躍層的厚度尺度,認(rèn)為以1～10 m的尺度范圍作為研究季節(jié)性躍層處和淺海海域細(xì)結(jié)構(gòu)特性較為合適。

在大洋觀測(cè)人們發(fā)現(xiàn)溫鹽廓線含有階梯狀的變化,這是擴(kuò)散對(duì)流[10]與鹽指現(xiàn)象[11]導(dǎo)致的。關(guān)于雙擴(kuò)散的研究可以追溯到19世紀(jì),“熱糖指”現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室被發(fā)現(xiàn),然而這種現(xiàn)象當(dāng)時(shí)沒(méi)有得到重視,“被遺忘了將近100 a”[12]。雙擴(kuò)散現(xiàn)象在海洋中廣泛存在,水分的強(qiáng)蒸發(fā)會(huì)使鹽度增大產(chǎn)生鹽指[13]、海冰的融化會(huì)使冷而淡的水覆蓋于暖咸水之上,為對(duì)流擴(kuò)散提供條件,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)北冰洋的雙擴(kuò)散階梯的研究重點(diǎn)集中在通量計(jì)算上[14-17]。地?zé)徇^(guò)程也會(huì)導(dǎo)致雙擴(kuò)散階梯的存在,并且起到了抑制湍流、阻礙垂向熱量輸送的作用[18]。Orlanski和Bryan[19]提出了大尺度內(nèi)重力波翻轉(zhuǎn)可能形成階梯結(jié)構(gòu)的機(jī)制。此外,水團(tuán)分界的鋒面通常會(huì)形成彼此的側(cè)向侵入,從而在強(qiáng)梯度邊界上下都可能產(chǎn)生雙擴(kuò)散現(xiàn)象。Tang等[20]利用高分辨率的海洋人工反射地震觀測(cè)技術(shù),在赤道附近巴拿馬海盆的溫躍層底部探測(cè)到一個(gè)水層界面,他們認(rèn)為該界面前緣變長(zhǎng)/變強(qiáng)的過(guò)程對(duì)應(yīng)著該處的湍流擴(kuò)散正在被雙擴(kuò)散逐步取代的臨界過(guò)程。

對(duì)于渦旋結(jié)構(gòu)的研究,國(guó)內(nèi)外早有開(kāi)展。Chaigneau等[21]利用衛(wèi)星與Argo資料,在歸一化坐標(biāo)內(nèi)合成并得到了渦旋的三維結(jié)構(gòu)。Hu等[22]利用船測(cè)資料得到了南海西南部一個(gè)冷渦的三維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其具有傾斜的垂向主軸。Lin等[23]利用海洋模式研究了南海渦旋結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)渦旋存在3種空間形態(tài)。Yang等[24]利用南海18 a海面高度計(jì)觀測(cè)資料,研究了南海中尺度渦旋速度的水平結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)渦速結(jié)構(gòu)與渦振幅密切相關(guān)。Shu等[25]利用水下滑翔機(jī)的高分辨率現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、海平面異常衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù),得到了2015年春季南海北部一個(gè)反氣旋渦旋的具體結(jié)構(gòu)。

對(duì)于細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究,過(guò)去由于儀器性能的限制進(jìn)展緩慢,國(guó)內(nèi)成果更是非常少,并且以往關(guān)于細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究也局限于個(gè)別精度滿足要求的數(shù)據(jù)。例如,藍(lán)昌華和黃華文[26]利用溫鹽深剖面儀(Conductivity Temperature and Depth,CTD)資料對(duì)南海東北部海區(qū)上層溫鹽細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步分析,發(fā)現(xiàn)東沙群島西南的冷渦內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)不明顯。本文利用水下滑翔機(jī)圍繞南海一個(gè)暖渦觀測(cè)得到的3 000多條廓線數(shù)據(jù),擬對(duì)暖渦細(xì)結(jié)構(gòu)的分布特征進(jìn)行詳細(xì)地分析。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

溫度廓線數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的水下滑翔機(jī)。水下滑翔機(jī)的概念首先由海洋學(xué)家Stommel提出[27],它是一種將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的無(wú)外掛推進(jìn)裝置,通過(guò)改變自身體積來(lái)借助浮力沉降和使用機(jī)翼進(jìn)行水平移動(dòng)。本文使用的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間跨度為2017-07-14—2017-08-15,地點(diǎn)位于南海某一暖渦(117°～120°E,19°～22°N)附近,最深觀測(cè)深度約1 000 m,絕大部分廓線垂向分辨率約1 m,共3 000多條,均觀測(cè)到了明顯的溫度細(xì)結(jié)構(gòu)特征(圖1)。

