（物理海洋学专业论文）南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟.pdf

南海中部深水区潮流和环流特征分析与模拟 摘要 本文首先应用南海深海盆中3 个a t l a s 定点浮标的长周期温度和海流资料进 行分析，探讨南海中部深水区温跃层及温度短周期振动与海流潮流的变化规律特 征。然后利用h y c o m 模式模拟了南海环流系统的季节变化，并结合t p 高度计资 料分析了南海深海盆海区环流的季节变化规律和机制。 南海深水区终年存在强度在o 1 m 左右的温度跃层，且跃层受海面净热通 量和中尺度涡的影响存在季节变化。进入春季，由于温度的回升，南海中部有双 跃层现象的出现。南海深水区5 0 米一5 0 0 米水深，温度存在半日潮和全日潮周期 的振动，而且以全日潮周期的振动为主导，说明南海中部内潮波的存在。两种周 期的振动在时空上存在一定的变化。温度跃层的核心深度基本在5 0 米- 1 0 0 米之 间，该深度上温度半日潮或全日潮周期的振动的时空变化与温度跃层的时空结构 是一致的。 南海深水区海流的主要周期是日周期，惯性周期和半日周期。惯性周期在深 海盆南部站点要更加显著。海流主要是顺时针旋转的，符合地转效应特征。海流 中占主要的频率信号的强弱随深度变化，说明海流存在斜压性，是e o f 分解所揭 示的多种垂向模态存在的反映。潮流在南海深水区海流中占很大比重，尤其是在 北部站点。全日分潮振幅最大，且随深度逐渐减小。潮流椭圆随水深也发生旋转， 长短轴的大小也随之变化，这与海洋的密度层结结构有关。密度层结导致了海流 的斜压性，会产生能量的传播和扩散，导致内潮的产生，影响南海深水区上层海 洋的混合，从而影响该海区的环流结构。三个站点平均流的流速和流向存在季节 变化，尤其是在s t l 和s t 2 站点。总体来说，三个站点的平均流的流向变化与南 海海盆中环流系统相一致。 南海中部深水区上层流场存在显著的季节变化。冬季，海盆北部基本呈气旋 式环流。黑潮入侵流相比其他季节要强一些。海盆南部有一个中尺度的气旋式环 流。夏季海盆基本为一个反气旋式环流。在南海中部深海盆，东北向流很显著， 在南部海区整个为一个反气旋式环流。海盆西侧海流存在显著的西向强化现象。 春季和秋季出于季风转换季节，环流较弱。 从海盆中层流场分布来看，仍存在一定的季节变化。在巴士海峡西侧形成一 个终年存在的反气旋式环流，它可能是由其东侧巴士海峡处的太平洋水入侵诱发 南海中部深水区潮流和环流特征分析与模拟 产生。海盆下层流场分布基本不存在季节变化，在1 2 。，11 3 。五终年存在一个气 旋式涡旋。吕宋海峡断面在5 0 0m 深度以浅，全年海峡中部和南部基本为西向流， 即海水从吕宋海峡流入南海。海峡北部基本为东向流，海水流出南海。5 0 0 m 以 深，纬向流速基本为西向流，流速较小，说明中下层海水流入南海。秋季和冬季 吕宋海峡1 0 0m 以浅流量明显大于春季和夏季，但在次表层和中层，四个季节海 峡处流量差距不大。 海面高度距平在冬季和夏季、春季和秋季的空间变化形态相反。冬季，南海 海盆s s h a 较其他季节低，在吕宋岛西侧1 9 6 ，1 1 9 。e 和越南东侧1 4 。，1 1 2 。e 各 存在一个低值中心。夏季南海深海盆s s i - i a 与冬季形式相反，在吕宋岛西北侧 2 l 。，1 1 6 。e 和越南东侧1 4 9 ，1 1 0 。e 各有个高值中心。 模拟得到的s s h 和s s h a 与上层环流结构对应。冬季南海海盆西侧向南的沿 岸流在e k m a n 输运的作用下海水在西岸堆积，海盆西侧s s h 得到全年最高。吕 宋岛西侧和越南东南侧存在两个气旋式环流，对应s s h 在附近海域出现低值中 心，s s h a 出现负的距平区。夏季在整个海盆呈现东高西低的现象，海盆南部反 气旋环流对应着正的距平区。 关键词：南海，温跃层，潮流，数值模拟，环流，季节变化 2 南海中部深水区潮流和环流特征分析与模拟 a b s t r a c t c u r r e n ta n d t e m p e r a t u r e o b s e r v a t i o n sf r o mt h r e em o o r e da u t o n o m o u s t e m p e r a t u r el i n ea c q u i s i t i o ns y s t e m ( a t l a s ) b u o y sa r ea n a l y z e dt oe x a m i n et h e s e a s o n a lt h e r m o c l i n ev a r i a b i l i t ya n dt i d a lc u r r e n t si nt h ec e n t e rd e e pb a s i no fs o u t h c h i n as e a ( s c s ) a n dh y c o mm o d e li su s e dt os i m u l a t et h es e a s o n a lv a r i a t i o no f o c e a nc i r c u l a t i o ni ns c s ，a n di nc o m b i n