南海風(fēng)應(yīng)力對(duì)上層地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量輸入的空間分布及時(shí)間變異

摘 要 隨著對(duì)物理海洋研究的深入，風(fēng)應(yīng)力對(duì)海洋的作用受到越來(lái)越多的重視。本文利用2003-2010年衛(wèi)星遙感資料計(jì)算南海風(fēng)應(yīng)力向大洋深處輸入的能通量，并對(duì)其空間分布及時(shí)間變異進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞 南海 風(fēng)應(yīng)力 能量輸入 中尺度渦

中圖分類(lèi)號(hào)：P7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Space Structure and Time Variability of the Wind-input Power on Upper Geostrophic Motion in the South China Sea

WANG Zhijia

( Maritime Satellite Controlling Center of China， Jiangyin， Jiangsu 214431)

Abstract With the repid advance of physical oceanography， wind-input power has attract increasing attention and play a substantial role in upper ocean dynamic processes. Remote sensing data of satellite is applied to calculate the downward energy flux of wind in the South China Sea from 2003 to 2010， and analyze its space structure and time variability.

Key words the South China Sea; wind force; energy flux; mesoscale eddies

0 引言

風(fēng)應(yīng)力和引潮力的作用是海水機(jī)械能的兩個(gè)主要來(lái)源?？紤]到引潮力變化非常緩慢，研究風(fēng)應(yīng)力對(duì)海洋能量的輸入，尤其是對(duì)大尺度環(huán)流能量的輸入對(duì)深入研究世界大洋及邊緣海區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)及風(fēng)生混合等其它動(dòng)力環(huán)境具有非常重要的意義。Wunsch①利用T/P高度計(jì)資料及NCEP同化風(fēng)應(yīng)力資料估計(jì)全球風(fēng)應(yīng)力向海表地轉(zhuǎn)流平均能量輸入達(dá)0.8TW，這必然會(huì)對(duì)表層地轉(zhuǎn)流的調(diào)制起非常重要的作用。針對(duì)這一問(wèn)題，許多海洋學(xué)家之后利用不同的數(shù)據(jù)及方法得到類(lèi)似的結(jié)論，即風(fēng)應(yīng)力向大洋環(huán)流輸入的能量約為0.75-1TW。②③④⑤

南海作為西北太平洋最大的邊緣海，集海盆尺度環(huán)流、中尺度過(guò)程（中尺度渦、內(nèi)波等）及小尺度湍流混合等多尺度過(guò)程為一體，呈現(xiàn)復(fù)雜的海洋動(dòng)力環(huán)境。在東亞季風(fēng)、黑潮等多種動(dòng)力過(guò)程的綜合作用下，南海上層環(huán)流呈現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。在季風(fēng)作用下，其季節(jié)特征極為顯著，⑥⑦⑧冬季整個(gè)南海呈氣旋式結(jié)構(gòu)，夏季北部為較冬季弱的氣旋式結(jié)構(gòu)，南部呈反氣旋式結(jié)構(gòu)。因此，探討南海風(fēng)應(yīng)力向上層海洋能量的輸入，尤其是向地轉(zhuǎn)流及深層能量的輸入，對(duì)于深入研究南海上層環(huán)流特征及深層的動(dòng)力環(huán)境以及進(jìn)一步對(duì)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)都有非常重要的意義。

1 方法及數(shù)據(jù)

風(fēng)應(yīng)力向表層地轉(zhuǎn)流的能量輸入⑨為：

(2.1)，其中，為海表面風(fēng)應(yīng)力，為表層地轉(zhuǎn)流，為海表面壓強(qiáng)。

因?yàn)镋kman輸運(yùn)（2.2），則 = · = · （2.3）

其中 為海表面異常。可進(jìn)一步分解為向下能通量項(xiàng)和水平散度項(xiàng)，其中

（2.4）

可見(jiàn)，風(fēng)應(yīng)力向海洋的能量輸入分兩部分，一部分在Ekman層中水平傳播，另一部分穿過(guò)Ekman層向大洋深處傳播。其中，在Ekman層中通過(guò)輻聚輻散以及引發(fā)垂向剪切等復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程最終耗散，而穿過(guò)Ekman層下傳的成為影響大洋上層地轉(zhuǎn)流的重要因素之一，也對(duì)大洋深處的動(dòng)力現(xiàn)象產(chǎn)生不可忽略的影響。本文就在南海的空間分布及時(shí)間變異展開(kāi)討論。

