2015年6月南海北部陆坡气旋-反气旋涡对陆坡水文和环流影响的观测

陈钟为，杨成浩，许东峰*，徐鸣泉

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)



2015年6月南海北部陆坡气旋-反气旋涡对陆坡水文和环流影响的观测

陈钟为1,2，杨成浩1,2，许东峰*1,2，徐鸣泉1,2

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

利用2015年6月南海北部现场观测的水文数据，结合卫星高度计资料，分析了2015年6月13日—28日南海北部陆坡在气旋涡-反气旋涡的双涡结构影响下的水文和环流特征。结果表明，2015年6月南海北部陆坡调查海区表层50 m以浅盐度存在NE—SW向低盐区，表层盐度最小值低于32，这表明南海北部陆坡存在跨陆架海水输送。在观测期间，南海北部陆坡调查海区受气旋涡和反气旋涡双涡结构影响，使得南海北部陆坡表层100 m以浅存在跨陆坡流，流速最大值出现在两涡交汇区域。此外，通过潜标连续海流资料，发现南海北部陆坡环流呈现了“深入浅出”(100 m以深层为向岸的入侵、以浅层为离岸的出流)的“两层结构”。

南海北部;陆坡；环流；气旋涡-反气旋涡

0 引言

南海是西太平洋最大的半封闭边缘海，也是我国近海最大的边缘海。南海北部海区北靠中国大陆，西接越南沿岸，东北部通过台湾海峡与中国东海相连，东部通过吕宋海峡与太平洋相通，由宽广的陆架、陡峭的陆坡以及深海盆构成[1]，是南海环流最活跃和最复杂的地区。南海北部环流受东亚季风、复杂地形、黑潮入侵等多种因素影响，显得十分复杂。从已有的研究来看，南海北部上层环流主要受东亚季风影响，并呈现出明显的季节性变化。在冬季，南海北部上层受东北风影响而呈现出气旋式环流；在夏季，南海北部上层受西南风影响而呈现出反气旋式环流[2-3]。

管秉贤[4]基于水文调查数据在研究中表明：在东北风盛行期，南海北部陆坡附近冬季存在一支狭窄而呈带状的，流速相当强的逆风流，指出这支东北向流大致沿着200～400 m等深线，流动宽度约为120～150 n mile，最大流速可达30 cm/s，并将它称为南海暖流。在之后研究者们利用数值模式也证实了南海暖流的存在[5-6]。在南海北部东沙群岛附近，苏纪兰[3]提出一支源于东沙群岛附近沿陆坡流动的西南向“东沙海流”。

南海北部也是中尺度涡最活跃的地区之一，使得南海北部环流呈现出多涡结构[7-8]。苏纪兰[9]利用1998年水文观测资料研究表明，中尺度涡在南海十分活跃。WANG et al[10]利用1993—2000年间海表高度异常资料，统计分析了南海中尺度涡的产生和运动规律。YUAN et al[11]利用卫星高度计数据，表明吕宋岛以西反气旋涡具有季节性变化特点，能够跨过南海东北部到达南海北部陆坡，并且沿着陆坡继续向西南运动。WANG et al[12]通过分析南海东北部两个反气旋涡的生成和演变，也同样表明两个反气旋涡沿着南海北部陆架向西南运动。刘长建 等[13]在南海东北部观测存在反气旋暖涡沿着陆坡2 000 m等深线运动，并呈现高温、高溶解氧的特点。由此可见，南海北部中尺度涡可以沿着陆坡向西南运动，从而可以影响南海北部陆坡水文和环流等变化。

近年来，也有研究利用现场观测数据直接对南海北部陆坡海区环流进行分析。何琦 等[14]利用ADCP海流连续观测资料，分析了南海北部1 200 m陆坡区海流垂向结构，指出8—9月观测海区海流垂向结构呈现“三层结构”并随季节变化。LI et al[1]利用锚系资料分析冬季南海北部陆坡环流特征，结果表明，由冬季盛行的东北风和期间出现的中尺度涡影响陆坡环流，观测到沿等深线环流主要是西南向流，跨陆坡环流呈现双层结构。本文利用2015年6月的两个航次现场水文观测数据，结合卫星高度计数据，分析了南海北部陆坡区域温、盐、密分布和环流特征。

