（物理海洋学专业论文）南海环流和热结构特征的数值模拟与分析.pdf

南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 专业：物理海洋学 姓名：聂宇华 指导老师：詹杰民( 教授) 摘要 本文首先对南海的环流、潮汐潮流和温度结构的研究现状做了介绍，接着详细介绍了 普林斯顿海洋模式( p o m ) 的结构。p o m 模式采用垂向。分层，能较好地反映南海大陆架 地形。另外，模式还采用自由表面以及既能描述重力外波又能描述海洋内波的原始方程模式， 这些特点都使它能适用于南海。本文利用p o m 模式，对南中国海9 8 。e - 1 2 6 。e ，3 。s 2 6 。n 的范围进行环流和温度结构的模拟。采用真实的地形数据，计算区域右边界的上半部分 设置为开边界，其它边界都设置为封闭边界。模拟从静止的海洋开始，以1 月的月平均温盐 数据为初始场，在1 2 个不同的月平均风场的驱动下，模式稳定地模拟了四个模式年，从第 三年开始进行数据分析。模拟结果和前人的模拟与实测结果吻合良好。我们首先讨论了南海 环流和热结构的时空演变过程：冬季南海主要被一个大的气旋式环流占据，夏季主要呈大的 反气旋式环流。春季和秋季是季风转换季节，南海环流在受到上一个季节影响的同时也向下 一个季节的典型流态转换，并由多个涡旋组成。在此基础上，论文系统讨论了南海冷涡、暖 流、黑潮入侵和西边界流的强化等重要现象，并对其形成机制和影响因素进行了探讨。由于 冬季表层漂流的掩盖，南海暖流在春季才开始明显的出现在表层。黑潮入侵冬季最强，但次 表层并没有明显的黑潮入侵现象。冬夏两季都有明显的西边界流强化现象。另外，地形条件， 气候条件和边界条件的选取，都会影响到南海的环流和热结构特征。 关键词：环流；热结构：南海；普林斯顿海洋模式 n u m e r i c a ls i mu l a t i o na n d a n a l y s i s o f t h ec i r c u l a t i o n sa n d t h e r m o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es o u t hc h i n as e a m a j o r gp h y s i c a lo c e a n o g r a p h y n a m e ：n i ey | u h u a s u p e r v i s o r ：p r o f z h a nj i e m i n a b s t r a c t t h er e s e a r c h e sf o c u s e do nc i r c u l a t i o n s ，t i d e ，t i d a lc u r r e n ta n dt h e r m a ls t r u c t u r a lo ft h es o u t h c h i n as e a ( s c s ) a r ef i r s ts u m m a r i z e di nt h ep r e s e n tt h e s i s t h es t r u c t u r eo ft h ep r i n c e t o no c e a n m o d e l ( p o m ) i st h e nd e s c r i b e di nd e t a i l b yu s i n gp o m ，t h ec i r c u l a t i o na n dt h e r m a ls t r u c t u r eo f t h es c si nt h ed o m a i n9 8 0e 12 6 0e 3 。s 2 6 0na r es i m u l a t e d r e a lt o p o g r a p h yd a t aa r e a d o p t e d t h eu p p e rh a l fo ft h er i g h tv e r t i c a lb o u n d a r yi ss e ta s a l lo p e nb o u n d a r yw h i l ea l lt h e o t h e rb o u n d a r i e sa r es e ta sc l o s e db o u n d a r i e s t h es i m u l a t i o ns t a r t sf r o mam o t i o n l e s so c e a n , a n d t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yd a t ao fj a n u a r ya r eu s e da st h ei n i t i a lf i e l d d r i v e nb yt h e12 d i f f e r e n tw i n df i e l d so ft h e1 2d i f f e r e n tm o n t h s t h em o d e lc a nr u ns t e a d i l yf o rf o u ry e a r s f r o m t h eb e g i n n i n go ft h et h i r dy