雅浦-马里亚纳海沟连接区深层流季节内变异的特征和机制*

赵秋雅 汪嘉宁 张 航 张志祥 马 强马卫东 王 凡,3,4 杨红卫

(1.山东科技大学数学与系统科学学院 山东青岛 266590; 2.中国科学院海洋环流与波动重点实验室 山东青岛 266071;3.崂山实验室海洋动力过程与气候功能实验室 山东青岛 266237; 4.中国科学院大学海洋学院 山东青岛 266400)

大洋深层海洋在全球气候变化和生物地球化学循环中扮演着重要的角色。西太平洋紧邻欧亚大陆和我国, 是全球地形最为粗糙的海域之一, 粗糙地形引起的巨大潮能耗散为深海动力过程提供了能量, 产生了丰富的深层多尺度动力过程。此外, 西太平洋上层有丰富的环流系统和暖池, 通过上、下层的潜在动量能量交换会影响深海动力过程, 因此西太平洋是开展深海动力过程研究的理想区域(汪嘉宁等, 2022)。季节内振荡是全球大洋中普遍存在的一个变异特征(Stammer, 1997), 其在上层的产生机制多种多样, 如中尺度涡旋等海洋过程(Zhanget al, 2013; Wanget al,2016)和马登-朱利安振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)等大气强迫过程(Matthewset al, 2007); 而在中深层海洋, 水体内部的中尺度涡(Shuet al, 2022)和地形罗斯贝波(topographic Rossby waves, TRW)被认为是引起季节内振荡的主要原因。科学家在中国南海(Shuet al, 2016; Quanet al, 2021; Zhenget al, 2021)、墨西哥湾(Oeyet al, 2002; Hamilton, 2009)和加拿大海盆(Zhaoet al, 2018)等地点陆续观测到了TRW 的存在, 研究其变异特征和动力机制。但这些海域的水深基本上均小于3 000 m, 而在开阔大洋数千米的深层由于直接观测比较少, 其季节内振荡的动力机制和与上层海洋的联系仍不明确。

雅浦-马里亚纳海沟连接区(Yap-Mariana Junction,YMJ)位于西太平洋, 在2 500 m 以深形成了3 个深水通道, 其中东深水通道连接马里亚纳海沟和东马里亚纳海盆, 北深水通道连接西马里亚纳海盆, 南深水通道连接雅浦海沟和西卡罗琳海盆(图1)。YMJ 是深层经向翻转环流上、下分支携带南极上、下绕极深层水入侵西太平洋的首要区域, 对西太深层水的更新和变化具有极其重要的影响, 是西太平洋深海研究的热点区域(Kawabeet al, 2003; Siedleret al, 2004;Wanget al, 2021; Zhouet al, 2022)。

图1 西太平洋雅浦-马里亚纳海沟连接区附近的地形(水深)及其东、北、南通道位置(沿通道断面用横线表示), 和东通道站位(YMJ-E: 140.43°E, 10.83°N; 五角星)Fig.1 Topography of the Yap-Mariana Junction (YMJ) in the western Pacific Ocean (depth), the locations of YMJ’s eastern, southern,and northern channels (the short bars), and the eastern YMJ site (140.43°E, 10.83°N; the star)

基于雅浦-马里亚纳海沟连接区北深水通道的3套潜标观测数据, Ma 等(2019)发现该通道流速和等温线振幅在季节内尺度上随着深度增加而增强, 其中4 200 m 处流速振幅达到45 cm/s, 1.5 °C 等温线振幅可达600 m, 该现象被形象地称为“深海风暴”。研究表明该处季节内深层强化现象是由TRW 引起的, 观测流速或等温线振幅的垂向分布符合TRW 的波解方程, 拟合解释方差达到90%以上, 且季节内振荡具有自上而下位相基本一致的特征。文章还借助高分辨模型数据讨论了TRW 的两种能量来源, 一是上层的强涡旋通过位涡守恒激发, 二是低频的深层背景流通过正压和斜压不稳定向季节内变异提供能量。上述工作是深层季节内变异研究的重要进展, 但受制于文章篇幅和数据的长度仍有一些问题有待解决, 比如TRW 导致的深层季节内变异是否存在于YMJ 其他区域, 是否还有上述两个机制以外的其他过程可以激发TRW, 以及在季节内时间尺度上全水体动力关联的物理图景是什么等。

