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Journal of Tropical Oceanography >

2020 , Vol. 39 >Issue 6: 1 - 17

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2020001

Review

Thoughts on the key scientific issues of Shiptime Sharing Project/Open Cruise in the South China Sea—From the perspective of multi-scale ocean dynamics

  • DU Yan , 1, 2, 3 ,
  • CHEN Ju 1, 3 ,
  • JING Zhiyou 1, 3 ,
  • WANG Xiangpeng 1, 2 ,
  • CHEN Gengxin 1, 3 ,
  • XU Chi 1, 3 ,
  • CHU Xiaoqing 1, 3 ,
  • CHEN Zhiwu 1, 3 ,
  • XU Jie 1, 3 ,
  • SHI Zhen 1, 3 ,
  • TANG Shilin 1, 3 ,
  • HE Yunkai 1 ,
  • LIANG Yun 1, 2 ,
  • SHI Ping 1, 3
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  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology & Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Guangzhou 511458, China
DU Yan. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2020-04-08

  Request revised date: 2020-06-15

  Online published: 2020-06-22

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41525019)

National Natural Science Foundation of China(41521005)

National Natural Science Foundation of China(41830538)

National Natural Science Foundation of China(41776040)

National Natural Science Foundation of China(NORC2018-07)

National Natural Science Foundation of China(NORC2019-07)

National Natural Science Foundation of China(NORC2020-07)

Chinese Academy of Sciences(XDA19060501)

Chinese Academy of Sciences(XDA13010404)

Chinese Academy of Sciences(XDA15020901)

Chinese Academy of Sciences(133244KYSB20190031)

Chinese Academy of Sciences(ZDRW-XH-2019-2)

Chinese Academy of Sciences(ISEE2018PY06)

State Oceanic Administration of China(GASI-IPOVAI-02)

Southern Laboratory of Ocean Science and Engineering(GML2019ZD0303)

Southern Laboratory of Ocean Science and Engineering(GML2019ZD0306)

Southern Laboratory of Ocean Science and Engineering(2019BT02H594)

Copyright

Copyright reserved © 2020.
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Abstract

The South China Sea (SCS) is the largest marginal sea in the western Pacific Ocean, connected with the western Pacific Ocean and the Indian Ocean through a series of straits. Multi-scale dynamic processes of ocean circulation and their environmental effects on marine biology and ecology have been a focus of SCS regional oceanography research. Since the first national marine census at the end of the 1950s, China has kept on increasing its support on marine research, especially on the construction of marine scientific observation platforms on research vessels. Entering the New Millennium, the main marine research institutes and universities in China, which operate research vessels, organized and supported Open Cruise for domestic scientists without charging for the shiptime. As a milestone, the Natural Science Foundation of China (NSFC) set up a Shiptime Sharing Project to support the Open Cruise since 2009, which has further promoted communications and cooperations among the domestic ocean research communities. Many important achievements have been made in the SCS regional oceanography. From the perspective of multi-scale ocean dynamics, we briefly review the history of ocean observations in the SCS and summarize the research progresses of key scientific issues in the SCS in recent years, including the water exchange between the SCS and western Pacific Ocean, the mesoscale and sub-mesoscale processes, the multi-scale interaction and its ecological environmental effects, among others. We also share some thoughts and prospects on observations and scientific investigations in the SCS in the future.

Key words： South China Sea; ocean observation; multi-scale ocean dynamics; water exchange; mesoscale and sub-mesoscale processes; ecological effect

Cite this article

DU Yan , CHEN Ju , JING Zhiyou , WANG Xiangpeng , CHEN Gengxin , XU Chi , CHU Xiaoqing , CHEN Zhiwu , XU Jie , SHI Zhen , TANG Shilin , HE Yunkai , LIANG Yun , SHI Ping . Thoughts on the key scientific issues of Shiptime Sharing Project/Open Cruise in the South China Sea—From the perspective of multi-scale ocean dynamics[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2020 , 39(6) : 1 -17 . DOI: 10.11978/YG2020001