圖1 水下滑翔機(jī)觀測(cè)位置及溫度細(xì)結(jié)構(gòu)示例Fig.1 Location of warm eddy and gliders and observed temperature finestructure

用于識(shí)別渦旋的海面高度異常(Sea Level Anomaly,SLA)數(shù)據(jù)來(lái)自法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心(Archiving Validation and Interpretion of Satellite Oceanography,AVISO)的衛(wèi)星高度計(jì)資料,由ERS/Envisat,TOPEX/POSEIDON和Jason-1等多顆衛(wèi)星高度計(jì)資料融合而成,空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 d。

海表太陽(yáng)凈輻射數(shù)據(jù)來(lái)自ERA5(ECMWF Re-Analysis 5)再分析資料,它是由歐盟資助、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts,ECMWF)運(yùn)營(yíng)的哥白尼氣候變化服務(wù)(Copernicus Climate Change Service,C3S)在ERA-Interim的基礎(chǔ)上同化了衛(wèi)星數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品打造的新一代再分析資料,實(shí)現(xiàn)了時(shí)空分辨率的大幅提升,空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 h。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.1 廓線分離

為了識(shí)別和分析細(xì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和起源,必須對(duì)廓線先進(jìn)行廓線分離。分離時(shí)將溫度廓線θ(z)表示為平均值與脈動(dòng)值和的形式:

式中:z為深度,〈θ(z)〉為溫度平均值的垂向分布,θ′(z)為對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)值。式(1)可以由多種取平均的方式實(shí)現(xiàn)。由于水下滑翔機(jī)缺乏定點(diǎn)持續(xù)觀測(cè),無(wú)法對(duì)時(shí)間取平均得到平均廓線,海洋近表層由于太陽(yáng)輻射、風(fēng)力強(qiáng)迫等原因形成的性質(zhì)垂向均勻的層被稱為混合層,本文針對(duì)混合層采用層內(nèi)取平均、混合層以下采用50 m滑動(dòng)平均的方式進(jìn)行廓線分離[26](圖2)。

圖2 溫度廓線分離示例Fig.2 An example of temperature profile separation

2.2 廓線位置歸一化

渦旋的識(shí)別利用AVISO衛(wèi)星高度計(jì)資料與閉合等值線法[28]。在有水下滑翔機(jī)觀測(cè)的時(shí)間段內(nèi),由于該暖渦移動(dòng)速度較大、形狀和半徑變化較快,水下滑翔機(jī)在渦旋內(nèi)的相對(duì)位置需要進(jìn)行歸一化處理:

式中:C為每日渦旋中心;α為以渦旋中心為起點(diǎn)、水下滑翔機(jī)某時(shí)刻位置為終點(diǎn)的矢量與正東方向的夾角;K為任一條廓線所在的水平位置;P為以C為起點(diǎn)過(guò)K做射線與渦旋邊緣(最外圍閉合等值線)的交點(diǎn);(dx,dy)為K在歸一化圓中的位置。

2.3 渦旋各個(gè)方向變形指標(biāo)

為了探究渦旋變形與細(xì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,本文定義了一個(gè)參數(shù)用于衡量渦旋在各個(gè)方向的變形情況(圖3):每10°均勻取出閉合等值線上的點(diǎn)(即圖3中α=10°,20°,…,360°),計(jì)算閉合等值線上每個(gè)點(diǎn)的外角β,將其作為衡量變形凹凸的依據(jù)。

圖3 計(jì)算渦旋變形指標(biāo)示意圖Fig.3 Schematic diagram for calculating eddy deformation index

當(dāng)β＞180°時(shí),表示該位置渦旋形狀為凸;當(dāng)β＜180°時(shí),該位置渦旋形狀為凹。本文旨在探討渦旋變形快慢對(duì)細(xì)結(jié)構(gòu)的影響,將有水下滑翔機(jī)觀測(cè)的33 d內(nèi)各個(gè)方向的凹凸情況算出,同一方向取標(biāo)準(zhǔn)差,用凹凸情況的變化來(lái)衡量該方向變形的快慢。

2.4 細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)

細(xì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,前人一般采用Cox數(shù)來(lái)衡量,Cox數(shù)首先由Osborn和Cox[29]應(yīng)用于溫度處理,定義如下:

