南海西边界ADCP观测海流的垂直结构设计论文.pdf

第 2 2 卷第 2 期 2 0 O 4年 5月 海 洋 工 程 rI 1 扼O C EA N E NG 1 NE E RI NG v o 2 2 No 2 Ma y 2 0 O 4 文章编号 1 0 0 5 9 8 6 5 2 0 0 4 0 2 0 0 3 1 0 8 南海西边界 A D C P观测海流的垂直结构 杜岩 王东晓 陈荣裕 毛庆文 齐义泉 中国科学院 南海海洋研究所热带海洋环境动力学重点实验室 广东 广州 5 1 0 3 0 1 摘要 采用多种数据处理方法 分析了南海西南陆架西边界处定点连续观测站上的海流记录 正压潮流的调和分析结果表 明该海域以日周期潮流为主 潮流椭圆随深度旋转 去潮后流速垂直结构的奇异值分解 S V O 证实观测点的流速结构存在不 同的垂向模态 第一模态对应平均流的变化部分 第二模态含有倾 向性变化部分 双 日周期变化在各个模态中均较明显 对 各观测层流速进行小波分析 进一步发现观测流的频率构成具有垂向变频和同一层次频率漂移的特征 关键词 A D C P 潜标观测 南海 西边界流 潮流 垂向模态 中圈分类号 P 3 1 2 文献标识码 A Ve r t i c a l s t r u c t u r e o f AD C P o b s e r v e d c u r r e n t i n t h e we s t e r n b o u n d a r y o f the S o u th C h i n a S e a D U Y a n WA N G D o n g x i a o C H E N R o n g y u M A O Q i n g w e n Q I Y i Q u a I l 1 ED S o u t h C la i m S e a I n s t i t u t e o f O c e a n o l o g y C A S G 瑚 g d 1 0 u 5 1 0 3 0 1 C h i n a Ah曲嘲 Ha r m o n i c a n a l y s i s s i n g u l a r v a l u e d e comp o s i t i o n a n d w a v e l e t t ran s f o r ma ti o n a l e u s e d t o a n a l y z e t h e con t i n u o u s C u r r e n t r e cor d s o b s e r v e d o n t h e c o n t i n e n t a l s h e l f n e a r b y t h e s o u thw e s t e rn S o u th C h i n a S e a T h e Ha m1 0 f l i c a n a l y s i s o f b a r o t r o p i e c u r r e n t s h o w s t h e d i u ma l ti d a l c u r r e n t l i l iesth e m a i n ti d a l e t u n t p a r t T h e ti d a l e l l i p s e s w h i r l r o u n d al o n g w i th d e p t I I T h e c u r r e n t h a s a d i s ti n c t v e r t i c a l s l r nc tu T h e re s u i t o f d e ti d e c u r r e n t 峨s i l l l a r v al u e d e c o m p o s i ti o n v e r i fi e sth e e x i s t e n c e o f d i ff e r e n t v e r t i c a l m o d es T h e f n s t m o d e m a t c h e st h e a v e r a g ed c u r r e n t v e r y w e l 1 T h e s e c o n d mo d e ma t c h e s the t r e n d p a r t A l l mo d e s ti me seri a l s s h o w t w o d a y s a l e a d i s ti n c t p e ri o d Wa v e l e t t r a n g f o r ma ti o n f u l t h e r r e v e a l s t h e f e a t u r e o ft h e v e r t i c a l s t r