南海西部海流和温度长期定点观测分析＊

朱晓婷，陈学恩

（中国海洋大学海洋环境学院，山东 青岛266100）

南海是邻近中国大陆最大的半封闭深水海盆，海岸线和海底地形非常复杂。南海上层环流季节变化的大量研究表明：南海本地季风场决定了南海的上层环流结构，即在冬季的东北季风盛行时期，整个南海体现为1个强的气旋式环流系统；而夏季受西南季风影响，南海环流结构比较复杂，南海北部有1个比冬季稍弱的气旋式环流，南部却相反[1－3]。该环流特征的垂向范围在一些文献中被提到，例如1979—1982年南海北部的调查研究发现，其可达500m以深[4]，数值研究发现其在越南东南外海可达600～1 200m的中层[5]。上述文献对南海尤其是南海西边界流区上层和中层定义的粗糙，反映了较深层的现场观测资料的匮乏导致了对南海环流垂向结构刻画的不清晰。

南海西部存在西向强化现象，随着季风方向的转变，在越南沿岸产生冬季向南，夏季向北的强流[3]。众多观测、数值研究表明，在夏季季风期间，越南东南岸的北向西边界流在12°N～14°N转向东形成越南离岸急流[2，3－7]，该急流的出现标志着南海盛夏环流趋于稳定[6]，并且生成急流的区域是南海中尺度涡多发区域[2，6－10]。2007年冬季的argo浮标观测发现，南向的西边界流向下伸展到1 000m，并且300～600m层盐度均匀，反映了强气旋环流导致的强混合[11]。通过历史水文数据发现，太平洋高盐水沿着南海的北部和西边界入侵南海[13]。数值研究表明，除夏季外，黑潮均通过吕宋海峡入侵南海表层，而夏季，南海的次表层和中层均存在黑潮入侵[12]。对南海海域内海流的潮流调和分析多揭示观测区域以全日潮为主[14－16]。2002年5月在南海西边界流区定点连续海流显示了该点海流斜压性很强[15]。

综上所述，南海环流非常复杂。南海南北物质、动量和能量主要通过西边界流进行交换，西边界流在南海环流系统中有着重要的地位。本文分析了南海西南部西边界流区某一特定深度上长于一年的海流和温度观测，揭示了观测时期海流和温度的变化特征，为相关的研究提供稀缺观测资料的佐证或者研究依据。

1 资料简介

2006年，越南和德国联合在南海西部西边界流区放置了带有海流计和温度计的沉积物捕捞器，取得了超过14个月的连续观测数据。观测点的经纬度为11°49.930′N，110°00.20′E，处于越南外海水深为1 708m的陆坡上（见图1）；该观测取得了636m水深处，2006年4月27日8时～2007年7月7日16时的流速、流向和温度数据，数据的采样间隔1h。将World Ocean Atlas 2009（WOA09）数据集[17]的冬季和夏季各层的统计平均温度水平线性插值到观测点所在的经纬度上，得到观测点多年平均的冬夏两季温度垂直剖面曲线（见图1右），观测点（636m）远处于温跃层下方，冬夏两季的温度几乎相同，表明在多年平均状态下观测点海温的季节变化不明显。

图1 地形（蓝点：观测点位置）和气候态温度剖面Fig.1 Topography around the sediment trap site and climatological temperature，salinity profile

2 统计特征与波谱分析

2.1 海流与温度的统计特征

原始海流和温度的时间序列包含了低频、潮频和大于潮频的高频变化，温度最大值为8.13℃，最小值为6.69℃，平均值为7.4℃。对海流流向和流速分段出现的频率进行统计（见图2），结果表明：从2006年4月27日～2007年7月7日，海流能量集中在V分量上（南北向流速，下同）；北向流的流速大小和出现频率都超过南向流速：25～35cm/s流速主要向北，北向常见的流速为15～20cm/s，而南向最常见的流速是5～15cm/s。另外，向北的海流倾向于偏西，向南的海流倾向于偏东。

图2 原始海流流速流向的频率分布Fig.2 Frequency distribution of amplitudes and directions of the observed current

为了逐月分析海流和温度时间序列，定义以下统计量：T0为温度的时间平均值；Tmax为温度的最大值；σT为温度的标准偏差；V0为北向流速的时间平均值；Vmax为北向流速的最大值；σV为北向流速的标准偏差；定义海流矢量S＝（U，V），S＝｜S｜，Smax和θmax为海流最大速度及其方向；tmax为最大流速发生的时刻。相关统计结果表明：