e a r , s i m u l a t i o nr e s u l t sa r er e c o r d e da n da n a l y z e d t h er e s u l t sa g r e e q u i t ew e l lw i t he x i s t i n gs i m u l a t i o na n di ns i t uo b s e r v a t i o nr e s u l t si nt h el i t e r a t u r e s t h e nt h e t e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o np r o c e s s e so ft h ec i r c u l a t i o na n dt h e r m a ls t r u c t u r eo ft h es c sa r e f i r s td i s c u s s e d i nw i n t e rs e a s o n , t h es c si sd o m i n a t e db yab i gc y c l o n et y p ec i r c u l a t i o n ；i n s u m m e rs e a s o n , t h ec i r c u l a t i o ni so fa n t i c y c l o n et y p e s p r i n ga n da u t u m na r et h es e a s o n sw h e nt h e m o n s o o ns w i t c h e sd i r e c t i o n d u r i n gt h e s et w os e a s o n s ，t h ec i r c u l a t i o n sa r ea l s os w i t c h i n g d i r e c t i o n sa n dc o m p o s e do fm a n yv o r t i c e s a l s o , s e v e r a li m p o r t a n tp h e n o m e n a , i n c l u d i n gt h ec o l d v o r t e x ，w a r mc u r r e n t ，t h ei n v a s i o no f t h ek u r o s h i oa n dt h ee n h a n c e m e n to f t h ew e s tb o r d e rf l o w , a r es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e da n dt h e i ru n d e r l y i n gf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n di m p a c tf i c t o r sa r e i n v e s t i g a t e d d u et ot h es u r f a c ec i r c u l a t i o ni nw i n t e r , t h ew a r mc u r r e n td o e s n ta p p e a ru n t i ls p r i n g t h ei n v a s i o no ft h ek u r o s h i oi ss t r o n g e s ti nw i n t e r i nb o t hw i n t e ra n ds u m m e rs e a s o n s ，t h e r e e x i s t st h ep h e n o m e n o no ft h ee n h a n c e m e n to ft h ew e s tb o r d e rf l o w a d d i t i o n a l l y , t h et o p o g r a p h y c o n d i t i o n , c l i m a t ec o n d i t i o na n dt h ea d o p t i o no fd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o nc a n a l li n f l u e n c et h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ec i r c u l a t i o na n dt h e r m a ls t r u c t u r ea n da r ed i s c u s s e di nt h ep r e s e n tt h e s i s k e yw o r d s ：c i r c u l a t i o n s ；t h e r m a ls t r u c t u r a l ；t h es o u t hc h i n a s e a ；p o m i i i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瑰宕仟 日期：砷，年6 月占日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：韵辞导师签名：务索、氏 日期：硼7 1 年月孕日 日期：加听年二月q 日 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 1 绪论 1 1 引言 南海位于热带西太平洋的边缘，是西太平洋最大的半封闭深水海盆，具有某 些大洋的特征，同时它不仅是联接亚澳季风的桥梁，也是典型的季风区，并存在 显著的局地性海气相互作用【l 】。 