u c t u r e Th e ma i n f r e q u e n c y i s con s ti t u t ed o f o b s e r v ed e m n t c l l a r l舻 i n v e r t i c a l d i r e c ti o n a n d d r a f t f r o m t i me t o t i me Ke y WO II AD C P o b s e rva t i o n S o u th C la i m S e a w est e rn b o u n d a r y c u r r e n t ti d a l e ra r e n t v e r t i c al mo d e 南海南北物质 动量和能量 动能和热量 主要通过西边界流进行交换 南海西边界流在南海环流调整中 具有至关重要的作用 但在以往研究中一直没有得到实测海流验证 历史资料和现场观测中很早就表明南 海西边界存在强流 引 各种数值模拟中有体现 4 6 一些综述性文献也有提及 J 但除了少量的漂流浮 标观测 b e9 南海西边界流至今没有直接观测 这与西边界流在南海环流季节转变中的重要地位极不相称 外力强迫下 层结的海洋会激发出各种形式的内波 自由传播的内波其低频部分的构成必须与由稳定密 度垂直分布的参数 浮力频率所决定的一组本征模态相符合 海洋内部波动模态改变了海流的垂直 结构 海流表现出很强的斜压性 低频内波 包括地球旋转和地球曲率所形成 的大尺度行星波 斜压 R o s s b y 波 决定着海流的垂直分布 并对海盆尺度环流的调整和西边界流的结构具有至关重要的作用 l l 2 J 由于资料的限制 本文无法全面揭示南海低频内波的分布及其对南海海流垂向分布的影响 但是毫无疑问 下文的结果已经显示南海西边界处斜压性海流的一些特征 这些特征有利于分析该海区海流的斜压性造成 收稿 日期 2 0 0 3 0 3 2 1 基金项目 科技部资助项目 G 1 9 9 9 0 4 3 8 0 6 2 0 0 2 A A 6 3 9 2 5 0 国家基金资助项目 4 0 3 7 6 0 0 2 作者简介 杜岩 1 9 7 5 一 男 山东临沂人 博士 主要从事海洋环流及温跃层动力学研究 维普资讯 维普资讯 维普资讯 海 洋 工 程 第 2 2 卷 的是 4 O O m之上 分量潮流所能解释的方差要大于 分量 4 O O m之下相反 对于前者 原因可能在于观测 点位于大陆架边缘 离西边界较近 受岸界的约束 斜压信号较强 所占百分比因而较大 而观测点离南北岸 界较远 斜压信号较弱 所占百分比较小 类似的现象在其它海域的研究中也有发现 B l 周边地形对潮流随 深度变化的影响曾经见于许鹏和杨天鸿的研究 但详细的动力学机制需要进一步的研究进行解答 对于 后者 尚无法从此中得到解释 可能系受南海密度层结分布特点影响 受到低频内波的调制 从原始的 将正压潮流 平均项和倾向项减掉 余流主要体现了海流的斜压性 这时表层流和底层流明显出现反向 表 l 正压潮流椭圆参数 T a b 1 T h e e l l i p ti c a l p a r a n t e t e r s o f kI r 0 t I 1 D p i c t i d a l c u r r e n t 注 M S F O 1 K 1 M 2 s 2 M 3 M 4 和 M S 4 分别是太阴半月潮 太阳全 日 潮 太阴全日潮 太阴半日潮 太阳半日潮 太阴1 3 日潮 太阴 1 4日 潮和太 阳 1 4日潮 下 同 表 2 正压分潮 方差比例及平均项和倾向项 T a b 2 T h e v a r i a n c e s n l e s n t e r ms a n d t r e n d o f kI r 0 t I 1 D p i c t r i a l c u r r e n t U a n d V 表 3 垂向各层 U V分量 8个分潮 平均项和倾向项的方差比例 T a b 3 T h e p e r c e n t a g e o f v a r i a n c e s n l e s n t e r ms a n d t r e a d o f U a n d V v e r t ka l l e v e l s 5 2 m l 0 o m l 4 8 m l 9 6 m 2 5 2 m 3 0 o m 3 4 8 m 3 9 6 m 4 5 2 m 5 0 o m 5 4 0 m 5 6 2 3 1 7 4 4 1 2 5 1 3 3 1 3 7 8 4 6 6 4 7 0 5 4 5 5 4 8 4 7 4 V 6 0 4 4 8 0 6 5 8 6 4 7 6 0 0 5 9 1 5 3 6 5 0 9 4 9 6 3 7 7 3 3 8 总比值 5 8 4 