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中国海洋大学 硕士学位论文 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 姓名：王晓玮 申请学位级别：硕士 专业：流体力学 指导教师：田纪伟 2011-06-04 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 i 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 摘 要 本文利用 2005 年 10-11 月在西北太平洋和 2007 年 8 月在越南外海现场直接 观测的 ctd、adcp、ladcp、turbomap 与 vmp 观测资料，对南海和西北太 平洋的跨等密度面和沿等密度面混合进行了研究分析。 turbomap 观测结果显示，越南冷涡海域湍动能耗散率为 10-1010-8wkg-1， 扩散率为 10-710-6m2s-1，涡中心与外缘的耗散率和扩散率无明显的差别。越南冷 涡区域的耗散率比同深度南海北部的值小，扩散率与南海北部的值大致相当。根 据垂向对流扩散方程估算的跨等密度面混合引起的上升流量级约为 10-8m/s，在 涡中心最大达到 710-8m/s（约为 0.60cm/day） 。基于柱坐标二维垂向速度方程 计算的最大上升流速达到 7.31m/day，是大洋内区的大约 700 倍，远远大于跨等 密度面混合引起的升降流速量级， 说明越南冷涡区域的垂向速度主要是由地转平 衡流场决定的。垂向速度的分布与方程右端驱动项符号相反，反映了水平地转流 场的非线性相互作用决定了垂向运动分布。基于“混合长度”理论计算的涡侧面 尺度约为 50210km，沿等密度面扩散率从表层 4500 m2 s-1减小到 500m 处 500 m2 s-1，结合一维热扩散方程得到越南冷涡的消亡时间大约为 12.4 天。 与 vmp 观测结果相比，剪切模型和拉伸模型的计算结果优于翻转模型。西 北太平洋内区的湍流扩散率在 10-610-5m2s-1，湍动能耗散率在 10-1110-10w kg-1。 菲律宾群岛近岸水体混合水平比同深度离岸的值高， 可能是由于西边界流剪切不 稳定性导致强混合发生。21n 的高混合可能是由于吕宋海峡传来的内潮为此处 的混合提供了能量。26n 的高混合可能与较浅的水深和粗糙的海底地形有关。 同深度上南海水的扩散率比西北太平洋的值高 12 个量级， 可能是由于超临界地 形大陆坡处反射向深层传播的来自吕宋海峡的内潮以及内潮与背景场内波非线 性作用发生的破碎耗散为湍流混合提供了能量的来源。 关键词：西北太平洋；南海；越南冷涡；跨等密度面混合；沿等密度面混合 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 ii study on the diapycnal and isopycnal mixing in the south china sea and the western north pacific abstract observations by ctd, adcp, ladcp, turbomap and vmp in western north pacific(wnp) during october to november, 2005 and off vietnam during august, 2007 are used to study the diapycnal and isopycnal mixing in the south china sea(scs) and wnp. turbomap observations suggest that, the turbulent dissipation rates in vietnam cold eddy(vce) are 10-1010-8wkg-1, and diapycnal diffusivities are 10-710-6m2s-1. there are no distinct difference of and between the eddy core and edge. the dissipation rates in vce are higher than the magnitudes in the north of scs, but with diffusivities alike. inferred upwelling due to diapycnal mixing based on vertical advective-diffusive balance equation is about 10-8m/s, maximum of which up to 710-8m/s (equivalent to 0.60cm/day) appears in the core. while the maximum of vertical velocity via the numerical solution of 2-d column coordinate equation is up to 7.31m/day, which