（物理海洋学专业论文）基于argo浮标资料对北太平洋垂直模态结构特征分析研究.pdf

基于a r g o 浮标资料对北太平洋垂直模态结构特征分析研究 摘要 基于最新的a r g o 浮标温度、盐度剖面资料，本文分析了北太平洋( 1 0 0 4 0 0 n ) 的垂直模态结构特征，得到了海洋中真实的垂直运动模态。同时，结合l e v i t u s 9 8 气候态资料，初步探讨了各个垂直运动模态的相对重要性，给出了海洋中不同海 域不同时间所呈现的占主要地位垂直运动模态，及各个运动模态的分布情况，并 着重分析了第一斜压模态和第二斜压模态的结构特征、控制区域的分布以及北太 平洋西部模态水对海洋垂直模态结构的影响。 选取北太平洋( 1 0 。4 0 0 n ) 有效a r g o 浮标资料分析，得到北太平洋海盆西 部的波动信号明显强于东部，验证了前人通过卫星高度计资料的分析结果。对等 温线波动信号较强的浮标剖面简单分析海洋的垂直模态结构，结果认为海洋上层 层化结构，使海洋的垂直模念结构偏离了正规的j 下弦或余弦曲线。通过对各个模 态相对重要性的诊断分析，认为在北太平洋副热带的大部分地区，第一斜压模占 据主要地位，这与前人通过t o p e x p o s e i d o n 卫星高度计的海表面高度异常资料 所揭示的海表面波动特征相一致：而在黑潮延伸体南部的回流区域，则主要体现 第二斜压模占优的特性，得出该现象与模态水的形成及分布有关。 利用北太平洋( 1 0 。4 0 0 n ) 2 0 0 4 年逐月所有的a r g o 浮标剖面观测资料分析 海洋的垂直模态结构及各个垂直模态的相对重要性，结果显示在整个研究区域， 第一斜压模态的运动都占有着非常重要的作用，而受第二斜压模态控制的区域主 要集中在黑潮延伸体南部的回流区附近，为了进一步验证第二斜压模与模态水的 关系，分析了2 0 0 4 年北太平洋西部模态水主要生成区，发现黑潮南部的回流区 正好对应了该年模态水的主要生成区，很好地验证了第二斜压模态与模态水的潜 沉过程有着密切的关系，也再一次证明了只分析波动信号强的浮标剖面所得到的 结果。同时，分析结果还发现，尽管第二斜压模控制着西部模念水的主要生成区， 但是该控制区域的范围会随着时间的变化而增大或缩小；此外，在部分地区，尤 其是中、高纬度海域，正压模态的优势也比较明显。 利用2 0 0 4 2 0 0 6 年逐月所有的a r g o 浮标剖面资料着重分析了北太平洋西部 模念水主要生成区( 1 4 0 。1 5 5 。e ，3 0 。3 5 。n ) 的海洋垂直模态结构以及在该区 域显著占优的垂直模念结构随时间的变化。结果显示该区域主要受第二斜压模控 制，再一次验证了之前的研究结果，且随时间的变化，受第二斜压模控制区域的 范围也有所变化；但是，始终集中在模态水生成区的中心区域。然而在模念水主 要生成区的边界附近，j 下压模态的优势比较明显，且在其他部分海区还出现了第 一斜压模占优的情况，可见，尽管都在模态水的主要生成区内，也并非各点都受 第二斜压模念控制，这可能与模态水的强弱，厚度、水体的性质等有关，对此还 需要进一步的验证及分析。 本文工作的创新点：将a r g o 浮标这一高质量、高精度、大范围的温度、盐 度剖面资料运用到对海洋垂直运动特征的分析中来，开辟了研究海洋垂直运动特 征的新途径，并且从实测资料上形象地再现了海洋的垂直运动形态。同时与 l e v i t u s 气候念资料的结合，分析各个运动模念的相对重要性，凸现了海洋中不 同海域不同时刻所呈现的占主导地位的垂直运动模念，给出了各个垂直模态的分 布情况，并着重探讨了第一斜压模与第二斜压模的时空分布特征，从实测资料上 佐证了现有理论知识，同时提出了新的问题。 关键词： a r g o 浮标： 垂直模态；西部模态水 a n a i y s i so ft h es t r u c t u r eo fo c e a nv e r t i c a i m o d e s i n t h en o r t hp a c i f i ct h r o u g ha r g op r o f ii ed a t a a b s t r a c t t h eo c e a n _ v e r t i c a lm o d es t r u c t u r e si nt h en o r t hp a c i f i c ( 1 0 0 4 0 0 n 、h a v eb e e n a n a l y z e dt h r o u g h t h em o s tu p d a t e da r g op r o f i l ed a t ao ft e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y t h e a n a l y s i ss h o w st h er e a lv e r t i c a lm o d es t r u c t u r e si nt h eo c e a n c o m b i n e d 丽mt h e l e v i t u s 9 8c l i m a t o l o g yd a t a , t h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo