曠芳芳，張俊鵬，周喜武，陳航宇，靖春生

(1.自然資源部第三海洋研究所 海洋動力學研究室,福建 廈門 361005)

1 引言

熱帶海洋中低頻波動是研究熱帶海氣相互作用中一個重要的問題。研究認為，在周期短于150 d 的波動中，海面高度（SSH）的主振蕩周期在全球海洋中呈顯著的帶狀分布，從近赤道的1 個月逐步增加至南北緯30°附近的4 個月，1、2、3、4 個月周期的主振蕩分別位于7°N（S）、14°N（S）、21°N（S）和28°N（S）左右[1-3]。在西太平洋以20°N 為中心的緯度帶為向東的副熱帶逆流的影響區(qū)域[4-8]，該海域渦旋頻繁，平均渦動動能達到黑潮延伸體處的平均渦動動能的一半[9]；在以20°N為中心,120°E～150°W 的緯度帶內，SSH 有明顯的準90 d振蕩，80～109 d 的變化與總的變化之比達到0.3 以上[10]；海流也具有顯著的準90 d 振蕩特征，該振蕩信號主要存在于150 m 以淺的海洋次表層，對應的波長約為865 km，沿19.81°N 該振蕩信號自東向西傳播，相速度約為0.09 m/s[11]。

深層海洋與上層海洋相比可能存在不同的動力環(huán)境和機制，近年來深海在全球海洋氣候變化中的作用得到越來越多海洋學家的重視。利用潛標觀測資料，Yoshioka 等[12]發(fā)現西馬里亞納海盆（12.5°N，137°E）的4 040 m 深的海流存在60 d 左右周期的季節(jié)內振蕩，作者分析認為與斜壓羅斯貝波的傳播有關；梁楚進等[13]分析了熱帶東太平洋的中國多金屬結核開辟區(qū)的潛標資料，發(fā)現近底層流動表現出51 d 左右的波動，地形對離底50 m 以內的低頻流動有明顯的影響；Kawabe 等[14]發(fā)現威克島（20°N，170°E）通道東側的深層流速及其變化遠大于西側，這可能與水道的地形以及周邊海山的分布有關，而海流顯示出的4 個月左右的變化周期可能與深海中尺度渦的經過有關；Liu 等[15]研究了黑潮延伸體海域深層海流的季節(jié)內振蕩，表明該海域海流變化的周期為23～38 d，與海表地轉流之間存在正相關關系；渦旋的經過使得2 000 m 到4 000 m 的深層海流沿著渦旋的方向運動且流速增強；Wang 等[16]研究了菲律賓海西邊界流（8.0°N，127°E）的垂直結構和時間變化，發(fā)現從海面到海底60～80 d的季節(jié)內信號較為普遍，太平洋西邊界的海面經向流變化可以通過低頻過程到達海底；曠芳芳等[17]分析了呂宋海峽以東（19.75°N，126.75°E）的深海海洋環(huán)境特征，發(fā)現中上層海流表現出81～85 d 的周期振蕩，近底層海流變化周期為51 d。

然而，相比海洋上層，海洋深層的觀測資料較少，研究成果也較少。另外，深海海山區(qū)由于地形變化劇烈，可能具有特殊的動力學特征。為了解西太平洋牛郎海山區(qū)深層的環(huán)流特征及其對深海生態(tài)環(huán)境的影響，我們自2017 年8 月至2018 年7 月在海山的山頂和山底各布放了一套深海潛標進行長期的海流觀測，獲得了近1 年的連續(xù)觀測資料。以下將對潛標觀測數據進行分析，探討該海域深海海流的垂向分布以及低頻變化特征。