海温变化作为海气相互作用的重要因子，不仅可以直接影响海洋上空的大 气状况，进而制约中长期的天气预报时效，而且可以通过直接影响海流而间接影 响气候变化。而南海地区又是东亚大气环流的热量和水汽的重要源地之一，该地 区天气系统的季节和年际变化以及海气相互作用，对长期天气过程有重要的影响 【2 】。因此对于南海热结构的研究具有重要的理论和实践意义j 它的研究，不仅对 于海气相互作用的清晰认识有着推动作用，而且在对于海洋气候直接或间接影 响到的渔业、通讯及海洋资源开发利用等等也具有重要的实用价值。 受到冬夏两季方向相反的季风的作用，南海的环流也呈现出相应的特点，即 冬季呈大的气旋式环流，夏季呈大的反气旋式环流。但是，除了季风这一重要因 素的影响，南海的环流结构还受到包括地形、海岸线、太阳辐射等的联合作用而 显现出总体环流结构中不同的中小尺度的流场结构，包括暖流、局地涡旋、西边 界流等。因此，详细地研究和探讨南海的流场结构和影响因素也是非常必要的。 本文通过卫星遥感资料与温、流动力模式，模拟南海环流和热结构的年循环 过程，这一尝试对进一步认识南海的环流和热结构具有重要意义。 1 2 南海概况 1 2 1 地理位置概况 南海因为是位于中国南边的近海而得名( 地理位置如图1 1 ) 。虽然近代有人 从英语s o u t hc h i n as e a 直接翻译为南中国海，但中国仍采用南海作为官方名称。 南海的北边是我国广东、海南、广西、福建和台湾四省一区，东南边至菲律宾群 岛，西南边至越南和马来半岛，最南边的曾母暗沙靠近加里曼丹岛。以广东省南 澳岛到台湾省本岛南端( 一作经澎湖到台湾东石港) 一线同东海分界。中国近海 当中，它的面积最广，约有3 5 6 万平方公里，相当于1 6 个广东省那么大。南海 南海环流手口热结构特征数值摧柑与# 析 出灶邻接找圳蛙深的海，1 r 均水深约1 2 1 2 米，- l 部深海、r 原巾最深处迓5 5 6 7 米，比大陆卜两减高原的商度还要大。 从尔海往南穿过狱长的台湾海峡就进入汹涌澎湃的南海了。南海足我国域 i 匀 、蛀人的海，也是仪次1 ：珊瑚海和剐拉伯海的1 i t 界第二大陆缘海。南海位j 耐a 、p 洋和印度洋之问的航运要冲在经济上、网防卜都共有重要的意义。 山于南海四剧大 b 分足r 岛和岛屿，因此陆地面积与海洋帽比，显得很小。 注入m 海的河流人 1 1 分都分巾j ：北部，主要有珠江、红河、湄公河、湄南河等。 山于这些河的台沙虽很小，所以海嗣水深的南海一股都晕现碧绿或深蓝色。南海 地处低纬度地域，是我国海k 中气候最暖的热带深海。南海海水表层水温较高( 2 5 2 8 ) ，年温差较小( 3 - - 4 ) ，终年高温高湿k 夏无冬。南海赫度约3 5 ， 潮差2 米。 | 生| l - 1 南海地理能：苒! 图 南海处于热带的这种自然地理位置，适于珊瑚繁殖。在海底高台卜，形成了 很多肛l 光绮昕的珊瑚岛，如东沙群岛、西沙群岛、巾沙群岛和南沙群岛。南海诸 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 岛很早就被我国劳动人民发现与开发，是我国领土不可分割的一部分。除了明媚 的风光，南海水产业非常丰富，盛产海龟、海参、牡蛎、马蹄螺、金枪鱼、红鱼、 鲨鱼、大龙虾、梭子鱼、墨鱼、鱿鱼等热带名贵水产。 1 2 2 海底地形 南海是较为少见的半封闭海域。它的周围，除了台湾海峡、吕宋海峡和马六 甲海峡等少数几个海峡与热带太平洋和印度洋相通之外，其余基本都被大陆或洋 中陆地所包围。并且，吕宋海峡是南海与其他大洋相通的唯一深水通道。南海的 海底地形也颇为特殊，其北部和中部是碗状的深水区，西部是宽阔的大陆架，南 部是浅海，东部是洋中岛屿且无大陆架【3 】。 1 2 3 南海的构造演化 一、南海地区的构造单元如下 4 1 ： 1 、北部湾盆地 该盆地可划分出三个由断块分隔的“凹陷 。 1 ) 填充白垩纪至始新世纪沉积物的n e s w 向凹陷； 2 ) 填充渐新世纪沉积物的e w 向凹陷； 3 ) n e s w 向构造横切e w 向构造的复合型凹陷。 这些凹陷都被白垩纪渐新世纪沉积物冲填。 2 、文昌b 凹陷 它是一个向西倾斜的半地堑，位于珠江口盆地西南端和海南岛东侧。半地堑 的基底剖面是由晚侏罗纪世至早第三纪裂陷陆壳组成，基底上的凹陷发育过程可 分为三个阶段： 1 ) 凹陷盆地的发育年代主要是始新纪。在一些凹陷盆地内有以粗粒、非海 相碎屑到厚层湖泊相页单元的沉积； 2 ) 文昌b 凹陷的裂谷活动始于早渐新纪，虽然单个断裂、地垒和地堑的主 要走向为e w 走向，但是，整个凹陷带走向为n e e s w w ； 3 ) 虽然各种断裂能够分开，但在渐新纪最早期，断裂活动相对减弱。本区 有几条e w 走向滑断层带，常难以与正断层区分。 