f v a r i o u sv e r t i c a lm o d e sh a sa l s o b e e np r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h ed o m i n a n tv e r t i c a lm o d e si nd i f f e r e n to c e a n r e g i o n sa td i f f e r e n tt i m e s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o np a t t e r n so ft h e s ev e r t i c a lm o d e s t h e a n a l y s i so ft h ef i r s ta n ds e c o n db a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e ss t r u c t u r ef e a t u r e s ，t h e i r r e s p e c t i v ec o n t r o l l i n ga r e a sa n d t h ee f f e c t so f n o r t hp a c i f i cs u b t r o p i c a lm o d ew a t e r s ( s t m w ) o n t h eo c e a nv e r t i c a lm o d e ss t r u c t u r e sa r ep r e f e r a b l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ea n a l y s i so ft h ee f f e c t i v ea r g op r o f i l ed a t ai nt h en o r t hp a c i f i c ( 1 0 。4 0 。n 、 s h o w st h a tt h ew a v es i g n a li nt h ew e s t e mp a r to ft h en o r t hp a c i f i ci sm u c hs t r o n g e r t h a nt h a ti nt h ee a s t e r np a r t ，v a l i d a t i n gt h ep r e v i o u sr e s e a r c hc o n c l u s i o n sf r o m a l t i m e t e rd a t a n l ea n a l y s i so ft h ev e r t i c a lm o d e ss t r u c t u r e so ft h e s es t r o n gs i g n a l p r o f i l e se x h i b i t st h a tt h ep r e s e n c eo fo c e a nv e r t i c a l s t r a t i f i c a t i o nm a k e st h eo c e a n v e r t i c a lm o d es t r u c t u r ed e v i a t ef r o mt h en o r m a ls i n eo rc o s i n ew a v e s t h er e s u l t so f t h ea n a l y s i so ft h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo fv a r i o u sv e r t i c a lm o d e ss h o w st h a ti nm o s t a r e a so ft h es u b t r o p i c a ln o r t hp a c i f i c ，t h ef i r s tb a r o c l i m cm o d e sa l ep r e d o m i n a n t ， w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ed i s t r i b u t i o no fs e as u r f a c eh e i g h ta n o m a l yt h r o u g ht h e t o p e x p o s e i d o na l t i m e t e rd a t a ；w h i l ei nt h er e c i r c u l a t i o na r e as o u t ho fk u r o s h i o e x t e n s i o n ，t h es e c o n db a r o c l i n i c v e r t i c a lm o d e sb e c o m ed o m i n a n t ，w h i c hi s c o n s i d e r e dt ob ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f m o d ew a t e rt h e r e t h eo c e a nv e m c a lm o d e ss t r u c t u r e si nt h en o r t hp a c i f i c ( 1 0 0 4 0 0 n 、d u r i n g e a c hm o n t ht h r o u g h o u t2 0 0 4h a v eb e e nt h o r o u g h l ya n a l y z e du s i n ga l le f f e c t i v ea r g o p r o f i l ed a t aw i t h i ne a c hm o n t h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i r s tb a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e m o v e m e n ti ss i g n i f i c a n ti nm o s to ft h er e s e a r c ha r e a s ，w h i l et h ec o n t r o l l e da r e a so f t h es e c o n db a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d ea r em a i n l yf o c u s e di nt h er e c i r c u l a t i o na r e as o u t h o f t h ek u r o s h i oe x t e n s i o n ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t st h r o u g ht h ea n a l y s i so f s t r o n gw a v es i g n a lp r o f i l e i no r d e rt os p e c i f yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e c o n d b a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e sa n dt h es t m w ：t h em a i nf o r m a t i o na r e ao ft h es t m wi n t h ey e a r2 0 0 4i se x a m i n e d i ts h o w st h a tt h er e c i r c u l a t i o na r e as o u t ho fk u r o s h i o e x t e n s i o nc o i n c i d e sw e l lw i t ht h ef o r m a t i o na r e ao fs t m wf o r t h ey e a r2 0 0 4 ，w h i c h t os o m ee x t e n tt e s t i f i e sw h a tw ep r o p o s ea st h es e c o n db a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e sa r e c l o s e l yr e l a t e dt ot h es u b d u c t i o no fs t m wa n dg i v e sas u p p o r tt ot h ec o r r e c t n e s so f t h er e s u l t sw i t l lo n l ya n a l y z i n gt h es t r o n gw a v es i g n a lp r o f i l e a l t h o u g ht h es e c o n d b a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d ec o n t r o l st h em a i nf o r m a t i o na r e ao fs t m w , t h er a n g eo ft h i s c o n t r o l l e da r e av a r i e sw i t ht i m e a tt h es a r f l et i m e ，t h ea n a l y s i sa l s os h o w st h a ti n s o m er e g i o n s ，e s p e c i a l l yi nt h em i da n dh i l g hl a t i t u d e s ，t h eb a r o t r o p i cv e r t i c a lm o d e s a l s oe x h i b i ts t r o n gs i g n a la n db e c o m ed o m i n a n t b yu s i n gt h ea r g ot e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yp r o f i l ed a t aa n di t st i m es e r i e s ，t h e p a p e re x a m i n e st h eo c e a nv e r t i c a ls t r u c t u r ei nt h em a i nf o r m a t i o na r e ao fs t m w ( 1 4 0 0 15 5 0 e ，3 0 0 3 5 。