a t i o nw i t ht pa l t i m e t e rd a t a ，s i m u l a t i o n r e s u l t sw e r eu s e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e ra n dm e c h a n i s mo fs e a s o n a lv a r i a t i o no f o c e a nc i r c u l a t i o na n ds e as u r f a c eh e i g h t ( s s h ) i ns c s d e e pw a t e r a r e a i nt h ec e n t e rd e e pb a s i no fs c s ，t h e r m o c l i n ew i t hi n t e n s i t yo f0 1 me x i t sf o r t h ew h o l ey e a r t h es e a s o n a lv a r i a t i o no ft h et h e r m o c l i n ei sm a i n l yc o n t r o l l e db ys e a s u r f a c eh e a ta n dg e o p h y s i c a lv o r t i c i t y i ns p r i n g ，t h ed o u b l et h e r m o c l i n es t r u c t u r e o c c u r si na l lt h et h r e eb u o yl o c a t i o ni ns c sar e s u l to ft h eb a c k r i s eo ft e m p e r a t u r e d u r i n gt h ed e p t ho f5 0 mt o5 0 0 m ，t h e r ea r et w or e m a r k a b l es h o r t - t e r mp e r i o d o s c i l l a t i o n si nt e m p e r a t u r e ，w h i c hi sd i u r n a la n ds e m i d i u m a lp e r i o dr e s p e c t i v e l y , e s p e c i a l l yt h ed i u r n a lp e r i o d t h e s et w op e r i o do s c i l l a t i o nc h a n g eb o t hi ns p a t i a la n t i m e a n dt h i si n d i c a t e st h a ti n t e r n a lt i d ee x i t si nt h ec e n t r a lb a s i no fs c s t h ec e n t e r d e p t ho ft h et h e r m o c l i n ei sb e t w e e n5 0 ma n d10 0 m ，a n do nt h a td e p t ht h es p a t i a la n d t i m ev a r i a t i o n so fs e m i - d i u r n a lo rd i u r n a lp e r i o do s c i l l a t i o na r ei na g r e e m e n tw i t h t h o s ei nt h e r m o c l i n e i nt h ec e n t r a ld e p t ho ft h e r m o c l i n e ，t h ed i u r n a l ( s e m i d i u r n a l ) p e r i o do s c i l l a t i o ni nt e m p e r a t u r ei sm o r eo b v i o u si nt h et i m ez o n ew h e r et h ei n t e n s i t y o ft h e r m o c l i n ei sl a r g e r s p e c t r u ma n a l y s i so fc u r r e n td a t as h o w st h a td i u r n a la n ds e m i d i u r n a lt i d a l c o n s t i t u e n t sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h et o t a lc u r r e n t ，e s p e c i a l l yt h ed i u r n a lt i d a l c o n s t i t u e n t s i n e r t i a lp e r i o di sm o r ee v i d e n ti nt h es o u t h e r np a r to fs c sd