1 观测与数据

本文水文现场观测数据为2015年6月中科院南海所“实验3号”船执行的南海北部开放航次和2015年6月南海水产研究所“南锋号”船执行的南海陆坡航次的调查数据。本次调查大面站时间为2015年6月13日—28日，潜标连续海流观测时间为2015年6月15日—28日。图1是这次调查的站位分布图，红色星号为南海北部开放航次的调查站位，主要分布在南海北部陆架区域；黑色星号为南海陆坡航次的调查站位，主要分布在南海北部陆架陆坡区域；黑色圆圈指潜标观测站位。观测数据主要包括海鸟911-plus CTD观测的温度、盐度、深度资料，潜标RDI 300k ADCP连续观测海流资料和高分辨率铱星漂流浮标资料。经过预处理和质量控制，CTD数据垂向插值为1 m分辨率，300k ADCP数据垂向分辨率为1 m/层，时间间隔为15 min。在观测期间，分别投放了5个漂流浮标，包括3个浅水型(15 m阻力帆)和2个深水型(100 m阻力帆)。漂流浮标主要包括数据接收装置和阻力帆，数据采样时间间隔为1 h，原始数据通过36 h低通滤波去除高频信号(包括潮流和惯性流)，并获取每6 h采样间隔的数据，随后经中心差分计算得出6 h平均的漂流浮标流速[15]。

本文使用的卫星高度计资料来源于AVISO(Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data project),该数据融合了TOPEX/Poseidon ，ERS-1/2，Jason-1和Jason2四种卫星高度计资料，数据空间分辨率为0.25°× 0.25°，时间分辨率为1 d。本文选取2015年6月13日—28日时间段的平均海表高度异常数据SLA以及地转流速东西分量u和南北分量v。

图1 地形和调查站位Fig.1 Topography and stations

2 双涡旋结构的卫星高度计观测

利用卫星高度计海表高度异常数据(SLA)和计算得到的海表地转流速度，可以发现在2015年6月南海北部陆坡观测区域存在气旋涡-反气旋涡双涡旋结构。本文涡旋的判定方法参照王惠楠 等[16]文章所述中尺度涡判定标准。图2为2015年6月13日和6月28日观测区域的海表高度异常数据(SLA)和海表面地转流场的分布图。从图2可以看出在观测区域东部存在气旋涡，其中心位置大约位于20°N，117°E，中心海表高度异常值达到12 cm；而在观测区域西部存在反气旋涡，其中心位置大约位于19°N, 115°E，中心海表高度异常达到20 cm。从6月13日和6月28日观测区域的海表高度异常数据(SLA)和海表面地转流场的分布，可以看出气旋涡和反气旋涡向西南移动，此外两涡影响范围也进一步扩大，从而影响两涡区域流场。涡旋的分布和结构，对南海北部陆坡环流产生重要影响，在两涡旋中间，可以看出陆坡区域流向为东南向。

图2 观测期间的SLA和表层地转流Fig.2 SLA and surface geostrophic currents during observations

3 温、盐、密分布特征

3.1 温、盐平面分布特征

图3为2015年6月南海北部陆坡观测区域盐度和温度的水平分布图。由于南海北部陆坡区域地形比较复杂，分别选取5，50和100 m三个层次的盐度和温度来讨论其水平分布特征。

5 m层的盐度和温度分别如图3a和3b所示。2015年6月在陆坡区域5 m层存在低盐水舌，盐度值低于邻近水体，而在低盐值区域相对应的是高温值区域。在调查海域东北方向，低盐水舌自东北向西南延伸，在500 m等深线附近，也存在南北向低盐水舌，核心处盐度最小值为32；而在西北和东南方向海域存在着相对高盐值区，盐度大于33。与盐度相对应，在调查海域东北和西南低盐度水舌处分别有两个高温水舌，温度大于30 ℃；而在调查海域西北和东南方向高盐度处对应低温区域，温度小于30 ℃。通过图3a的盐度分布，可以发现在2015年6月南海北部陆坡区域存在低盐水，由此可以初步推测近岸低盐水可以输运到达陆坡区域，并且在陆坡区域存在着跨陆坡向的输送。