3 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 3 、珠江口盆地 它位于华南地块与南海北部的大陆架上。在盆地内可观察到三组不同的断 裂，即n e s w 向、e w 向、n w - s w 向。在盆地西端，靠近文昌b 凹陷的断层 走向主要是n e s w 向。珠江口盆地在三次构造演化阶段形成了三套沉积旋回和 三次沉积中心的迁移。 1 ) 从晚白垩纪至始新世，许多n e 。s w 向正断层由于局部地区上升导致了地 堑的形成； 2 ) 从渐新世至中新世，在沉积阶段就形成了几条主要的e w 走向的断层。 3 ) 从晚中新世至第四纪，断裂活动增多，这一阶段发育了许多主要走向为 n w - s w 新断层，某些老正断层重新活动，其走向与原先的走向相同。 4 、东沙岛 它位于珠江口盐地南缘，是一个处在珠江口盆地与南海瓮地之间的构造高 地，构造倾向西南。该区有2 1 3 千米厚的第三系沉积物，基底由中性至酸性中 生代侵入岩和沉积物组成。已见到的断层走向主要是n e s w 向，少量的为 n w - s e 向，所有断层都是正断层。 其地质发育有三个阶段： 1 ) 早始新世的早期上升阶段 2 ) 中期下降阶段 3 ) 中中新世的整个地区上升。 5 、台南盆地 它位于珠江口盆地东侧的陆架，在台湾西南约2 0 千米，地内有两组正断层， 一组为n e s w 走向，一组为n e e s w w 走向。j 下断层基底断裂作用分为两个阶 段，第一阶段发生在晚始新世至早渐新世，而第二阶段发生在中至晚中新世。 6 、危险滩 它位于加里曼丹北部的礼乐滩和纳土鄂群岛之间的南海南端，由许多浅而出 露的礁岛组成。据s o n n e 调查船1 9 8 2 年和1 9 8 3 年的调查结果，在危险滩有5 个区域不整合：白垩纪一早第三纪不整合、中一上渐渐世不整合、早中新世不整合、 中中新世不整合和中新世上新世不整合。 7 、中沙滩和西沙群岛 4 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 在海南岛东南部岸外和中沙滩之间有几个沉积盆地。老第三系沉积物主要限 于断层为界的裂谷谷中。老第三系沉积物等厚图一般为n e s w 走向，相反的， 中新世沉积等厚图则显示为e w 分布，上新世与第四纪沉积物等厚图显示 n e s w 向分布。 据h o l l o w a y ( 1 9 8 2 ) ，在古新世，礼乐滩和中沙滩裂离亚洲大陆的南缘，变成 了亚洲大陆外缘的微型陆块。这些陆块东南方向的洋壳沿着加里曼丹和巴西望西 北缘发生了俯冲。 二、南海盆地的构造模式 目前，至少有三种解释南海构造演化的观点。第一种学派认为，南海盆地中 部呈s n 向张开发生在中渐新世早中新世。其后，约在2 1 2 0 m a 包括西南部的 次级海盆，变为大体呈n w - s w 向的拉张。第二种学派认为，西南部次级盆地开 启在先，早于渐新世，随之在3 2 1 7 m a 之间东部次级盆地发生海底扩张。第三 种学派认为，整个南海盆地的开启都是n w - s e 向的，目前在南海中部出现的e w 向海洋磁场常使人产生误解。 区域构造史上支持上述假说中的前两种。首先，资料表明，从古生代起亚洲 东南部与东部就存在着地壳薄弱带，其主要走向为n e s w 。其次，早第三纪或 更老的洋壳从现今的华南外陆缘延续至加利曼丹西北部，这些早期的洋壳推测可 能沿巴拉望海槽分布，并俯冲于西北苏禄海盆地之下。 1 2 4 南海的气候概况 南海和南海诸岛全部在北回归线以南，接近赤道，属赤道带、热带海洋性季 风气候。其气候特征包括【5 】： ( 1 ) 终年高温。由于南海海域接近赤道，接受太阳辐射的热量较多，所以 整体气温较高。年平均气温在2 5 - 2 8 。c 。最冷的月份平均温度也在2 0 c 以上，最 热时极端达3 3 左右。气温虽高，但有广阔的海洋及强劲的海风调节，并无酷 热。一年中气温变化不大，温差较小。冬季来自蒙古高原的冷空气进入南海时， 势力已大大减弱，对南海诸岛的气候的影响不大，冬季仍似初夏，正所谓“四时 皆夏 ，同时，南海表层海水温度也较高。北部2 3 - 2 5 ，中部2 6 2 7 ，南部 5 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 2 7 - 2 8 ；且季节的变化也不大。 ( 2 ) 雨量充沛。广阔的南海和西太平洋有丰富的水汽来源，大量水汽受各 种各样条件的作用形成丰沛的降水。其中台风雨约占三分之一。南海诸岛年平均 降雨量在1 3 0 0 毫米以上。但是雨量的季节分配不均匀，具有集中于夏半年的特 点。如西沙群岛的永兴岛年降雨量1 3 9 2 毫米，而在6 月至1 0 月的降雨量却达 1 0 4 0 毫米，占全年降雨量的七成多。 ( 3 ) 季风明显。南海热带海洋性季风气候非常明显，每年1 0 月以后，从西 伯利亚和蒙古高原吹来的冬季气流不断奔向我国南方海洋。所以南海与南海诸岛 每年1 1 月至次年3 月盛行东北季风；每年4 月开始，南海与南海诸岛转而受热 带与赤道海洋气团的影响，5 月至9 月盛行西南季风；4 月和1 0 月是季风转换时 期。受其影响，南海的海流也有明显的季风特点，夏天流向东北，冬天流向西南。 ( 4 ) 受台风影响。南海诸岛在夏秋两季还常受台风影响。