e e pb a s i n w a v e l e ta n a l y s i sr e v e a l st h a tt h em a i np e r i o do fc u r r e n tv a r i e sw i t hd e p t h ，w h i c h i n d i c a t e st h a tt h ec u r r e n ti sm a i n l yb a r o c l i n i c ，a st h er e s u l t so fe o fa n a l y s i s f r o m n o r t ht os o u t h ，t h em a g n i t u d eo fd i u r n a lt i d a lc o n s t i t u e n t st ot h et o t a lc u r r e n td e c r e a s e w h i l et h a to fs e m i d i u r n a lt i d a lc o n s t i t u e n t sr e m a i ns i m i l a r t h em a g n i t u d e ，d i r e c t i o n a n dc o n t r i b u t i o no fm o s tt i d a lc u r r e n t s ，e x c e p tt h es e m i d i u m a lt i d a lc u r r e n ti nt h e n o r t h e mp a r t ，v a r ys i g n i f i c a n t l yw i t hw a t e rd e p t h t h i si n d i c a t e st h a tt h et i d a lc u r r e n t i sm a i n l yb a r o c l i n i ci nt h es c sd e e pb a s i n ，t h es a m ea st h er e s u l to fw a v e l e ta n a l y s i s a n de o f a n a l y s i s t h et i d a le l l i p s e sw h i r lr o u n da l o n gw i t hd e p t h ，a l s ow i t ht h e 南海中部深水区潮流和环流特征分析与模拟 l e n g t ho fm a j o ra n dm i n o ra x i s i th a ss o m er e l a t i o nw i t ht h es t r u c t u r eo ft h ed e n s i t y s t r a t i f i c a t i o n t h ed e n s i t ys t r a t i f i c a t i o nc a u s e st h eb a r o c l i n i t yo fc u r r e n t ，w h i c hm a y y i e l dt h ee n e r g yt r a n s m i s s i o na n dd i s s i p a t i o na n da f f e c tt h eg e n e r a t i o no ft h ei n t e m a l t i d e sa n dm i x i n go fs c sa tt h eu p p e rl a y e r a n di tc a nm a k eal a r g ei n f l u e n c eo nt h e o c e a nc i r c u l a t i o n v e l o c i t ya n dd i r e c t i o no ft h em e a nc u r r e n tv a r i e sw i t hs e a s o n sa ta l l t h r e eb u o yl o c a t i o n ，e s p e c i a l l ya ts t la n ds t 2 i ng e n e r a l ，s e a s o n a lv a r i a t i o no ft h e c u r r e n td i r e c t i o na tt h et h r e es t a t i o n sa g r e e sw i t ht h eb a s i nc i r c u l a t i o ni ns c s s u r f a c ec i r c u l a t i o no ft h es c sd e e pb a s i nh a sr e m a r k a b l es e a s o n a lv a r i a t i o n n o r t h e r np a r to ft h es c sd e 印b a s i ni sm a i n l yd o m i n a t e db yac y c l o n i cc i r c u l a t i o ni n w i n t e r t h ek u r o s h