下载文档原格式
1基于GIS 的南海中尺度涡旋典型过程的特征分析杜云艳, 王丽敬, 樊 星, 周成虎(中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京100101)摘要: 以具有复杂时空演变过程的海洋中尺度涡旋为研究对象, 以定量表达和组织涡旋典型过程案例为前提, 基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表层海流场, 对海洋中尺度涡旋进行综合辨认和动态跟踪。
以南海为例, 通过提取涡旋典型过程中的典型状态, 建立中尺度涡旋典型案例库。
然后以库中所有过程案例为对象对涡旋进行GIS(Geographic Information System)时空特征分析。
所得结果为: (1) 南海中尺度涡旋整体上呈东北-西南向分布, 涡旋水平移动速度为3~16 cm/s, 平均速度为8.4 cm/s 。
(2) 大部分涡旋向西移动。
春夏季涡旋主要向西北方向移动, 秋冬季涡旋主要向西南方向移动。
(3) 南海东北部涡旋主要集中在9~10月以及次年的1~2月发生, 涡旋先向西北方向移动, 后又转向西南方向移动, 大部分中尺度涡旋不能西移太远。
南海中部气旋涡主要发生在冬、春两季。
一部分涡旋沿陆坡向西南运动, 其中一些反气旋涡沿南海海盆向西运动。
南海东南部在研究期内只有反气旋涡出现, 向西或西北偏西运动, 这里的涡旋比较弱, 但移动距离较长, 也有较长的生命周期。
南海西南部夏季出现的涡旋多于冬季, 且夏季的绝大部分涡旋以偶极子结构出现, 该区域涡旋移动的距离较小。
该研究引入GIS 技术, 基于大量时空数据对具有复杂时空特征的中尺度涡旋的信息进行组织、存储, 以期通过对涡旋生消过程的时空分析来揭示其演变规律, 为进一步研究海洋涡旋的空间推理预测奠定了坚实的基础。
南海中尺度涡的时空特征研究上世纪70年代多次的大洋实验揭示了长期以来被认为是弱流区的广大中大洋区域,几乎都存在着流速较强(量级为10cm/s)的中尺度涡。
中尺度涡作为中尺度现象的一个重要部分,在海洋动力学以及热、盐、水团、动量和其他化学物质输送中起着重要的作用,因而能影响海域环流结构、大面积水团分布和海洋生物等,也是军事海洋学必须考虑的问题。
所以,中尺度涡的研究成为物理海洋学和海洋交叉学科研究中的一个重要内容。
本研究以南海中尺度涡的分布特征、运动变化规律、动力机制及对相应过程的影响为研究对象,通过数据分析、模式验证和动力机制分析相结合的方法,既全面描述了南海中尺度涡的分布和演化的总体特征,又深入研究了南海具有代表性涡旋的特点。
本文主要用到的资料为遥感资料(包括高度计的海表高度、地转流和QuickSCAT风场等),现场观测资料(包括2008年8-9月和2009年6-7月吕宋口及南海北部大面积水文观测资料),Argo温盐资料和同化资料(如SODA)。
本文组织结构和主要结果如下:首先,研究南海涡动能的多种尺度的变化特征和变化机制,并确定本文的研究重点区域。
结果表明,南海涡动能的能量高值中心位于越南以东海域和台湾西南海域,涡动能因多种尺度因素叠加而呈现较复杂的结果。
涡动能的年际变化较为重要,与El Ni?o密切相关。
El Ni?o能够通过大气桥——风应力旋度来影响南海EKE 的年际变化。
季节性变化是南海涡动能最显著的变化尺度,尤以越南东部海域为最,该区域涡动能的季节变化主要归功于局地风应力旋度的季节变化。
最显著的年内季及中尺度变化出现在台湾西南海域,其主要受黑潮入侵和背景流的斜压不稳定所影响。
根据涡动能的分布特征,本文以吕宋海峡西部海域和越南东部海域为重点研究区域。
对于吕宋海峡西部海域,我们研究了季节性涡旋吕宋暖涡的垂向结构和演化特征,发现吕宋暖涡垂向超过500m,在温跃层附近造成5°C的高温异常和0.5psu 的低温异常,其旋转速度在上层200m较强,最大速度约0.6 m/s;进一步,我们利用大面积现场观测资料,发现2008年9月黑潮在20-21°N区域显著入侵南海,入侵水体主要位于上层300m,西至117°E,围绕7月产生于南海的一反气旋涡做反气旋式回旋而在南海更北区域返回菲律宾海;利用2009年夏初大面积现场观测资料,我们还讨论了夏初吕宋海峡区域水交换特征,并指出前人单一剖面数据难以正确揭示该区域水交换特征。