这些台风七成来 自菲律宾以东的西太平洋面和加罗林群岛附近洋面，三成源自南海的西沙群岛和 中沙群岛附近海面。进入南海的台风对南海诸岛的影响非常巨大。台风风力狂虐， 裹挟暴雨，掀起巨浪，往往对海上航运、海上生产和海岛建设造成一定的灾害。 但是，台风也有其有利的一面，它使南海诸岛、海南岛以及我国东南大部分地区 上空形成丰沛的降水过程，对解除干旱或缓解旱象起很大作用。 1 3 本文的研究内容 就中国海而言，南海不但最大最深，而且也是调查研究最为薄弱的海域。虽 然从1 8 4 2 年起国外对南海的调查研究已经开始，但以往的调查研究大都比较零 星，且以陆架浅水区为主。对于南海环流的研究，7 0 年代以前多以船舶漂移资 料、海面盛行风资料来研究表层流的分布和变化；7 0 年代以后，除了以动力计 算方法结合温、盐度等分布继续研究南海的中、上层海流外，亦已展开南海海流 的数值模拟并取得了一些有意义的结果 6 1 。 由于南海海域宽广，并且缺乏实际观测资料，因此用数值模拟是经济又实用 的方法之一。在数值模拟的基础上，用实际观测资料加以验证，不断改进、修正 数值模拟的结果，使其能够反映实际运动状态，则是我们最终目的。本文主要从 当前南海环流和热结构研究中的几个热点问题着手，分别进行较为深入的探讨并 6 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 采用p o m 模式对问题进行定量的研究。这在一定程度上可以代替昂贵的实验过 程。模式采用0 坐标系，能较好地反映南海大陆架地形。另外，模式采用自由表 面以及既能描述重力外波又能描述海洋内波的原始方程模式，因此可适用于低纬 和赤道地区。这些特点都使它能适用于南海7 1 。本文主要通过p o m 模式分析了 南海的暖流、冷暖涡旋、黑潮入侵等环流和热结构的变化特征及其影响因素。 7 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 2 南海的环流、潮汐、热结构的研究进展 2 1 南海环流的研究进展 南海是连接太平洋和印度洋的一条重要通道，因此南海一直都备受国际学术 界和周边国家的重视。对于超过地球总人口数6 0 的南海周边国家的社会、经济 与生活，南海地区海一气相互作用的特点及其造成的深远影响至关重要。要 研究海气相互作用，必须对南海海洋要素场的分布有较多了解。而海流在 海洋要素场结构的形成中，起着主动的作用。因此，海洋环流不仅逐渐成为 物理海洋学的核心研究方向，而且也是海洋学研究的重点。当前研究南海的海 流对国民经济和国防建设都具有重要意义。 南海的地形、动力和热力结构非常的复杂。海区内岛礁星罗棋布，四周又有 台湾海峡、吕宋海峡、民都洛海峡、巴拉巴克海峡、卡利马塔海峡和马六甲海峡 与东海、太平洋、苏禄海、爪哇海及印度洋相通，并与他们进行水交换。但是， 除了吕宋海峡深度超过2 0 0 0 米、民都洛海峡超过1 0 0 0 米外，多数海峡深度不超 过1 0 0 米。由此可见，南海是一个封闭度很高的海【l 】。南海的海底地形也独具特 色。其北部和南部多为宽广的陆架，东侧陆坡上却自北向南的分布了吕宋海槽、 马尼拉海沟和南沙海槽，中部是深海平原，陆坡区内还伫立着东沙、西沙、中沙 和南沙群岛等几百座岛礁。海面盛行冬强夏弱的冬、夏两季季风。由于南海( 包 括泰国湾) 跨越2 0 多个纬( 或经) 距，因而冬夏两季季风的开始时间和结束时 间，南北可相差3 4 个月，特别在冬、夏两季季风转换时期，同一时问南海海面 上会出现明显不同的控制风场，这也许是南海海面风场的一个特点【2 j 。 南海地区独特的地理特征以及多时空尺度大气系统的共同作用决定了南海 环流形势复杂多变【引。而影响其环流的决定性因素有三个：首先，不同季节的太 阳辐射情况通过决定南海水温分布而决定海流中的密度流部分；另外，季风是南 海表层海水运动的最直接强迫，它不单改变了海洋上层水温分布，同时也是出现 局地冷暖中心的主要原因；最后，南海复杂的地理状况也使其海流呈现多样化。 除了上述的影响因素外，黑潮也是影响南海环流的重要因素，其作用主要通 过吕宋海峡实现【8 】。 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 按照对于南海环流的机理和影响因素的认识程度，可以把人类对于南海环流 的认识发展分为4 个阶段： 第一阶段是2 0 世纪6 0 年代以前。这时人们多以船舶漂移资料、海面盛 行风资料来研究表层流的分布和变化，这些主要反映在各类航海图册中。 1 9 5 8 - - 一1 9 6 0 年在中国近海开展的大规模的全国海洋综合调查，以及后 来由中国科学院、国家海洋局和水产部等单位相继在南海进行的一系列海 洋调查，都为了解南海局部海域的海流状况奠定了基础。 j a e d g e l l l l o 】等最先汇编了2 0 。n 以南的南海表层流图。1 9 5 6 年， d a l e i h 在分析南海海面风季节变化的基础上，给出了南海各月的表层流图。 稍后，w y r t k i 1 2 】于1 9 6 1 年发表了著名的n a g a 报告，认为南海中主要有沿 风向的漂流、水平环流和垂直环流三种不同流动，他给出的双月南海表层流图 至今在国内外文献中被广泛引用。上述三份报告都表明，南海表层环流具 有明显的季风特性，即南海的表层流流向随盛行季风的转换而改变。 