式中的Cθ為Cox數(shù),由于取平均時(shí)各自的方法不同,所以不同學(xué)者計(jì)算得出的Cox數(shù)也有較大的差別。方欣華等[9]針對(duì)南海的溫度Cox數(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)大部分值不超過(guò)2且Cox數(shù)近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。Gregg[30]通過(guò)3個(gè)不同航次研究得到的Cox發(fā)現(xiàn),不同月份Cox值也大不相同。張愛(ài)軍和方欣華[31]在赤道附近的斷面進(jìn)行了溫鹽分析,發(fā)現(xiàn)大部分溫度Cox數(shù)小于1,密度Cox數(shù)小于0.5且概率密度分布偏于低值。鮑獻(xiàn)文和方欣華[32]認(rèn)為Cox數(shù)的計(jì)算存在極大的人為任意性。前人用于計(jì)算的數(shù)據(jù)量雖少但垂向分辨率高于水下滑翔機(jī)[8,26],且觀測(cè)數(shù)據(jù)的深度較淺,此時(shí)采用Cox數(shù)來(lái)衡量細(xì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是可行的,但水下滑翔機(jī)的測(cè)量深度范圍大且垂向分辨率低于前人所用資料,經(jīng)計(jì)算Cox數(shù)無(wú)法表示細(xì)結(jié)構(gòu)的絕對(duì)強(qiáng)度。因此,本文采用每個(gè)點(diǎn)脈動(dòng)值的絕對(duì)值|θ′|作為衡量該點(diǎn)細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的指標(biāo),對(duì)于感興趣的水層采用對(duì)脈動(dòng)絕對(duì)值進(jìn)行深度作積分取平均的方式衡量該水層的細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.5 細(xì)結(jié)構(gòu)成因診斷方法

細(xì)結(jié)構(gòu)有很多種成因,例如內(nèi)波、雙擴(kuò)散、湍流混合等[32],本文采用Pingree[33]使用的方法作為診斷判據(jù)。為方便解釋細(xì)結(jié)構(gòu)的選擇和統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果,定義2個(gè)參數(shù)M和m如下:

可以利用M和m的值判斷水層產(chǎn)生的物理過(guò)程:

①內(nèi)波運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)情況以及溫、鹽度垂直混合情況

②等密度平流或等密度混合情況

式(6)～式(9)中:θ′、S′分別為廓線分離出的溫度、鹽度脈動(dòng)值;α、β分別為熱擴(kuò)散系數(shù)與鹽收縮系數(shù);()表示在所感興趣的水平面鄰近的某一深度范圍內(nèi)取平均。與Pingree[33]的計(jì)算方法相同,對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)以100 m范圍取平均計(jì)算M,m的估計(jì)采用,每50 m估計(jì)一個(gè)m值。與之前廓線分離方法不同的是,這里采用的平均廓線是對(duì)所有廓線經(jīng)過(guò)插值取平均得到,而非每條廓線進(jìn)行滑動(dòng)平均,本文做定性的討論,因此可以認(rèn)為這樣的廓線分離是沒(méi)有問(wèn)題的。

2.6 其他方法

譜分析是用于研究細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的重要手段,目前在細(xì)結(jié)構(gòu)的垂向譜方面,對(duì)于溫度細(xì)結(jié)構(gòu)的譜特性研究得較多,Levine和Irish[34]得出細(xì)結(jié)構(gòu)尺度范圍內(nèi)溫度脈動(dòng)譜斜率為-2.5～-3.0,方欣華等[9]對(duì)南海西南海域得出斜率為-3.0～-4.1。方欣華等[35]得出東海細(xì)結(jié)構(gòu)的溫度梯度譜斜率為-1.0到-1.6。Toole和Hayes[36]分析了赤道潛流區(qū)與較高緯度的海流資料,發(fā)現(xiàn)垂向譜均在0.1 cpm附近出現(xiàn)明顯折斷,垂向溫度梯度譜可分為3段,以0.1與5.0 cpm為界,當(dāng)波數(shù)大于5 cpm時(shí)是微結(jié)構(gòu)區(qū)域,會(huì)出現(xiàn)最低譜強(qiáng)度。譜方法可以將不同尺度的細(xì)結(jié)構(gòu)分離出來(lái),本文將利用溫度脈動(dòng)平均譜研究反氣旋渦旋中細(xì)結(jié)構(gòu)的特性。