本文将利用高分辨率的再分析模式数据集, 在较长时间尺度上对YMJ 东深水通道(图1)深层流的季节内变异特征、机制和全水体的动力关联进行进一步分析, 阐明该通道流速和温度的季节内变异机制对全面认知南极水的入侵具有重要科学意义。

1 数据与方法

1.1 GLORYS 再分析数据

本文主要使用全球海洋再分析产品GLORYS12V1(以下简称GLORYS) 2017～2019 年逐日和逐月的海表面高度(sea surface height, SSH)、温度、盐度和流速数据。该产品由哥白尼海洋环境监测服务中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)提供, 产品来源于欧洲海洋模式NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), 其经纬度水平分辨率均为1/12°, 垂直方向分为不等间距的50 层, 层厚随着深度增加而增大, 在表层10 m 层厚约1～2 m, 在100 m 层厚约20 m, 在1 000 m 层厚约200 m, 在3 000～5 000 m 层厚约350～450 m。GLORYS 同化了卫星高度计、海表面温度以及温度与盐度剖面等观测数据。

Ma 等(2019)评估了GLORYS 模式数据对YMJ区域深层温度、流速季节内变异的模拟能力, 发现其可以很好地再现观测的深层季节内变异和TRW 过程。Wang 等(2021)评估和证实了GLORYS 模式数据对YMJ 区域深层经向翻转环流季节性路径和流量的模拟能力。以上研究表明本文使用GLORYS 数据研究YMJ 区域的深层季节内变异机制是可行的。

1.2 计算方法

其中,θ表示波数矢量K与y轴的顺时针方向夹角,具体求解方法见Meinen 等(1993)。根据公式(3),ω>0需要满足沿等深线方向的k为负, 因此波数矢量K只能指向y轴向上的第二或者第三象限, 从而θ的范围为0°～180° (Hamilton, 2009)。

TRW 水平波长L可由公式(4)计算

其中,x和y表示东西和南北方向坐标, 计算选择相距4 个模式格点(约为33.3 km)的u和v进行。

位涡守恒公式为

其中,h表示水层厚度。

2 结果和讨论

2.1 深层的季节内能量分布

图2 给出了YMJ 及其周边海域2017～2019 年4 405 m 深度上季节内水平动能平均值和标准差值的分布。结果显示YMJ 东深水通道位于一个季节内动能平均值的大值区(图2a), 且具有较大变化(图2b),比YMJ 其他通道的量值大4～5 倍, 这也说明对东通道开展研究的意义。

图3 给出了 2017～2019 年 YMJ 东深水通道YMJ-E 站位(140.43°E, 10.83°N, 下同)处全水深季节内动能的时间-深度变化。季节内能量在垂向上呈现两个大值区, 分别是上层1 000 m以浅和深层2 500 m以深, 中层1 500～2 500 m 处仅在2017 年2～4 月短暂出现大值。

2.2 TRW 及其引起的深层季节内振荡

图4 为YMJ-E 站位全水深季节内水平动能的保能谱图, 结果显示季节内能量的显著周期在40～90 d,深层季节内最大能量对应的周期约为68 d。季节内能量在表层至2 500 m 呈现减小趋势, 而后在2 500 m至海底呈现增强趋势, 4 500 m 处季节内能量值与表层和次表层相当, 这些定量特征与图3 给出的定性结果是一致的。

图4 2017～2019 年YMJ-E 站位全水深季节内动能的时间-深度变化能谱Fig.4 Energy spectra of time-depth variance of the full-depth intraseasonal kinetic energy in 2017～2019 at the YMJ-E Site

