科研成果
吕宋海峡大型锚系阵列观测第二批成果在线发表
时间：2023年10月26日
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近日，我所朱小华/张传正研究团队在物理海洋学国际权威期刊《Journal of Physical Oceanography》连发三篇论文，阐述了吕宋海峡西侧内潮时空变化和台风引起的近惯性振荡的最新研究成果。三篇论文作者分别为我所与上海交大联培的博士生汪敏以及我所海星博士后郑华，通讯作者均为我所朱小华研究员，论文合作者还包括中科院海洋所于非研究员团队、清华大学深圳研究生院李强副研究员和韩国仁荷大学Jae-Hun Park教授等。
依托国家全球变化与海气相互作用专项，自然资源部第二海洋研究所和中国科学院海洋研究所共同在吕宋海峡及台湾以东海域组织开展了我国规模最大的CPIES（Current-Pressure equipped Inverted Echo Sounder）阵列观测，其中在吕宋海峡西侧布放了28台CPIES和两套锚系潜标（图1）。基于上述观测资料，实验室朱小华研究团队已累计发表JPO期刊论文6篇。继在黑潮与南海的水交换、南海深层环流的时空特征、南海深层季节内振荡的动力机制等方面获得阶段性成果后，团队聚焦吕宋海峡西侧的内潮与近惯性振荡等动力过程，取得了系列新进展。
图1.吕宋海峡西侧CPIES站位示意图。圆点为CPIES站位，五角星为锚系站位。背景颜色为基于卫星资料的M2内潮特征，黑线为内孤立波。
成果一：南海东北部全日内潮时空特征
西太平洋的正压潮从宽阔的大洋进入较窄的吕宋海峡时能量汇聚，并与陡峭的海脊相互作用，产生强大的内潮。这部分内潮西传进入南海，对南海孤立内波的演变、混合的空间分布以及环流结构都有着重要影响。因此，吕宋海峡西侧内潮是当前南海海洋科学研究的热点之一。
研究基于大面积、长时间的CPIES同步观测资料，刻画了吕宋海峡西侧全日内潮的空间结构和季节变化特征，并揭示了层化与背景流对内潮季节变化的影响机制。CPIES观测结果表明，全日内潮的主要传播路径位于吕宋海峡西侧的中南部。本论文计算了K1、O1和P1内潮在主要传播路径内的振幅、相速度和传播方向（图2）。结果表明K1内潮最强（图2a），O1内潮的相速度最大且传播方向更偏南（图2b）。基于主要全日分潮的振幅，本研究还计算了观测海域的内潮垂向积分的能通量，并由此得到K1、O1和P1输入南海的能量分别是2.67、1.54和0.22 GW（图2d–f）。此外，当密度跃层加深以及西向背景流增强时，主要传播路径内的内潮振幅减弱。本研究精细刻画了吕宋海峡西侧全日内潮的时空变化特征，阐明了层化和背景流对全日内潮季节变化的影响机制，对进一步认识南海东北部复杂的海洋动力过程具有重要的科学意义。
图2. （a–c）K1、O1和P1内潮的空间振幅和相位。背景颜色和圆点的大小以及颜色分别表示最优插值和站位观测的振幅。品红线表示对应的相位，只画出标准误差小于20%（95%置信区间）的部分。黑色等值线表示全日内潮主要传播路径的边界（K1、O1和P1分别为10.7、7.6和3.1 m）。（d–f）K1、O1和P1内潮的能通量。黑色箭头表示垂向平均的能通量。红色曲线与120°E经线的水平距离表示120°E断面的能通量大小，标尺见观测海域下方。图中的蓝色数字表示120°E断面纬向积分的潮能量值。背景颜色表示内潮振幅乘以相位的结果。需要注意图f的标尺与图d–e不同。
成果二：南海东北部半日内潮驻波现象