北太平洋次表層水和北太平洋中層水進(jìn)入南海經(jīng)混合后會(huì)形成高溫、高鹽的南海次表層水團(tuán)和低溫、低鹽的南海中層水團(tuán),這樣的雙層水系統(tǒng)的初始穩(wěn)定層結(jié)不能長(zhǎng)久保持,因?yàn)榉肿訜醾鲗?dǎo)會(huì)使兩層之間的溫度躍變比鹽度躍變消失得快,使得水團(tuán)界面處的密度分布變成流體靜壓不穩(wěn)定,從而發(fā)生鹽指雙擴(kuò)散現(xiàn)象。表征雙擴(kuò)散強(qiáng)度大小的物理量最先由Turner和Benton[37]提出,他們指出可以由密度率(Rρ)來(lái)決定:

式中:Rρ為密度率,α、β分別為熱膨脹系數(shù)與鹽收縮系數(shù),θz和S z分別為溫度和鹽度的垂向梯度。Ruddick[38]在1983年引入Turner角(Tu)表示雙擴(kuò)散的強(qiáng)度大小:

當(dāng)Tu位于不同的區(qū)間時(shí),其反映的物理意義不同[39]:|Tu|＜45°時(shí),水層處于穩(wěn)定狀態(tài);Tu＞45°時(shí),鹽指不穩(wěn)定產(chǎn)生;Tu＜-45°時(shí),發(fā)生對(duì)流不穩(wěn)定。本文采用Tu判定鹽指的發(fā)生,計(jì)算Tu時(shí)采用的廓線和計(jì)算M、m時(shí)一樣。

3 渦旋細(xì)結(jié)構(gòu)特征

3.1 垂直結(jié)構(gòu)

本文計(jì)算出的各個(gè)水層的溫度細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度如圖4所示,r為利用2.2節(jié)方法計(jì)算得到的歸一化半徑,由溫度細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨深度的變化可知,渦旋不同水平位置(0～0.8r、0.8r～1.2r、1.2r～1.6r)細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均呈現(xiàn)自海面向下減弱的特征。這表明自海洋表面向下的物理過(guò)程在逐漸減弱。

圖4 溫度細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨深度的變化Fig.4 Vertical variation of temperature finestructure strength

細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨深度的變化與物理過(guò)程隨深度的變化有關(guān),細(xì)結(jié)構(gòu)的成因也會(huì)隨深度發(fā)生變化,初步計(jì)算得到了M與m隨深度的變化(圖5)。

圖5 M和m隨深度的變化Fig.5 Vertical variation of Mand m

不同深度起主導(dǎo)的物理過(guò)程也不相同,圖5中M在約120 m與500 m處的間斷點(diǎn)為鹽度梯度為0所致,在此深度附近不做討論。在0～100 m,m與M和β/α的值都很接近,海洋表層發(fā)生的物理過(guò)程受到太陽(yáng)輻射、風(fēng)強(qiáng)迫、降雨等多因素的影響,水平與垂向混合過(guò)程均占相當(dāng)比例。而100 m以深對(duì)比m與β/α曲線,水平混合不顯著,意味著水平混合造成的細(xì)結(jié)構(gòu)少。200～300 m深度段m和M幾乎相等,表明在這個(gè)深度段,垂向混合過(guò)程的作用占主導(dǎo),細(xì)結(jié)構(gòu)的成因初步斷定主要為垂向過(guò)程,如內(nèi)波、雙擴(kuò)散、跨等密度面混合等。800～1 000 m深度段與200～300 m深度段相似,為垂向混合過(guò)程占主導(dǎo)。

為了進(jìn)一步弄清細(xì)結(jié)構(gòu)的成因,本文利用2.6節(jié)介紹的方法,計(jì)算得到Turner角(圖6a)。結(jié)果表明,Turner角先隨著深度增加而變大,在約250 m處達(dá)到最大值,250 m以深隨著深度增加逐漸降低,約100～500 m深度段產(chǎn)生鹽指,而200～400 m處鹽指最為明顯。鹽指發(fā)生的區(qū)域,由于鹽指引起的熱鹽輸送,該區(qū)域的密度通量為凈負(fù)值,熱鹽的重新分布通常會(huì)產(chǎn)生很多階梯結(jié)構(gòu)[40],這種階梯結(jié)構(gòu)也常被認(rèn)為是發(fā)生鹽指現(xiàn)象的標(biāo)志,在本文的觀測(cè)中溫度階梯結(jié)構(gòu)較為明顯(圖6b)。結(jié)合圖5可知200～400 m深度段物理過(guò)程主要為鹽指造成的垂向擴(kuò)散,水平方向混合在該水層(以下稱為鹽指層)很弱。