n ) t h r o u g ht h ey e a r2 0 0 4 2 0 0 6a n da n a l y z e st h e e v o l u t i o no ft h ed o m i n a n tv e r t i c a lm o d e si nt h i sa r e a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i s r e g i o ni sm a i n l yc o n t r o l l e du n d e rt h es e c o n db a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e s ，v a l i d a t i n gt h e p r e v i o u sr e s u l t si nt h i sp a p e r h o w e v e r , t h er a n g eo ft h ec o n t r o l l e da r e ai n d e e dv a r i e s a st i m eg o e s ，b u ti n v a r i a b l yf o c u s e so nt h ec e n t e ro ft h ef o r m a t i o na r e ao fs t m w n e a rt h eb o u n d a r yo fs t m wf o r m a t i o na r e a ，o rs o m e w h a td i s t a n tt ot h ec e n t e ro ft h e s t m wf o r m a t i o na r e a , t h eb a r o t r o p i cv e r t i c a lm o d e sa r ee v i d e n t l yd o m i n a n t t h e f i r s tb a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e sa l s op r e s e n ti t sd o m i n a n c ei ns o m eo t h e rr e g i o n s a l t h o u g ht h ew h o l er e s e a r c ha r e ai sc o n s i d e r e dt ob et h em a i nf o r m a t i o na r e ao f s t m 彰i td o e sn o tm e a ne v e r yp o i n ti n t h i sr e g i o ni su n d e rt h es e c o n db a r o c l i n i c v e r t i c a lm o d e s c o n t r o l ，w h i c hi st h o u g h tt ob er e l a t e dw i t ht h ei n t e n s i t y , t h i c k n e s sa n d t h ew a t e rp r o p e a i e so fs t m w o fc o u r s e ，t h i sp r o p o s a ln e e d sf u r t h e ra n a l y s i sa n d c e r t i f i e a t i o i l t h ec r e a t i v ea s p e c t so f t h i sr e s e a r c ha l es h o w na sf o l l o w s ： b yu s i n gt h em o s tu p d a t e da r g ot e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yp r o f i l ed a t af e a t u r e da s h 讪q l l a l i t y , h i g l lr e s o l u t i o n , a n db r o a dc o v e r a g e ，t h ep a p e rs u c c e s s f u l l ye x a m i n e st h e o c e a nv e r t i c a lm o d e ss