东深水通道为东西走向, 受此地形约束通道内深层纬向流速远大于经向流速, 下面我们仅对其纬向流速进行分析。我们对2017～2019 年纬向水平流速进行经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分解, 结果显示其模态一和模态二的解释方差分别为61.2%和24.5%, 第一模态可以较好地解释水平流速的主要变化, 其特征向量代表纬向水平流速的振幅。图5a 给出了2017～2019 年纬向水平流速EOF 第一模态的平均振幅(黑点), 可以看出振幅在2 800～4 400 m 呈现随深度增加而增加的特征, 基本符合TRW 的特征。我们使用TRW 水平流速的波解方程[公式(1)]对振幅的垂直分布U(z)进行拟合(图5a 黑线), 拟合后的方程解为U(z) = 5.7 ×1 0-6cosh ( 0.002 4z), 拟合的解释方差为93.4%, 捕获深度为420.1 m, TRW 的波解方程可以很好地刻画YMJ-E 站位处的水平流速振幅的垂向分布。

图5 YMJ-E 站位2017～2019 年全时段(a)和三个事件期间(b～d)水平流速EOF 第一模态的振幅(圆点)和TRW 波解方程拟合值(曲线)的垂向分布Fig.5 Vertical distributions of horizontal velocity amplitude of the EOF first mode (dots) and the fitting of the TRW’s theoretical wave solution (curve) at the YMJ-E Site during 2017～2019 (a) and the three events (b～d)

我们进一步利用TRW 的频率关系[公式(3)], 使用N和地形参数等计算TRW 频率和周期, 验证其与季节内动能保能谱得到的能量最大值周期是否一致。N的计算基于GLORYS 模型2017～2019 年2 800～4 400 m 平均温盐数据, 结果约为5.6×10-4s-1, 地形坡度∇H取自经过50 km2中位滤波平滑的ETOPO1地形数据, 其值约为1.1×10-2。按照Meinen 等(1993)方法, 基于捕获深度和地形参数等迭代求解出波数矢量和地形梯度之间的夹角θ约为11°。将上述数值带入公式(3), TRW 的周期约为62 d。而季节内动能保能谱显示该通道处季节内能量的峰值周期为68 d, 两个数值基本接近, 进一步说明了TRW 是引起深层季节内能量强化的主要原因。

基于公式(4)计算了YMJ-E 站位处TRW 的水平波长, 捕获深度取图5a 与6b 中捕获深度的平均值492 m, 水平波长约为78 km。我们进一步向后追踪了YMJ-E 站位60 d 周期TRW 的传播路径(Maet al,2019), 发现它在YMJ-E 站位东南75 km 处终止(图7),与水平波长数值基本相当。这表明YMJ-E 站位附近的TRW 主要是局地生成的, 并非由远端传播而来,下面我们来探寻TRW 局地的能量来源。

图7 后向追踪YMJ-E 站位(粉色圆点)60 d 周期的TRW 能量传播路径(红色)Fig.7 Backward energy path (red) for the 60-day period TRW from the YMJ-E Site (pink circle)

2.3 TRW 的能量来源

图8 给出了YMJ-E 站位不同深度上的季节内流速矢量的时间变化图, 结合图3 水平季节内动能的时间深度变化, 我们可以看出虽然深层季节内流速在全部时间段展现出TRW 的特征, 但不同时刻水平流速和动能的垂直分布均不相同。我们选取了3 个代表性事件: 事件一的时间段为2019 年7 月16 日至2019 年9 月8 日, 此时间段的季节内流速和动能在次表层存在大值区, 后随深度增加逐渐减小, 到2 866 m 后又逐渐增大; 事件二的时间段为2017 年2 月2 日至2017 年3 月24 日, 此时间段的季节内流速和动能在中层存在大值区, 后随着深度增加量值逐渐减小, 到3 221 m 后深层又逐渐增大; 事件三的时间段为2019 年9 月25 日至2019 年11 月15 日, 此时间段季节内流速和动能最大值位于深层, 上层至 3 597 m 层的量值均较小。三个事件中季节内能量垂直分布显著差异说明其深层季节内能量来源可能存在着差异, 下面我们将对三个事件进行单独分析来进行探究。