致谢: 本文主要内容根据2019年12月27日中国科学院在广州举办的“新时代南海科技发展高端论坛暨南沙综合科考学术研讨会”上的报告及相关工作整理而成, 本文作者是参与完成报告的研究人员。由于时间和篇幅的限制, 本文仅简要阐述相关进展, 未能包括所有收集到的成果, 敬请谅解。感谢国家自然科学基金委员会的持续支持, 感谢中国科学院南海海洋研究所海洋科学考察船队、海上科考队员和所有支持关心南海海上科学考察的专家和同仁。
南海是西太平洋最大的边缘海, 通过周围一系列的海峡与西太平洋、印度尼西亚海和东南印度洋相联通, 既具有和大洋相似的动力学特征, 又源于复杂的岸线、底形以及众多的岛屿等而具有独特的区域海洋学过程(Hu et al, 2000; 苏纪兰, 2005; Zhu et al, 2019)。在空间尺度上, 南海环流具有海盆、次海盆(>300km)、中尺度(约30~300km)、次中尺度(约100~30000m)以及小尺度(<100m)结构; 在时间尺度上, 南海环流的演变具有高频快变过程、季节内振荡、季节变化和年际、年代际低频变化等(杜岩 等, 2004; Zhang et al, 2016; Zu et al, 2019)。南海多尺度环流动力学一直是南海物理海洋学研究的核心, 它包括一系列的过程: 南海与外大洋的水体交换、热盐收支平衡、内部环流的多尺度的结构及其气候效应等(Huang et al, 2015)。物理海洋学是一门以海洋调查观测为基础的学科, 海洋观测是海洋学发展的第一推动力。自20世纪50年代末全国第一次海洋普查开始, 随着国家对海洋调查的支持力度不断加大, 以科学考察船为代表的海洋科学观测平台能力建设不断加强, 南海的观测和研究取得了很多重大的成果和突破, 使得人们对南海的各类海洋现象及其动力过程有了更深刻的认识(Wang et al, 2006b; 魏泽勋 等, 2019)。本文将从多尺度海洋动力学的角度出发, 简要回顾南海海洋科考观测的发展历程, 并总结近些年来南海关键科学问题的研究进展。

1 南海海洋科考观测的发展历程

持续的海上观测调查、样品获取和元数据积累是认识海洋并研究其内在规律最直接有效的手段。南海的海洋科考观测大致经历了以下4个阶段。
第一阶段, 起始于20世纪50年代末全国第一次海洋普查, 经历南海北部陆架海区断面调查、南海东北部海区综合调查, 再到80年代中期开始并持续二十多年的南沙综合科学考察。这一阶段主要着力于了解我国海洋各管辖海域的基础本底特征并积累基础海洋环境资料, 使南海成为和渤海、黄海、东海并重的调查观测和海域(毛汉礼, 1956; 毛汉礼 等, 1964 )。早期的观测使我们对南海的海流、水团、跃层分布以及它们的季节变化等有了概括的了解, 为之后的海洋研究奠定了基础 (苏纪兰, 2001; 魏泽勋 等, 2019), 也为海洋科学考察船的船时合作共享打下了基础。
第二阶段, 进入到20世纪90年代, 随着观测技术的进步和国际合作的开展, 我国开始针对科学问题展开科学实验和观测, 其中包括南海季风实验和中国环流973项目观测。1997—1998年实施的南海季风实验可以认为是在南海实施的第一个大型国际合作计划, 其目的旨在了解南海季风爆发、维持和变化的主要物理过程, 为季风与海洋的相互作用研究提供了基础数据资料(巢清尘 等, 1999; 王东晓 等, 2002; 丁一汇 等, 2002)。1999年启动的973项目“中国近海环流形成变异机理、数值预测方法及对环境影响的研究”中关于南海环流部分主要解决的是南海海盆尺度环流的基本结构和随季风变异的问题。在这个阶段, 针对季风环境下的海洋响应, 基本解决了南海内部海盆环流结构的问题(Hu et al, 2000; Yang et al, 2002; Wang et al, 2003a)。一方面, 通过现场和遥感观测发现了一系类新的科学问题, 例如, 发现受季风调整以及海峡热通量等因素影响, 南海环流存在多时空尺度的变异特征; 同时随着数值模式的应用, 海洋研究的时间尺度从季节和年际尺度向两端延伸, 对海洋提出了新的观测要求。另一方面, 海上观测在观测能力和船时统筹等方面暴露出一些问题, 包括南海北部深水区的动力复杂但缺乏观测, 关键物理要素的空间覆盖率很低; 缺乏固定断面观测及长期连续观测; 观测航次少, 有需求但无资源。尤其对于没有科考船的院所, 获得船时是需要迫切解决的问题。
第三阶段, 针对以上两个方面的问题, 中国科学院南海海洋研究所于2004年率先开展了海洋开放共享航次计划。南海北部开放航次从2004年到2011年进行了8个航次, 覆盖了南海北部18°N以北的海域 (图1), 当时拟解决的科学问题包括珠江冲淡水的影响及作用, 粤东—粤西夏季上升流、北部陆架陆坡物质交换、吕宋海峡水交换, 以及南海南北物质和能量输运等。南海北部开放航次支持了38 个单位, 136个项目的海洋观测需求, 促进了海洋科学研究的多学科交叉交流与合作, 既加强了海洋现场观测数据的长期积累, 又发挥了多方科研力量的综合优势, 推动了南海北部海洋环境动力演变及其生态效应的研究(何琦 等, 2012; 舒业强 等, 2018; 夏华永 等, 2018)。在这一时期, 国内拥有科考船只的研究院所, 例如中国科学院海洋研究所、原国家海洋局第一海洋研究所等也先后在东海和黄海启动了中国近海的开放共享航次计划。
图1 2004—2019南海北部开放航次和基金委共享船时计划支持的南海综合调查航次站位分布