t r u c t u r e s ，g e t t i n gt h en e ww a yt os t u d yt h eo c e a nv e r t i c a l m o v e m e n t s i ta l s or e p r o d u c e st h er e a lo c e a nv e a i c a lm o d e ss t r u c t u r e st h r o u g ht h e o b s e r v a t i o n a ld a t a w i t ht h ec o m b i n a t i o no fl e v i t u s 9 8c l i m a t o l o g yd a t a , t h er e l a t i v e i m p o r t a n c eo fv a r i o u sv e r t i c a lm o d e si sa l s op r e s e n t e d ，s h o w i n gt h ed o m i n a n tv e r t i c a l m o d e si nv a r i o u so c e a r lr e g i o u sa n da tv a r i e dt i m e s b e s i d e s i ta l s op r o v i d e st h e d i s t r i b u t i o np a t t e r n so fv a r i o u sv e r t i c a lm o d e sw i t l ls p e c i a la t t e n t i o nt ot h ef i r s ta n d t h es e c o n db a r o c l i n i cv e r t i c a lm o d e s t h er e s u l t so f t h ea n a l y s i st h r o u g ho b s e r v a t i o n a l d a t av a l i d a t et h et h e o r e t i c a li m p r o v e m e n t sv e r yw e l la n di ta l s ob r i n g sf o r w a r dn e w c h a l l e n g e s k e y w o r d s ：a r g of i o a t ：v e r t i c a im o d e s ；m o d ew a t e r 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l 注! 堑遗直墓丝置要挂剔虚蛆 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。 一一一兰兰竺竺兰丝坚兰竺芏竺三 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，有权保留并向因家有 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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名觯、 蝴期：1 年5 月r 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 椽斗 1f 签字日期：彩归易月f 同 电话： 邮编 基于a r g o 浮标资料对北太平洋洋垂直模态结构特征分析研究 0 前言 a r g o 计划的广泛实施，给我们提供了高质量、高精度、大范围的温度、盐度剖 面资料，补充了海洋水文资料相对缺乏的次表层，使我们研究海洋中的许多物理想 象提供了可能。而在海洋的诸多运动和现象中，海洋的垂直模态结构及运动特征一 直是人们关注的焦点和热点。因此借助a r g o 浮标资料分析海洋的垂直结构模态具有 重要的意义。 0 1 海洋运动垂直模态结构的意义 海洋中存在着多种多样的波动，从高频波到低频波，从海洋表面的波动到海洋 内部的波动，从大尺度的运动到中尺度，小尺度运动，整个海洋处于一个不断运动 和不断调整的过程。在海洋的众多运动中，对海洋垂直模态的研究有着非常重要的 意义，其中又以研究r o s s b y 波动的垂直模态结构尤为重要。r o s s b y 波可以传送能 量，再分配动量，与大洋环流相互作用，延迟效果等。r o s s b y 波动还是海洋向大尺 度大气强迫响应及调整的动力机制，r o s s b y 还可以加强西边界流，对气候状态的 变化有着重要的影响。j a c o b s 等( 1 9 9 4 ) 的研究结果表明，由1 9 8 2 1 9 8 3 的e ln i n o 事件激发的赤道外r o s s b y ，经过十年的延迟，到达太平洋的西边界，作用到西北太 平洋的黑潮，使之发生改变，这一过程造成了某些区域的气候状态发牛异常。 此外，对海洋垂直模态结构的研究还能将海洋表面的波动与海洋内部的波动， 甚至气候状态的变化联系起来，解释许多物理现象。如斜压模态与温度垂直结构的 关系。