南海北部季风试验区中尺度对流系统冰相过程对云和降水过程影响数值模拟研究*付丹红1郭学良 21. 中国科学院大气物理研究所云降水与强风暴实验室，北京，1000292. 中国气象科学研究院，北京，100081摘要利用中国南海北部试验区（NESA）加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场作为大尺度强迫项，采用可分辨云中尺度模式（WRFV2.2）模拟研究了1998年5月15日至6月11日南海季风试验区（SCSMEX）北部地区降水特征及冰相过程对云和降水的影响。
研究结果表明，1998年5月和6月分别出现两次强降水过程，云内冰相过程导致降水减弱，这主要是由于云内冰相过程导致向下短波辐射通量减小，海面感热通量和潜热通量减弱，进而导致降水减弱，同时，冰相过程中冻结潜热释对大气稳定度和降水有着重要作用，冻结潜热释放导致大气稳定度增加，抑制对流的发展增强，也使得地面降水减弱。
冰相过程中的融化潜热吸收和冰相粒子下落末速度对大气层结和降水的影响相对较小，对降水略有增强作用。
关键词SCSMEX中尺度对流系统1 引言亚洲夏季风最初爆发于中国南海地区，随后不断向北和西北推进，最终导致亚洲季风全面爆发和建立（Tao and Chen，1987；丁一汇，1991），这与夏季东亚地区旱涝的发生存在密切的关系(黄荣辉等，2005；李崇银和屈昕，2000；何有海等，2000；刘长征等，2004；孙淑清和马淑杰，2003)。
南海季风是东亚季风系统中一个重要的组成部分，为了更好地了解南海夏季风爆发、维持和变化以及海洋对流系统的动力结构和降水特征等，1998年5月至6月在我国南海季风区域进行了一次国际综合观测实验（Lau et al，2000）。
一些研究者利用常规和加密探空资料分析了试验期间伴随季风爆发的大、中尺度环流结构(Chan et al.,2000;Ding and Liu,1998;Johnson and Ciesielski,2002)。
南海中尺度海洋现象研究概述
南海是一个以中国为主要国家的多国海洋，它是一个南方的大洋，广大的海域和丰富的海洋资源使南海成为全球海洋研究领域的重要研究对象。
近年来，随着气候变化、海洋调查技术的发展和海洋资源的开发利用，南海的研究发展取得了长足的进步。
在海洋环流方面，南海的中尺度海洋现象研究主要研究南海的环流场，以及南海的热带季风和西太平洋风暴的影响。
研究发现，南海的热带季风是海洋环流的重要影响因素，它不仅影响南海的海温、潮汐和沉淀物分布，而且还影响南海的海域环境。
在海洋环境方面，南海的中尺度海洋现象研究主要是研究南海的海域环境，包括海域水质、沉积物、海域植被等。
研究发现，在南海的主要水域，沉积物组成和性质受到季风和西太平洋风暴的影响，植物群落的分布受到水深、潮汐的影响，海域水质受到沉积物、植物等的影响。
此外，南海的中尺度海洋现象研究还包括研究南海的生物多样性，南海的生物多样性是南海的重要特征。
研究发现，南海的浮游植物分布和演替受到季风和西太平洋风暴的影响，鱼类群落的分布受到水深、水温、潮汐等因素的影响，海域动物群落的分布受到植物群落的影响。
从上述可以看出，南海的中尺度海洋现象研究已经取得了重要的进展。
这些研究有助于我们更好地理解南海的气候变化、海洋环流、海洋环境、生物多样性等，从而更好地开发和利用南海的资源，保护南海的海洋生态系统。
2021浅析在海洋中尺度涡响应中大气的进程范文 摘要：海洋中尺度涡广泛分布于全球海洋且能对大气造成显著影响。
在全面陈述大气边界层和局地环流对中尺度涡响应的基础上,论述了与其相应的物理机制, 并系统介绍了有关中尺度涡对天气系统影响的最新研究进展。
(1) 中尺度涡引起的海表温度异常通过改变湍流热通量来引起洋面风速、散度以及云量和降水的异常, 并在垂直方向上产生异常的次级环流。
并且, 大气对中尺度涡的响应有明显的区域和季节差异。
(2) 在南海、黑潮延伸区和南大洋, 中尺度涡可分别通过改变海表面气压或大气边界层稳定度来影响其上的洋面风速。
通过分析大气异常中心与中尺度涡的位相关系并配合动力诊断可区分这2种机制。
(3) 中尺度涡能改变大气中的能量转换从而影响风暴路径和急流位置, 并能通过遥相关影响下游地区的天气型。
此外, 中尺度涡所造成的海洋上层温度变化还将对热带气旋的增强和维持起重要作用。
