吕宋海峡及南海深层环流的观测与数值模拟研究及机制分析

【摘要】：南海是西北太平洋最大的边缘海，具有丰富的海洋动力过程，而吕宋海峡是连接南海和太平洋的唯一深水通道。对南海和吕宋海峡的研究一直是各国科学家们关注的重点，但却鲜有关于吕宋海峡和南海深层环流的研究。而跨越吕宋海峡的太平洋深层水和是连接西太平洋与南海深层环流的重要纽带，是维持南海热量和淡水平衡、支撑南海贯通流，调节印度尼西亚贯通流,影响南海海盆沉积过程、水体循环周期及深海碳循环的关键因子，并且是维持南海深海环流的主要物质来源。本文利用2008年和2009年吕宋海峡大范围和全深度的CTD、LADCP现场海洋观测数据与HYCOM数值模拟对吕宋海峡及南海深层环流的驱动机制、空间分布、季节变化和影响因素等问题进行了综合研究。 通过对流速观测剖面和温盐观测数据的分析发现，吕宋海峡深层存在明显的深层水流动：太平洋深层水从大约2000米深处（σ2：36.82kg m-3）开始进入巴士海峡，流量大约为1.1Sv，深层水进入吕宋海槽后沿其管状地形向西南流动，总流量为1.3Sv，最后主要通过恒春海脊中部的两个通道进入南海。各个观测站的位势密度表明，压强梯度力可能是驱动吕宋海峡深层环流的主要因素。 参照观测得到的南海和西北太平洋垂向混合率，本文设计多个不同南海深层垂向混合率的数值实验揭示了南海深层垂向强混合造成的吕宋海峡两侧水平压强梯度力是驱动机制。并且水平压强梯度力也是造成吕宋海峡深层流流量出现季节变化的主要因素。数值模拟结果表明太平洋深层水通过巴士海峡（1.1Sv）和陶唐海峡（0.4Sv）进入吕宋海槽（1.5Sv），沿吕宋海槽向西北流动的过程中，深层水主要通过恒春海脊第二个（0.5Sv）和第三个（0.9Sv）通道进入南海，最北部和最南部仅有很少量的深层水流出。此外数值实验表明1/12°的水平分辨率即可较好的模拟整个吕宋海峡深层环流结构，太低的分辨率无法分辨巴士海峡和陶唐海峡导致太平洋深层水无法进入吕宋海沟进而驱动吕宋海峡深层流，更高的水平分辨率只是会显示更多的细结构，对大的环流结构基本没影响。受吕宋海峡的特殊“管状”地形的约束，底摩擦、地转等因素对其空间结构基本没影响。 在准确模拟吕宋海峡深层环流的基础上，本文设计多个实验模拟南海深层环流的驱动机制和空间分布特征。模拟结果表明，吕宋海峡深层环流直接驱动了南海深层环流，南海深层环流沿等位涡线（等深线）流动，在整个南海深海盆呈气旋式结构。受地形和beta效应的影响，西边界流非常明显，海盆中部的复杂海山地形明显对环流结构产生影响。南海深层环流的空间结构常年基本保持不变。不同于吕宋海峡深层环流，地转和底摩擦对南海深层环流的空间结构都有明显的影响。