is about 700 times the ocean interior values and far lager than that due to diapycnal mixing, suggesting that the vertical motion in eddy is dominant by the geostropic current field. the distributions of vertical velocity are opposite to the driving term in the right side of equation, suggesting that the distributions of vertical motion are dominant by the nonlinear interaction between the components of the horizon geostropic velocity. using “mixing length” theory, the lateral eddy scale is estimated to be 50210km, and isopycnal diffusivity decrease from 4500 m2 s-1 at surface to 500 m2 s-1 at 500m. the timescale of vietnam cold eddy estimated using 1d heat diffusive equation is about 12.4 days. compared with the observations of vmp, finesale parameterizations based on shear and strain are better than overturn method based on thorpe-scale. the turbulent 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 iii dissipation rates in wnp interior are 10-1110-10wkg-1, and diapycnal diffusivities are 10-610-5m2s-1, with the higher value of the water volumn adjacent to than that off the philippine islands. the enhanced mixing at 21n may due to the energy supplied by the internal tide generated in luzon strait. the elevated mixing level appeared at 26n can be resulted from low water depth and the interaction between flows and the rough topography. the diffusivities in scs are one to two orders higher than the values at the same depth in wnp, the reason of which is that, on one hand, the internal tide generated in luzon strait propagates to the supercritical continental slope and is reflected to the deep basin of scs; on the other hand, the nonlinear interaction between the internal tide and the background internal wave field results to wave breaking and dissipation, both supply great deal of energy to turbulent mixing there. key words: western north pacific; south china sea; vietnam cold eddy; diapycnal mixing; isopycnal mixing 独 创 声 明 独 创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 未 获 得 （注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 - 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊(光盘版)电子杂志社”用于出版和编入 cnki中国知识资源总库 ， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 1 第一章 引言 1.1 跨等密度面和沿等密度面混合的研究意义 跨等密度面混合主要由内波破碎造成的湍流、盐指失稳和混合增密引起。 