2 數據和方法

中國大洋45 航次科考在西太平洋牛郎平頂海山區(qū)共布放了兩套潛標（MX1、MX2），對海山區(qū)的海流進行長期的觀測，潛標位置見圖1。兩個潛標站位相距約70 km，觀測深度覆蓋了海洋上表層至深海近底層。編號為MX1 的潛標布放于牛郎海山山頂，布放水深為2 618 m，位置為20°28′N，160°50′E，布放和回收日期分別為2017 年8 月4 日和2018 年7 月24 日；共放置1 臺75KADCP、3 臺闊龍海流計進行海流的觀測；75KADCP 放置在200 m 的深度往上觀測海流剖面，觀測的深度范圍為4～196 m；闊龍海流計放置的深度分別為533 m、1 071 m以及2 096 m。編號為MX2 的潛標布放于牛郎海山山底盆地，布放水深為5 050 m，位置為20°11′N，161°27′E，布放和回收日期分別為2017 年8 月5 日和2018 年7 月25 日；共放置3 臺75KADCP、4 臺闊龍海流計用于觀測海流；其中兩臺75KADCP 放置在120 m 的深度，分別往上和往下觀測海流剖面，觀測的深度范圍分別為18～106 m和138～530 m；另一臺75KADCP 放置在630 m 的深度往下觀測，觀測的深度范圍為652～1 036 m；闊龍海流計的放置深度分別為1 826 m、4 018 m、4 330 m和4 953 m。75KADCP 觀測的層厚為8 m，觀測時間間隔為1 h，1 min 采樣。闊龍海流計的觀測時間間隔為30 min，1 min 采樣。

圖1 潛標位置和地形Fig.1 Mooring sites and topography

由于75KADCP 所在主浮球的垂直位移，每個時刻觀測的深度層次各不相同。我們首先選取觀測期間最大觀測深度和最小觀測深度作為標準層深度的上下限、8 m 作為標準層的層距，在垂向上使用線性插值來獲取各標準層的觀測數據；由于某些標準層在某些時刻數據會有缺失，接下來我們挑選有效數據超過60%的深度層次作為有效數據層次，通過內插對這些層次缺失的數據進行補齊，最終獲得有效數據層次的完整時間序列。經數據處理后，MX1 的1 個75KADCP 觀測的有效數據層次為11～195 m，有效數據時間為2017 年8 月5 日0 點至2018 年7 月24 日23 點，共354 d；MX2 的3 個75KADCP 觀測的有效數據層次分別為19～99 m、145～529 m 和660～1 004m，有效數據時間為2017年8月6日0點至2018年7月25日23點，共354d。

在海洋學中，各種水文氣象因子都可以看作是隨時間有周期性變化的信號。本文主要使用了小波分析、互譜分析等方法對潛標觀測的海流數據進行分析。面對一個時間序列，小波分析方法能夠有效識別信號的周期和振幅隨時間的變化情況，并能準確提取出相應周期信號的時間變化序列?；プV分析用于在頻域內描述兩個不同信號之間的統(tǒng)計相關程度，從互譜密度可獲得兩個信號相應的頻率分量之間的關系，幅值越大，說明相應頻率分量關聯度越高；此外還可獲得兩個信號相應頻率分量的相位差值。小波和互譜分析方法在海洋學中被廣泛應用，其原理方法可參考文獻[18]，在此不再詳述。

3 結果與討論

以MX1 代表山頂海域，MX2 代表山底海域，首先對觀測海流進行3 d 低通濾波提取其低頻信號，分析低頻段海流的平均特征及其時間變化。

3.1 海流的總體特征和平均值

圖2 和圖3 分別是山頂處潛標MX1 和山底處潛標MX2 觀測的各代表深度層次的3 d 平均海流矢量。為便于描述，以200 m 以淺的層次代表上層、200～900m代表中層、900～2000m代表中深層、2000～5000m代表深層，MX1的2096m和MX2 的4 953 m 分別代表山頂和山底的近底層。山頂處（圖2），上層海流的季節(jié)變化明顯，且各層次流向的時間變化基本一致；中層和中深層海流變化在2017 年的下半年與上層一致，在2018 年的上半年與上層的一致性相對較差；近底層海流與其他層次的差異明顯，流速較小，為較穩(wěn)定的南向流。在山底處（圖3），潛標MX2 觀測的上層和中層海流的季節(jié)變化明顯，且各層次流向的時間變化基本一致；中深層海流較弱；深層和近底層海流流向與上層和中層差異明顯，流速比中深層要大。