i oi n t r u s i o nc u r r e n ti s s t r o n g e rt h a no t h e rr e a s o n s a n d a m e s o s c a l ec y c l o n i cg y r ee x i s t si nt h es o u t h e r np a r ti nw i n t e r i ns u m m e r ，s c sd e e p b a s i ni sd o m i n a t e db ya na n t i - c y c l o n i cg y r e ，a n dt h en o r t h e a s tc u r r e n ti sq u i t r e m a r k a b l ei nt h ec e n t r a ld e e pa r e a i na l lt h es o u t h e r np a r to fs c sd e e pb a s i n ，t h e c i r c u l a t i o ni sm a i n l ya n t i c y c l o n i c c u r r e n ti nt h ew e s t e r np a r to fc e n t r a ls c si sq u i t e s t r o n gb e c a u s eo ft h ew e s t e r ni n t e n s i f i c a t i o n i ns p r i n ga n da u t u m n ，t h ec i r c u l a t i o n s a r er e l a t i v e l yw e a k e rd u et or e v e r s a lo ft h es c sm o n s o o n m i d d l el a y e rc i r c u l a t i o nh a sal i t t l es e a s o n a lv a r i a t i o n b u tt ot h ew e s to fb a s h i c h a n n e l ，a l la n t i c y c l o n i ce d d yp e r s i s t sr e g a r d l e s so fs e a s o n ，w h i c hm a yb ec a u s e db y t h ep a c i f i cw a t e ri n t r u s i o nt ot h ee a s to fb a s h ic h a n n e l a r o u n d12 。n ，113 。e ，a c y c l o n i ce d d ye x i s t sf o rt h ew h o l ey e a ra n dh a r d l yc h a n g e sw i t ht i m ei nt h eb o t t o m l a y e ro fs c sd e e pb a s i n a l s ot h eb o t t o mc i r c u l a t i o nh a sl i t t l es e a s o n a lv a r i a t i o n i n t h el u z o ns t r a i ts e c t i o n ，z o n a lv e l o c i t yi sm a i n l yw e s t w a r da b o v e50 0mi nt h em i d d l e a n ds o u t h e mp a r to ft h es t r a i t ，w h i c hm e a n st h a tt h ew a t e rf l o w si n t os c st h r o u g ht h e s t r a i t a n di nt h en o r t h e r np a r t ，z o n a lv e l o c i t yi sm a i n l ye a s t w a r dw h i c hm e a n st h a t t h ew a t e r f l o w so u ts c st ot h ep a c i f i co c e a n b e n e a t h5 0 0m ，z o n a lv e l o c i t yi ss m a l l a n d m a i n l yw e s t w a r d t h i si n d i c a t e st h a tw a t e rf l o w si n t os c s i na l lt h em i d d l ea n d b o t t o ml a y e r s i na u t u m na n dw i n t e gf l o wt h r o u g ht h el u z o ns t r a i ta b o v e10 0mi s m u c hl a r g e rt h a ni ti ns p r i n ga n ds u m m e ri ns u r f a c el a y e r s h o w e