全球海洋环流由北大西洋和南大洋少数几个特定区域的下降流和海洋中其他区 域的上升流引起（munk 和 wunsch，1998），上升流的发生是因为由穿越温跃 层向下的热量混合导致的深层冷水的密度减小。上升流进入上层海洋后，可以流 回北大西洋中深层水生成的原始位置，由此完成全球海洋环流过程。因此，跨等 密度面混合是控制水中物理性质分布和营养物质、溶解气体、颗粒物质浓度的一 个极重要的机制（mackinnon 和 gregg，2003）。世界大洋边界的边缘海中的湍 流混合不仅对区域物理平衡，而且对全球大洋环流和热传输做出了重要的贡献， 进而可以通过边缘海和附近海域的水交换显著地影响气候（rahmstorf，2003）。 沿等密度面扩散是指流体微团及水体属性平行于等密度面的扩散， 在其运动 过程中不引起密度的变化（thorpe，2007） 。islin（1939）和 montgomery（1940） 提出，由涡导致的混合主要是沿着等密度面的，而中尺度涡的搅拌是引起沿等密 度面扩散的主要因素。 众多研究表明由中尺度涡造成的热盐输运对局地海域混合 层热收支平衡、大洋经向翻转流、南大洋次南极模态水的生成等方面具有重要作 用，对大洋热收支、大洋环流和气候变异等方面的研究意义重大（hogg 等人， 2008；salle 等人） 。沿等密度面混合作为海洋内部混合的一方面，其参数化方 案的设计对海洋模式处理次网格参数化问题具有举足轻重的作用， 对海洋气候数 值模式准确度的改进具有重要意义（gent and williams，1989） 。由中尺度涡引发 的上升流将海底的营养盐带至海洋上层， 而由中尺度涡造成的沿等密度面扩散则 将这些营养盐输运到周围海域，从而提高了当地及附近海域的初级生产力 （mcgillicuddy 等人，1998；kahru 等人，2007） 。通过沿等密度面扩散，当地 海区的污染物可以扩散到周围海区乃至全球各大洋， 从而影响到周围海区的生态 环境（shaw，1981；lachkar 等人，2007） 。因此，沿等密度面扩散的研究还对 海洋生态平衡的维持、海洋污染物的扩散等方面的研究具有重要作用。 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 2 1.2 跨等密度面混合的研究现状 对于一维垂向对流扩散平衡 2 =kw，munk（1966）认为考虑到高纬度 底层水的更新率（空间均匀上升流1= wcm day-1） ，观测的深海层化要求平均跨 等密度面扩散率 4 10=km2s-1。munk 和 wunsch（1998）猜测冷水向上对流和机 械驱动的向下热扩散平衡，导致了主温跃层下观测到的层化现象。munk 和 wunsch（1998）估计足以维持深海层结的跨等密度面混合率等于全球平均跨等 密度面扩散率 10-4m2s-1。 近年来，深海混合已成为物理海洋的核心问题之一，国际上开展了一系列混 合试验，如夏威夷海时间序列（hot）项目、南大洋跨等密度面和沿等密度面混 合实验（dimes）等，取得一系列重大科学发现，深化了人们对大洋温盐环流 驱动机制的理解。 最近几十年的微结构观测 （如gregg， 1987） 和示踪实验 （ledwell 等人，1993；2000）已经确定，中纬度层化海洋中远离边界的内部混合很弱o （0.110-4m2s-1） ，包括平坦的深海海盆和平滑缓和的海底斜坡上的水体（toole 等人，1994；kunze and sanford，1996；polzin等人，1997） 。这就导致了一种推 测：强混合一定局限在边界，通过搅拌卷挟沿着等容面进入海洋内部。同时引起 了一场争论，强混合是集中在粗糙地形（kunze and sanford，1996；munk and wunsch， 1998） ， 例如海脊附近 （klymak等人， 2006） 、 海山附近 （lueck and mudge， 1997； kunze and toole， 1997） 、 峡谷附近 （st. laurent等人， 2001； carter and gregg， 2002）和液体压力控制的深海盆之间的水道（polzin等人，1996；ferron等人， 1998） ；还是集中在高纬度（toggweiler and samuels，1993；gnanadesikan，1999； naveira garabato等人，2003） 。samelson（2004）提出的一个简单理论显示以上 两种机制中的任何一种都可以得到类似的中纬度层结。 然而，这些测量通常是非常区域化的，我们仍然不能确定这种地形作用增强 的混合是否具有足够的强度和范围以致对全球产生重要意义。 直接的微尺度仪器 测量 （gregg ， 1987； gregg ， 1989； polzin等人， 1995） 和示踪实验结果 （ledwell 等人，1993）表明在大部分深海大洋中的穿越等密度面扩散率比大洋环流模型预 测的值（munk and wunsch，1998）小一个量级。kunze 和toole（1997）用一种 简单的平均方案表明在北太平洋4000m以浅，地形增强混合还不足内部扩散率的 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 3 2倍，4000m以深他们推测海盆平均深海扩散率为o（10-4m2s-1） 。