圖2 MX1 觀測的不同深度層次的3 日平均流矢圖Fig.2 Time series of 3-day averaged flow vectors from MX1 at different depths

圖3 MX2 觀測的不同深度層次的3 日平均流矢圖Fig.3 Time series of 3-day averaged flow vectors from MX2 at different depths

低頻海流的流速流向的時間平均值和流速的標準差如圖4 所示。在上層和中層，山頂和山底處的平均流速流向接近，在150 m 以淺平均流向為東向，平均流速在表層約為8 cm/s，隨深度的增加而減??；在150 m 以深轉為西偏北向，流速隨深度的增加而增加，在山頂的200 m 層流速達到最大，接近2 cm/s，在山底處的250 m 層流速達到最大，接近4 cm/s，之后隨著深度的增加流速減?。▓D4a,圖4b）；上層海流在150 m 以淺為東向的副熱帶逆流，在150 m以深的上層和中層則為西向流（圖4b）。MX1 的中深層的流向為北，近底層的流向為南；中層和中深層的平均流速為1～3 cm/s；MX2 的中深層海流為西偏北或西偏南向，平均流速較小，約為1 cm/s；深層和近底層海流為西南向，深層的平均流速約為2 cm/s，近底層平均流速約為3 cm/s。緯向流速和經向流速的標準差均顯示海流的變化幅度在上層較大且隨深度的增加而減小，在中深層達到最小，之后隨著深度的增加而增大；經向流速的變化略大于緯向流速（圖4c）。

圖4 低頻海流（3 d 低通濾波）的平均流速（a）、平均流向（b）和流速標準差（c）Fig.4 Averaged current (3 d low-pass filtered) velocity (a),direction (b) and stand deviation (c)

3.2 海流的低頻變化特征

為進一步分析深海海流的低頻變化特征，對日均流速進行小波分析。因為經向流速的變化幅度相比緯向流速略大，因此選取經向流速作為代表。圖5 是最強振蕩所對應的周期（下文稱主振蕩周期）隨深度的變化。由圖可見兩處海流在各深度層次均表現出80～130 d 的振蕩周期，并在山頂的中層、中深層（圖5a）以及山底的上層、中層和深層均通過了顯著性檢驗。在山頂處，中層和中深層的主振蕩周期為94 d，在近底層為83 d；在山底處，上層和深層的主振蕩周期均為99 d，中層為94 d 和125 d。

圖5 MX1 和MX2 各深度層次日平均經向流速的主振蕩周期Fig.5 Periods of the dominant oscillations of daily-averaged meridional velocity at MX1 and MX2

圖6 和圖7 分別是山頂和山底處各代表層次海流的小波譜和全球功率譜，由圖可見，在山頂和山底，各深度層次海流100 d 左右周期的振蕩幾乎可持續(xù)全年。

圖6 MX1 觀測的山頂各層次日平均經向流速的小波譜（WPS）和全球功率譜（GWS）Fig.6 Wavelet power spectrum (WPS) and global wavelet spectrum (GWS) analysis of daily meridional currents at different depths from MX1

圖7 MX2 觀測的各深度層次日平均經向流速的小波譜和全球功率譜Fig.7 Wavelet power spectrum (WPS) and global wavelet spectrum (GWS) analysis of daily meridional currents at different depths from MX2

為進一步分析海流的100 d 左右周期振蕩的垂向結構，對經向海流進行80～120 d 的帶通濾波，結果如圖8 所示。在山頂處（圖8a），海流的100 d 振蕩在垂向上的位相基本一致，振蕩幅度在表層最強、隨深度的增加而減小。山底與山頂類似（圖8b），2 000 m 以淺海流振蕩的位相基本一致，幅度隨深度的增加而減??；然而，在2 000 m 以深的位相與2 000 m 以淺相反，振蕩幅度在4 000 m 左右最大。