图8 YMJ-E 站位不同深度上的季节内流速矢量的时间变化图Fig.8 Stick diagrams of time series of the intraseasonal velocities at different depths of the YMJ-E Site

2.3.1 事件一 我们首先使用TRW 波解方程分别对事件一时间段的水平(图5b)和垂直流速(图6c)振幅进行拟合。水平流速振幅的拟合方程解为U(z) = 1.6×10-5cosh ( 0.0023z), 解释方差为95.4%, 捕获深度为443.4 m。垂直流速振幅的拟合方程解为wrms(z)=1.1 ×10-6sinh ( 0.0017z), 解释方差为88.6%, 捕获深度为489.3 m。这说明TRW 是事件一深层季节内振荡现象的主要原因。

探究事件一TRW 的激发源, 首先检查此时间段内不同水层的涡旋情况。图9 给出了事件一期间代表性流速异常场的水平分布, 结果显示事件一时间段内确有一个次表层气旋涡经过, 该涡旋分布在541～1 941 m, 其中涡心在1 452～1 941 m 相较于541～1 062 m 向西北方向倾斜。图10a 和10b 分别给出了2017～2019 年次表层541 m 与深层2533 m 相对涡度[公式(5)]的时间变化和两者滑动相关系数的时间变化。滑动相关系数计算以每个时间点为中心, 涵盖前后30 d 共60 d 的数据来进行(下同)。结果显示在事件一时间段内, 次表层和深层的相对涡度均为正, 两者的相关系数高达0.86。两者的关系可由位涡守恒[公式(6)]进行解释, 次表层的气旋涡引发上升流, 如图6a 所示引起等温线的上升, 从而造成深层层厚h的增加, 在同一地点f不变的情况下, 根据位涡守恒深层的相对涡度也应增加, 两者的变化应相一致。上述分析说明该事件中的深层TRW 是由次表层涡旋通过位涡守恒激发。另外需要指出的是在2017～2019 年时间段内, 表层没有强涡旋经过YMJ-E 站位并能够激发深层TRW 过程。

图10 YMJ-E 站位上层541 m (黄色)、中层1 684 m (橙色)和深层2 533 m (粉色)相对涡度(a); 上层541 m 与深层2 533 m(b)和中层1 684 m 与深层2 533 m (c) 60 d 周期上的滑动相关系数时间序列Fig.10 Time series of the relative vorticities at 541 (yellow), 1684 (orange), and 2533 (pink) m (a); correlation coefficients between relative vorticities at 541 and 2533 m (b) and at 1684 and 2533 m (c) over 60-day segments sliding with time at the YMJ-E Site

2.3.2 事件二 首先使用TRW 波解方程分别对事件二时间段的水平(图5c)和垂直流速(图6d)振幅进行拟合。水平流速振幅的拟合方程解为U(z) = 6.8×10-5cosh ( 0.002z), 解释方差为 94.8%, 捕获深度为502.1 m。垂直流速振幅的拟合方程解为wrms(z)=1.8 ×10-7sinh ( 0.0024z), 解释方差为81.3%, 捕获深度为413.5 m。这说明TRW 也是事件二深层季节内振荡现象的主要原因。