本图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1611的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 1 The survey stations supported by NSCS Open Cruises and Shiptime Sharing Project in the South China Sea during 2004-2019

第四阶段, 2009年起, 国家自然科学基金委员会设立并实施共享航次计划。南海北部开放航次通过实施海上综合观测, 率先实行了国内科考船时开放共享的尝试, 吸引了一大批非涉海研究单位涉足海洋领域研究, 推动了海洋科学发展, 取得了不错的成效。2008年, 基金委组织了国内专家赴美国多个海洋科学研究单位和大学进行调研, 考察海洋科考船时的共享实施模式。2009年, 基金委采纳了这种船时共享形式, 在国家层面设立了“共享航次计划”, 并于2010年在南海启动了首个基金委共享航次。“共享航次计划”具有全新的管理理念。在科学基金的框架下, 科学家共同参与管理, 按照“公正、公平、安全、经济、科学”的10字方针进行项目的资助与管理, 将基金委(运行资助方)、研究所或高校(船舶及航次组织实施单位)和研究人员(用户)直接联系起来, 共同实施海上联合观测 (葛人峰 等, 2016)。基金委通过“共享航次计划”实现了“船时共享”, 解决了这一时期无科考船院所的科研人员从事海洋研究过程中的“出海难”问题, 使大批基金项目尤其是青年基金和面上基金借助“船时共享”跨越了缺少观测平台的壁垒, 获得了第一手的调查数据和观测样品, 为我国海洋科学基础性研究和前沿研究提供强有力的支撑(尹宏 等, 2008; 杨雪梅 等, 2018)。
从整个发展历程来看, 前两个阶段可以认为是南海海洋观测的前期阶段, 原始的数据积累使我们对南海海盆尺度环流的大致格局有了基本的认识, 为后面的海洋调查和研究奠定了基础; 后两个阶段则是开放共享航次阶段, 通过合理、有效地调配科考船船时资源来尽可能满足科研人员出海调查的需求, 同时实现航次观测数据的开放共享。在整个历程中, 南海海洋航次观测取得了一系列观测数据和成果突破, 从2004年至2019年, 南海开放共享航次的综合调查和地质调查累计有35个航次, 范围覆盖整个南海北部、南海中部和南海西部的大部分海域(图1)。此外, 南海开放航次数据已经整合成南海物理海洋数据集、南海海洋生物数据库、南海海洋地质数据集等门类齐全的数据体系, 实现了在线共享, 服务于国内海洋科学的研究和应用, 获得了很多应用部门的认可。相应的, 在观测数据的支持下, 关于南海海洋动力过程的研究取得了很多关键性的突破, 对南海的物理过程及其生态效应也有了更深入的了解。以下将从多尺度海洋环流动力学的角度出发, 尝试对开放共享航次阶段南海环流动力学的科学发现和成果进行简要回顾和总结。

2 南海与西太平洋的水体交换

2.1 南海贯穿流

南海是西北太平洋最大的边缘海, 东北侧通过吕宋海峡与太平洋相连, 东南侧通过民都洛海峡和巴拉望海峡与苏禄海相通, 南侧通过卡里马塔海峡与爪哇海相接; 其中, 吕宋海峡是南海与大洋进行水体和热盐交换的首要通道。太平洋通过吕宋海峡向南海输送物质和能量, 并传递厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)等气候变化信号, 对南海的环流、水团和生物生态环境都产生重要影响(Qu et al, 2004; Li et al, 2006; Liu et al, 2012;王爱梅 等, 2014; Zhao et al, 2014; 王祥鹏 等, 2019)。Wyrtki(1961)最早将南海和太平洋水体交换联系起来, 通过分析按季节划分的船舶报资料, 认识到通过吕宋海峡冬季东北季风驱动太平洋水进入南海, 夏季西南季风驱动南海水流出到太平洋。方国洪 等(2002) 通过数值模拟对南海南部与外海之间的水体输送进行了研究, 发现南海是太平洋–印度洋水交换的一个重要分支, 且该分支对印尼贯穿流流量具有重要的调制作用。后来在卡里马塔海峡的观测进一步证实了印-太水交换存在南海分支(Fang et al, 2005; Yu et al, 2007), 这支海流也被众多学者称为南海贯穿流(South China Sea through flow, SCSTF) (Qu et al, 2005, 2006a, 2009; Wang et al, 2006a; Yaremchuk et al, 2009; Du et al, 2010; 王伟文 等, 2010)。Qu等(2006a)研究指出, 南海贯穿流作为重要的热量和淡水的输送带, 将冷而咸(低温高盐)的西太平洋水从吕宋海峡输入南海, 同时将暖而淡(高温低盐)的南海水从民都洛海峡和卡里马塔海峡流出南海(图2), 进而影响南海与邻近印太海区的热量和淡水收支平衡。Qu等(2009)从不同角度对南海贯穿流的研究进展进行了回顾, 指出南海贯穿流存在着多种时间尺度变率; 在季节尺度上, 吕宋海峡处的流量主要受季风影响, 冬天进入南海多而夏天少; 而在年际尺度上, 南海贯穿流受ENSO影响, 厄尔尼诺年增强、拉尼娜年减弱。受观测资料时间长度的限制, 对南海贯穿流年代际变率的探究大多只能通过数值模式的手段。Yu等 (2013)分析全球涡分辨率海洋环流模式OFES资料发现, 南海贯穿流的年代际变化与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)有关, 后者能通过改变太平洋大尺度风场, 进而调节北赤道流分叉点的位置, 最终影响南海贯穿流的强弱。
图2 南海贯穿流示意图