g i l l ( 1 9 8 2 ) 在分析1 9 7 2 年e 1n i n o 期间赤道太平洋温度垂直结构的变化中指 出第一斜压模态可以解释赤道中太平洋的温度垂直结构，而赤道东太平洋温度垂直 结构的变化则主要体现第二斜压模态波动。另外对于高阶斜压模态与e n s o 的关系， b o r i sd e w i t t e 等( 2 0 0 3 ) 发现1 9 9 7 1 9 9 9e 1n i n o l an i n a 期间太平洋赤道东 部海盆温跃层内温度垂向梯度的增大与高阶斜压模态的贡献增强有很好的一致性。 b y u n g k w o nm o o n 等( 2 0 0 4 ) 的研究结果表明，2 0 世纪7 0 年代后期以后，由于垂 向温度结构的变化，上层海洋的垂向层化加强，在赤道中太平洋区域，高阶斜压模 2 基丁：a r g o 浮标资料对北太平洋洋垂直模态结构特征分析研究 态对温度异常信号以及海表面压力异常的贡献显著增强；同时，将e n s o 信号的变 化与温度垂直结构的变化，高阶斜压模态作用的增强紧密联系起来。 由此可见，了解海洋中斜压模态的运动特点( 包括其波动、传播特征以及它们 与气候状态变化的关系) 非常重要，而海洋垂直模态结构作为海洋斜压波动的一个 重要方面，对其的研究不仅具有重要的理论意义，还具有一定的现实意义。 0 2 海洋垂直模态的运动特征 g i l l ( 1 9 8 2 ，s e c t i o n6 1 1 ) 将层结流体的线性原始运动方程分成了无数个正交 的特征模态，每个模态都有不同的垂直结构特征。g i l l 定义零阶垂直模态为正压模 态，无限多个高阶垂直模态为斜压模态。由于海洋的不可压缩性或者说是弱压缩性， 与正压模态相关的波动往往与深度无关，仅仅是对海表面波动的简单响应，因此正 压模也被称为外模，该模态的波动传播速度很快，体现了海洋原始运动方程中的快 速运动现象动力学。与正压模态不同，斜压模态是与海洋内部密度界面的波动密切 相关的，因此也称为内模，内模传播速度较慢，斜压模态的波动，平流以及行星波 动构成了海洋相对缓慢的动力学过程。 假设海洋是自由表面，海底平坦没有起伏，根据g i l l ( 1 9 8 2 ，s e c t i o n6 1 1 ) ， w u n s c ha n ds t a m m e r ( 1 9 9 7 ) ，得到了正压模态的垂直流速约为深度的线性函数，最 大的垂直流速在海洋的自由表面，而到海底，垂向流速为零。相反，如果海面刚盖 近似，海底没有起伏，正压模态则表现为垂向性质均匀，垂直流速不存在，水平传 播速度与深度无关，且传播速度较快。而斜压模态，由于其与海洋内部界面的波动 密切相关，所以受海洋表面边界条件的影响很小。因此，斜压模态的结构及运动特 征在自由海洋表面和刚盖近似的海洋表面条件下，几乎是一样的。 在海洋众多的斜压垂直模态中，第一斜压模态和第二斜压模态的波动较为重要， 以r o s s b y 波动为例，根据r o s s b y ( 1 9 3 9 ，1 9 4 0 ) 等的经典理论，第一斜压模r o s s b y 波动特征丰要依赖于层结剖面，其速度剖面在温跃层深度上改变方向，大约需要几 基于a r g o 浮标资料对北太平汗洋垂直模态结构特征分析研究 个月到几年，甚至更长的时间穿越整个大洋海盆。同时，该模态的波动将海表面高 度的变化与温跃层深度的变化紧密联系起来，两者呈反位相变化，且相差2 3 个量 级左右( 图0 1 ) ，如温跃层上升5 0 m ，海表相应的下降5 5 0 c m 。p l a t z m a n ( 1 9 6 8 ) 、 k u o ( 1 9 7 3 ) 、d i c k i n s o n ( 1 9 7 8 ) 等分别对第一斜压模r o s s b y 波的这种波动特征进 行了研究并证明了上述结论，因此这种波动可以通过卫星高度计测得的海表面高度 异常观测得到。第一斜压模运动可以采用一层半约化重力模式来描述( e g a n d e r s o na n dk i l l w o r t h ，1 9 7 9 ) ，如图o 2 ；将海洋分为两层，上层为运动层，下 层为静止的无限深层，密度为常数，该模式显示了海洋表面的波动与温跃层深度的 变化的关系，体现了第一斜压模的特点。在该模式中如果考虑海面起伏及背景流动， 第一斜压模r 0 s s b y 波的波速公式为巳2 u 一百新，其中卢= + 蒡为总的径 向位涡梯度。当i 2 + ，2 五- 2 时，r o s s b y 长波波速为c 。= 一芦旯2 。即表现为非多普勒 频移效应，基本流不会改变r o s s b y 长波的传播速度。因此在经典线性理论中第一斜 压模r o s s b y 长波无论波长和周期是多少，无论海洋是否存在背景流动，波速都是 c 。= 一卢咒2 ，且向西传播。k e s s l e r ( 1 9 9 0 ) 通过对热带北太平洋1 9 7 0 1 9 8 7 年期间几十 万个温度剖面资料的分析，发现尽管风应力旋度在年平均尺度上显示了较弱的纬向 变化，2 0 等温线深度的年平均变化则明显向西传播，很好地验证了行星波向西传 播的特征及非多普勒平移效应。 