4 0 6 5 6 7 4 7 3 4 8 6 4 9 0 5 0 5 4 9 1 5 2 1 4 6 1 4 0 6 海流的斜压性导致每层的潮流椭圆随水深发生旋转 见图6 5 2 m层可以看作是混合层底或温跃层顶 1 0 0 m层代表主温跃层中部的位置 1 9 6 m层可以认为是主温跃层下界 之下为温度缓变层 2 0 以 K 1 和 O 1 分潮为例 5 2 m层的 K 1 分潮潮流椭圆与正压潮流 K 1 分潮的完全不同 长主轴几乎垂直 其它各层 K 1 分潮 的潮流椭圆除了底层 5 4 0 m层稍有偏转 基本和正压潮流的相同 O 1 分潮椭圆长轴随深度增加 初始倾角 约4 5 长轴先顺时针旋转 3 0 o 到 1 0 0 m层 然后逆时针旋转 6 0 到 2 5 2 m层 在 3 0 0 m层微微顺时针回旋 2 0 后继续逆时针旋转在 4 O O m层达到长轴与水平轴正交的位置 然后稍作逆时针旋转后在底层 5 4 0 m层倾 角维持在约 6 0 椭圆长轴随深度变化的过程 长短轴的大小也随之变化 这种现象在南海和中国海其它海 区也有发现u 8 l 2 与海洋的密度层结结构和地形约束有关 4 海流的垂向模态 E O F 方法是处理大量具有时空变化数据常用的多元分析方法 它将观测现象分解为表征空间特征的空 间模态和表征时间演变特征的时间模态 有助于揭示观测现象的基本特征及演变规律 实际运用中 由 于观测数据矩阵为非对称矩阵 往往采用 E O F方法的推广 奇异值分解 s V D 方法 在进行 S V D分解之 前 需要对数据进行预处理 根据调和分析的结果 先将各层的天文分潮部分去掉 为了消除剩余海流的毛 维普资讯 第 2 期 杜岩 等 南海西边界 A D C P 观测海流的垂直结构 3 5 刺效应 每 I 2点作一平均 然后用 s 方法将其展开 经检验对比 去掉天文分潮有助于消除时变系数中 的固定潮流变化信号 预处理作用在于 在没有改变主要垂向模态的情况下 使垂向模态的时间演变系数的 规律更明显 最后输出时时间演变系数做了5 点滑动平均 6 4 叽2 o 2 6 图6 垂向各层的潮流椭圆 各线型含义同图 5 F i g 6 T i d a l 出 p f v e r t i c a l l e v e ls t 1 1 el e g e n di s s a m e a si n F i g 5 经过上述处理 U分量的 S V D分解结果见图 7 前 6个主要模态的方差贡献分别为 l 3 o 4 l 1 4 2 6 4 1 6 1 1 5 4 0 和 4 9 5 占总方差贡献的4 7 3 3 各垂向模态振幅显示 第一模态是主导模态 方 差贡献最大 和图 3中时间平均流相对应 第二模态以 1 0 0 11 1 分界上下流速反向 为一阶模态 第三模态以 1 U O和3 5 0m分界两次反向 为二阶模态 第四模态以 1 0 0 2 5 0和4 0 0m分界三次反向 为三阶模态 第五模态 和第六模态都发生更多次的反向 为更高阶模态 结合垂向模态分布 其时间演变系数表明 第一模态对应 平均流 含有半日 周日和双日周期变化部分 第二模态含有明显的日周期变化 并且其倾向对应正压流部 分的倾向特征 见图 4 第三模态主要是双日周期 含有周 日变化信号 第四模态的双 日变化比较明显 第 五 六模态主要是双 日 周期 含有三 E l 到四日变化信号 l 0 0 2 0 0 越 I 3 0 0 嫩 一 4 0 0 5 j l I 量 嚣 l 一 一 蔓 3 ll i l 7 n 氍 一 s捶 者 罩 日甚 2 0一1 0 0 i 0 1 0 5 0 5 1 0 模态振幅 c m s 模态振幅 c m s 0 墨 f y 坼仨 三 蘸 0 5 0 9 0 5 1 1 0 5 1 3 o 5 t 5 0 5 1 7 0 5 1 9 0 5 2 1 0 5 2 3 0 5 2 5 时间 o n l d e r 图 7 分量前 6 个分量的垂直模态 左 及其时间演化系数 右 ng 7 F u s t 6 v e r t ic a l m D d s u p p e r a n d k 叫D 0 阳 l a m p l i t u d e s 1 o w e r 分量的 S V D分解结果见图 8 前 6 个主要模态的方差贡献分别为 4 2 7 9 5 5 8 4 8 1 4 2 7 1 5 0 5 I 1 5 0 5 l 0 O 0 0 圈 I 胃 I 鞯 维普资讯 海 洋 工 程 第 2 2卷 3 6 9 fl 3 1 0 占总方差贡献的6 4 2 4 分量的第一模态更为显著 对应图 3 中的时阃平均流部分 含 有半日和全日周期变化 但总体时间演变周期性不明显 第二模态以2 0 0 m分界上下流速反向 为一阶模 态 时间演变系数的倾向性具有正压流倾向性特征 第三模态以 8 