依据Qu等(2006a)修改。图中箭头的颜色代表海水温度的变化, 从蓝色向红色渐变代表海水的温度由冷向暖转变

Fig. 2 Schematic diagram of South China Sea throughflow.

Modified from Qu et al (2006a). The color of the arrows represents the temperature change of the sea water. Blue and red indicate low and high temperature, respectively

2.2 吕宋海峡“深海瀑布”与南海深层环流结构

吕宋海峡深且宽广, 海底地形复杂, 最深巴士海峡处超过2400m, 是南海与西太平洋水体交换的唯一深水通道。新的深海观测技术很早就在这个海区使用, 对吕宋海峡深层流的直接观测包括声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profiler, ADCP)和海流计等观测仪器。Liu等(1988) 通过连续海流计观测(82d), 发现巴士海峡处西太平洋深层水直接进入南海, 平均流速~0.14m·s-1。Tian等(2006)通过走航观测首次给出吕宋海峡南北的断面流速结构, 并证实了Yuan(2002)提出的吕宋海的水交换为“三明治状”的三层结构, 而且他们计算得出~2Sv的深层水进入南海。进一步研究表明, 在内潮、内波以及复杂地形等因素的作用下, 南海深层海洋的混合要远远强于邻近的西太平洋; 并且, 在地形阻挡下, 南海和西太平洋深层水出现明显的密度差(Tian et al, 2009; Yang et al, 2016)。南海最深的马尼拉海沟大约4600m, 而吕宋海峡大约只有2400m, 在吕宋海峡两侧水体压强势驱动下, 太平洋深层水以“深海瀑布”的形式进入到南海, 并驱动了气旋式的南海深层环流(Qu et al, 2006b; Zhao et al, 2014, 2016; Wang et al, 2018a)。基于历史水文观测和高分辨率数值模拟, 吕宋海峡“深水瀑布”入侵南海的流量估算约为0.7~2.5Sv。由于观测资料的误差和计算方法的差异, 不同的研究结果有所差别, 且据此推算的南海深层水体更新率在24~100年(Broecker et al, 1986; Wang, 1986;韩舞鹰, 1998; Qu et al, 2006b; Xu et al, 2014; Zhou et al, 2014)。
根据Stommel等 (1960)的深海环流理论, 南海深层存在气旋式的环流结构。Chao等(1996)利用数值模式模拟出南海深层的气旋式环流, 并指出南海深层水的更新上翻主要在台湾岛西南侧和越南外海。Qu等(2006b)基于历史观测资料, 由南海海盆深层的密度分布推导出一个气旋式深海环流, 即吕宋海峡处太平洋深层水进入南海, 受海底地形限制, 先向西北再向西南流动, 南海深层溶解氧浓度分布显示了水体出现的先后顺序, 印证了这一路径。Wang等(2011)再次印证, 受吕宋海峡深层“深水瀑布”驱动, 南海深层环流在2400m以深表现为气旋式结构, 且表现为具有较强的深海西边界流。此外, 亦有研究指出南海深层潮汐耗散所产生的强湍流可增强跨等密度面混合, 进而加强海盆尺度的气旋式环流(肖劲根 等, 2013; 王东晓 等, 2016; Wang et al, 2017)。Zhou等(2017) 利用深海海流观测阵列第一次在中沙群岛东南观测到深海西边界流, 以2.0cm·s-1的平均流速向西南方向流动, 平均流量为1.6Sv。Wang等(2018a)利用海洋观测资料结合一个考虑跨等密度面混合的底层约化重力模型, 指出北太平洋深层水进入南海后, 主要沿着大陆坡附近3500m等深线向西南方向移动, 经过东沙群岛后分叉为两支, 一支向南继续沿着等深线运动, 一支向东在南海中央深部海山周围形成亚海盆尺度的气旋性环流(图3)。同时地形、底摩擦和上升流等因素对南海深层气旋式环流结构也有重要影响。
图3 南海深水环流示意图

据Wang等(2018a)修改。图中粉色箭头和白色箭头分别代表上升流和下降流。黑色箭头代表南海深层环流结构, 其中线条粗细代表流量的大小

Fig. 3 Schematic diagram of deep-water circulation in the South China Sea.