关键词：海洋中尺度涡;海气相互作用; 天气系统; Abstract：Asone of the most important mesoscale ocean features, the mesoscale eddies are omnipresent and have significant impact on the overlying atmosphere. Based on the comprehensive review of the influence of mesoscale eddies on the atmospheric boundary layer and the local circulation, the corresponding physical mechanisms and their impacts on weather systems were presented systematically. (1) Eddy-induced SST anomalies may modify the surface wind speed, horizontal divergence, cloud and precipitation through turbulence heat flux anomalies. Meanwhile, additional secondary circulations arise over the eddies. What is more, there are obvious regional and seasonal differences for atmospheric responses. (2) Studies in the South China Sea, the Kuroshio Extension region and the Southern Ocean indicate that atmospheric responses to mesoscale eddies can be explained by the changes of sea level pressure or the vertical momentum transport. These two mechanisms can be distinguished by the phase relationship between the atmospheric anomaly center and the eddy core. Diagnosis on the inner dynamical processes may draw better conclusions. (3) The energy conversions are affected by mesoscale eddies, which may affect storm tracks and jet streams, and finally result indistant influences on weather patterns. Moreover, sea temperature anomalies from sea surface to the thermocline associated with mesoscale eddies have significant impacts on the intensification and the maintenance of tropical cyclones. Keyword：Oceanmesoscale eddies; Air-sea interaction; Weather systems; 1引言 海洋与大气通过界面间的热量、动量以及物质交换紧密联系在一起,形成一个包含各种尺度的耦合系统。
南海海洋所揭示海洋中尺度涡影响浮游植物叶绿素分布新机制南海海洋所揭示海洋中尺度涡影响浮游植物叶绿素分布新机制在海洋中，中尺度涡是一种非常重要的海洋环流特征，它在海洋环境中起到了至关重要的作用。
涡是由海洋中的不稳定性产生的，它们通常是由变化的海水密度、风场和地球自转等因素造成的。
在南海海域，中尺度涡的影响尤为显著，因此科学家们对其进行了深入的研究。
他们发现，中尺度涡对海洋中浮游植物叶绿素分布产生了新的影响机制。
1. 中尺度涡是什么？中尺度涡是指海洋中直径在10-500公里范围内的环流涡旋。
这种涡旋呈现出旋转的运动特征，并且在水体中产生了一定的涡动。
中尺度涡通常具有水温、盐度和流速等方面的差异，它们对海洋生态环境有着直接而深远的影响。