0 1 4 0和 3 7 0 m分界三次反向 为三阶模 态 第四模态以 8 0 1 7 0 2 2 0和4 5 0m分界四次反向 为四阶模态 一 1 0 0 2 一 3 o o 避 鞋 一 4 0 0 5 0 o l 1 f f j 覃 丁 胃 E 二 琵 J 一 4 一 第 5 横 寿 一 B 基 寿 一1 0 0 1 0 2 0 3 0 1 0 5 0 5 1 0 摸态振幅 s 横志振幅 江 s 嘿 一 0 j瞿 j 氍 一 0 0 5 0 9 o 5 1 1 0 5 i 3 0 5 1 5 0 5 1 7 0 5 1 9 0 5 2 1 0 5 2 3 0 5 2 5 对问 a o n d a r 图8 V 分量前 6 个分量的垂直模态 左 及其时间演化系数 右 8 F i r s t 6 v e e d e a 1 n o d s a p e r a n t i t m p o r a l p l i t u d e s 0 f V 1 值得注意的是 分量各个模态有一定程度的一致性 例如 前三个垂向模态随深度变化的特征 以 及它们的时间演化系数的周期分布特征 等等 U和 的时间演变系数的周期性都比较复杂 反映了斜压 性海流频率构成的复杂性 5 海流的斜压性质 为了进一步分析海流的斜压性质 用小渡变换对代表层次的观测流进行处理 以期得到调和分析所不能 解释的其它有用期性特征的海流分量信息 小波变换的基函数包括高频函数和低频函数 在高频处时间分 辨率高 在低频处时间分辨率低 能够反映不同频段信号随时问的变化 尤其是对微小空间和极短时间的特 征能够很好地表达 这是调和分析和 U O F 分解所无法揭示的 此处选用地理学常用的 M o d e小渡基函数 进行小波变换之前 先从原始数据中将调和分析得到的各层倾向项和平均项去掉 这样可以削弱在数据起始 和结束时刻小波变换结果的局部失真 选择具有代表性的层次进行小波变换 见图 9 正压流的小波分析系数图清楚地表明了在半 日 和 日 周期附近存在最显著的周期性信号 而且 日 周期的 显著程度要强于半日周期 这和调和分析得到的结果一致 各层海流与正压流的小波分析系数图比较 不同 之处在于表层 5 2 m主要增加双 日 左右周期分量 底层 5 4 0 111 主要增加一日半左右周期分量 与表底层相比 中层 1 9 6 m傅种周期分量都存在 尤其在 U方向显著 垂向各层小波分析系数图的差异清楚地表明观测点 海流频率组成在垂向存在变化 小波分析优异之处在于能够反映随时问信号频率组成变化的情况 j 以 1 9 6 1111 层 分量为例 从 5 月 9日至 5 月 1 7日 双日周期的信号强度逐渐减弱 但周期逐渐增大 在 5 胃 1 7日出现明显的约为一日半左右 的显著周期分量 并且周期也逐渐增大 这种信号周期漂移或频率漂移的现象在 1 9 6 m层 分量和其它层 次分量中也有不同程度的表现 这表明 观测点海流不但在垂向频率构成上发生改变 而且随时间演变其频 率组成也存在变化 综合小波分析的两种结果 进一步证实海流存在很强的垂向结构 是 S V D分解所揭示 的多种垂向模态存在的反映 维普资讯 第 2 期 牡岩 等 南海西边界 A D E P观测诲流的垂直结构 口 譬 匣 a 墨 匿 6 结语 2 黛蚰 匪 2 4 72 丑 柏 匿 2 4 O 5 0 9 0 5 儿O 5 1 a 0 坫0 6 1 7 o 6 1 9 o 5 1 2 1 O 蚴0 6 2 5 l 0 2 0 3 O 4 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l o 0 图 9 正压流以及各层海流分量小波分解系数 色带越淡信号越强 F i g 9 Wa v e l e t d e c o mp o s i t i u n c o e ff i c i e n ts b a s o t wp i c u r r e 1 E a r l e v e ls c u n e a t c I b a r t h e s t r e n g t h a r td w e a k n e s s o f t h e s i g n a 1 针对位于南海西边界的一个定点锚定浮标观测点的流速资料 利用潮流调和分析 奇异值分解以及小波 变换等方法 分析计算得到正压潮流和每一层的潮流 绘制了潮流椭圆 进行了垂向模态展开 分析了具有斜 压性海流的频率构成 针对资料内含的不同物理现象 采取 了不同的分析方法 结果证明这些尝试是有益 的 不同的信号必须用不同的数学工具才能分离出来 本文主要结果如下 1 观测点存在明显的北向流 主要动量在 1 0 0 rr l 以浅 位于主温跃层之上 构成了南海春季的西边界流c 该西边界流强度较小 有可能偏离了西边界流的主轴 与地形分布相适应 该西边界流的方向主要沿着等深 线方向 