Modified from Wang et al (2018a). The pink arrows and white arrows represent upwelling and downwelling, respectively. The black arrows denote the deep circulation in the South China Sea, and the thickness of the arrow indicates the volume transport

3 南海中尺度涡及次中尺度过程

3.1 中尺度涡

海洋的中尺度现象包括中尺度涡、沿岸上升流、锋面以及沿岸陷波等, 时间尺度数天到数月, 空间尺度数十到数百公里 (李立, 2002; Jing et al, 2015;郑全安 等, 2017)。中尺度过程研究的突破获益于20世纪90年代初期以来卫星高度计观测的成功实施。卫星海面高度观测揭示, 南海具有非常活跃的中尺度涡(Hwang et al, 2000; Wang et al, 2003b; Chen et al, 2011; He et al, 2018)。Wang等(2003b)利用早期的卫星海面高度数据, 研究了南海中尺度涡的生成和移动规律, 指出越南外海和吕宋西侧是中尺度涡的生成活跃区。陈更新 (2010)通过对涡动能的诊断分析, 指出南海涡动能的高值中心也出现在上述两个活跃区, 并且季节变化显著, 越南以东主要归结于局地风应力旋度的季节变化, 而台湾岛西南主要受黑潮入侵南海导致的背景流斜压不稳定的影响。对于中尺度涡的移动路径, Zhuang等(2010)发现两条带状路径, 北部路径自吕宋海峡向西南延伸, 南部路径自南海西南深水海盆向南延伸。
南海海上科考捕捉到了多个涡旋个例, 例如: 1998年在吕宋岛西北观测到冷涡(Chu et al, 2001), 2003/04年南海东北部反气旋涡(Wang et al, 2008a), 2005年吕宋海峡冷涡(Chen et al, 2007), 2006年台湾西南暖涡(Zu et al, 2013), 2007年南海西南部冷涡(Hu et al, 2011), 2007年南海北部连续三个暖涡(Nan et al, 2011), 2010年南海西部强暖涡(Chu et al, 2014), 2012年台湾西南涡旋对(Zhang et al, 2013), 以及2012年西沙海域的深海涡旋(Chen et al, 2015)。基于卫星海面高度观测和潜标阵列观测, Zhang等(2016)重构了南海北部全水深的涡旋三维结构, 发现涡旋垂向最深可以达到2000m, 并指出次中尺度过程在中尺度涡旋的耗散中具有重要的贡献。
在南海的众多涡旋中, 有些涡旋几乎每年都会出现, 称之为南海的固有涡旋(或定常涡旋)。杨海军等(1998)、Shaw等(1999)和Qu(2002)通过观测资料分析发现了秋末至早春位于吕宋岛西北的吕宋冷涡。Yuan等(2007)辨认出一个产生于吕宋西北海域的季节性反气旋涡, 并将它命名为吕宋暖涡; 围绕它有众多后续的研究(Wang et al, 2008b; Wang et al, 2012)。在越南中部外海, 夏、秋季维持着一个南暖北冷的偶极子涡旋对: 南部反气旋、北部气旋(Wu et al, 1999; Wang et al, 2006b; Chen et al, 2010)。Hu等(2011)利用CTD (conductivity-temperature-depth system)温盐深大面观测资料探讨了该偶极子式涡旋中冷涡的三维结构。Chu等(2020) 结合25年的现场和卫星遥感观测, 总结南海有13个固有涡旋; 在夏季和冬季, 中尺度涡在空间上沿着17°N断面和南海西部呈现倒“L”型排列, 分别为反气旋和气旋涡。这为南海固有涡旋的现场观测站位布设提供了科学支撑。
南海中尺度涡对温跃层深度、厚度(Liu et al, 2000, 2001; Wang et al, 2005)、热盐输运(Chen et al, 2012; Wang et al, 2012)、海表温度和海表风场(Chow et al, 2012)、近惯性能量传播(Chen et al, 2013)、叶绿素分布(Liu et al, 2013; He et al, 2016a)、初级生产力(Lin et al, 2010)等都有显著影响。近年来, 有研究提出中尺度涡应视为一种群体现象, 提出了Rossby标准模、驻波模态和长寿涡列等概念(郑全安 等, 2017; Xie et al, 2018)。此外, 关于南海中尺度涡的能量和物质输送及其对海洋生态环境效应的研究也日益增多, 并取得了很多重要发现(He et al, 2016a; Zhang et al, 2017)。
未来, 随着海洋观测的不断积累、卫星遥感资料的丰富和完善、以及海洋模式的逐渐提高和发展, 南海中尺度涡研究尤其是围绕中尺度涡的多学科交叉研究将会更多重要成果。