有人认为南大 洋风驱动的上升流可能将需要的全球平均扩散率降低到310-5m2s-1（webb and suginobara ，2001）。 大部分的估算是基于o（1m）分辨率的剪切和温度微结构数据（如oakey， 1982） 。这些观测通常在关注动力过程的区域化实验中进行的，很少涉及到深海 海水。与开阔大洋相比，边缘海较少受到关注。carter等人（2005）的一个研究 揭示了monterey湾大陆架上复杂混合环境的存在， 其上深度和时间平均耗散率和 跨等密度面扩散率高于地形平滑的大陆架上的观测， 但是低于受显著地形特征影 响区域的值。最令人惊讶的发现是存在大规模的向下传播的非线性内孤立波。作 为海岸混合和光学实验的一部分，1996年夏末mackonnon和gregg（2003）在新 英格兰外大陆架实施了观测，他们发现耗散率和扩散率都是非常偶然发生的，底 部边界层内的平均耗散率是1.210-7w kg-1， 且大小随着来自正压潮和低频率内波 的底部流的强度而变化。 前人的大部分工作都是在距离海底约500米厚的水层内， 如罗曼希断裂带（polzin 等人，1996），巴西海盆（polzin 等人，1997），斯 科舍海（naveira garabato 等人，2004）等，他们观测到10-410-2 m2 s-1大小的扩 散率。tian等人（2009）发现在南海陆坡陡峭的区域存在最大厚度约为2000米的 高混合水柱，扩散率大小约为10-3 m2 s-1量级，如此厚的水体内存在着如此强的 混合，迄今为止这是首次报道。 1.3 沿等密度面混合的研究现状 taylor（1921）对湍流中流体粒子的扩散做了系列的理论和实验研究，给出 了单个粒子涡扩散系数的计算方法。 通过系列的实际测量和理论推导， richardson （1948）提出了著名的“four-thirds power law” ，他指出粒子间的相对扩散率 与粒子间的均方差距离的 4/3 次方成正比， 即 3/4 dke 。 taylor 的理论为人们 运用“拉格朗日”浮标数据估算沿等密度面扩散率（下以 e k表示）提供了一种 简单有效的方法，paduan（1987）和 lumpkin（2002）分别将该方法运用在北太 平洋和北大西洋，成功估算出了 e k的大小。不足的是该方法需要较长时间的数 据，而且运用该方法估算的 e k取决于浮标的整个轨迹，从而不易给出扩散率随 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 4 空间的分布。davis（1987,1991）提出了一种运用“拉格朗日”浮标数据获得 e k 的先进方法， 他用一个欧拉场下普适的对流扩散方程来描述非均匀流场中粒子浓 度的变化情况，由于在这个方程中涡的输运由一个单粒子的扩散张量来控制，因 此该方法为单粒子扩散空间分布的给出提供了可能性 e k。oh 等人（2000）认为 直接将的 davis 方法运用在具有剪切流的有限范围内时，估算出的 e k与真实值 间存在较大偏差， 为了克服这一缺点他们建议对davis扩散张量进行主成分分解， 用它的次要主成分来获取扩散率的真实值。基于这一思想，oh 等人估算出了日 本海不同海区 e k的量值，结果显示日本海的沿等密度面扩散率在空间上存在较 大的差异；运用类似的方法，zhurbas 等人（2004）利用长时间的浮标数据给出 了 e k在太平洋和大西洋的空间分布，结果显示由中尺度涡造成的沿等密度面扩 散率的量值在sm /1028102 233 间， 其高值区主要出现在流速较大的西边界流 及其延伸体处、 南极绕极流区域以及斜压不稳定强烈的副热带海区， 总体上 e k有 从赤道向两极逐渐减小的趋势。 除了“拉格朗日”浮标之外，人工示踪物（如 sf6）也是物理海洋学家们研 究沿等密度面扩散常用的工具。ledwell（1998）运用观测到的海流和示踪物的 数据，发现由特征尺度为 80km 的涡产生的水平扩散率为smke/108 22 ，他 们还认为，在开阔大洋里扩散率为smke/31 2 的沿等密度面扩散是由尺度为 米量级的湍流（可能有内波破碎引起）引起的；polzin and ferrari（2004）通过 对北大西洋示踪物释放试验（natre）中示踪物的追踪研究，提出一种较小尺 度的旋转模态结构(vortical mode)可能是增强沿等密度面扩散的有效机制, sundermeyer 等人（2005）认为这种结构可能是由水体垂直混合后的塌陷和地转 调整所致。 近一个世纪来， 海洋水体温盐关系的研究一直是沿等密度面的扩散研究的重 点，iselin （1936）指出西北大西洋 t-s 曲线的形状是大尺度流动的平流作用与 垂直混合作用相平衡的结果。montgomery（1938） 、iselin（1939）进一步指出这 种结果主要是由于大尺度环流的沿等密度平流作用与小尺度涡的水平搅拌作用 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 5 间的平衡。eckart（1948）指出沿等密度面的扩散与跨越等密度面混合对 t-s 曲 线的不同作用在于，沿等密度面扩散使 t-s 线变得松弛，而跨越等密度面混合使 t-s 线变得紧凑。