表示受地形 口 效应的约束 观测期间的 Q u i k s e a t 遥感风场表明 风场从冬季东北季风转变为夏季西 维普资讯 3 8 海 洋 工 程 第 2 2 卷 南季风是南海形成西边界北向流的主要原因 2 潮流分量在观测流中非常明显 正压潮流完全可以用潮流的调和分析理论来解释 全日潮流为主要分 潮 8 个主要分潮连同平均项和倾向项其方差贡献约占总方差的 8 7 各层观测流和正压流的差异以及垂 向潮流椭圆随深度发生偏转的现象 证实了观测点海流存在明显的斜压性 3 观测流的垂向S V D展开表明 和I 分量的垂向模态基本一致 第一模态对应了平均流部分 第二模 态能够反映正压流的倾向性变化 双日变化的信号在各个模态中都有明显体现 部分模态则存在更低频周期 的变化 海流的斜压性在垂向模态上得到证实 海流的小波变换显示 具有斜压性的海流频率构成带有随 深度变频并随时间发生频率漂移的现象 西边界流这种斜压性表现和南海海盆内部的低频波动密切相关 揭示其动力学机制需要更多的资料分析和数值模拟的验证 参考文献 1 Wy k i K P h y s i c a l o c e a n o g r a p h y o f t h e S o u th e a s t A s i a Wa t e r s MJ N A G A R e p o r t 1 9 6 1 2 l 一1 9 5 2 徐锡祯 邱章 陈惠昌 南海水平环流概述 A 中国海洋湖沼学会水文气象学会学术会议论文集 c 北京 科学出 版社 1 9 8 0 1 3 7 1 4 5 3 黄企洲 南沙群岛海区的海流 A 南沙群岛海区物理海洋学研究论文集 I c 北京 海洋出版社 1 9 9 4 1 0 2 7 4 曾庆存 李荣凤 季仲贞 等 南海月平均流的计算 J 大气科学 1 9 8 9 1 3 2 1 27 1 3 8 5 李荣凤 黄企洲 王文质 南海上层海流的数值模拟 J 海洋学报 1 9 9 4 1 6 4 1 3 2 2 6 蔡树群 王文质 南海冬 夏季环流的三维数值模拟 J 海洋学报 1 9 9 9 2 1 2 27 3 3 7 方文东 方国洪 南海南部海洋环流研究的新进展 J 地球科学进展 1 9 9 8 1 3 2 1 6 6 1 7 2 8 王东晓 南海环流多时空尺度与局地海气相互作用 A 南海环境与资源基础研究前瞻 c 北京 海洋出版社 2 0 0 1 3 8 4 7 9 李立 南海上层环流观测研究进展 J 台湾海峡 2 O 0 2 2 1 1 l 1 4 1 2 5 1 0 J M i r o pol s k y Y Z O y n a n i c 8 o f i n t e r n a l g r a v i t y w s v e 8 i n th e o c e a n M T ran s l a t e d a n d e d i t e d b y O D S ms h l d m K l u w e r A c a d e m i c P u b l i s h e r s 2 0 0 1 4 0 6 1 1 王卫强 王东晓 施平 等 南海季风性海流的建立与调整 J 中国科学 2 O 0 2 3 2 1 2 9 9 5 1 0 0 2 1 2 甘子钧 蔡树群 南海罗斯贝变形半径的地理及季节变化 J 热带海洋学报 2 0 0 1 2 0 1 l 一 9 1 3 J L i u W T X X i e P S P o l i t o e t 0 2 A t m o s p h e r i c m a n i f e s t a ti o n o f t r o p i c a l i n s t a b i l i ty w a v es o b s e r v e d b y Q u i k S C A T a n d T r o p i c a l R a i n M e a s u r i n g Mi s s i o n J J C o p h ys R es L e t t 2 0 O O 2 7 2 5 4 5 2 5 4 8 1 4 陈宗镛 郑文振 潮汐和潮流的分析和预报 M 北京 海洋出版社 1 9 8 6 5 8 9 6 1 5 J P a w l o w i e z R B B e a r d s l e y S Len t z O a s s i e al t i d a l h a m m n i e a n a l y s i s i n c l u d i n g e l l o r e s t i m a t es i n M A T L A B u mg T 聊 J C o lin o p u t e rs a n d i e t me s 2 O 0 2 2 8 9 2 9 9 3 7 1 6 丁文兰 南海潮汐和潮流的分布特征 J 海洋与湖沼