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南海次表层、中层水团结构及其运动学特征的研究

刘洋  
【摘要】: 南海是北太平洋最大的边缘海,其特殊的地理位置和复杂的水深地形,使得内部水体在固有性质、运动方式和规律等方面兼有大洋和浅海双重特征,历来为海洋学者所关注。其中,南海的次表层、中层水团是水体垂向结构中两个特征最明显的水团,其物理化学性质、环流结构均为构成南海水体环境的重要部分。 本文在收集、整理南海海区多年实际观测水文资料的基础上,融合Argo浮标观测数据、海表高度异常和蒸发降雨等再分析资料,从传统水团分析的温、盐要素出发,结合溶解氧、营养盐等化学要素,对南海水体的垂直结构和次表层、中层水团核心深度上的各要素水平空间分布情况加以阐述,分析相应层次上的水体运动特征。通过探讨气候态各要素的季节变化规律,重新给出了统计意义下的南海次表层、中层流场结构。 文中首次将溶解氧含量纳入到南海水团的物理海洋研究中,追踪特征水体。其与垂向次表层、中层水团有着较好的对应关系,并且在等值线分布趋势中比温度、盐度变化具有更高的分辨率。 在垂直方向上,与北太平洋水垂直分布类似,南海内部水体的温-盐关系总体上呈现反“S”结构,即在次表层水、中层水的核心深度上存在盐度极大值、极小值现象。溶解氧含量在垂直方向上形成与盐度相似的相对稳定的极值结构,即对应于水团结构其垂向上存在极大值和极小值,分别对应了次表层水的上界和中层水的下部。营养盐在垂向上表现出随深度加深,含量增大的特征,在达到极值后其量值随深度增加则几乎不变,营养盐的垂向季节变化不明显。 黑潮入侵和南海内部水体性质在次表层的季节性变化充分反映了该层水体运动特征。统计结果显示,南海内部的次表层水体特征对南海冬季季风有着积极地响应。黑潮水在次表层主要是由吕宋海峡北部进入,沿西部陆坡向南海南部扩展,而不是按黑潮“流套”理论所示,于海峡处南进北出的路径行进;黑潮入侵在冬、夏季较强,春、秋季较弱。南海溶解氧含量终年呈现出吕宋海峡以东高于南海内部,南海内部以东南海区为低值中心的规律;营养盐含量在该水层上的分布与溶解氧截然相反,始终保持南海内部营养盐含量高于吕宋海峡以东的黑潮区,南海南部高于北部的规律,但其分布表明的水体运动态势却与溶解氧的保持基本一致。 通过分析南海中层水核心层上多种要素的水平分布,着重以溶解氧、硝酸盐含量作为判别指标,发现中层水仍具有季节变化特征,且吕宋海峡中北部的水交换较之次表层更为复杂,导致这种变化的主要机制是海面风场引发的一种连续水体间的补偿性效应。中层水营养盐含量的分布格局总体与次表层水相同,依然是吕宋海峡以东的含量较低,南海内部含量相对较高,季节变化不明显。 此外,本文还讨论了南海气候态年平均以及季节平均的地转流场特征,从动力学角度解释形成各要素分布结构的原因。次表层及中层流场也都具有季节变化特征,冬季南海北部二者均为气旋式环流,而夏季的次表层流场则出现偶极子结构,该结构具有约半年的时间尺度特征。结合海表面高度异常的分布,确定南海中稳定存在的两个次海盆环流分别位于吕宋岛西侧海域、越南东部外海,其时间尺度均为一个季度左右,空间尺度可达几百公里。 最后,本文尝试将FFM (Freshwater Fraction Method)方法应用在南海与北太平洋水交换量的计算工作中,利用保守要素盐度的差异和稳定地淡水注入量估算了吕宋海峡处年平均水体交换量,结果显示吕宋海峡上400m层是水交换活跃区,水平对流在水交换过程中占据主导地位。


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