3.2 次中尺度过程

近年来, 随着新的观测技术的出现, 以及更高分辨率数值模式的运行, 许多研究发现上层海洋活跃着大量空间尺度约0.1~10km, 时间尺度~1d的涡流和细丝状流场结构, 与中尺度过程及海洋湍混合过程在时空尺度上有显著区别, 这类现象和过程统称为次(或亚)中尺度过程(Mahadevan et al, 2006; Thomas et al, 2008; McWilliams, 2016; Zhong et al, 2017; Yu et al, 2018)。次中尺度过程对于了解海洋环流的真实结构、海洋的能量串级、垂向物质通量交换与收支平衡等均具有重要的意义, 已经成为物理海洋研究的重要前沿方向。在传统地转理论框架下, 中尺度过程受地转和海洋层化约束, 在运动学上表现为准二维运动, 且能量趋于逆向串级(Fu et al, 2008; Ferrari et al, 2009), 难以解释其消亡和能量耗散过程(Thomas et al, 2008; D'Asaro et al, 2011)。而次中尺度过程与中尺度过程不同之处在于, 它具有较大的垂向速度和相对涡度, 在运动学上表现为三维运动(Qiu et al, 2014; Omand et al, 2015; 郑瑞玺 等, 2018)。现场观测和数值模拟都揭示, 仅在垂向速度上, 次中尺度过程引起的变化要比中尺度过程高几倍乃至几十倍, 这对海—气相互作用及上层海洋的垂向物质能量交换有重要的贡献 (Lévy et al, 2001; Klein et al, 2009; Zhong et al, 2017; Su et al, 2018)。在海洋多尺度动力过程的能量串级过程中, 次中尺度过程也起着重要的桥梁作用。高分辨观测、数值模拟及理论分析结果显示, 次中尺度动力过程能够通过非地转不稳定有效地将地转能量串级到小尺度湍流过程, 为平衡态中尺度过程提供了清晰的能量正向串级与耗散途径(Capet et al, 2008; D'Asaro et al, 2011; Gula et al, 2016)。在复杂地形、强海气相互作用、正斜压不稳定等多种动力因素作用下, 南海在西边界流、中尺度涡、黑潮入侵、以及温度锋面等海区存在着不同类型的次中尺度现象(图4) (Zheng et al, 2008; Liu et al, 2015; Jing et al, 2016; 郑瑞玺 等, 2018), 对区域海洋多尺度相互作用和营养盐垂向输运有着显著影响(Yang et al, 2017; Zhong et al, 2017; Yu et al, 2018; Cao et al, 2019)。另一方面, 受观测制约, 目前的研究还不能阐释次中尺度过程形成、演变的完整动力学机制, 对相关关键科学问题也缺乏深入理解。这将是南海区域海洋学研究的一个重要的前沿方向。
图4 2019年7月10日哨兵-3卫星数据提取的南海西部叶绿素浓度

Fig. 4 Chlorophyll concentration in the western South China Sea extracted from Sentinel-3 satellite data on July 10, 2019

3.3 多尺度相互作用

南海复杂的地形、显著的季风强迫和不均匀的热盐强迫以及黑潮入侵等动力因素决定了南海有着不同时空尺度的海洋动力过程, 不同尺度间既独立又相互作用, 对物质跨尺度输运和能量跨尺度串级都具有重要影响(图5; Qu et al, 2006a; Zhang et al, 2014; Gula et al, 2016; Li et al, 2019)。Yang 等(2019)通过ECCO2再分析数据, 讨论了西太平洋西移中尺度涡与黑潮的相互作用, 发现在黑潮、地形以及西传中尺度涡的非线性相互作用下, 可以在吕宋海峡处诱生涡旋并脱落进入南海, 从而证实涡流相互作用的重要影响。有研究发现, 在西沙群岛附近海区, 西边界流季节内时间尺度上的能量变化主要受中尺度涡的调制, 并且中尺度涡对其能量的最大贡献能够达到90%(Wang et al, 2015)。在南海北部的跨陆坡输运中, 中尺度涡起到重要作用; 简单来说, 暖(冷)涡在东侧引起离岸(向岸)流动, 而在西侧相反; 这种净的跨陆坡流由中尺度涡演化以及自身结构的不对称性所导致, 并且在中尺度涡西传的过程中转化、加强(Wang et al, 2018b), 这其中涉及到中尺度与次中尺度过程的相互作用。Yang 等(2017)发现在中尺度涡旋的边缘具有混合增强的现象, 这与活跃的次中尺度过程有关。Luo 等(2016)通过数值模拟指出, 次中尺度过程可以从地转剪切中吸取能量, 然后将其串级到湍流混合中, 其能量高达4×10-7W·kg-1。
图5 南海多尺度相互作用

据Chelton(2001)修改

Fig. 5 Multi-scale interactions in the South China Sea.