（1）σV最大为2006年5月的14.75cm/s，最小为2007年4月的4.64cm/s，大部分月份σV与V0大小相当，表示海流的变化较剧烈（见表1）。

（2）Tmax于2006年10～11月仅为7.64℃，于2007年4月达到8.13℃，且2006年5、6月与2007年5、6月的T0分别相当，因此观测点的温度具有较明显的季节变化特征。

（3）2006年与2007年的5、6月Vmax、V0的符号分别相反，说明该点海流具有显著的年变化，与前人基于该海域温盐观测所反演流场的情形吻合[6]。

（4）对Vmax、V0和θmax的分析一致表明，2006年5月份～2007年1月份（除了2006年7和12月份）北向流速占优，而其他月份南向流速占优。

（5）2006年7与12月有1个显著的共同特点：前1个月的V分量都具有较大量值而且符号与之相反。对海流作低通滤波，并利用带有显著性检验的FFT进行检验。低通滤波的临界频率设为36h，剔除潮流的影响。低通滤波后的海流方向和大小的频率分布仍具有上述特点，表明2006年7与12月发生了特殊的低频运动，第4部分将作详细分析。

2.2 海流与温度的波谱分析

对逐月的原始海流和温度作FFT分析，得到海流和温度的置信水平超过95%的功率谱。温度功率谱的全日周期谱峰非常显著（见图4）。海流的V分量在2006年7月、2007年4～6月表现出显著的全日周期，而半日周期不显著；此外，在2006年12月、2007年6月出现比较显著的近惯性周期（45～58h）谱峰。海流的U分量（东西向流速，下同）除了2006年6月份，其他月份的全日周期能量都很显著；同V分量，半日周期能量很弱，偶尔出现比较明显近惯性周期能量（图略）。

表1 海流和温度的逐月统计属性Table 1 Monthly statistics of the currents and temperature

3 潮流调和分析

前人对南海海域潮流调和分析所用的资料长度多短则不到1个月，长仍不超过5个月[14－16]。由于本研究采用的观测资料长度达14个月，不但可以将频率很近的分潮如O1和K1或者M2和S2进行分离，还可有效地分辨长周期分潮如Sa和Ssa。本文采用Pawlowicz等[18]提供的潮流调和分析程序包t＿tide对观测海流作整个时间序列的潮流调和分析和逐月数据的潮流调和分析。

3.1 长序列数据的调和分析

图3 逐月温度的功率谱Fig.3 Monthly power spectrums of temperature

潮流椭圆要素决定了分潮的基本特征：长半轴和短半轴分别表征可能的最大和最小潮流；如果潮流矢量随着时间逆时针方向旋转，则短半轴为负，反之短半轴为正；倾角是长轴和东向之间的夹角；迟角是格林威治迟角，指实际海洋比平衡潮理论中分潮达到最大振幅时落后的角度。表2给出了通过95%置信水平检验且信噪比大于2的分潮的潮流椭圆要素值及相应误差。

由表2可知，该观测点处的显著分潮主要是太阳辐射一年分潮（Sa）、全日分潮（O1、K1）和半日分潮（M2），而Sa分潮最强，这可能是观测点温度显著的季节变化的反应。也可能是由于观测资料长度的限制，这是前人研究中未曾发现的[14－16]。Sa分潮作逆时针旋转，最大流速达6.9cm/s，长半轴与短半轴之比为9.22，往复性质远大于旋转性质；另外，Sa长轴基本为南北方向，平行于等深线，最大流速与原始海流偏差相当，而潮流V分量对原始海流V分量的方差贡献为29.4%，远大于U分量的8.5%，表明Sa分潮是海流V分量低频运动的重要成分。

全日分潮O1、K1和半日分潮M2均作逆时针旋转，最大流速分别是1.30，0.91和0.70cm/s；（WK1＋WO1）/WM2＝3.16，为不规则全日潮。O1振幅不到Sa的20%，长轴指向西北－东南方向，长短轴之比为6.51；K1的长轴南北走向，长短轴之比为2.88，有较强的旋转特性；K1的振幅为O1的69.51%，可造成该海区日不等现象。最强半日潮M2的最大流速仅为最强全日潮O1的53.76%，其它半日潮振幅都小于0.3cm/s。M2分潮的长轴基本上呈东西方向，与等深线垂直，长短轴之比为1.61，旋转特性很明显。全日和半日分潮中较小振幅的分潮均作顺时针旋转。