v e r ，i ns u b s u r f a c e a n dm i d d l el a y e r , f l o wi sh a r d l yc h a n g e da l lt h ey e a r s i m u l a t e ds e as u r f a c eh e i g h ta n o m a l y ( s s h a ) i sc o m p l e t e l yo p p o s i t eb e t w e e n 4 南海中部深水区潮流和环流特征分析与模拟 w i n t e ra n ds u m m e r ，a sw e l la sb e t w e e ns p r i n ga n da u t u m n i nw i n t e r , s s h ai nt h e d e e pb a s i n r e a c ht h el o w e s tv a l u eo f t h ey e a r t h e r ea r et w o n e g a t i v es s h a c e n t e r si n t h ew e s t e mo fl u z o na r o u n d1 9 。n ，1 1 9 。e a n de a s tt ov i e t n a mn e a r l 4 。n ，11 2 。e ， r e s p e c t i v e l y o p p o s i t e l y , i ns u m m e rn e a rt h es i m i l a ra r e at h e r ea r et w op o s i t i v es s h a c e n t e r si n2 1 。n ，1 1 6 。e a n d l 4 。n ，1 1 0 。e t h es i m u l a t e ds s ha n ds s h ac o r r e s p o n dw i t ht h ec u r r e n tf i e l de x a c t l y i n w i n t e r , s s hi nt h ew e s t e r no fd e e pb a s i nr e a c h e si th i g h e s tv a l u eo fay e a rb e c a u s eo f e k m a nt r a n s p o r t s ；l u z o nc o l de d d ya n dt h ec y c l o n i cg y r eo nt h es o u t h e a s to f v i e t n a mc o a s ti sc o r r e s p o n d e dw i t ht w on e g a t i v es s h ac e n t e r sa n dal o ws s hc e n t e r i ns u m m e r , ss hi nt h ee a s t e mp a r ti sh i g h e rt h a nt h a ti nt h ew e s t e r np a r t ，a n dt h e a n t i c y c l o n i cg y r ei nt h es o u t h e mp a r to fd e e pb a s i ni sc o r r e s p o n d e dw i t hap o s i t i v e s s h ac e n t e r k e y w o r d s ：s o u t hc h i n as e a ，t h e r m o c l i n e ，t i d a lc u r r e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o c e a n c i r c u l a t i o n ，s e a s o n a lv a r i a t i o n 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，l , j ) j n 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 ( 洼! 翅遗直基丝壶要挂别应明的：奎拦亘窒2 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：蛐暗 签字日期：年占月日 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，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。本人 授权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，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 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： 亏芝鸡峙 签字日期：w 略年1 月毛e t a 矗 私 海参溺 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 o 前言 南海是一个半封闭的深水海盆，海底地形复杂、岛礁密布。