2. 浮游植物叶绿素分布与中尺度涡的关系浮游植物是海洋中非常重要的生物元素，它们通过光合作用为海洋生态系统提供能量，并且参与了海洋碳循环过程。
叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，它能够吸收光能并转化为化学能。
科学家们发现，中尺度涡对浮游植物叶绿素的分布产生了重要影响，这为我们认识海洋生态系统的结构和功能提供了新的视角。
3. 影响机制的新发现最新的研究发现，中尺度涡通过影响海水混合和上升流的分布，进而影响了海洋中浮游植物叶绿素的分布。
在涡旋的边缘区域，海水混合和上升流的活动更加频繁，这使得浮游植物叶绿素得以更好地分布和生长。
相对而言，在涡旋的中心区域，海水混合和上升流的活动相对较弱，导致浮游植物叶绿素分布相对较少。
中尺度涡不仅影响了海洋环境的物理结构，还对海洋生物的分布和生长产生了直接的影响。
4. 个人观点和理解作为一名海洋生物学研究者，我对中尺度涡对浮游植物叶绿素分布的新影响机制深表关注。
这一发现不仅丰富了我们对海洋环境变化的认识，还为我们探索海洋生态系统的稳定性和可持续性提供了新的思路。
我相信，随着科学技术的不断进步，我们将能够更深入地研究中尺度涡对海洋环境和生物的影响，为保护海洋生态系统做出更大的贡献。
南海中尺度涡旋的起源与能量路径解析南海，这片位于亚洲东南部的辽阔海域，不仅是全球海洋中尺度涡旋最为活跃的区域之一，更是全球气候变化和海洋动力学研究的热点。
中尺度涡旋，作为海洋中的一种重要现象，其形成和发展不仅对海洋环流结构和物质能量的传输起着关键作用，更对周边地区的气候产生深远影响。
本文旨在深入探讨南海中尺度涡旋的起源，分析其能量来源和路径，并结合最新的研究成果，揭示这些涡旋背后的复杂动力学机制。
南海中尺度涡旋的气候学特征南海中尺度涡旋的形成与演变，是海洋动力学中的经典问题。
这些涡旋通常具有数百公里的尺度和数月的生命期，它们在南海西部边界流和吕宋海峡黑潮入侵等大尺度环流中孕育而生。
统计研究表明，这些涡旋主要集中在南海的西南部和东北部，其概率分布显示，在越南东南部和台湾西南部的海域，涡旋的出现频率分别达到了40-70%和35-60%。
这些区域的中尺度涡旋动能（EKE）也呈现出相似的分布特征，高值中心位于越南东南部和台湾西南部。
多尺度能量转换与涡旋生成在南海中尺度涡旋的形成过程中，多尺度能量转换扮演着至关重要的角色。
研究表明，正压和斜压不稳定性、风做功、平流和压力做功是南海中尺度涡旋能量来源和汇的重要成分，但它们在不同区域的贡献各不相同。
在南海西南部，区域中尺度涡旋能量主要由正压不稳定性产生，而在东北部南海，斜压不稳定性和直接作用于涡旋的风做功是两个主要的涡旋生成过程。
此外，台湾西南的涡旋因向外的能量输送而受到抑制，而越南东南部的涡旋衰减则是由于压力做功。
风强迫与涡旋能量的相互作用风强迫一直是海洋中尺度涡旋生成的重要外部因素。
在南海，风对EKE的影响仍然是一个活跃的研究领域。
一些研究表明，风做功与越南东南部的中尺度涡旋季节变化密切相关，但大部分风能输入并不直接进入中尺度流，而是首先驱动大尺度环流，然后通过内部不稳定性为涡旋提供能量。
这种风驱动的大尺度环流与中尺度涡旋之间的能量级联，是南海中尺度涡旋能量路径中不可忽视的一部分。
南海中尺度涡的时空特征研究一、本文概述本文旨在全面研究南海中尺度涡的时空特征，通过深入探索其形成、演变及其影响机制，以期增进对南海海洋动力学过程的理解，为海洋环境预测、资源开发和气候变化研究提供科学依据。
南海，作为世界上最大的边缘海之一，其复杂多变的海洋环境对区域气候、生态系统和经济活动产生深远影响。
中尺度涡作为南海中重要的海洋现象，其研究不仅有助于揭示南海海洋环境的动态变化，也有助于预测和应对相关环境问题和挑战。
本文将首先回顾和总结国内外关于南海中尺度涡的研究现状，明确研究的科学问题和研究目标。
在此基础上，通过收集和分析大量的海洋观测数据，结合数值模型和理论分析方法，深入研究中尺度涡的时空分布特征、形成机制和演变规律。
本文还将探讨中尺度涡对南海海洋环境、生态系统和社会经济的影响，评估其潜在的风险和机遇。
本文的研究结果将为南海海洋环境预测、资源开发和气候变化研究提供重要的科学依据，有助于增进对南海海洋环境的认识和理解，为南海的可持续发展提供有力支持。
本文的研究方法和成果也将为其他海域的中尺度涡研究提供有益的借鉴和参考。