第二阶段是2 0 世纪6 0 年代后期到8 0 年代初期之间。这一时期虽然在南 海开展了多次海洋调查，但是由于受到条件的限制，这一阶段南海环流研 究缺少重大突破。 这一时期的南海海洋调查研究项目中，较为著名的有中科院南海所进 行的南海东北部调查和国际黑潮合作调查( c s k ) 。而后，我国7 0 年代以来先 后开展了对南海东北部、中部和南部的综合科学考察，以及福建省、台湾 省在台湾海峡区域所进行的考察研究。前者为南海环流及南海的区域海洋 学研究奠定了基础，而后者则为探讨冬季南海暖流去向提供了宝贵的海流 实测资料和分析结果。此外，国家海洋局在2 0 世纪8 0 年代初期组织了南海 中部调查，将研究海域向南推进了一步。 除了各种国家级的调查研究项目，我国学者在南海海流研究方面也作 了不少努力。管秉贤【1 3 4 1 9 7 8 年的研究发现发现水温垂直结构对南海暖流形成 有重要意义。1 9 8 2 年，徐锡祯等1 5 1 利用1 9 2 1 1 9 7 0 年间南海6 0 0 0 余个站次的动 力深度偏差，按四季以l 1 网格进行统计平均，得出了南海1 2 0 0 米( 它被选 9 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 作动力计算时的速度零面) 深度以上各标准层的四季平均地转流图，比较 完整地反应了南海中、上层水平环流的概貌，这修正了人们对南海北部流 系的传统队识。 第三阶段是2 0 世纪8 0 年代后期至2 0 世纪末。这时南海环流研究迎来了 一个新阶段，不单有各种先进技术的综合调查合作项目的开展，数值模拟 的方法也开始应用到了南海的环流研究当中。 2 0 世纪8 0 年代中国科学院南海海洋研究所的南沙海域海洋综合调查揭 开了新一轮研究的序幕【l6 1 。2 0 世纪9 0 年代的南海东北部环流合作研究、南 海季风试验等研究项目，以及若干国家重大海洋基础调查，也使南海环流 研究水平上升到了新的高度。同期台湾和海外华裔海洋学家的研究工作也 为了解南海环流做出了重要贡献。他们的共同特点是都采用了当时的先进 技术，并取得了良好的观测成果。与此同时，数值模拟手段开始应用到南 海环流研究当中。南海的环流数值模式一直随着国际上的海洋环流模式而 发展，国际上较为通用的几个海洋环流数值模式，例女n p o m ，m o m 和 m i c o m 等都已经发展出了相应的南海模式。 1 9 8 7 年，p o h l m a n n 【1 7 】应用b a c k h a s s 的三维环流模式( o g c m ) ，得到了 与w y r t k i 相似的结果。但是，1 9 8 3 年前苏联学者 6 1 根据海面起伏给出的冬夏 两季世界大洋的表层梯度流图中，南海表层的冬、夏季环流却有着相同的 趋势。1 9 8 9 年，曾庆存【1 8 1 用二维全流方程模式，计算了南海1 2 个月的平均表 层流，他认为南海暖流的主要成因是风生海流受四周海岸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。同年，李荣凤等【1 9 1 以二维全流 模式对南沙群岛邻近海域春季典型月平均流进行数值模拟，结果与实测流 基本相符。c l - l a o 2 0 1 1 9 9 5 年的研究显示，冬季东北风松弛导致的南部暖水回流是 南海暖流形成的一个可能原因，并为研究南海与e n s o 之问的关系提供了揭示 e n s o 循环机制的一种新的可能。黄企洲1 2 1 1 1 9 9 6 年的研究成果表明，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。1 9 9 6 年， 袁叔尧等【2 2 】贝0 提出冬季逆风流的产生是风应力、海底地形、底摩擦及斜压效应 联合作用的结果，其中风应力为主导因素。但蔡树群1 2 3 1 1 9 9 7 年的正压模式模拟 1 0 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 结果表明，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。 1 9 9 6 年，王东晓【2 4 】应用一个包含动力学和热力学的热带海洋两层半模式， 模拟南海上层海洋闭边界条件下的季节性环流，显示了模式对南海海盆尺 度的环流系统有较好的模拟能力。刘勇刚等【2 5 】基于1 9 9 8 年夏季的c t d 和气象 观测资料，采用改进逆方法计算了南海海流的流速和流量，并结合声学a d c p 资 料分析了南海环流特征。1 9 9 9 年，钱永甫等【2 6 】利用普林斯顿海洋模式( p o m ) 对南中国海的年平均海流进行了数值模拟，结果表明，在南海海流的形成 中风应力的作用更为重要。海面自由高度的分析也证明了上述结论。 第四阶段是近期，南海环流面临着新的突破。 2 0 0 1 年，薛惠洁等【2 7 1 引入普林斯顿海洋模式( p o m ) 用以计算南海及 其邻近海域的环流。2 0 0 2 年，李东辉等【2 8 1 用一个区域三维、自由表面、斜 压海洋模式对南海全年各月的三维平均流场进行了数值模拟，模拟得到的 环流特征与已有的实测资料十分相近，这表明该模拟结果是可信的，该数 值模拟也是成功的。