Modified from Chelton (2001)

在大尺度范围, 海洋受到风、潮汐、太阳辐射等强迫, 获得能量, 并在小尺度将能量(通过湍流混合)耗散掉。在这一跨越近十个数量级的多尺度能量串级过程中, 内波扮演了重要的角色(Ferrari et al, 2009)。一般来说, 内波在不同时间和空间尺度上的能量分配遵循Garrett-Munk (GM) 谱模型(Munk, 1981)。不同的非线性波-波相互作用(参数次谐波不稳定、诱导扩散、弹性散射等)将能量在不同尺度之间进行传递, 从而维持了海洋内部普适的GM内波谱。其中, 参数次谐波不稳定(Parametric Subharmonic Instability, PSI)是一种非常高效的能量传递机制, 可以把大尺度过程(母波)能量传递给两个约为母波频率一半的小尺度子波(Müller et al, 1986)。以往研究认为, 半日内潮只有在其临界纬度(28.9º)附近才能发生不稳定(MacKinnon et al, 2005)。然而, 基于南海北部陆架坡的现场观测, Xie等(2008)发现在南海北部(20ºN附近)内潮波PSI机制就能起作用, 且进一步研究发现在半日内潮波D2与惯性内波f之间存在能量传递(Xie et al, 2011)。同时, 通过锚定潜标数据分析发现, 全日内潮在其临界纬度(14.52°N)亦能够通过PSI机制将其能量转移到近惯性内波, 并引发海洋内部强烈的垂向混合(Alford, 2008; Xie et al, 2009)。Xie等(2013)利用吕宋海峡与东沙之间的潜标观测数据发现, 半日内潮能够在海表面反射激发不稳定, 通过PSI机制使得半日内潮能量向全日内潮转化; 且该非线性相互作用过程使得内潮波破碎, 引起海流增大, 表现为一种波-波强非线性作用下的混合机制。Xie等(2016)还发现了全日内潮波在PSI机制下能够转化为次惯性0.5D1波, 并极向运动。该现象主要由背景地转流引起的典型波-流相互作用导致, 即在波-波相互作用的同时又与地转流相互作用; 次惯性0.5D1波在极向移动的同时引起海流的强烈垂向剪切, 从而增强海洋内部垂向混合, 这是引起大尺度内波破碎的新机制。对于南海多尺度动力过程, 南海多岛礁地形是一个非常重要的调制因子。Xu等(2016)系统研究了南海全海盆内潮的能量收支过程, 指出南海的宽广大陆架及东沙、中沙和南沙群岛对内潮生成、能量辐射和耗散具有重要作用。通过数值模拟, Chen等(2019)发现由于内潮波破碎能够所产生近惯性内波, 通过内潮PSI机制以及近惯性内波-内潮非线性相互作用机制, 单独的潮汐强迫便能够产生和维持海洋内部普适的GM内波谱, 这推翻了以往研究认为风和潮汐强迫必须同时存在才能产生GM谱的观点(Sugiyama et al, 2009)。
南海的中小尺度过程亦响应于全球气候变化。以南海中尺度涡为例, 其活跃程度具有年际变化且受ENSO调制。He等(2016b)根据21年的卫星高度计数据发现南海东部涡旋的强度和位置均与ENSO循环紧密相关。在El Niño年, 吕宋冷涡和民都洛暖涡增强, 而民都洛冷涡则减弱; 在La Niña年则刚好相反。这种年际差异与吕宋岛以西风应力旋度和民都洛海峡输运量的年际变化有关。Chu等(2017)利用多年现场观测资料指出越南以东的冷暖涡旋对几乎每年都会出现, 但在强厄尔尼诺—强拉尼娜转换年间消失, 这主要与南海夏季风的变化有关。另外, 春季至夏初南海西部暖涡(112°E, 14°N附近)的生消演化亦受ENSO调制, 其涡动能、生命周期与前一个冬季Niño3.4指数线性相关(Chu et al, 2020)。同样, 南海的内潮也受ENSO调制, 上层海洋热力结构通过改变密度层结成为联系两者的纽带。DeCarlo等(2015)研究表明, 黑潮入侵和由ENSO引起的淡水通量的变化调制了南海密度层结的年际变化, 从而影响了南海内潮的强度; 他们进而指出, 全球变暖会导致南海内潮的强度增强。Zhai等(2020)利用西沙海域潜标数据研究发现, El Niño期间西沙海域上层海洋层结要强于La Niña时期; 在La Niña年弱的层结下, 半日内潮和全日内潮均以低模态为主, 而在El Niño年则表现出更多的高模态信号。