南海面积约为3 5 x1 0 6 平方千米，平均水深约为2 0 0 0 米，海盆水深超过5 0 0 0 米。通过台湾海峡、 吕宋海峡、民都洛海峡和巴拉巴克海峡、邦加海峡、加斯伯海峡和卡里马塔海峡、 马六甲海峡分别与中国东海、西太平洋、苏禄海、爪哇海及印度洋相联。除吕宋 海峡水深超过2 0 0 0 米，民都洛海峡水深超过1 0 0 0 米，其它海峡都比较浅，深度不 超过1 0 0 米。吕宋海峡是南海与太平洋沟通的唯一深水通道。对南海的研究主要 分为对深海盆，北部陆架，北部湾和泰国湾的研究几部分。南海位于印度洋和太 平洋的结合部，扼守东亚航运的咽喉，近年来发现的丰富油气资源使之更具重要 战略意义。南海还是世界上重大的海洋热库的重要组成部分，其海面温度的变化 对我国南方汛期降水以至e n s 0 的发生有显著的影响。此外，南海是南亚季风系统 和东亚季风系统发生相互作用的重要场所。鉴于南海重要的战略地位、特殊的地 理环境及其与我国乃至全球气候的密切关系，南海动力学研究越来越引起世界各 国尤其是中国海洋学家的重视。 本文首先应用南海季风试验期间在中部深海盆投放的3 个a t l a s 定点浮标资 料，研究了南海深水区温跃层的季节变化，分析了温度的短周期振荡特征及其和 温度跃层之间联系，潮流及其随深度的变化，以及三个站点平均流的季节变化。 在分析资料的基础上，本文利用h y c o m 模型模拟了全球及太平洋海区的环流和温 盐三维场的气候态变化，并重点分析了南海中部深水区海区环流系统的季节变化 的规律和机制。 0 1 海温研究现状 南海全年大部分时间水温在2 8 。c 左右，其上空强烈的对流活动使该地区成 为热带纬度圈环流的上升分支所在，其西侧的纬度圈环流成为西太平洋和印度洋 热带大气的桥梁。由于位于季风气流上游，它还是我国南方地区夏季降雨的主要 热量和水气来源。针对南海温度分布特征前人进行了很多研究，这些研究基本都 是采用气候态资料或者单次调查资料。南海季风试验期间，台湾大学海洋研究所 在南海中部布设了三个a t l a s 定点浮标，并连续观测了近两年的时间，得到海 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 流、海温数据。对于a t l a s 浮标实测资料，l i u 等( 2 0 0 1 ) 利用a t l a s 浮标温度 资料对三个站点的温度跃层进行了研究和分析，得出南海中部跃层的季节性变化 受中尺度涡和海面净热通量的控制。高荣珍等( 2 0 0 3 ) 利用a t l a s 浮标垂向连续 时间实时观测温度资料，分析了不同区域的上层海洋热结构的年循环和半年循 环，指出南海不同区域上层海洋热变化受不同的正压和斜压模态控制，以及次表 层水温变化规律。周发绣等( 2 0 0 4 ) 曾用a t l a s 浮标的上层温度资料研究发现南 海上层水温存在准双周( 1 0 - 2 0 d ) 的振荡及其季节变化特征，并揭示了其在不同 大气系统强迫下的形成机制。臧楠等( 2 0 0 5 ) 研究了s s t 的日变化特征及夏季风 爆发对s s t 日变化的影响，指出海面热通量对s s t 的变化有决定性作用，其次， 在日变化尺度上，水平平流与s s t 的变化有很好的相关关系，但对s s t 的影响很 小。目前针对南海上混合层以下实测温度的短周期振动特征及其和温度跃层之间 联系的研究目前还是空白，并且目前研究发现这种短周期的振动往往决定着海水 的混合，并控制着环流的变化( t i a ne ta 1 ，2 0 0 3 ；m u n k ，1 9 9 7 ；h u a n g ，1 9 9 8 ；黄 瑞新，1 9 9 8 ；m u n ka n dw u n s c h ，1 9 9 8 ) 。 0 2 海流和潮流研究现状 潮汐和潮流对南海的环流和混合起到很大的贡献( t i a ne ta 1 ，2 0 0 3 ；c a ie ta 1 ， 2 0 0 3 ) 。近年来，人们利用观测资料和数值模拟的方法开展了对南海正压潮和内 潮的研究( m a z z e g a a n db e r g e ，1 9 9 4 ；方国洪等，1 9 9 4 ；f a n ge ta 1 ，1 9 9 9 ；y ue ta 1 ， 1 9 9 9 ；y a n ga n dl i u ，e ta l 。，2 0 0 2 ；c a ie ta 1 ，2 0 0 3 ；c a ie ta 1 ，2 0 0 6 ) 。方国洪等( 1 9 9 4 ) 和f a n g 等( 1 9 9 9 ) 结合验潮站的观测资料利用数值模拟的方法研究了南海正压潮 的分布。c a ie ta l 。，( 2 0 0 3 ，2 0 0 6 ) 利用数值模式的方法研究了南海潮流和余流 的变化特征和影响因素，指出潮余流随温跃层的季节变化而存在一定的季节变 化。杜岩等( 2 0 0 4 ) 根据半个月的a d c p 海流观测资料，研究了南海西南陆架西边 界处的正压潮流以及流速的垂向模态结构，指出南海该海区海流存在很强的斜压 性，表现在存在多种垂向模态，海流频率构成带有随深度变频并对时间发生频率 漂移的现象，认为这种斜压性表现和南海海盆内部的低频波动密切相关。