圖6 渦旋區(qū)域發(fā)生的鹽指現(xiàn)象Fig.6 Vertical distribution and variation of salt finger in the eddy region

3.2 水平結(jié)構(gòu)

3.2.1 渦旋內(nèi)外溫度脈動(dòng)譜的差異

本文渦旋內(nèi)外溫度脈動(dòng)總體平均譜如圖7所示,譜斜率列于表1。

表1 不同深度段、不同半徑范圍溫度脈動(dòng)平均譜斜率Table 1 Average spectral slope of temperature perturbation at different depth and with different radius range

圖7 渦旋內(nèi)部、邊緣、外部溫度脈動(dòng)平均譜Fig.7 Average spectrum of temperature perturbation inside,at the edge of and outside the eddy

隨著深度的加深,細(xì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度減小,0～100 m深度范圍內(nèi)渦旋內(nèi)部(0～0.8r)譜斜率為-2.05,而渦旋邊緣(0.8r～1.2r)與渦旋外部(1.2r～1.6r)譜斜率分別為-2.48與-2.56,這意味著細(xì)結(jié)構(gòu)能量隨尺度的衰減在渦旋最大流速內(nèi)部以內(nèi)最弱,隨著渦旋半徑向外延伸,能量隨尺度衰減變快,表明0～100 m深度范圍內(nèi)細(xì)結(jié)構(gòu)振幅在渦旋外比渦旋內(nèi)更大。100 m以深不同半徑范圍溫度脈動(dòng)總體平均譜差異不大。

3.2.2 渦旋變形對(duì)細(xì)結(jié)構(gòu)的影響

由譜分析結(jié)果可知垂向上細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨深度的增加而減弱。為了更直觀地展示細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分布特征,利用每條廓線的位置歸一化結(jié)果繪制了細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分布特征圖(圖8)?？梢钥闯?～100 m范圍內(nèi)渦旋細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度渦旋邊緣向外大于渦旋內(nèi)部。細(xì)結(jié)構(gòu)的譜分析著重體現(xiàn)“振幅”大小的分布,結(jié)合圖8,這似乎意味著在0～100 m深度范圍內(nèi),波數(shù)小于0.1 cpm的溫度細(xì)結(jié)構(gòu)在渦旋外部出現(xiàn)得更多。

圖8 溫度細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨歸一化半徑的分布Fig.8 The vertical distribution of temperature fine structure strength versus normalized radius

本文渦旋變形的計(jì)算結(jié)果表明:在水下滑翔機(jī)觀測(cè)的33 d內(nèi)(2017年7月14日至8月15日)各個(gè)方向θ的標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation,STD)在渦旋東南部(第四象限)最大,即渦旋東南部形狀變化最為明顯(圖9a)。

本文將變形明顯渦旋的東南部廓線0～100 m細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的概率密度pdf與變形不明顯位置的廓線進(jìn)行對(duì)比(圖9b):變形明顯渦旋的東南部0～100 m細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度概率密度峰右移,從變形不明顯的0.20℃右移至0.24℃,形狀變化大的區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)度大于0.25℃的水層的概率大于外形變化小的區(qū)域。這說(shuō)明0～100 m深度段,渦旋形狀變化大的區(qū)域細(xì)結(jié)構(gòu)比形狀穩(wěn)定的區(qū)域細(xì)結(jié)構(gòu)更加明顯。本文將渦旋海面高度異常中值所在的等值線取出,用于計(jì)算渦旋內(nèi)部的變形情況并與渦旋邊緣進(jìn)行對(duì)比(圖9a),其中d20為20℃等溫線深度,可以指代溫躍層深度,自渦旋向外d20逐漸增加。可以看出在各個(gè)方向渦旋邊緣處的變形情況均比渦旋內(nèi)部明顯。已知0～100 m渦旋變形明顯處的細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大,而渦旋變形自內(nèi)向外越來(lái)越明顯,這可以解釋圖9所展示的0～100 m細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在渦旋邊緣向外的區(qū)域大于渦旋內(nèi)部,由于引起渦旋變形的因素過(guò)多,具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