50 m层的盐度和温度分别如图3c和3d所示，2015年6月在陆坡区域50 m层温、盐分布与5 m层温、盐分布有相似之处，在调查海域东北向依然存在低盐高温区域(盐度低于34，温度高于25 ℃)，但所在区域范围在缩小。低盐高温区域由东北向西南延伸，在调查海域西部仍然可见盐度为34，温度为26 ℃的高温低盐水。图3c进一步呈现50 m水深处仍存在低盐中心，然而低盐区域范围仅局限在陆架区域。

100 m层的盐度和温度分别如图3e和3f所示，2015年6月在陆坡区域100 m层温、盐分布与5 m和50 m层温、盐分布有较大差别。虽然观测区域100 m层盐度差异较小，但100 m层在调查海域南部存在高盐高温中心，盐度高于34.64，温度高于20 ℃；而在调查海域东部存在低盐低温中心，盐度低于34.60，温度低于18 ℃。

南海北部陆坡区域5，50和100 m不同层次的温、盐分布呈现出不同特征。在不同层次，盐度分布差异较大，温度分布差异相对较小。通过盐度的分布差异可以表明南海北部陆坡区域环流复杂，特别是50 m以上层尤为明显，低盐度值区域的变化特征暗示存在复杂的陆坡环流输运，从而引起上层盐度分布特征明显改变。

图3 盐度和温度的水平分布Fig.3 The horizontal distribution of salinity and temperature

3.2 温、盐、密断面分布特征

图4为调查海域500 m以浅平行陆坡等深线自南向北4个断面温度分布，图上方标示调查站位号。图4a～4c表明，断面等温线由东向西倾斜，在100 m水层以下，倾斜更为明显。图4d表明，在9号站位附近出现等温线明显下凹，暖水下沉，一直延续到100 m层以下，明显呈现出与图4a～4c不同。

图5为调查海域500 m以浅平行陆坡等深线自南向北4个断面盐度分布，图上方标示站位号。由图5a～5c可见，在断面东侧,50 m以上水层都出现盐度低值区，盐度最小值为32，由此向下盐度变大，在50 m层以下盐度水平混合较为均匀，盐度值为34.5，而在200 m至250 m等盐线出现由东向西倾斜。图5d表明，在断面东侧也出现低盐区，盐度最小值为32。在9号站位附近，盐度分布类似温度分布，等盐线出现下凹，向下延续到100 m。

图5 断面盐度分布Fig.5 Distributions of salinity along transects

图6 为调查海域500 m以浅平行陆坡等深线自南向北4个断面密度分布，图上方标示站位号。如图6所示在表层盐度低值区也出现σt低值区。在低值区以下σt分布与温度分布相似，图6a～6c表明等密线由东向西下倾，这表明在南海北部陆坡流由西北指向东南。图6d表明，9号站附近等密线影响的下凹能达到80 m的深度，结合图4d、5d中的温度和盐度下凹分布，说明来自近岸的高温低盐水舌的影响一直达到80 m深度。

图6 断面密度分布Fig.6 Distributions of density along transects

4 环流输运特征

过去研究结果表明，南海北部区域主要受东亚季风影响，夏季盛行西南风呈现东北向流，冬季盛行东北风呈现西南向流。此外，南海北部陆坡区域环流呈现多涡结构，除了受季风影响，同时也可以受中尺度涡影响[1]。同时也有研究表明南海北部陆坡环流复杂，不仅是单一沿着陆架、陆坡的流动，而且也存在着跨陆坡的流，并且呈现出多层结构[1，15]。本研究分别通过水文温、盐场数据，潜标海流计资料和漂流浮标数据分析2015年6月南海北部陆坡区域环流特征。

4.1 动力高度法

利用水文观测断面站点数据和动力高度法可以计算两个站点之间相对0速度参考面的相对地转流速[17]。图7为通过SW—NE向断面CTD温度、盐度场，利用动力高度法计算与陆坡区域平行等深线的3个断面法向地转流分布，图上方标示站位号。由于观测的3个断面以及每个CTD站点深度不同，所以图7a，7b和7c分别选取断面站点水深较浅的站点深度1 000，900和400 m为零速度参考面，得到的是相对地转流而非绝对地转流。图7a～7c分别呈现的是从南到北3个断面的相对地转流速剖面，图中正值表示法向西北流向，负值表示法向东南流向。从图7a～7c可以看出在陆坡区域主要是跨陆坡的东南向流，在200 m层以上流速比较大。最大流速出现在表层，表层呈现出流核，最大流速分别为0.6，0.5和0.3 m/s，流核位于断面中心200 m以上。以上分析表明断面中间流速较强，同时从地转流速分布可以看出靠近南部外海断面地转流速大于北部陆架断面地转流速。这也与卫星高度计观测结果一致。