二、南海中尺度涡的时空分布特征南海，作为中国最大的边缘海，其独特的地理位置和海洋环境使得其成为中尺度涡活动频繁的区域。
中尺度涡，作为海洋中的一种重要现象，其时空分布特征对于理解南海的海洋动力学过程、海洋生态环境变化等具有深远的意义。
在时间上，南海中尺度涡的活动呈现出明显的季节性变化。
一般而言，春夏季是南海中尺度涡最为活跃的时期，这与南海季风的变化密切相关。
在季风转换期间，海洋流场发生调整，易形成涡旋。
南海的热带气旋、台风等天气系统也常伴随涡旋的生成和发展。
相比之下，秋冬季南海的中尺度涡活动较为减弱，这可能与海洋层结的稳定性和风场的减弱有关。
在空间上，南海中尺度涡的分布则受到地形、流场、海温等多种因素的影响。
南海北部，受到黑潮流系和南海暖流的影响，涡旋活动较为频繁。
其中，吕宋海峡附近是南海中尺度涡的高发区，这与海峡内复杂的海流交汇和地形变化有关。
南海西北陆坡区不同尺度运动特征分析结合在南海西北陆坡区长达3个月的潜标观测和卫星资料,对南海西北陆坡区的定常流、中尺度涡、内潮和近惯性运动等不同尺度运动的特征进行了分析研究,同时研究了它们之间的相互作用,尤其是中尺度涡对近惯性运动和内潮的影响,并分析了一个台风过程中上层海洋对它的响应情况。
对正压和斜压流进行频谱分析发现,观测海区的正压潮以全日潮为主,半日潮次之;K1、M2斜压潮的振幅均随深度先减小后增大,并在海底附近保持了一个较大值。
由于潜标附近地形对斜压半日分潮为亚临界地形,使得从吕宋海峡传播过来的半日分潮在本地反射后继续向上向浅海传播,从而观测到了明显上传的能量;而其相对斜压全日分潮为超临界地形,使全日分潮的能量以下传为主。
同时卫星观测到的海表面高度异常显示,潜标观测的前期和后期该地分别有一个暖涡和冷涡存在,并主要影响了该地上层的定常流;而中深层的定常流变化可能与受季风控制的南海西边界流有关,并受本地地形强迫所影响。
通过研究中尺度涡过程中的近惯性能量变化发现,反气旋涡(暖涡)有利于近惯性能量的下传,使得近惯性能量迅速下传并且最大近惯性能量深度出现在温跃层底;而气旋涡(冷涡)限制了近惯性能量的下传,使大部分近惯性能量局限在混合层里,使得混合层内出现很强的剪切和混合,造成了冷涡期间的混合层降温反而大于暖涡期间的混合层降温。
这一差异是由于背景涡度的出现,改变了有效科氏参数f_e = f+ξ/2,从而改变了可下传的近惯性能量频段fe的下限。
暖涡对应的负涡度减小了有效科氏参数,从而使可下传的近惯性能量频段变宽,近惯性能量更容易从混合层传到温跃层,使得较大的剪切和混合发生在温跃层内;而冷涡对应的正涡度使得有效科氏参数增加,抑制了近惯性能量的下传,使大部分近惯性能量聚集在了混合层,在混合层底造成了更强的剪切和混合。
台风Xangsane的过境对南海中部造成了约5℃的海表面降温,且对台风路径右侧影响更剧烈,台风移动速度越慢,向海洋输入的能量越大,造成混合层对下层冷水的卷夹过程也更强烈,造成的降温也更显著。
南海暖季天气系统与中尺度对流过程研究进展南海暖季天气系统与中尺度对流过程研究进展引言：南海地处热带和亚热带交汇的地区，东亚季风及其他气候系统的相互作用使得南海暖季的天气系统异常复杂。
其中，中尺度对流是南海暖季天气系统的重要组成部分。
本文将探讨南海暖季天气系统与中尺度对流的研究进展，并对未来研究方向进行展望。
一、南海暖季天气系统概述南海暖季天气系统主要包括台风、副热带高压、季风、季候风等。
台风是南海暖季的主要天气现象，它的形成、增强和路径对南海周边地区的天气产生重要影响。
副热带高压是南海暖季的另一个显著特征，它的位置和强度决定了南海地区的天气状况。
季风和季候风则为南海暖季的风向和强度变化提供了动力。
二、中尺度对流对南海暖季天气系统的影响中尺度对流是指在水平尺度上约为数十至数百公里的对流现象。
它是南海暖季天气系统中的重要组成部分，如季风云团、季风低压、季风边界层等。
中尺度对流的形成和发展受到地形、水汽输送、大气稳定度等因素的影响。
它对南海地区的降水分布、风向、云量和辐射等都有重要影响。
三、南海暖季天气系统与中尺度对流的相互作用机制1. 季风低压与季风云团季风低压是南海暖季的主要对流系统之一，它是由于地形和地热因素导致的地表低压系统。
季风云团则是在季风低压的气旋环流中形成的对流云团，它们对南海地区的降水形成有明显的影响。
季风低压和季风云团的形成主要受到大气辐合和地面上升气流的共同作用。