邱章等 ( 1 9 9 6 ) 运用谱方法、调和分析等方法研究了南海北部一点九天的观测资料，发 现观测地点存在着一种2 4h n 期的波动，并且该波动向偏北方向传播。以往的正 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 压模式结果指出，南海深海区潮汐潮流的类型比较简单，潮流较弱，一般小于2 c m s ( f a n ge ta 1 ，1 9 9 9 ；c me ta 1 ，2 0 0 3 等) 。 目前对南海中部深水区的观测资料很少，尤其是长时间的连续时间序列的实 时观测资料。本文利用南海中部深海盆3 个a t l a s 定点浮标资料，主要研究南海 深水区实测温度的短周期振荡特征及其和温度跃层之间联系，潮流及其随深度的 变化，以及三个站点平均流的季节变化。 0 3 南海环流研究现状 南海海底地形复杂，岛屿众多，边界形状蜿蜒多变，使得南海环流空间结构 更为多样复杂。此外，黑潮通过吕宋海峡对南海入侵，通过水体交换和动量交换 影响南海环流。南海处于典型的东亚季风性气候影响，冬季，南海主要受东北季 风控制，夏季则受西南季风的控制，受季风控制的环流呈明显的季节变化。 对南海环流的最早描述是d a l e ( 1 9 5 6 ) 根据船舶航行资料数据绘制的冬、夏 两季的表层环流图，那时就开始清楚地认识到南海环流的季节性差异。而对南海 环流的系统海洋学研究是在2 0 世纪6 0 年代拉开序幕的。w y r t k i ( 1 9 6 1 ) 首先对南 海总环流进行了海洋学研究，他从动力学角度讨论了南海环流形成机制，认为季 风是南海环流的主要驱动力，并注意到西向强化现象。他还提出在季风影响下， 黑潮通过巴士海峡南侧入侵南海，进而影响南海的中上层环流。此后，对于南海 环流的观测和研究进一步展开，随着多次在南海海区的海洋调查，南海环流的研 究受到关注和发展。尤其是2 0 世纪9 0 年代以后，随着南海东北部环流合作研究、 南海季风实验等研究项目的开展，同时随着现代观测手段和卫星高度计的应用， 获得了大量高质量的观测结果和数据，南海环流的研究取得了非常大的进展，南 海海盆尺度的环流的季节演替，次海盆尺度多涡结构，南海中尺度涡，南海暖流 的形成机制等都得到揭示。与此同时，随着数值模拟的发展和应用，卫星资料同 化技术的产生与发展，南海不同尺度环流的结构特征，形成及演变机制，南海热 力学及动力学特征取得了突飞猛进的发展。 对于南海上层海洋的气候态环流及其季节变化，前人做了许多研究。w y r t k i ( 1 9 6 1 ) 认为南海中主要有三种不同流动：沿风方向的漂流，由于南海较宽的海 面及表层风应力旋度产生的水平环流，以及风对e k m a n 输运造成的海水堆积而产 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 生的垂直环流。徐锡桢等( 1 9 8 2 ) 通过对历史资料的动力分析给出了南海上层环 流结构及其季节变化特征。结果给出：冬季( 1 2 2 月) 整个南海被一个大的气旋 式环流所占据，其中包含三个中等尺度环流，即分别位于北部深水区和南部巽他 陆架北侧的气旋式环流以及两者之间的一个反气旋环流。夏季( 6 - 8 f 1 ) 情形与 冬季大致相反，大部分海区以东北向漂流为主，局地环流主要是西沙和中沙群岛 之间以及南海南部各有一个反气旋环流，其间越南沿岸有一较强气旋式环流。 f a n g 等( 1 9 9 8 ) 首次给出了南海上层环流的一个较完整的结构，指出南海北部 环流主要受季风和黑潮入侵控制，海面热通量的作用次之。南海南部环流主要由 季风控制。南海的中部受季风以及南海北部和南部流系相互作用所控制，动力机 制复杂，目前的认识还不是很一致。 近年来，针对南海环流的数值模拟工作日益发展，极大的推动了南海环流的 研究。杨海军和刘秦玉( 1 9 9 8 ) 给出了影响南海环流的主要因素和南海环流研究 中的关键问题，影响南海的决定性因素有太阳辐射，季风和地形作用。对于南海 环流的研究的关键问题有月平均环流，南海暖流，黑潮与南海水交换，地形对环 流的影响，局地涡旋等问题。 s h a wa n dc h a o ( 1 9 9 4 ) 及李立( 2 0 0 2 ) 给出了南海上层环流的模拟和观测 的基本环流特征，给出南海环流系统的组成以及南海环流在空间上或时间上存在 多尺度变异特性。y a n ge ta 1 ，( 2 0 0 2 ) 利用p o m 模式研究南海上层环流的时空特 征和动力机制，指出南海环流的季节性变化主要是季风引起的，黑潮对平均s s h 有很大的贡献，但对季节变化影响不大。对南海西边界流的组成和影响因素给出 了详细描述。蔡树群等( 2 0 0 1 ) 通过利用个正压一斜压衔接模式来探讨冬季南 海的上层环流特征及其动力机制，指出南海北部环流主要受黑潮影响，除东沙群 岛西南的陆架海域以及吕宋岛西岸附近各有一反气旋涡外，整个南海北部均为一 气旋式大环流所控制。在南海南部主要是风生环流，源自粤西沿岸的水体在东北 季风的作用下顺南海西边界岸线向南流动，形成一支相当强的西边界流。 南海暖流是一支出现在粤东沿岸和广东外海深水区域终年流向东北的海流， 因其冬季逆东北风流动，故又称“冬季逆风海流 。