遙感技術(shù)的不斷發(fā)展給物理海洋研究提供了高精度的海表面高度資料及風(fēng)場(chǎng)資料。文中利用了AVISO提供的整合Topex/Poseidon等多顆衛(wèi)星的高度計(jì)資料得到的海表面高度異常數(shù)據(jù)和NCDC提供的整合QuikSCAT等多顆衛(wèi)星的散射計(jì)資料得到的海表面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。其空間分辨率均為1/4€皜?/4€?，最高时间分辨率分柄_?天和6小時(shí)。考慮季風(fēng)、中尺度渦、水深等多方面因素，我們選擇南海中北部（112-119.5€癊，13.5-21€癗）作為本文的研究區(qū)。

2 結(jié)果分析

南海風(fēng)場(chǎng)隨季節(jié)的變化呈現(xiàn)典型的季風(fēng)結(jié)構(gòu)，夏季盛行西南季風(fēng)，冬季盛行東北季風(fēng)，且冬季風(fēng)速最大，秋季最?、?。對(duì)各季節(jié)進(jìn)行多年平均結(jié)果顯示（圖1），和風(fēng)應(yīng)力的分布并沒(méi)有非常直接的關(guān)系，從式2.4中可以看到主要受風(fēng)應(yīng)力旋度和海表面高度的影響。在春季和夏季，比較小，春季除所選海區(qū)的西南部和呂宋島西側(cè)18€癗附近的海區(qū)以外，均＞0，最大達(dá)0.001。夏季 ＜0的區(qū)域移動(dòng)到中部及西北部和東南部，＞0區(qū)域的量值有所增加，達(dá)0.015。秋季和冬季的量值顯著增大，秋季＞0的區(qū)域包括19€癗以南的整個(gè)海區(qū)，且量值達(dá)到全年最高的0.007，高值中心在呂宋島西側(cè)18€癗附近的海區(qū)。冬季的分布結(jié)構(gòu)與秋季基本類(lèi)似，但在呂宋島西側(cè)18€癗附近的海區(qū)出現(xiàn)一低值中心，與秋季相反，即冬季風(fēng)應(yīng)力很難穿過(guò)Ekman層向海洋深處輸入能量。

圖1 南海地形以及本文的研究區(qū)域

（112-119.5€癊，13.5-21€癗）

對(duì)比SLA的數(shù)據(jù)（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，在呂宋島西側(cè)18€癗附近的海區(qū)冬春兩季出現(xiàn)的低值中心和秋季出現(xiàn)的高值中心與中尺度渦的活動(dòng)有緊密的聯(lián)系。由于黑潮和風(fēng)應(yīng)力等聯(lián)合作用，冬季和春季呂宋島西北部會(huì)出現(xiàn)一氣旋式渦旋，稱(chēng)為呂宋冷渦。冷渦通過(guò)背景渦度增大可用于下傳的近慣性能量的下限，使近慣性能量很難穿過(guò)Ekman層進(jìn)入大洋深處。反之在秋季，該海區(qū)出現(xiàn)一反氣旋式渦旋，促進(jìn)能量的下傳。

圖2 2003-2010年春（MAM）、夏（JJA）、秋（SON）、冬（DJF）四季在南海平均分布

將對(duì)整個(gè)海區(qū)進(jìn)行積分，我們得到南海風(fēng)應(yīng)力穿過(guò)Ekman層向大洋深層輸入的能量隨時(shí)間的分布（圖3）。結(jié)果顯示出明顯的年周期信號(hào)，即在每年的12月前后達(dá)到最低值，在8、9月達(dá)到最高值，這與前面季節(jié)分布顯示的結(jié)果一致。此外，線(xiàn)性擬合之后的結(jié)果顯示風(fēng)應(yīng)力向下輸入的能通量在這段時(shí)間呈上升趨勢(shì)，使得風(fēng)應(yīng)力的能量輸入對(duì)上層大洋的地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到越來(lái)越重要的作用。但是8年數(shù)據(jù)并不足以推論這種趨勢(shì)的代表性，我們需要更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