表2 整个时间序列的潮流调和分析的潮流椭圆要素Table 2 tidal elliptic elements from the long－term harmonic analysis of the currents

3.2 逐月数据的调和分析

有文献对2006年5月观测点附近（11°16′N，110°46′E）17d的海流资料分析揭示，400m层以下潮流所能解释的U分量方差大于V分量方差[15]，而本文连续14个月数据的调和分析结果显示，潮流V分量方差贡献大于U分量。本文猜想，由于该海区潮流有很强的斜压性导致分潮的潮流椭圆随着时间有很大的变化，特定时间的分析结果不具有普遍性。为了验证上述猜想，对长期观测数据拆分成逐月数据，分别进行调和分析，O1，K1，M2和S2分潮的潮流椭圆随时间的变化见图5。图中与椭圆中心对应的横轴时间表示对应的月份，同一月份中缺少潮流椭圆的分潮的信噪比小于1。

3.2.1O1分潮O1分潮潮流椭圆旋转特性、振幅和长短轴之比随月份变化较大。其分潮潮流椭圆长轴于2006年6、7、8、10月和2007年1、4、6月均呈西北－东南方向，只有2006年6月和2007年4月为逆时针旋转，其余均为顺时针旋转，说明月数据容易得到O1顺时针旋转的结果；上述月份O1长短轴之比变化很大，2006年7、10月和2007年6月旋转特性显著，其余均月份往复特性显著。其余月份中O1长轴的方向变化较大，往复和旋转特性差异明显，2006年9月和2007年3月呈东北－西南方向，2006年11月和12月几乎呈南北方向但旋转方向相反，2007年5月份几乎呈东西方向。

3.2.2K1分潮K1分潮于2006年7、12月和2007年2月呈逆时针旋转，其余月份相反，说明月数据更容易得到K1分潮顺时针旋转的结果。K1分潮的长轴方向、振幅比O1分潮更富于变化，2006年5月和2007年1～6月振幅较大，其余月份较小。杜岩等[15]分析了2002年5月540m以浅的海流观测资料，发现该海区潮流具有很强的斜压性，400m以下的潮流U分量的方差贡献大于V分量的方差贡献；值得注意的是，这与2007年5月份的结果一致，与2006年5月份的结果相反。可见不同年份相同月份的调和分析结果差异也很大。

3.2.3M2和S2分潮M2分潮的旋转方向多为逆时针，最大流速相对全日分潮较弱；长轴在2006年5月、7～10月以及2007年3月呈西北－东南方向，2006年6月和2007年2月呈南北方向，2006年11月和2007年5月呈东西方向的往复流。S2分潮最弱，长轴基本呈南北方向。

综上所述，该海区全日潮振幅强于半日潮，但是由于该海区的潮流斜压性很强，主要分潮的潮流椭圆要素随时间变化很大。

图4 2006年5月～2007年6月的逐月调和分析结果Fig.4 Results of the monthly harmonic analysis from May，2006to June，2007

4 低频特征

因为观测海区为南海中尺度涡多发区域[6－10]，本文假设2.2部分所述的海流低频变异受中尺度涡的影响。定义余流为原始海流与长期调和分析得出的潮流之差，将余流V分量、潮流V分量和温度的逐日平均绘于图5，结合模块化海洋数据同化系统（MODAS－2D）在南海1/4（°）的海表面高度数据（SSH）[19]及混合坐标海洋模式同化系统（HYCOMDAS）全球1/12（°）的三维温盐流同化数据[20－21]进行验证猜想。由于HYCOM同化数据不包含潮流信息，观测分析出的潮流V分量小于余流V分量的时期HYCOM数据更具可靠性，因此重点关注2006年6月15日～7月13日，12月12日～19日2段时期的变异现象（见图5）。

