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南海北部陆架区临近吕宋海峡,内潮运动显著,但是以往此区域的内潮定点观测的数据往往无法覆盖观测点的整个水层深度,因此难以得到严格定义下的正压潮流和内潮流。海陆风是引起海洋近惯性内波的重要因素,但是其海洋动力学响应的研究目前都集中在海陆风临界纬度(23°~40°N/S)内,在南海非临界纬度内对于海陆风致近惯性内波和混合的研究还非常少见。同时,南海受到频繁的台风活动的影响,近惯性内波现象活跃,但是台风下实测观测资料匮乏,且难以进行直接的湍流混合观测,因此台风致近惯性内波和混合的特征规律至今仍然没有得到深入细致的分析研究。本文基于南海北部陆架区两个观测点的定点剖面连续海流观测资料,配合以实测风速数据、法国海洋卫星数据归档标定中心的AVISO融合卫星高度计的地转流数据、美国国家数据中心的WOA2001年平均温度和盐度数据、美国宇航局喷气推进实验室物理海洋学数据分发存档中心的卫星遥感QuickScat风场数据以及美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作NCEP/NCAR再分析风场资料,基于潮流理论、谱分析、滤波、混合参数化模型和数值模拟等技术,重点研究了南海陆架区正压潮流和内潮流特点以及海陆风和台风致近惯性内波和混合的特征规律,主要的结论如下:
(1)南海北部陆架区内潮流顺时针、逆时针旋转的现象均存在,正压潮流和内潮流的传播方向有着明显的不同,由于海域或水层的不同,南海陆架区的正压潮流可能呈现为正规全日型或不正规全日型,内潮流可能呈现为正规全日型、不正规全日型或不正规半日型。
(2)台风过境后,海水中存在着强烈的近惯性振荡,这种振荡只有在高剪切(0.05~0.35s-1)、大振幅(1.25m/s)和持续时间长(1周)的情况下才能显著提高局地湍流混合大约一个量级左右,在其他情况下海水的湍流混合的变化可能不会太大。此外,台风过境后局地混合的显著提高可能还跟背景平流对于强近惯性振荡的输运有关。台风过境后的近惯性振荡起初在表层最为强烈,然后以近惯性内波的形式携带台风注入海洋的能量向下传播,离开混合层进入海洋内部。当其传播到海底后,可能由于非线性作用进而在陆坡上建立压力梯度,从而引发两种强流:持续性强流和瞬时性强流。前者的最大流速约为1m/s,持续时间为9小时左右,流速的增大和减小较为缓慢,整个过程中流向基本保持一致;后者的最大流速约为2~3m/s,持续时间约为10min左右,流速增大和减小均非常突然,整个过程中流向无明显规律。此外,瞬时性强流在其经过时,可以显著提高其经过的水层的混合1~2个量级。
(3)在南海陆架区非临界纬度内,海陆风以顺时针分量为主,但是整个水层的全日流的顺指针和逆时针分量却基本相当,海陆风在南海非临界维度下无法增强局地观测总流场的混合,这与临界纬度的情况有所区别,这可能由于本文中的观测点既远离海陆风的临界纬度,又远离全日内潮参数次谐波不稳定(简称PSI,一种非线性共振三合波相互作用)的临界纬度,导致海陆风与近惯性内波场无法直接发生共振,因此海陆风无法在本文中的观测点显著提高混合。
(4)数值模拟研究结果表明,近惯性振荡强度与海陆风和台风风力成正比。在南海陆架区,振幅小于1m/s的海陆风能够驱动的惯性流场振幅在1cm/s以下,即使台风后,海陆风显著增强的情况下能够驱动的惯性流振幅也在1~2cm/s之间,量级依旧小于全球海表平均惯性流强度。近惯性振荡强度与混合层深度成反比,由于混合深度的影响,在相同风力的作用下,夏季(层结强、混合层浅)要比冬季(层结弱、混合层深)近惯性振荡更强,而由于海陆风在夏季比较强烈,冬季较为微弱,因而可以推测夏季的海陆风比在冬季能够激发更强的近惯性振荡。台风过后近惯性内波的水平尺度和台风风力成正比,台风风力越强,就能将越多的近惯性波动能传播到越远的地方,台风最大平均风速每提高1m/s,这种能量的传播距离就能增加大约14km左右。