為更好得提取分布的主要特征，我們對(duì)的季節(jié)分布進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解（圖5）。對(duì)比圖2與圖5，我們可以看到兩者整體分布非常一致，說(shuō)明因?yàn)樾盘?hào)的年周期分布，多年平均可以很好的體現(xiàn)的主要特征。春夏兩季較弱，文中不做討論。秋季（圖5c），海區(qū)中部大部分區(qū)域?yàn)檎担咧抵行某霈F(xiàn)在呂宋島西側(cè)18€癗附近的海區(qū)；冬季（圖5d），時(shí)間系數(shù)為負(fù)值，在該海區(qū)大部分為負(fù)值，只有在東北西南中心線(xiàn)附近出現(xiàn)正值，低值中心與秋季高值中心出現(xiàn)在同一位置。時(shí)間系數(shù)的分布（圖5f）驗(yàn)證與圖4的結(jié)果基本一致，秋季和冬季均呈上升趨勢(shì)，導(dǎo)致在該海區(qū)的積分整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖3 2008年8月和12月南海的SLA分布

圖4 整個(gè)海區(qū)積分之后的隨時(shí)間的分布。（藍(lán)色虛線(xiàn)代表線(xiàn)性擬合結(jié)果）

圖5 abcd分別代表春夏秋冬四季空間函數(shù)的第一主成分及其所占的比重；f代表其時(shí)間函數(shù)

3 結(jié)論與討論

綜合以上分析，我們可以得到如下結(jié)論：（1）風(fēng)應(yīng)力向大洋深處輸入的能通量（）具有明年的年周期，與風(fēng)應(yīng)力的分布并沒(méi)有直接的聯(lián)系，極值出現(xiàn)在每年的秋冬季節(jié)。（2）中尺度渦活動(dòng)對(duì)的分布有非常顯著的影響。呂宋島西側(cè)每年8月份前后出現(xiàn)一強(qiáng)反氣旋渦旋，12月前后出（下轉(zhuǎn)第138頁(yè)）（上接第130頁(yè)）現(xiàn)一強(qiáng)氣旋式渦旋，使得分別在8、9月份和12月份前后達(dá)到最高值和最低值。（3）整個(gè)海區(qū)積分之后的呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)，說(shuō)明風(fēng)應(yīng)力對(duì)大洋上層地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用逐漸增強(qiáng)。但是資料的局限性使得該特征不具備足夠的代表性，更長(zhǎng)時(shí)間尺度的資料可以對(duì)該特征進(jìn)行驗(yàn)證與詳細(xì)分析。

注釋

① Wunsch， Carl， 1998: The Work Done by the Wind on the Oceanic General Circulation. J. Phys. Oceanogr.， 28， 2332-2340.

② Huang， R. X.， W. Wang， and L. L. Liu， 2006: Decadal variability of wind-energy input to the world ocean. Deep-Sea Res. II， 53， 31-41.

③ Scott， R. B. and Y. Xu， 2009: An update on the wind power input to the surface geostrophic ow of the world ocean. Deep-Sea Res. I， 56， 295-304.

④ Qu， T.， 2000: Upper layer circulation in the South China Sea. J. Phys. Oceanogr.， 30， 1450-1460.

⑤ Wyrtki， K.， 1961: Scientific results of marine investigation of the South China Sea and Gulf of Thailand[A]. NAGA Report 2[R]， 195.

⑥ 徐錫禎，邱章，陳惠昌.南海水平環(huán)流的概述[A].中國(guó)海洋湖沼學(xué)會(huì)水文氣象學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議(1980)論文集[C].北京:科學(xué)出版社，1982:137-145.

⑦ 齊義泉，施平，毛慶文.南海海面風(fēng)速季節(jié)特征的衛(wèi)星遙感分析[J].熱帶海洋，1996(1).

⑧ 劉金芳，毛可修，閆明.呂宋冷渦時(shí)空特征概況[J].海洋預(yù)報(bào)，2006(2).

⑨ 姜良紅，胡建宇.呂宋冷渦的季節(jié)變化特征及其與風(fēng)應(yīng)力的關(guān)系[J].臺(tái)灣海峽，2010(1).