运用锚定浮标或潜标获得的流速和温盐的时间序列，可以估算 沿等密度面扩散率 e k（bryden and heath，1985） 。但由于缺乏长时间（至少数 年） 的现场数据该方法具有较大的局限性， 此外运用该方法估算出某一“点”的 e k 缺乏广泛的代表性。 近些年来由于高度计的出现， 人们对涡的统计学认识以及由涡造成的沿等密 度面扩散有了实质性的提高。holloway（1986）提出了一种运用高度计资料求得 的均方根海表面高度场估算 e k的简易方法。keffer and holloway（1988）运用该 方法给出了 e k在南大洋的分布，并进一步估算出了南大洋由涡造成的热、盐通 量。stammer（1998）运用高度计资料估算出涡动能在全球大洋的分布，并将斜 压不稳定理论中斜压涡的时间尺度与涡动能相结合， 提出了运用高度计资料估算 e k的新方法。运用该方法给出的 e k在全球大洋的分布与运用 holloway（1986） 方法给出的分布相一致。结合高度计资料，运用这些方法估算 e k的优势在于可 以给出由涡造成的沿等密度面扩散率在全球海洋的分布， 不足在于它们均依赖于 一个不确定的经验系数。 关于海洋混合扩散的研究，国内外曾进行过多次现场观测试验，为海洋沿等 密度面扩散的研究提供了大量宝贵的数据， 其中著名的是 natre （north atlantic tracer release experiment） 和 dimes （diapycnal and isopycnal mixing experiment in the southern ocean）实验。natre 进行时间为 1992 年至 1994 年，在 300 米 深度的温跃层处释放了 140kg 的示踪粒子 sf6粒子团， 并运用声学追踪浮子进行 追踪，用船进行以 30 天为周期的测量；还运用 hrp（high resolution profiler） 进行了三种不同尺度方阵的剖面测量， 取得了高分辨率的温、 盐、 流数据。 dimes 的海区包括东南太平洋、德雷克海峡和斯科舍海，实施时间是 2008 年到 2013 年。该试验的主要目的为改进南极绕极流（acc）通量、评价南极绕极流区中尺 度涡对深海强混合的贡献、阐明南极绕极流区混合对经向环流（moc）关键作 用和改进海洋气候模式。到目前为止试验已经完成了 3 次调查任务，完成了该海 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 6 区部分复杂海底地形多波束测量、sf6主动示踪技术、湍流耗散率直接测量技术 （high resolution profiler ） 、海洋混合主动示踪技术（sf6）的间接观测、温盐 深和流场的断面观测及若干站位的潜标连续观测，获取了丰富的资料。基于这些 资料，nikurashin 和 ferrari（2010）提出了南极绕极流区深层强混合触发新机 制： 中尺度涡和惯性振荡与海底粗糙地形联合相互作用是触发南极绕极流区深海 混合的关键因素。 1.4 中尺度涡的生成与消亡机制 海洋内中尺度涡的产生主要与大气强迫和海洋内部的不稳定有关。 frankignoul and muller（1979）认为风扰动的强迫是海洋内中尺度涡主要的能量 源。wyrtki 等人（1976）, stammer 等人（2001）则认为与生成中尺度涡的其它 能量源相比，风扰动强迫并不起到主要的作用。目前海洋内的不稳定被公认为是 中尺度涡生成的重要机制，不稳定主要包括正压不稳定和斜压不稳定两种， pedlosky（1987）对这些动力过程做了深入的研究和总结。stammer（1997）通 过对高度计资料的分析发现，涡的变异与水平密度梯度存在正相关关系，由于大 的水平密度梯度意味着强的斜压不稳定性， 因此在某种程度上说明了斜压不稳定 是生成涡的源。通过对水文资料的分析，smith（2007）指出海洋中到处都存在 着斜压不稳定性，说明海洋可以为中尺度涡的生成提供能量源，killworth and blundell（2007）的研究也得到了与此相似的结论。这些观测分析证明了不稳定 产生涡的理论，并说明斜压不稳定对位能的释放是维持涡生成的主要机制。 中尺度涡的消亡是一个十分复杂的物理过程， 由于缺乏大量的现场数据和足 够的计算能力，目前为止人们尚不能清楚地认识中尺度涡的消亡机制。涡的消亡 过程就是涡失去能量的过程， 目前的研究认为导致涡失去能量的主要因素或物理 过程有：底部拖曳、失稳（由涡的搅拌造成，揭示的是一种从第一斜压模向半径 小于变形半径的小尺度传递能量的过程） 、与内波场的相互作用、陆架的吸收与 散射、 风的抑制作用。 fu 等人 （1982） 通过对海流数据的研究、 gille 等人 （2000） 通过对高度计资料的分析、arbic and flierl（2004）通过模式研究发现涡能量的 耗散与粗糙的底地形有紧密的联系。除了对底部拖曳耗散涡动能的研究外， ferrari and wunsch（2009）对以上其它的某些过程做了简单的讨论，但对以上大 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 7 部分过程的研究尚属空白。 