第二斜压模运动可以采用两层半海洋模式进行描述，如图0 3 ，将海洋分为3 层，分别为海洋上层，温跃层，和静止的无限深层，该海洋模式显示了行星波动受 温跃层流动的影响非常强( r h i n e s ，1 9 8 6 ；d e w a r ，1 9 8 9 ；l i u ，1 9 9 6 ) ，第二斜压模态 的波动表现为温跃层上下边界的反位相变化，即温跃层厚度的变化，速度剖面在温 跃层上下边界改变方向，相速度比第一斜压模要小。随着模态阶数的增加，相速度 逐渐减小。图0 4 是在两层半的海洋模式下，得到的第一斜压模和第二斜压模态的 波动示意图，可以看到对于第一斜压模，上层和温跃层内的流速方向相同，海表面的 波动主要由温跃层的下界进行补偿，而温跃层的上界波动信号较弱，体现了第一斜 压模辛要反映了温跃层深度的变化；而对于第二斜压模，上层水平流速和温跃层内 4 基丁a r g o 浮标资料对北太平洋洋垂直模态结构特征分析研究 的流速方向相反，动力高度主要取决于温跃层上界的波动，显示了温跃层上界较强 的波动信号。 不同的垂直模态往往显示不同的传播特征。每个模态所对应的传播特征可以通 过在垂直结构方程中引入纬向平均流而得到解释。 0 3 已有研究成果 多少年来，由于海洋水文观测资料的缺乏，海洋学家们对海洋运动垂直模态结 构的研究往往集中在对简单观测事实的分析及理论的完善。 p i c a u tj o e l 等( 1 9 9 3 ) 利用l e v i t u s 温度、盐度剖面以及n o a a 的一些水文观 测资料分析了热带太平洋( 3 0 。n 3 0 0 s ) 密度层结和海底深度对垂直模态结构函数 的影响，并计算了前五个模态的相速度。发现第一斜压模的相速度在1 9 5 3 0 5 c m s 的范围内，而第五斜压模的相速度则为4 0 6 5 c m s 。从第一斜压模到第五斜压模， 相速度逐渐减小。另外对密度层结和海底深度对垂直模态结构函数的相对重要性的 分析指出，对于前两个模态，海底深度对垂直模态结构函数的贡献要比密度层结的 贡献小一个量级；而对于第三、第四斜压模态，海底深度的重要性逐渐加强，到第 五斜压模态，两者的贡献几乎相等，重要性相当，另外，在热带太平洋，海洋上6 0 0 m 的密度场对海洋垂直模态结构的的分解有着最为重要的作用。 二十世纪九十年代以来，随着海洋观测技术的提高以及卫星高度计资料的广泛 应用，人们对海洋垂直模态的结构及运动特征有了更深入的了解。s t a m m e r ( 1 9 9 7 ) 根据卫星高度计资料给出了全球波动动能分布，反映了波动信号的强弱。他指出在 南极绕极流区，黑潮和湾流延伸体所在的区域是波动动能最强的区域，另外，在太 平洋海盆的中部和西部，也存在着波动较强的区域。然而s t a m m e r ( 1 9 9 7 ) 的工作 是基于海洋表面的动能分布，c a r lw u n s c h ( 1 9 9 7 ) 进一步用海流计观测资料分析北 太平洋、北大西洋以及南大西洋部分区域动能的垂直结构，并解释由高度计资料观 测得到的海表面动能分布的原因。图0 5 显示了水平流速的垂直模态图，包括正压 基于a r g o 浮标资料对北太平洋洋垂直模态结构特征分析研究 模态和前四个斜压模态，可以看到斜压模态，包括第一斜压模，表面都存在加强现 象。通过分析，文章结果显示大多数研究区域水柱的平均动能由正压模态和第一斜 压模态控制，除了热带区域。海洋表面动能分布丰要由第一斜压模控制，因此高度 计资料的结果丰要反映了第一斜压模的运动，即丰温跃层的运动特征。这与c h e l t o n 和s c h l a x ( 1 9 9 6 ) 利用1 y p 资料研究全球海洋r o s s b y 波动的结果一致。他们根据 t p 海表面高度异常的分布，指出在大洋内无一例外的存在的第一斜压模r o s s b y 波， 图0 6 为太平洋海盆2 1 6 n 、3 2 。n 、3 9 。n 纬度带海表面高度异常的时间经度图，可以 看到，海表面高度异常信号明显向西传播很好地反映了第一斜压模r o s s b y 波的传播 特征，此外他们还发现第一斜压模r o s s b y 波的振幅在海盆西部显著增强。另外， p o l i t o 和c o m i l l o n ( 1 9 9 7 ) 、o s y c h n y 和c o m i l l o n ( 2 0 0 4 ) 分别利用t p 高度计资料 分析了北大西洋海表面高度异常场，同样发现了该异常场向西传播，显示了明显的 第一斜压模态波动的传播的特征。另外的许多研究分别从卫星观测的海表面温度资 料( c i p o l l i n i ，e t a 1 1 9 9 7 ；h i l l e t a l ，2 0 0 0 ) 、水色资料( c i p o l l i n i e t a l ，2 0 0 1 ， k i l l w o r t h e t a l ，2 0 0 4 ；) 等分析大洋表面的波动及传播特征。 上述的研究成果使得人们对海洋表面波动有了较多的了解，然而卫星资料只能 提供海表面的运动特征，无法提供有关斜压波动垂直结构运动方面的信息。近年来 人们通过对次表层观测资料的分析发现了海洋温度垂直结构的特点，提出了新的问 题。 