基于CPIES和卫星高度计的观测资料，研究发现了吕宋海峡西侧半日内潮的驻波现象，刻画了驻波的空间特征，并揭示了反气旋涡对驻波的影响机制。CPIES观测结果表明，吕宋海峡西侧M2内潮振幅的空间分布符合驻波的特征。该驻波由起源于吕宋海峡的西北向分量（图3a）和起源于台湾海峡南部陆坡的东南向分量（图3b）叠加而成。C13–C14和C21–C22站位位于驻波的波腹，而C15、C20以及C23站位位于驻波的波节（图3c），因此导致CPIES观测的振幅存在明显差异。另外，驻波波节出现的海域相位发生突变，而驻波波腹出现的海域相位变化缓慢（图3d）。本研究还发现，驻波的季节内变化与反气旋涡有关。当反气旋涡覆盖驻波海域时（图4a），由图3c和图4b可知，C13、C20以及C21站位M2内潮的振幅发生了较大变化。这是因为受涡致背景流的影响，相向传播的内潮进入反气旋涡后发生顺时针偏转（图4c），由此引起驻波的波节和波腹位置发生偏转，进而导致在反气旋涡期间观测到的驻波振幅产生了上述变化（图4d）。本研究呈现了迄今为止海洋中最为清晰的驻波现象，并提出了中尺度涡通过改变驻波波节和波腹的位置从而影响内潮振幅的新见解。
图3. 基于卫星观测资料得到的（a）西北和（b）东南向传播的M2内潮。背景颜色表示内潮的振幅乘以相位，黑色等值线表示间隔为40°的等相位线，品红色点表示C15、C22和C30站位。（c）西北和东南向传播的内潮相叠加得到的振幅。圆点的颜色和大小表示CPIES观测到的振幅，其数值标注在站位右侧。（d）与（c）相同，表示两个内潮波束相叠加得到的相位，黑色等值线表示间隔为30°的等相位线。
图4.（a）2018年12月1日至12月20日期间的平均海面高度异常（背景颜色）及地转流（箭头）。（b）M2内潮的振幅。背景颜色表示东南和西北分量叠加后得到的振幅。圆点（大小和颜色）表示反气旋涡期间M2内潮的平均振幅，其数值标注在站位右侧红线和绿线分别表示驻波的波腹和波节。（c）反气旋涡影响驻波节点位置示意图。黑色圆圈表示反气旋涡，棕色细线表示M2内潮东南（SE）和西北（NW）分量的波锋线，棕色虚线箭头和棕色粗线分别表示没有涡旋影响下的内潮传播方向和叠加的驻波波节。紫色虚线箭头表示涡旋影响下的内潮传播方向，紫色细线和粗线分别表示受涡旋影响的NW和SE分量和驻波波节。（d）反气旋涡导致波腹和波节点偏转示意图。圆点和红绿线与图（b）中相同，箭头表示波节和波腹的旋转方向，黑线表示反气旋涡。
成果三：台风山竹激发的近惯性振荡
基于上述史无前例的大范围同步观测资料，研究刻画了台风山竹激发的近惯性振荡，并揭示了其在上层海洋和深层海洋以及在台风路径左侧和右侧的模态结构和传播特征。观测结果表明，台风山竹在南海上层激发强烈的近惯性振荡并传播至深层进而影响南海深层流场。台风山竹过境后，南海上层的近惯性水平流速超过55 cm/s，其能量在水平方向上的传播距离达数百公里。近惯性振荡在上层和深层海洋均由第二和第三模态主导，其相速度均向南。台风山竹路径北侧，近惯性振荡的第二（第三）模态的相速度为约3.9 m/s（2.1 m/s），其波长超400 km（约230 km）（图5）；台风山竹路径南侧，近惯性振荡的第二（第三）模态的相速度为约2.5 m/s（1.7 m/s），波长为约310 km（约205 km）。本研究还指出，近惯性振荡被台湾岛西南海域的反气旋涡捕获，并随涡旋西传近两百公里。近惯性振荡是上层海洋向深层海洋传播能量的重要纽带，本研究对进一步认识深海近惯性振荡时空分布以及深海动力过程对台风事件的响应过程具有重要意义。
图5. 台风山竹过境后的台风路径北侧站位近惯性流场CEOF的空间振幅、空间相位和时间序列。（a–c）CEOF模态1、模态2和模态3的空间振幅（点大小）和空间相位（点颜色）。（d–f）CEOF模态1、模态2和模态3的时间振幅。CEOF模态1、模态2和模态3分别对应近惯性振荡第二、第五和第三模态。