圖9 渦旋變形對(duì)溫度細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of eddy deformation on the strength of temperature fine-structure

為了進(jìn)一步理解渦旋細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的空間分布,本文依舊將廓線分為渦旋內(nèi)(0～0.8r)、邊緣(0.8r～1.2r)、外部(1.2r～1.6r)三組,通過(guò)Turner角得出每條廓線鹽指層的厚度。由鹽指層厚度的概率分布與鹽指層隨d20(20℃等溫線深度,自渦旋中心向外逐漸減小)的變化結(jié)果(圖10)可知,由鹽指現(xiàn)象從渦旋內(nèi)向外不斷減少。本文認(rèn)為這可能是因?yàn)闇u旋外部的流速剪切比內(nèi)部強(qiáng),阻礙了鹽指的發(fā)展[41]。

圖10 鹽指現(xiàn)象在渦旋區(qū)域的分布情況Fig.10 Characteristics of salt finger phenomena in eddy region

3.3 細(xì)結(jié)構(gòu)的日變化

水下滑翔機(jī)在33 d內(nèi)連續(xù)不斷的觀測(cè)使得本文有機(jī)會(huì)研究渦旋的日變化特征,本文將水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行合成得到了渦旋溫度隨時(shí)間的變化曲線(圖11),等值線的起伏表明渦旋溫度存在較為明顯的日變化,細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化特征以及相關(guān)影響因素值得探究。

圖11 滑翔機(jī)觀測(cè)到的溫度的日變化Fig.11 Diurnal variation of temperature observed by gliders

本文將一天時(shí)間三等分為00:00-8:00、8:00-16:00、16:00-次日00:00三個(gè)時(shí)間段,將所有廓線按照觀測(cè)時(shí)間分成3組作脈動(dòng)平均譜(圖12)。譜分析結(jié)果表明,0～100 m、08:00-16:00時(shí)脈動(dòng)平均譜振幅與譜斜率均比其他時(shí)間段大(表2),這說(shuō)明該深度范圍內(nèi)08:00-16:00渦旋細(xì)結(jié)構(gòu)能量隨尺度的衰減比00:00-08:00和16:00-次日00:00慢,進(jìn)而導(dǎo)致同尺度細(xì)結(jié)構(gòu)振幅更大(圖12)。本文利用ERA5提供的海表太陽(yáng)凈輻射數(shù)據(jù),將渦旋附近的點(diǎn)取出并在水下滑翔機(jī)觀測(cè)的33 d內(nèi)按照每小時(shí)取平均,得到渦旋太陽(yáng)輻射的日變化(圖13),可知08:00-16:00太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,這可能是譜特性產(chǎn)生變化的原因,而在更深的深度范圍內(nèi),不同時(shí)間段溫度脈動(dòng)平均譜特性相近。

表2 不同深度段、不同時(shí)間段溫度脈動(dòng)平均譜斜率Table 2 Average spectral slope of temperature perturbation at different depth and with different time period

圖12 不同時(shí)間段溫度脈動(dòng)平均譜Fig.12 Average spectrum of temperature perturbation in different time periods

將廓線按照時(shí)間分為3組做譜分析只是為了確定溫度細(xì)結(jié)構(gòu)日變化的存在性,為了獲得其日變化的更多細(xì)節(jié),本文將所有廓線按每個(gè)小時(shí)做了更加細(xì)致的分組,對(duì)同一時(shí)間段的廓線細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度做平均,得到了0～100 m與鹽指層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化特征(圖14):0～100 m深度范圍細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有周期為1 d的振蕩,振幅約0.02℃,細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約05:00至16:00逐漸增強(qiáng),約16:00至次日05:00逐漸減弱;鹽指層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也具有周期為1 d的變化,振幅約0.008℃,小于表層強(qiáng)度振幅,細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前半天減弱而后半天增強(qiáng)。鹽指層以下細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化不明顯,本文不做討論。

將圖13和圖14對(duì)比,發(fā)現(xiàn)0～100 m細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在有太陽(yáng)輻射的時(shí)間段增強(qiáng),在沒(méi)有太陽(yáng)輻射的時(shí)間段減弱。似乎在白天太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的時(shí)段,細(xì)結(jié)構(gòu)更加明顯,也容易得到保持。我們猜測(cè)可能是由于海洋表層夜間發(fā)展的對(duì)流在一定程度上削弱了垂向細(xì)結(jié)構(gòu),而對(duì)流在白天由于太陽(yáng)輻射遭到了抑制,所以白天更有利于細(xì)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,這樣的差別也被直接反映在脈動(dòng)譜的振幅與斜率上(圖12)。對(duì)于鹽指層,本文發(fā)現(xiàn)細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化與d20的日變化十分相似(圖15):當(dāng)d20減小(變大)時(shí),鹽指層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱(增強(qiáng)),這表明鹽指層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化與溫躍層深度的變化有著密切的聯(lián)系,但具體機(jī)制仍有待研究。