探究事件二TRW 的激发源, 同样检查此时间段内不同水层的涡旋情况。图11 给出了事件二期间代表性流速异常场的水平分布, 结果显示事件二时间段内YMJ-E 站点附近上层并无涡旋产生, 直到中层1 245 m 有一个反气旋涡经过YMJ-E 站点, 该涡旋一直延续到1 941 m。图10a 和10c 分别给出了2017～2019年中层1 684 m 与深层2 533 m 相对涡度量值的时间变化和二者滑动相关系数的时间变化, 结果显示事件二时间段内, 中层和深层的相对涡度均为负, 两者的相关系数高达0.68。两者的关系可由位涡守恒[公式(6)]进行解释, 中层反气旋涡引发下降流, 如图6a所示引起等温线的下降, 从而造成深层层厚h的减小, 在同一地点f不变的情况下, 根据位涡守恒深层的相对涡度也应减小, 两者的变化应相一致。上述分析说明该事件中的TRW 是由中层涡旋通过位涡守恒激发。

图11 事件二期间2017 年2 月17 日0.49～2 533 m 层(a～i)的流速异常量值及流速异常矢量(箭头表示)Fig.11 Horizontal distributions of anomalous velocity magnitudes and anomalous velocity vectors (arrows) at 0.49～2 533 m (a～i) on Feb.17, 2017 during Event 2

2.3.3 事件三 我们首先使用TRW 波解方程分别对事件三时间段的水平(图5d)和垂直流速(图6e)振幅进行拟合。 水平流速振幅的拟合方程解为U(z) = 4.2 × 1 0-6cosh ( 0.002 5z), 解释方差为 97.2%,捕获深度为400.6 m。垂直流速振幅的拟合方程解为wrms(z) = 9.6 × 1 0-8sinh ( 0.002 4z), 解释方差为87.9%,捕获深度为411.0 m。这说明TRW 也是事件三深层季节内振荡现象的主要原因。

事件三时间段内上层和其他水层流速异常水平分布图均显示大洋内部没有涡旋经过(图略), 这说明涡旋不是TRW 的激发源。下面我们使用1.2.4 节涡能方程来计算季节内总能量时间导数和深层平均流正压、斜压不稳定性的时间变化(图12)。结果显示正压不稳定绝对值一般大于斜压不稳定的绝对值, 说明正压不稳定的贡献占优; 事件三时间段内的季节内总能量的时间导数、正压和斜压不稳定项均为正值,前两项在该时间段内数值较大且变化趋势较为一致,这说明事件三中平均流主要通过正压不稳定过程向季节内能量转化, 为TRW 提供了能量。此外, 2018 年9～11 月和2017 年9～11 月期间的情况与事件三相类似, 平均流也会通过正压不稳定过程向TRW 提供能量。在事件一中, 正压和斜压不稳定值均为正值, 无法解释季节内总能量的减小。在事件二中, 正压不稳定值为负值, 斜压不稳定值很小, 无法解释季节内总能量的增加。因此, 在事件一和二中, 平均流的正斜压不稳定过程很可能不是TRW 的主要能量来源, 这与前面的结论相一致。

3 结论

雅浦-马里亚纳海沟连接区(YMJ)东深水通道是太平洋深层经向翻转环流携带南极绕极水进入西太平洋的首要通道, 该通道流速和温度的多时间尺度变异对西太平洋深层动力状况、深层水更新等具有重要意义。本文基于全球高分辨率同化模式数据, 发现了该通道深层流和温度存在着40～90 d 周期的季节内变异, 通过建立全水体的动力关联揭示了深层季节内变异的动力机制。地形罗斯贝波(TRW)是引起YMJ东通道季节内变异的主要动力机制, TRW 波解方程可以解释大部分水平和垂直流速振幅垂直分布。TRW引起深层流振幅随深度增加而增加的结构, 在深层4 405 m 处季节内流速振幅达23 cm/s, 1.45 °C 等温线振幅可达800 m。地形罗斯贝波在不同时间具有不同的激发机制, 首先, 当次表层有强涡旋经过时, 次表层强涡旋可以通过位涡守恒激发深层的TRW; 第二,当大洋中层有强涡旋经过时, 中层强涡旋也可通过位涡守恒激发深层的TRW; 第三, 深层平均流可以主要通过正压不稳定向深层季节内TRW 提供能量。