图7 断面相对地转流分布(单位：m/s)Fig.7 Distribution of relative geostrophic velocity along transects(unit: m/s)

4.2 潜标海流计观测

在航次期间，还布放了深水潜标(搭载1套ADCP海流计)对南海北部陆坡上层海流进行为期15 d的连续观测。图8为2015年6月15日—29日南海北部陆坡区域锚定ADCP海流计观测的50，100和150 m流速图。为了消除潮汐的影响，图8中流速经过33 h低通滤波处理得到亚潮流(subtidal current)[18]。从图8和表1可以看出，在50 m处6月15日—24日主要是东南向流，而6月24日—29日主要是西南向流，观测期间平均流速为16.5 cm/s，流速方向为142°。在100 m处同时存在西南向和北向流速，但以西南向流为主，平均流速为3.4 cm/s，流速方向为192°。在150 m处同时存在西南向和东北向流速，但以东北向流为主，平均流速为10.6 cm/s，流速方向为73°。从表1可以看出100 m层流速很小，并且上下层流速方向发生明显改变，主要反映了100 m层为流速转向层，100 m层以上为东南向流，100 m层以下主要为东北向流。

图8 潜标ADCP观测的不同水深流速时间序列图Fig.8 Time series of the subtidal current vectors at different depths based on ADCP mooring

水深/m东西分量u/(cm·s-1)平均值标准差南北分量v/(cm·s-1)平均值标准差流速/(cm·s-1)流向/(°)5010．115．7-13．06．116．5142100-0．76．5-3．05．63．419215010．115．73．18．010．673

综上所述，调查区域100 m以上流和100 m以下流呈现两层反向结构，100 m以上主要是跨南海北部陆坡的东南向流，100 m以下主要是平行南海北部陆坡等深线的东北向流，这与 LI et al[1]等冬季在南海北部陆坡观测的结果不同。

4.3 漂流浮标观测

卫星跟踪漂流浮标可以用来测量海水实际的运动轨迹和流速[19]。在航次期间，调查海域陆续投放了5个漂流浮标。图 9 为2015年6月在南海北部陆坡区域布放的5个漂流浮标轨迹和流速图，图中流速矢量时间间隔为1 d。其中D1，D4和D5为15 m浅水型漂流浮标(阻力帆在15 m处)，D2和D3为100 m深水型漂流浮标(阻力帆在100 m处)。本文分别分析浅水型和深水型漂流浮标运动轨迹和流速分布来讨论2015年6月南海北部陆坡环流特征。从图9可以看出D1，D2，D3和D5漂流轨迹比较一致，跨越南海北部陆坡区域，大体上从南朝北，然后跨过陆坡转向东向。15 m浅水型漂流浮标和100 m深水型漂流浮标漂流的方向没有明显的区别，说明15 m层和100 m流速方向变化没有较大的差距。D4漂流浮标呈现出了反气旋(顺时针)旋转，这与图2中卫星高度计观测区域西部的反气旋涡对应，D4的顺时针与这个反气旋涡带来的顺时针旋转的海流对应。

图9 漂流浮标轨迹和流速分布Fig.9 Distribution of drifter’s tracks and velocities

表2统计了5个漂流浮标平均流速的特点，在观测期间漂流浮标平均流速约为0.2 m/s，D1、D2、D3和D5漂流浮标在陆坡区域方向朝东南，D1和D2漂流浮标在陆坡外海方向朝东。D2和D3漂流浮标同属于深水型，然而D3流速较小，D2流速较大，这是因为D3位于涡中心所以流速较小，而D2位于气旋涡和反气旋涡交汇处，所以流速较大。D4漂流浮标呈反气旋旋转，故平均流速很小。D1、D2、D3和D5漂流浮标在陆坡区域的平均流速方向为东南向，这表明陆坡区域表层海流流速方向为东南向。