圖13 渦旋范圍內(nèi)太陽(yáng)凈輻射的日變化Fig.13 Diurnal variation of the net solar radiation within the eddy

圖14 0～100 m與鹽指層溫度細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化Fig.14 Diurnal variation of temperature finestructure strength in the depth range of 0-100 m and salt finger layer

圖15 鹽指層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化Fig.15 Diurnal variation of d20 and finestructure strength of salt finger layer

4 結(jié) 語(yǔ)

海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)是很多不同的物理過(guò)程共同作用的產(chǎn)物,同時(shí)又是海洋物質(zhì)輸運(yùn)和能量平衡上一個(gè)極重要的環(huán)節(jié)。細(xì)微結(jié)構(gòu)的存在影響著海水中物質(zhì)、能量、動(dòng)量的傳輸以及能量的耗散,研究細(xì)結(jié)構(gòu)有助于估算海洋中能量的轉(zhuǎn)化。本文利用圍繞南海某一渦旋進(jìn)行測(cè)量的水下滑翔機(jī)觀測(cè)的3 000多條廓線,通過(guò)對(duì)每條廓線按半徑比例做歸一化處理,定義水層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo),分析了溫度細(xì)結(jié)構(gòu)在渦旋中的分布特征,得到的結(jié)論如下:

1)在垂向上,細(xì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度從海洋表層至深層呈現(xiàn)上大下小的特征,海洋表層水平與垂向過(guò)程共同作用產(chǎn)生細(xì)結(jié)構(gòu),在約100～400 m深度范圍鹽指較為活躍,產(chǎn)生了階梯狀溫度細(xì)結(jié)構(gòu)。

2)在水平方向上,在0～100 m海洋表層,細(xì)結(jié)構(gòu)能量在渦旋最大流速所在半徑內(nèi)部衰減最弱,隨著渦旋半徑向外延伸,能量隨尺度衰減變快。渦旋內(nèi)部變形小于渦旋外部,導(dǎo)致細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度自渦旋向外逐漸增強(qiáng)。在100～400 m深度范圍內(nèi),鹽指層厚度在渦旋內(nèi)部更大,該層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈現(xiàn)渦旋內(nèi)部大于渦旋外部的特征。

3)在時(shí)間變化上,0～100 m海洋表層白天溫度脈動(dòng)平均譜的振幅和斜率均比其余時(shí)間大,且細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增強(qiáng),原因可能是夜間發(fā)展的對(duì)流混合削弱了垂向細(xì)結(jié)構(gòu),而該對(duì)流在白天由于太陽(yáng)輻射受到了抑制。在鹽指層細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的日變化特征與溫躍層深度的變化有關(guān)。

隨著觀測(cè)資料分辨率的提升,針對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究已成為了可能。本文對(duì)渦旋溫度細(xì)結(jié)構(gòu)的研究是依據(jù)多組水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行的,通過(guò)分析大量垂向分辨率相對(duì)較高的廓線得到了一些成果,但也有不足之處:由于缺乏定點(diǎn)時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù),關(guān)于內(nèi)波對(duì)細(xì)結(jié)構(gòu)的影響以及細(xì)結(jié)構(gòu)壽命長(zhǎng)短的研究無(wú)法進(jìn)行;缺乏海流實(shí)測(cè)資料與觀測(cè)到的細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,且垂向分辨率為1 m的資料無(wú)法用來(lái)研究微結(jié)構(gòu),而具有高分辨率(0.1 m)的溫鹽測(cè)量?jī)x器目前很難像水下滑翔機(jī)那樣可以在短期內(nèi)觀測(cè)得到大量數(shù)據(jù)。相信隨著水下滑翔機(jī)垂向分辨率的提高,關(guān)于渦旋細(xì)微結(jié)構(gòu)的深入研究能夠順利進(jìn)行,彌補(bǔ)目前的數(shù)據(jù)短缺現(xiàn)象。