圖8 經向流速的近100 d 振蕩的垂向結構（80～120 d 濾波）Fig.8 Vertical structures of meridional currents at about 100 d bands (80-120 d bandpass filtered)

3.3 不同深度層次海流的相互關系

以山底處MX2 為代表，對各深度層次日平均的海流進行矢量相關分析，計算得到的相關系數和偏角結果如圖9 所示。圖9a 顯示，上層（200 m 以淺）各層次之間的海流變化高度相關，相關系數均在0.8 以上；深層（4 000 m 以深）各層之間的海流變化強相關，相關系數均在0.7 以上；上層、中層和深層的海流的相關性較好，相互間的相關系數均在0.5 以上；而中深層（900 m 和1 826 m）與其他層次的海流相關性相對較弱，相關系數均在0.5 以下。圖9b 顯示，上層和中層各層次海流相互之間的偏角均在10°以內，深層各層次海流相互之間的偏角不大于35°；深層海流與上層和中層海流之間的偏角為154°～178°，說明深層海流與上層和中層海流方向是相反的，與圖8 的分析結果一致。綜合以上分析，我們認為上層和中層海流的一致性較好，深層海流與上層和中層相關性好但流向相反，中深層海流與其他層次的聯系相對較弱，可能與中深層流速較小有關。

圖9 MX2 日平均海流矢量相關系數（a）和偏角（b）Fig.9 Complex vector correlation coefficients (a) and rotation angles in degrees (b) of current from different depths at MX2

為了進一步研究各深度層次的海流變化在不同頻段上的關系，用各層次的經向流速與表層（19 m）的經向流速進行互譜分析，結果如圖10 所示。圖中，表層、中層和深層的互譜密度在100 d 左右的周期達到最大，在該頻段深層海流與表層海流的相干系數達到0.5 以上，相位差約為π 或-π，說明深層海流與表層海流反向的特征在100 d 左右周期的頻段下最為明顯。海流在深層與上層的流向相反以及深層強化的現象在其他海域也有觀測到，可能由渦旋出現時第一斜壓模態(tài)振幅的增加導致[15,19]，也可能與中尺度渦的渦旋中心在垂向上傾斜的三維結構有關[20]，還可能是由地形羅斯貝波引起[21-22]；由于觀測資料相對缺乏，對該現象及其形成機制仍缺乏系統(tǒng)研究。

圖10 各層次與表層（19 m）的經向流速的互譜分析Fig.10 Cross spectrum analysis between the surface meridional current (19 m) and those at other depths

本次的潛標觀測表明深層海流與表層海流具有接近的變化周期、位相相反，且在2 000 m 上下的海流較弱、深層較強，似乎符合第一斜壓模的垂向特征。為進一步研究海流分布的正斜壓特性，我們對經向流速進行垂直模態(tài)分解。各垂直模態(tài)使用的海水層結（即N2）由WOA2013 資料的溫度和鹽度數據計算得到。分解結果中，第零階模態(tài)為正壓模態(tài)；第一模態(tài)為第一斜壓模態(tài)（Mode 1），速度方向沿深度出現一次變換；第二模態(tài)為第二斜壓模態(tài)（Mode 2）,速度方向沿深度出現兩次變換。以此類推,越高階的斜壓模態(tài)沿水深方向越復雜,其信號也通常越弱。本研究借鑒前人的研究方法，選取正壓模態(tài)和前4 個斜壓模態(tài)進行分析[16]，標準化之后的各模態(tài)的垂向結構如圖11 所示。圖12 為經向流速的觀測值以及正壓模態(tài)與前4 個斜壓模態(tài)的重構值，可以發(fā)現重構值可表征經向流速的主要特征。圖13 是正壓模態(tài)和前4 個斜壓模態(tài)振幅的時間序列，如圖所示，經向流速整體由第一斜壓模態(tài)主導，其次為正壓模態(tài)；正壓模態(tài)和第一斜壓模態(tài)至第四斜壓模態(tài)的時間平均振幅分別為3.21 cm/s、6.79 cm/s、2.48 cm/s、1.88 cm/s 和1.20 cm/s，也說明最大模態(tài)為第一斜壓模態(tài)；另外，第一斜壓模態(tài)振幅的時間序列也表現出顯著的100 d 左右的振蕩周期（圖略）。綜合以上分析，深層海流與上層海流的流向相反且出現深層強化，主要是受第一斜壓模態(tài)的主導。