表2 漂流浮标流速统计

5 结论

本文利用2015年6月南海北部2个航次的水文数据，结合卫星高度计数据，分析了南海北部陆坡在气旋涡-反气旋涡双涡结构影响下的水文和环流特征。结果如下：

(1)通过卫星高度计数据可以发现，2015年6月13日—28日在南海北部陆坡观测区域存在气旋涡-反气旋涡的双涡结构。具体表现为在调查海区东部的气旋涡和西部的反气旋涡。在涡旋中心，流速较小；在两涡交汇处，流速较强，流向为东南方向。

(2)从温、盐的平面分布可以看出，2015年6月南海北部陆坡调查海区50 m以浅的表层盐度存在NE—SW方向低盐区，表层盐度最小值低于32。从温、盐断面分布可以看出在断面中心区域近表层50 m以浅明显的盐度低值区。由此可以推断南海北部陆坡区域在气旋涡-反气旋涡交汇处存在由北向南跨陆坡的海水输运。

(3)利用断面温、盐数据，通过动力高度法推导出跨陆坡方向的相对地转流速，流速方向为东南向且靠近外海断面流速大于靠近陆架断面流速，断面中间流速大于两边流速。同时，潜标连续海流资料和漂流浮标资料也证实了在调查期间100 m以浅存在东南向跨陆坡流。而潜标连续海流资料还表明跨陆坡海流在100 m层附近发生转向，100 m层以深呈现东北向流，呈现了“深入浅出”(深层为向岸的入侵、浅层为离岸的出流)的“两层结构”。

综上所述，南海北部陆坡区域在气旋涡-反气旋涡影响下存在跨陆坡的海流，跨陆坡流主要存在于两涡交汇处，并呈现“两层结构”特征。

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Observed hydrographical features and circulation with influences of cyclonic-anticyclonic eddy-pair in the northern slope of the South China Sea during June 2015

CHEN Zhong-wei1,2, YANG Cheng-hao1,2, XU Dong-feng*1,2, XU Ming-quan1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China;2.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

Using in situ hydrographic measurements during June 2015 and satellite altimeter data provided by archiving validation and interpretation of satellite oceanographic data(AVISO), the hydrographical features and circulation with influences of cyclonic-anticyclonic eddy-pair in the northern slope of the South China Sea during June 2015 were studied. The results showed that the low-salinity water in northeast-southwest direction was found in the upper 50 m in the northern slope of the South China Sea during June 2015. The minimum surface salinity values were below 32, which indicated the presence of cross-slope transport in the northern slope of the South China Sea. Due to the existence of cyclonic-anticyclonic eddy-pair in the northern slope of the South China Sea during the observation, the cross-slope currents were found in the upper 100 m ,of which the maximum velocity was observed in the intersection of two eddies. In addition, the circulation across the continental slope in the Northern South China Sea derived from the moored current measurements, presented two-layer structure: offshore flow in the upper 100 m and onshore flow beneath 100 m.

Northern South China Sea; continental slope; circulation; cyclonic-anticyclonic eddy-pair

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.002.

2016-04-25

2016-05-12

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目资助(2014CB441501);国家自然科学基金项目资助(41406021);国家重点研发计划重点专项项目资助(2016YFC0304105)；卫星海洋环境动力学国家重点实验室自主课题资助(SOEDZZ1505)

陈钟为(1991-)，男，浙江常山县人，主要从事物理海洋学研究。E-mail：chenzhongwei1991@163.com

*通讯作者:许东峰(1966-),男，研究员，主要从事大洋环流和海-气相互作用方面的研究。E-mail:xudongfengsio@sio.org.cn

P731.2

A

1001-909X(2016)04-0010-10

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.002

陈钟为，杨成浩，许东峰，等. 2015年6月南海北部陆坡气旋-反气旋涡对陆坡水文和环流影响的观测[J]. 海洋学研究,2016,34(4):10-19,

CHEN Zhong-wei, YANG Cheng-hao, XU Dong-feng, et al. Observed hydrographical features and circulation with influences of cyclonic-anticyclonic eddy-pair in the northern slope of the South China Sea during June 2015[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(4):10-19, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.002.