曾庆存等( 1 9 8 9 ) 认为南海 暖流的主要成因是风生海流受四周海岸的约束以及西沙和南沙群岛等海底地形 的阻挡而造成的补偿流作用。苏纪兰等( 1 9 9 2 ) 认为黑潮所诱生的水位场是南海 6 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 暖流形成的一个重要的动力因素。c h a o ( 1 9 9 5 ) 认为冬季东北风松弛导致南部暖 水回流是南海暖流形成的一个可能原因。黄企洲( 1 9 9 6 ) 认为黑潮入侵和南海北 分支的存在而导致的海水斜压效应是维系南海暖流的基本原因。袁叔尧等( 1 9 9 6 ) 认为冬季逆风流的产生是风应力、海底地形、底摩擦以及斜压效应联合作用的结 果，其中风应力为主导因素。但蔡树群( 1 9 9 7 ) 的正压模式表明，风应力无法单 独驱动出南海暖流，黑潮是南海暖流出现的根本原因。现有的一些观测资料表明 南海暖流与东北季风呈正相关，经常是东北季风越强，暖流就越强。杨海军、刘 秦玉( 1 9 9 8 ) 认为南海暖流可能是一支密度流，冬季广东沿岸受大陆冷高压和上 升流影响，水温很低，而外海水温较高，这种温度场的配置有利于驱动出东北向 的海流。陆架一陆坡可能决定了南海暖流产生的位置，而黑潮高温水的入侵可能 仅影响该暖流的强度，曾庆存等( 1 9 8 9 ) 取吕宋海峡闭口也模拟出了南海暖流。 黑潮源自菲律宾以东海域，流经巴士海峡朝北而去，黑潮在流经海峡过程中， 对南海存在一定的影响。袁叔尧等( 1 9 9 9 ) 采用数值模拟方法跟踪了巴士海峡经 向断面水质点冬、夏季的空间运动路径。结果表明，冬、夏季均有西太平洋黑潮 水通过巴士海峡经向断面的中、南部进入南海经东北部，形成黑潮南海分支。并 呈“套状”结构，夏季黑潮南海分支的“套状 结构比冬季的明显。冬季，进入 南海东北的黑潮水有部分可到达南沙海域。薛惠洁等( 2 0 0 1 ) 利用数值模拟了南 海东北部黑潮的入侵流套及其环流，指出反气旋流套是黑潮入侵的主要形式，从 黑潮流套( 春、夏季) 或从吕宋海峡( 冬、秋季) 直接分出一股黑潮水从西偏南 流动，进入南海中部。冬季，1 9 。以北海域上层主要受黑潮水控制；春、夏、 秋三季，黑潮水的入侵主要在2 0 0m 以下深层。 南海中存在显著周期变化的局地涡旋，其中最明显的是冬春季节位于吕宋岛 西北海域北纬1 6 度至北纬1 9 度之间的吕宋冷涡和夏秋季位于越南东岸北纬1 2 度 至北纬1 4 度之间的越南冷涡。这两个冷涡的共同点是相对周围水体而言中心水温 很低，在3 0 0 米以深仍然很明显( 王江伟，2 0 0 4 ) 。i s o b e 和n a m b a ( 2 0 0 1 ) 利 用一个4 层模式模拟了南海海盆的环流。模拟结果显示，冬季整个海盆在表层和 上层均存在一个气旋式环流。但中层则明显不同于表层和上层，在冬季存在一个 双涡结构。并指出这一流态是由斜压r o s s b y 波的传播引起的，这也能很好地解释 中层观测的盐度分布。模式结果表明中层的这一双涡结构在夏季也存在，但它在 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 海盆的西部受限，此外其流速也较冬季要小。 目前对南海环流的数值模式多采用模拟北太平洋区域从中得到南海海域的 环流变化，在太平洋模拟区域时，通常在北边界和南边界均设为闭边界。或直接 模拟南海海域，仅对巴士海峡和台湾海峡给出开边界条件。为了更好的模拟南海 海域环流变化，本文采用三层嵌套，首先对全球进行模拟，为北太平洋模拟提供 西边界和南边界的开边界条件，充分考虑印度洋对北太平洋的影响，同时不断提 高模式精度，从而更好的模拟南海海域的环流变化。此外，以往的研究多使用传 统的单一坐标模式，本文采用垂向混合坐标模式h y c o m 来模拟南海深水区环流变 化，结合观测资料分析的结果，探讨南海中部深水区环流季节变化机制。 南海中部深水区上层海洋潮流和环流特征分析与模拟 11 9 9 8 1 9 9 9 年期间南海深水区上层温度和海流的基本特征 南海是太平洋最大、最深的边缘海，海底地形陡峭复杂，陆架窄、岛礁众多， 层化显著，存在不同尺度涡旋结构等。南海深海盆水深大于5 0 0 0m ，受季风影 响有显著的季节特征。针对南海深海盆温度和潮流的分布特征前人进行了很多研 究，这些研究基本都是采用气候态资料或者单次调查资料及数值模拟，长周期的 时间序列很少见。本文应用南海中部的3 个a t l a s 定点浮标资料，主要研究南 海深水区实测温度的短周期振荡特征及其和温度跃层之间联系，潮流及其随深度 的变化，以及三个站点平均流的季节变化。 1 1 资料和分析方法 1 1 1 资料来源 南海季风试验( s c s m e x ) 期间，由台湾大学在南海中部深海盆投放了三个定 点a t l a s ( a u t o n o m o u st e m p e r a t u r el i n ea c q u i s i t i o ns y s t e m ) 浮标，用来观测长时 间序列的水温、海流和气象数据。投放时间为1 9 9 7 年4 月7 日，回收时间为1 9 9 9 年4 月1 1日，其地理位置分别位于s t l ( 1 8 。0 5 9 n ，1 15 。3 5 8 e ) ， s t 2