1.5 本文的主要工作 西北太平洋位于特定的地理位置，拥有活跃的西边界流系统，来自不同海域 的多种水团在此汇聚（fine等人，1994；kaneko等人，2001） ，是物质和热量进 行交换的主要区域，对全球和局部气候具有极为重要的作用。南海是西北太平洋 最大的边缘海，蕴含丰富的海洋资源和复杂的海洋动力过程，具有重大的战略价 值。跨等密度面和沿等密度面扩散率的估算及其合理的参数化方案的给出，对改 进南海和太平洋海洋模式、提高环流数值模拟精度具有重要作用，对进一步研究 南海和西北太平洋的环流系统、生态环境、局地气候及其内在联系意义重大。水 文资料（su等人，1999；fang等人，2002）和高度计资料（hwang，2000；shaw 等人，1999）都显示南海中尺度涡相当活跃，其主要分布在越南沿岸、吕宋岛以 西和南海东北部， 主要受地形、 季风和黑潮等影响 （qu， 2000； metzger和hurlburt， 2001） 。南海中尺度涡时空演变是南海环流季节变化的内涵，对温度场、叶绿素 以及化学物质等方面具有重要的影响（王桂华等，2005） 。 但目前为止对南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究还十 分匮乏，关于越南冷涡的消亡过程研究未见报到。本文利用了 2005 年 10-11 月 西北太平洋和 2007 年 8 月越南外海实际观测的水文数据，针对以上问题展开了 详细的研究与分析。本文的组织结构如下： 第一章：介绍跨等密度面和沿等密度面混合以及中尺度涡消亡的研究意义、研究 现状，提出本文的主要工作。 第二章：介绍具体的海上实验，包括航次、海域、站位、使用的观测仪器及其具 体参数。 第三章：利用实际观测给出了越南冷涡区域的跨等密度面扩散率；估算了分别由 中尺度涡和跨等密度面混合引起的垂向速度的大小和分布； 估算了沿等密度面扩 散率，并结合热扩散方程，进一步估算了越南冷涡的消亡时间。 第四章：利用温盐及流速实测资料，选择合适的参数化模型，计算出西北太平洋 湍流扩散率，给出混合强度在空间的分布特征。 第五章：总结全文的研究工作，提出工作展望。 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 8 第二章 海上实验 2.1 观测海域和站位 图2-1 海上调查观测海域和站位图。 本文主要利用了 2005 年和 2007 年的两个航次的海上观测资料， 下面首先对 两次观测分别进行介绍。 （1）2005 年观测 2005 年 9 月 19 日至 11 月 28 日， 利用中国海洋大学东方红 2 号科学考察船， 在南海北部、吕宋海峡以及西北太平洋海域进行了大范围的海洋调查，名称为 “2005 年国家 863 规范化外海实验” 。调查期间观测站位共 145 个，获得温盐 深、流速同步观测剖面 210 个，微结构湍流观测剖面 4 个，这是迄今为止在该海 域进行的最系统、最全面的海洋调查。本文利用了其中从南海北部穿过吕宋海峡 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 9 直至西北太平洋的 21n 纬向断面；从菲律宾沿岸至 130e 的 7.5n、8.5n、 10n、12n、15n、18n 六个纬向断面；西北太平洋从 2n 到 21n 的 130e 经向断面，共 130 个站位。菲律宾沿岸的站位都尽量靠近岸边，观测剖面基本都 超过了 2000 米。如此大范围、高空间分辨率、短时间的观测资料，为我们研究 南海和西北太平洋的水团分布特征和湍流混合分布提供了数据保障。 （2）2007 年观测 2007 年 8 月 14 日至 9 月 8 日，厦门大学创新航次利用东方红 2 号科学考察 船对越南外海区域进行了大范围的海洋调查。本文所研究是 8 月 14 号到 9 月 1 号在越南外海 1315n，111113e 观测的海域，使用的数据包括 25 个单次 观测站、1 个连续观测站和 9 个 turbomap 观测站。调查期间通过 ctd 进行了 温盐深数据的采集，并通过船载 adcp 走航观测对整个海域的流速数据进行了 同步完整的采集， 还采用 turbomap-ii 型微尺度剖面仪进行耗散率的观测。 原始 站位的分辨率是 0.50.5，此分辨率对于研究中尺度现象来说太低，因此我们 在下文的计算中将观测数据插值到 0.250.25网格上。与国外航次（allen and smeed，1996；pollard and regier，1992）10km 量级的分辨率相比，此分辨率仍 然较低，但是在下文可以看到，此数据计算出的中尺度涡地转速度和垂向速度特 征比较显著，所以此分辨率对于本文的特征研究已经足够，如果要对中尺度的内 部动力机制进行深入研究还需要更高分辨率的数据。 2.2 观测仪器 在两个航次的数据采集中，主要使用了温盐深测量仪ctd（conductivity temperature depth） 、声学多普勒海流剖面仪adcp（acoustic doppler current profiler）和ladcp（lowered acoustic doppler current profiler） 、海洋微结构湍 流观测仪turbomap （turbulence ocean microstructure acquisition profiler） 和vmp （vertical microstructure profiler） 。