d e s e r 等( 1 9 9 6 ) 利用上层海洋温度剖面研究了北太平洋1 9 7 0 1 9 9 1 期间从海 表至4 0 0 m 的温度异常垂直结构，发现北太平洋温度异常信号向下潜沉并向南传播； z h a n g 和l e v i t u s ( 1 9 9 6 ) 利用1 9 6 1 1 9 9 0 期间上层海洋现场观测的温度异常资料 分析了北太平洋上层海洋温度年代际变化的空间分布及演变，发现次表层温度异常 呈现顺时针的形态，并沿着副热带环流圈传播，这种信号与中纬度露头区温度异常 的潜沉过程紧密相连；w h i t e 和c a y a n ( 1 9 9 8 ) 用e o f 的方法分析了上层海洋温度 年代际变化的准周期及全球对称性，同样指出温度年代际变化信号的演变具有传播 的特征，且沿着环流圈传播；z h a n ga n dl i u ( 1 9 9 9 ) 同样利用1 9 6 1 1 9 9 0 期间现场 6 基丁a r g o 浮杯资料埘北太平洋洋垂直模态结构特自i ：分析研究 观测的温度异常资料，通过等密度面上e o f 方法的运用，分析了北太平洋温跃层的 年代际变化，发现了副热带环流圈附件的两条与温度年代际变化紧密联系的通道。 其中一条为潜沉通道，源于北太平洋中东部露头区域，并沿着副热带环流圈向西南 方向流；s c h n e i d e r 等( 1 9 9 9 ) 通过对海洋上4 0 0 m 深度所有b t 、x b t 、c t d 等站位的 温度观测资料分析( 1 9 7 0 1 9 9 6 ) ，得到了温度变化的年代际信号在温跃层内沿着等 位势涡度线从北太平洋中部通风区传播至西太平洋1 8 0 n ，通风温跃层模式很好地展 现了该温度异常信号向南传播的速度及路径，速度大约为7 m m s ，需要8 年左右的 时间完成传播。 这些研究工作都从侧面反映了温跃层内温度变化异常信号的很大一部分是沿着 环流圈或者潜沉路径传播的，而并非与卫星高度计的海表面高度异常信号、海表面 温度异常信号等揭示的向西传播的特征一致。 l i u ( 1 9 9 9 a ) 运用两层半海洋模式分析了温跃层环流中的行星波模态，他指出 出现这两种不同传播特征的丰要原因是与行星波的两种模态紧密相连，分别是n 模 ( n o n d o p p l e r s h i f tm o d e ) 和a 模( a d v e c t i v em o d e ) 。n 模类似第一斜压模，并 且往西传播，不受背景流的影响；a 模类似第二斜压模，沿着背景流传播。同时， 由于这两种模态明显不同的垂直结构特征，n 模与所观测到的海表面高度变化紧密 相联，而a 模则丰要体现观测到的上温跃层的温度变化。l i u ( 1 9 9 9 b ) 进一步用两 层半海洋模式研究了在强迫作用下的第一斜压模( n 模) 和第二斜压模( a 模) 的动 力学特征。发现由e k m a n 抽吸异常引起的波动丰要体现在第一斜压模上，即温跃层 深度的变化，表现为海表面高度异常信号的传播；而由海面浮力强迫异常引起的波 动丰要体现在第二斜压模上，即温跃层厚度的变化，表现为温跃层内温度异常信号 的传播，因此理论上认为，上述两种不同的传播特征丰要受控于两种不同的斜压波 动模态：第一斜压模和第二斜压模。 l u a n n et h o m p s o n ( 2 0 0 4 ) 进一步用海洋环流模式分析了北太平洋对大气强迫 ( 风强迫和浮力强迫) 年代际变化的响应，分析了不同斜压模的时间和空间分布特 征。模式结果验证了风强迫丰要体现在第一斜压模上，而浮力强迫则表现在更高阶 7 基于a r g o 浮标资料对北太平洋洋垂直模态结构特征分析研究 斜压模态上，e k m a n 抽吸在驱动第一斜压模运动上有着非常重要的作用，而热强迫 只在黑潮延伸体或者更南的海域较为重要，它能抑制由e k m a n 抽吸引起的第一斜压 模运动。第二斜压模从黑潮延伸体东部末端向西辐射能量，直到西边界的2 0 。n ，反 映平均流或背景流对高阶斜压模态波动的传播有着非常重要的作用。 卫星观测资料分析、理论的完善及模式的模拟都发现海洋的垂直运动模态结构， 尤其是第一斜压模和第二斜压模对于海洋的动力场调整过程至关重要，人们更加迫 切地想要从实测资料上去揭示上述运动特征，检验理论和模式的正确性。然而由于 海洋次表层观测资料的匮乏，人们还无法全面的了解和分析海洋中真实的垂直运动 模态以及各个垂直运动模态所控制的海洋物理过程。 0 4 本文的研究内容和意义 通过上一节对已有研究工作的回顾，我们不难发现，几十年来，海洋观测技术 及手段的提高，推动了对海洋运动特征的研究，人们对海洋波动及其分布特征有了 进一步的了解。同时理论的进一步完善，也使人们认识到斜压模态的波动在海洋的 调整及众多物理过程中起着非常重要的作用。然而由于海洋次表层水文资料的长期 缺乏，以往的研究工作又都是建立在单点或单站的观测下取得的，对海洋的垂直运 动特征，尤其是高阶模态的结构及运动特征都没能很好的揭示。尽管理论及部分的 观测事实都认为北太平洋副热带的大部分区域为第一斜压模态波动控制，且该波动 在海盆西部强化，而在北太平洋西部模态水生成及分布区，根据l i u ( 1 9 9 9 a ，b ) 及l u a n n et h o m p s o n 等( 2 0 0 4 ) 的研究指出海洋模态水牛成的潜沉过程应该是一种 第二斜压模的运动，然而这些研究结果都没有从实测资料上得到很好的验证。事实 上，不同的斜压