2 0 0 4 年，赵进平等【2 9 1 采用美国地球物理流体动力学实 验室开发的一套大洋环流模式m o m ( m o d u l a ro c e a nm o d e l ) ，也较好的模 拟了南海的环流。 识： 经过各国学者多年的研究和考察，对于南海的环流特征已经达成了一定的共 南海海域宽广、深邃，有其自身环流系统。由于南海位于季风区，且 其纵轴与季风走向颇为一致，因而对漂流的发展十分有利。其环流形式更 是受到季风的显著影响。更由于其复杂地形，在大环流的背景上存在许多 中小的涡旋结构【27 1 。 从整体来看，南海中、上层环流的基本流型随季风的改变而变化：冬 季风期间，南海表层流场基本上呈现为气旋型环流，而在夏季风期间则主 要为反气旋型环流所控制。这是南海中、上层环流的基本特点，也是它与 东海、黄海中、上层环流主要流型( 它们均不随季风的转换而改变) 的最 大区别。显然，这与南海面积较大，且具有很高的封闭性而黑潮的影响又 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 不如东海和黄海那样明显等因素有关。南海陆架近底层总的环流趋势总体 上与表层流的变化比较一致，即在冬季风期间：基本上呈气旋式环流，而 夏季则大致呈反气旋式环流；但台湾海峡的近底层流却终年向东北方向流 动6 1 。 2 2 南海潮汐潮流的研究现状 潮汐现象是指海水在天体( 主要是月球和太阳) 引潮力作用下所产生 的周期性运动，习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向 的流动称为潮流。 潮汐潮流现象与人类的关系非常密切：海港工程，航运交通，军事活 动，渔、盐、水产业，近海环境研究与污染治理，都与其密切相关。潮汐的 准确反演更是研究大洋环流的前提。因此，潮汐潮流现象的研究具有非常重 要的理论和实践意义。 南海潮波的研究工作与渤海、黄海、东海相比要少得多。除了南海特殊的地 理条件外，南海的观测资料缺乏也是一个重要原因。其研究的发展，大体可以 分为两个阶段。 第一阶段是2 0 世纪3 0 年代至7 0 年代早期的潮汐潮流资料分析阶段， 这一阶段的研究成果大多数以纸质图表为载体。 19 3 3 年，日本人o g u r a 3 0 1 在实测资料的基础上给出的渤、黄、东海同潮 图是中国海最早的潮汐研究。2 0 世纪5 0 年代末我国海洋学家引入前苏联学者杜 瓦宁的非调和方法，进行“潮流大面积预报”，并编制了“潮流永久预报表”， 提供了我国近海若干站点5 米层的潮流预报资料，同时还绘制了比o g u r a 更精确 的潮汐潮流分布图。 1 9 4 4 年，d i e t r i c h 3 0 1 给出的南海同潮图在对南海潮波结构的阐述上仍有欠缺。 对南海潮波比较切实的研究首先由中国和苏联的海洋学家所完成。1 9 6 4 年，郑文 振等利用了沿岸大量水位资料和陆架海区大量测流资料对南海北部潮汐潮流 作了系统研究。c e p r e e b 3 0 】也于1 9 6 4 年用沿岸实测潮汐常数给出了较符合实际的 南海同潮图。随后又有了不少海洋学家研究了南海潮波。 7 0 年代初期很多科研机构合作组成的“潮流预报协作小组 采用了方国洪3 2 1 1 2 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 提出的一种新方法而编制成了渤海、渤海海峡、黄海、朝鲜海峡、东海、舟山海 区、南海北部和北部湾各个海区的“中国近海潮流永久预报图表集”。 以上的研究成果，都为南海乃至整个中国海域的潮汐潮流研究做出了基础性 重要的贡献。 第二阶段是2 0 世纪7 0 年代末期至今的数值模拟研究的应用阶段。 目前中国近海还有许多区域的潮汐潮流资料存在空白。而仅仅依靠实际观 测，要补足空白区域的潮流信息，是很难做到的。除了空白区域的巨大面积需庞 大的人力和物力投入；还有些区域现阶段无法进入而难以实施调查。电子计算机 的发展恰好为我们提供了数值模拟的工具。 2 0 世纪7 0 年代，方国洪等【3 3 】首先采用二维线性方程计算得出黄海东部的潮 流。当时所采用的数值计算方案是德国汉森的方案，随后他又对台湾海峡、朝鲜 海峡、渤海和东海东部建立了二维潮汐潮流模式。此后，他还进行了潮汐同化模 式的最早尝试。由于计算量大，当时只计算了黄海的潮汐潮流，未能推广到其它 海区。 1 9 8 3 年，叶安乐和r o b i n s o n l 3 4 】首次用初值方法计算了南海潮波，他们的研 究对于认识南海潮波的分布和动力学性质有重要意义。1 9 8 5 年，沈育疆等【3 5 】用 边值方法数值求解了南海主要分潮的潮波运动方程，并探讨了主要全日和半日潮 波在南海传播、分布的规律。1 9 8 6 年，方国洪【3 6 】给出了南海北部陆架、北部湾 和泰国湾的潮流分布，又在1 9 9 4 年用二维球坐标数值模式计算了南海m 1 和m 2 分 潮的分布并首次给出了南海全海区的潮流和余流分布。此外还有中外各国许多研 究者都采用数值模拟的方法较好的分析了南海地区的主要分潮。近期，李培良等 1 3 7 1 根据m u n k 等提出的响应法对2 4 8 个周期超过6 年的南中国海的t o p e x p o s e i d o n 卫星高度计资料进行了较好的潮波分析。 