下面对它们的相关参数作简单介绍。 （1）ctd 介绍 美国海鸟（seabird）公司生产的 sbe911plus ctd 是一种高精度、直读式的 电导率、温度和深度测量仪器。它的采样频率为 24 hz，主要部分由甲板单元和 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 10 水下单元组成（图 2-2） 。水深的测量范围是 0-10500 m，分辨率是 0.105 m。电 导率的测量范围是 07 s/m，精度是 0.0003 s/m，分辨率是 0.00004 s/m。温度的 测量范围是-535 ，精度是 0.001 ，分辨率是 0.0002 。 图 2-2 sbe911plus ctd，左、右图分别为水下单元和甲板单元。 （/products/spec_sheets/911data.htm） （2）adcp 介绍 在厦门大学创新航次中，使用的是美国 rdi 公司生产的 75khz 船载 adcp （图 2-3）进行海流走航观测，最大观测深度达到 500m。adcp 的测流原理是假 设水体中颗粒物与水体的流速相同，通过 4 个声波换能器向水中发射脉冲声波， 依据反射信号的多普勒频移计算水体中颗粒物沿声束方向的移动速度， 再利用脉 冲信号测量水深和船相对于地球的速度矢量， 两者的矢量差就是要测量的水体流 速矢量。 图 2-3 美国 rdi 公司生产的 75khz workhorse long ranger adcp 。 (/longranger.aspx) 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 11 （3）ladcp 介绍 在“2005 年国家 863 规范化外海实验”中，使用的是由美国 rdi 公司生产 的 300k hz workhorse sentinel 自容式 adcp 进行流速测量，它是目前国内外海 洋调查中最常使用的深海流速测量仪器（图 2-4） 。workhorse sentinel adcp 测 量的流速不是海水的绝对流速，而是海水相对于仪器的速度，绝对流速的获取还 需要仪器的底跟踪速度或船只的 gps 信息。其最大测量水深为 6000 m，一般将 层厚设置为 8 m，层数设置为 20，观测量程为 165 m。在现场作业时，为了获得 温盐深和流速的同步观测资料，需将 adcp 和 ctd 安放在同一个下放架上，同 时使用声学高度计来确保每个观测剖面都尽可能地接近海底。 图 2-4 美国 rdi 公司生产的 300khz workhorse sentinel adcp。 （/sen.html） （4）turbomap 介绍 日本 alec 公司生产的 turbomapii （图 2-5）是一种自由下落式的微尺 度结构观测剖面仪。每一次下放可以获得电导率、温度和湍动能耗散率等物理量 的观测剖面。其最大观测水深为 500m，电导率和温度的测量精度分别为 210-4 ms/cm 和 0.01c。湍脉动流速用剪切探头测量，探头直接测量的物理量是水平 流速的时间变化率， 再根据 taylor 冻结定理求得流速垂向剪切数据， 然后根据流 速剪切计算的耗散谱和相应尺度的 nasmyth 广义谱求得湍动能耗散率。 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 12 图 2-5 日本 alec 公司生产的 turbomap-ii。 （/instrumentacion/alec/images/turbomap_001.jpg） （5）vmp 介绍 vmp750（图 2-6）是垂向微尺度结构湍动剖面仪，用以在沿岸或开阔海洋环 境中观测耗散尺度湍流。它上面装备有微尺度结构流速探头（剪切探头） 、高分 辨率温度传感器 （热敏电阻） 和高精度 ctd 传感器， 其它传感器 （微尺度电导率、 溶解氧等）也可以加在上面。它的采样频率最高可达到 2048hz，最大深度 750m。 流速剪切的采样时间分辨率是 310-3s， 精度 5%， 耗散率测量范围是 10-1010-4w kg-1，耗散率噪声水平小于 310-10w kg-1。 图 2-6 日本 alec 公司生产的 turbomap-ii 仪器 （/portals/0/products/vmp750&2000.pdf） 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 13 第三章 越南冷涡的三维结构及消亡过程 3.1 高度计资料 首先我们通过科罗拉多天体动力学研究中心（colorado center for astrodynamics research）利用jason，topex/poseidon（t/p） ，geosat follow-on （gfo） ，ers-2和envisat处理得到的日平均高度计资料（图4-1） ，对观测期间研 究海域的海面高度异常（ssha）分布的时间变化进行完整描述。