由MODAS－2DSSH 和 HYCOM 数据可知，2006年6月15日，观测点东北方向存在着1个强劲的反气旋涡[3－7]。图6a和6b给出了2006年6月29日过观测点的纬向温度断面图和600m层的水平流场，600～800m层的等温线向下弯曲，证实该海区暖涡影响可达表层以下，此时观测点处于暖涡边缘。该暖涡呈西北－东南方向的椭圆形，近越南陆架一侧流速较另一侧弱；随着时间推移，该涡向西南方向移动、减弱，中心逐渐靠近观测点，7月13日消失。综上所述，2006年6月15～29日的日平均温度逐渐升高和余流V分量的方向反转系暖涡经过所致。

图5 上：温度日平均序列（蓝）和平均温度（黑）；下：潮流（红）和余流（蓝）的V分量日平均序列、潮流强度小于余流的时期（V＝0处黑点）。竖直虚线位置对应的日期为2006年6月15日、7月13日、12月12日、12月19日Fig.5 Top panel：daily mean temperature（blue）and the average temperature（black）；bottom panel：daily mean northward component of the tidal current（red）and the residual current（blue），the period when the tidal speed is smaller than the residual（black dots at V＝0），the date of June 15，July 13，Dec.12，Dec.19of 2006（blue dotted）

图6 HYCOM 2006年6月29日（a）温度纬向断面（等值线间隔0.4℃）；（b）600m层水平流场（黑色直线交叉点为观测点）；（c）和（d）为2006年12月19日，描述同a和bFig.6 From HYCOM in June 29，2006（a）zonal section of temperature with interval of 0.4℃；（b）horizontal velocity field at 600m，the black lines cross at observation spot；（c）and（d）in Dec.19，2006，same description as（a）and（b）

同样，2006年12月12日观测点东侧逐渐生成一个冷涡，到12月19日，强度逐渐加强，300～800m深度上等温线存在很强的上凸现象（见图6c，d）。由于冷涡几乎没有移动，观测点温度比较稳定，南向流随冷涡的削弱而减小（见图5）。

5 结论

利用位于南海西部、越南外海大陆坡上14个月的定点（11°49.930′N，110°00.20′E）、温度和海流连续观测资料，结合多种数据，利用谱分析和调和分析等多种统计方法，揭示了2006年4月27日～2007年7月7日期间海流和温度的时间变化特征，主要结论如下：

（1）观测期间内，温度具有明显季节变化，最大值8.13℃，最小值6.69℃，平均值7.4℃；温度逐月FFT谱分析表明，温度具有明显的全日周期变化，可能受潮流影响。

（2）海流统计结果表明，海流能量主要集中在V分量上。2006年5、6月份的Vmax、V0和Smax分别与2007年的符号完全相反，说明该海区海流具有显著的年变化；2006年5月份至2007年1月份（除了2006年7月和12月）北向流速占优，而其他月份南向流速占优。

（3）海流的整个时间序列的调和分析表明：该海区为不规则全日潮；最显著的4个分潮为太阳辐射一年分潮Sa、全日分潮O1、K1和半日分潮M2，最大流速分别为6.9，1.30，0.91和0.70cm/s，均作逆时针旋转，长短半轴之比分别为9.22，6.51，2.88，1.61，表明往复特性依次减弱而旋转特性依次增强。Sa和K1分潮长轴与等深线平行，指向南北方向；而M2分潮长轴基本与等深线垂直，指向东西方向；O1分潮长轴则指向西北－东南方向。由于显著的Sa分潮的存在，日平均潮流表现为振幅较大的一年周期的震动。

（4）对逐月海流资料进行调和分析发现，该海区全日潮最显著；短序列的资料的倾向于分析出O1和K1顺时针旋转的结果；由于很强的潮流斜压性，该海区主要分潮的潮流椭圆要素随时间变化很大。

（5）2006年7月和12月海流异常的运动现象由中尺度涡造成。2006年6月15～29日观测点东北方向的椭圆形的暖涡逐渐接近观测点同时逐渐减弱导致了日平均温度逐渐升高和余流V分量由很强逐渐减弱的变化特征。2006年12月12～19日观测点东侧发展了1个很强的冷涡，影响的范围300～800m，由于该冷涡不移动，且观测点处于冷涡的边缘，所以造成了温度比较平稳和海流V分量的南向的流动随着涡的削弱而明显减小的变化特征。

致谢：德国汉堡大学Thomas Pohlmann博士提供了宝贵的观测数据；于华明博士给予的有益的建议，在此一并表示感谢。

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