2. 季风边界层和地形对流季风边界层是南海暖季的另一个重要中尺度对流系统，它是由于季风交汇区引起的大气辐合和上升气流形成的。
地形对流则是由于地形起伏和地热差异引起的对流云团，它们对南海暖季的降水和雷暴形成有重要影响。
四、南海暖季天气系统与中尺度对流的研究进展过去的研究主要集中于利用观测资料、数值模拟和统计方法研究南海暖季天气系统与中尺度对流的关系。
其中，观测资料的应用对于了解南海暖季天气系统的实际演化和中尺度对流的特性至关重要。
第20卷第2期2005年2月地球科学进展ADVANCES I N E ART H SC I ENCEVol.20 No.2Feb.,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:A0 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112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181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.并向西传播乃至衰减的周期性过程,但只是揭示了斜压第一模态开尔文波和罗斯波的一些运动学特征;另外,这种波动现象并未从现有实测资料中得以证实。
Is o等[33]根据4层的等密度面层化模式结果,认为南海流场的形态与第二斜压模的罗斯波传播有关。
上述的研究均未反映净热通量的影响。
Hu等[34]指出南海海面高度存在着3～6个月的变化;L iu等[28]通过实测资料和模式研究指出南海海面高度的季节变化与风应力旋度引起的斜压罗斯波传播有关。
Yang等[35]再次通过高度计资料和模式结果来证明南海北部冬季吕宋冷涡的移动确实是由风强迫罗斯波的传播引起的(而黑潮入侵并不重要)。
那么,南海南部的中尺度波动特征如何?相比而言,目前关于南海中尺度波动这方面的研究仍很少[36]。
另外,南海南部流场的季节性变化主要与哪些模态的中尺度波动(特别是强迫开尔文波和地形罗斯波)有关?不解决这些问题,则我们在建立数值机制模式来揭示南海南部流场的动力学和热动力学机制之前对于在垂向上(等密度面)分几层就存在着人为性和盲目性,进而影响对数值模拟结果的解释。
2 讨论与展望Yu等[37]曾利用一个基于线性波动原理、由风应力驱动的动力学模式来研究赤道太平洋的海流、跃层深度、动力高度等的季节性波动及其成因,发现这些参量的西(东)传播与第一、二个斜压模态的开尔文波和罗斯波的传播有关。
该模式应用的前提是风应力驱动是绝对占主导因子的外力因素。
这一研究给予我们很大的启发,因为在南海南部,黑潮入侵的影响相对较小[32],风场的驱动是导致上层海流季节性变化的一个重要因素,因而可以将该模式推广到南海南部中尺度波动传播特征的研究上。
目前,由于各种海面风应力资料(如卫星遥感资料、COADS资料及Heller man&Rosenstein资料)的来源和处理方法不同,相应得到的风应力资料量值也就存在着较大的差异[38]。
因此,我们首先必须从各种海面风应力资料的比较分析中确定相对稳定而合理的风场;之后,通过采用变量分离法,在线性化理论的基础上,利用基于线性波动原理的动力学模式来分析风应力强迫所产生的中尺度强迫开尔文波和地形罗斯波的各个模态的传播特征和规律;同时,通过搜集南海南部的实测风应力、温度、盐度、海流和海面高度资料,从中研究和分析该海区流场的季节性变化规律。
综合上述观测和理论分析的结果,研究这些中尺度波动与流场季节性变化之间的关系;从中分析流场的季节性变化主要与哪几个模态的强迫开尔文波和地形罗斯波的传播有关,并据此建立一个能够反映上述正压和几个主要斜压模态的动力学和热动力学机制的等密度面层化的机制模式(如假设上述海区的流场季节性变化主要与前4个斜压模态的强迫罗斯波和地形罗斯波的传播有关,则层化模式在垂向上至少要取4(4个斜压模态)+1(1个正压模态)=5层,依此类推,这样的模式结果才能较准确地揭示流场变化的机制),根据多个数值模拟试验的结果,重新评估风应力、净热通量、外海水交换(如苏禄海、爪哇海)等因子对南海南部海区流场季节性变化的贡献,这有助于进一步揭示该海区环流的动力学、热动力学机制,弄清楚该海区流场季节性变化与中尺度波动之间的内在关系,最终提高对该海区环流多涡结构的形成机制、维持和演变规律的认识,这对于南海区域海洋学和物理海洋学具有重要的学术意义。