圖11 MX2 觀測位置的正壓模態(tài)和前4 個斜壓模態(tài)Fig.11 The barotropic mode and the first four baroclinic modes at the mooring site of MX2

圖12 經向流速的時間-深度分布觀測值（a）、正壓模態(tài)和前4 個斜壓模態(tài)重構值（b）Fig.12 Meridional velocity along the time-depth section observation (a),reconstructed from the barotropic mode and the first four baroclinic modes (b)

圖13 正壓模態(tài)和前4 個斜壓模態(tài)的振幅Fig.13 Amplitudes of the barotropic mode and the first four baroclinic modes

3.4 山頂處與山底處低頻海流的相互關系

通過計算MX1 和MX2 鄰近深度層次的低頻海流（3 d 低通濾波后再進行逐日平均）的矢量相關系數來分析兩處海流的相互關系，其中1 000 m 層MX1和MX2 的鄰近層次的深度分別為1 071 m 和948 m，2 000 m 層MX1 和MX2 的鄰近層次的深度分別為2 096 m 和1 826 m。計算結果如表1 所示，可見1 000 m層以淺兩處海流的相關性均較好，相關系數大部分在0.5 以上，500 m 層以淺的偏角不超過11°，1 000 m層的流向偏角不超過30°。2 000 m 層二者的相關性較弱，因為MX1 位于海山山頂，2 000 m 層距底約500 m，海流變化可能受局地地形的影響，而與MX2（山底處）相應深度層次的海流變化有所差異。

表1 MX1 和MX2 鄰近深度層次低頻海流的矢量相關系數Table 1 Complex vector correlation coefficients and rotation angles of current at adjacent depths from MX1 and MX2

4 討論

通過本文的分析可得到以下結論：

（1）平均海流及其變化幅度在上層最大、中層和深層次之、中深層最小。150 m 以淺為東向的副熱帶逆流，150 m 以深和中層為西向流；上層和中層海流的時間變化明顯，且各深度層次的流向變化基本一致；深層海流也表現出明顯的時間變化特征；在山頂處近底層海流為較穩(wěn)定的弱南向流，在山底處近底層海流為西南向流。

（2）在山頂和山底，各深度層次的海流在全年均表現出100 d 左右的周期振蕩；在2 000 m 以淺，各深度層次海流振蕩的位相基本一致，振蕩幅度在表層最強、隨深度的增加而減??；在2 000 m 以深，海流變化的位相與2 000 m 以淺相反，振蕩幅度在4 000 m 最強。

（3）兩處海流在大部分深度層次的相關性均較好，山頂近底層的海流可能受局地地形的影響，而與山底處相應深度層次的海流有所差異。

已有研究表明，在西太平洋以20°N 為中心的緯度帶內,海面高度和表層海流都表現出明顯的準90 d 振蕩[10-11]。我們的觀測進一步表明，該海域海流的主振蕩周期為100 d，該振蕩不僅出現在表層，同時也出現在深層，在2 000 m 以深海流振蕩的位相與2 000 m 以淺相反且出現深層強化現象，這主要是受第一斜壓模態(tài)的主導。另外，由于在近底層觀測的海流層次較少，目前還不能判斷深層海流是否還受到地形羅斯貝波的影響，有待于將來的進一步研究。