2007年8月10 日，越南以东海域出现一个以112.5e、13.5n为中心，直径约为200km的冷涡， 直到8月24日冷涡的中心位置基本没有变化，冷涡强度逐渐增大；8月26日冷涡强 度略有减弱，开始逐渐向西北移动。9月1日此冷涡强度明显减弱，至9月8日此冷 涡已完全消失。厦门大学创新航次在8月14日至9月1日期间，成功捕捉到了基本 位于111113e，1315n内的这个冷涡，这一章将利用观测得到的温盐密、水 平流场和微尺度结构数据，对此冷涡的跨等密度面混合、三维速度场进行研究， 并初步估算了此冷涡的沿等密度面扩散率和消亡时间。 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 14 图 3-1 8 月 10 日9 月 8 日越南外海海面高度异常分布图。 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 15 3.2 温盐场和水平流场 3.2.1 温盐分布和水平流场结构 longitude(e) latitude(n) temperature (c) at 50m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5 longitude(e) latitude(n) salinity at 50m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 34 34.1 34.2 34.3 34.4 longitude(e) latitude(n) temperature (c) at 100m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 17.5 18 18.5 19 19.5 20 longitude(e) latitude(n) salinity at 100m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 34.46 34.48 34.5 34.52 34.54 34.56 longitude(e) latitude(n) temperature (c) at 150m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 longitude(e) latitude(n) salinity at 150m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 34.565 34.57 34.575 34.58 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 16 longitude(e) latitude(n) temperature (c) at 200m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 13.6 13.8 14 14.2 14.4 14.6 14.8 15 15.2 longitude(e) latitude(n) salinity at 200m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 34.52 34.525 34.53 34.535 34.54 34.545 34.55 34.555 longitude(e) latitude(n) temperature (c) at 250m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 12.2 12.4 12.6 12.8 13 13.2 longitude(e) latitude(n) salinity at 250m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 34.475 34.48 34.485 34.49 34.495 34.5 34.505 34.51 longitude(e) latitude(n) temperature (c) at 300m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 11 11.2 11.4 11.6 11.8 12 12.2 longitude(e) latitude(n) salinity at 300m 111111.5112112.5113 13 13.5 14 14.5 15 34.45 34.455 34.46 34.465 34.47 34.475 34.48 图 3-2 越南冷涡温度、密盐水平分布图。 南海和西北太平洋的跨等密度面和沿等密度面混合研究 17 110.5 111 111.5 112 112.5 113 113.5 13 13.5 14 14.5 15 0.5m/s adcp velocity at 56.72m longitude(e) latitude(n) 110.5 111 111.5 112 112.5 113 113.5 13 13.5 14 14.5 15 0.5m/s adcp velocity at 104.72m longitude(e) latit