经过许多学者多年的研究和努力，对于南海的各主要分潮特征已经有了较清 晰的认识【3 7 1 ：南海大部分区域k 1 分潮的振幅都大于3 0 c m 并从巴士海峡向西、南 方向增大，北部湾里面x 1 分潮的振幅要显著地大于其他海区；南海d 1 分潮的 振幅大部分超过1 0 c m ，由北向南传播，北部湾里可以超过4 0 c m ，泰国湾有一个 反时针旋转的无潮点；m 2 分潮在在泰国湾的西南部存在一个顺时针旋转的无潮 点；观分潮在南海的影响比较小，它的振幅在大部分海区为5 1 5 c m 。 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 南海潮汐、潮流性质复杂，各种类型的都有，但经过数十年的研究，对于南 海的潮汐潮流性质也已经取得了共识【3 0 1 。 1 、潮汐性质 广东沿岸海区，海门湾以东、台湾海峡的北部为正规半日潮，向南为不正规 半日潮。在海门湾与褐石湾之间向南伸展的舌形海区属正规全日潮，周围为不正 规全日潮。大亚湾以西至琼州海峡东部沿岸一带为不正规半日潮。海南岛铜鼓角 以南为不正规全日潮。 北部湾的全日潮波节处于湾口，故湾内的全日潮非常显著，而半日潮则较弱。 因此，北部湾的潮汐以全日潮为主，其北部为正规全同潮，南部为不正规全日潮。 吉婆岛附近为半日潮的波节带，故全日潮性质特别显著。在全日潮无潮点顺化附 近，为正规半日潮，其周围为不正规半日潮。琼州海峡西半部为正规全日潮，东 半部为不正规全日潮。 泰国湾的宋卡附近正处于全日潮波的波节、半同潮波的波腹处，因此，具有 正规半日潮性质，其周围为不正规半日潮和全同潮，在泰国湾的其它区域为正规 的全日潮。 南海东部广大深水区域的潮汐为不正规全日潮。在马来半岛的东面，湄公河 口以及加里曼丹岛古晋附近为不正规半日潮，因为此处是半日分潮的波腹，在湄 公河口和古晋连线的中央区域为正规的全日潮。 2 、潮流性质 海门湾以西，直到广州湾一带为不正规的半日潮流。北部湾的潮流亦以全日 潮流为主，湾的南部为正规全日潮流，其中顺化附近正处在全日潮波的无潮点和 半日潮波波腹处，故全日潮流最为显著。海防正处在半日潮的波节带，为不正规 的全日潮流，琼州海峡为正规全日潮流。泰国湾的潮流亦以全日潮流为主，除湾 顶为不正规半日潮流外，其余各地全为正规的全日潮流。本海区东南广大深水区 域的潮流，北部为不正规半同潮流，南部为不正规全日潮流。马来半岛东面以及 1 4 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 马来亚和加里曼丹之间水域属于不正规半日潮流。 2 3 南海热结构的研究进展 南海的热结构研究可以追溯到上世纪5 0 年代末6 0 年代初对于中国海的大面 积普查。虽然由于南海的自然环境、海底地形和环流状况比较复杂，使得南海调 查的开展比其他海域困难得多，因此南海热结构的研究相对于黄海、东海和渤海 来说，要稍显薄弱；但是经过数十年国内外工作者的努力，南海热结构的研究也 已经取得了很大的进展。纵观其研究历程，可总结出南海热结构研究主要涉及的 三个方面： 一、冷暖涡旋 在南海冷暖涡的研究中，对于冷涡的研究要早于暖涡。这是因为早在1 9 5 6 年，d a m 1 1 1 已经观测到南海中部的越南东岸的冷涡存在。1 9 7 2 年，u d a t 3 8 1 也观测 到夏季越南中部海岸外和吕宋西北部海面上的冷涡。而直到1 9 8 5 年，南海的冬 季暖涡和夏季暖涡才在我国南海海洋研究所的研究中发现。因此，人们对于南海 冷涡的认识相对于南海暖涡来讲，要更为成熟一些。 南海是较为典型的季风区，夏天是温暖的西南季风，而寒冷的东北季风则贯 穿整个南海的整个冬季。1 9 9 2 年，黄企洲等1 6 1 的研究表明，由于南海地形复杂， 且又受到强大而且冬夏季节交替的季风影响，其中尺度涡旋纷繁复杂。不管是岸 线形状和海底地形呈内凹形的区域，或者越南中部沿岸等流速比较大的地方，又 或者是南海暖流、黑潮南海分支，都有可能发现这些涡旋。南海西部夏季冷涡就 是其中之一。中外各国学者【l l ，3 8 3 9 8 1 都曾先后对南海冷涡进行了研究和分析， 并为后来学者们的研究奠定了基础。1 9 9 6 年，朱伯承等h 1 4 2 1 发现了南海暖涡和 冷涡的存在。2 0 0 0 年，钱永甫等【4 3 1 利用美国普林斯顿大学海洋模式( p o m ) 对 风应力和真实海岸线共同作用下的南海冷暖涡生成机制进行了数值模拟。结果表 明，风应力的作用总可在其下方的海洋中激发出与风应力旋转方向相同的直接涡 旋。2 0 0 6 年，兰健等【4 0 1 采用p - v e c t o r 方法，计算了南海西部夏季冷涡及附近海 域的三维环流，结果表明其温度场具有明显的垂向层化结构，冷涡随深度增加而 减弱，并具有明显的季节性交化。 南海冷涡和暖涡的形成机制，目前尚未有明确的定论。有学者认为风应力涡 度异常可能是影响南海深海盆中冷暖涡生成的重要因子。但在大陆架地区又不尽 1 5 南海环流和热结构特征的数值模拟与分析 然如此。因此，大陆架地区冷暖涡的生成可能有更复杂的机锖l j 4 3 1 。 二、暖流 1 9 5 9 1 9 6 0 年的全国海洋综合调查发现在南海北部，在东北风盛行的冬季，除 表层受风影响外，在顺风沿岸流的外侧，大致沿着1 0 0 米等深线的走向，存在着 一支逆风流向东北的海流。当年称这支终年流向东北的海流为“南海暖流”【l3 1 。 可算作是南海暖流的研究开端。而在7 0