4 南海多尺度环流的生态环境效应

4.1 中尺度涡的生态效应

中尺度涡既能传递能量又可以输送物质, 对全球海洋的物质交换和能量收支平衡乃至生物地球化学环境都具有重要的影响(Zhang et al, 2014; Dong et al, 2014)。研究表明, 海洋中尺度涡主要通过涡旋搅拌、涡旋夹带、涡旋抽吸以及涡致埃克曼抽吸四种机制影响近表层海水中叶绿素分布, 其中前两者体现涡旋水平平流的输送作用, 叶绿素扰动主要与其背景浓度梯度有关; 后两者体现了涡旋垂向上的物质输送(图6; Chelton et al, 2011; Gaube et al, 2014; McGillicuddy, 2016)。
图6 北半球中尺度涡对叶绿素的影响机制, 冷(暖)色分别代表负(正)的叶绿素扰动

依据Gaube等(2014)修改

Fig. 6 The influence mechanism of mesoscale eddies on chlorophyll in the Northern Hemisphere. Cold (warm) color represents negative (positive) chlorophyll disturbance.

Modified from Gaube et al (2014)

南海中尺度涡活跃且存在明显的区域差异, 主要集中在南海西部和北部, 西部涡旋强度最大, 北部涡旋数量多(Wang et al, 2003b; Chen et al, 2011)。相应地, 关于南海中尺度涡旋的生态效应, 近些年也有很多研究工作。Ning等(2004)分析了1998年南海夏季和冬季两个航次的观测资料, 发现气旋涡内普遍存在较高的叶绿素浓度和初级生产力, 而在反气旋涡内情况则大致相反。Huang等(2010)利用卫星高度计和水文观测资料, 对2003年冬季南海北部两个反气旋涡进行了分析, 发现两者的叶绿素浓度虽然都和环境背景值相近, 但对应的浮游植物种群却明显不同, 这与涡旋的形成源地不同有关。Liu等(2013)研究发现南海北部叶绿素的向西传播与中尺度涡有关, 且气旋涡和反气旋涡的作用机制不同。反气旋涡内的叶绿素浓度主要受涡旋的平流输送作用影响, 而气旋涡内的叶绿素浓度受涡旋平流输送和垂向抽吸共同作用。He等(2016a)通过1998—2011年卫星遥感数据探究了南海北部涡旋活动对海表叶绿素时空变化的影响, 指出涡旋搅拌和涡旋抽吸对叶绿素空间分布有重要作用; 前者体现在对叶绿素的经向输送, 将北侧高叶绿素浓度的海水向南侧低浓度区域输运; 而后者体现在垂直方向上引起的上升流(下降流), 从而导致涡旋内部叶绿素含量的变化。进一步研究发现, 涡旋抽吸的作用受混合层深度的影响, 与之相关的叶绿素异常在冬季最为明显, 夏季最弱。在年际变化上, 气旋涡内叶绿素异常受涡旋强度的调节, 与ENSO关系密切, 而反气旋涡内的叶绿素浓度变化可能受到背景浓度的影响。Zhou等(2013)根据观测和一维模式的结果, 指出南海北部反气旋涡内的次中尺度过程诱发向涡中心的水平输送, 导致颗粒有机碳的向下通量增加。Wang等(2018b)研究报道, 在南海西部反气旋涡边缘具有比中心更高的叶绿素浓度, 而涡中心具有更高的硅通量, 可能是垂直对流和侧向输送协同作用的结果。Yan等(2018)发现, 南海西部偶极子涡旋对微生生物的分布、群落组成和功能群有重要影响, 这种影响甚至可以一直延伸到水深500m处。Jiao等(2014)通过现场观测研究发现, 气旋涡发展期, 富含溶解无机碳及营养盐且原核生物丰度低的深层水输送至真光层, 引起浮游植物快速生长及初始总细菌呼吸率的降低, 导致颗粒有机碳向下输出通量增加; 但在气旋涡强化期, 浮游植物及输入的营养盐产生的活性有机碳促进微生物的呼吸作用进而引起颗粒有机碳输入通量的衰减, 也使得我们需重新审视上升流区二氧化碳“源”的问题。气旋涡除影响古生菌和细菌活性外(Zhang et al, 2009), 也会对细菌群落多样性(Zhang et al, 2011a)、海盆中固氮生物群落分布和多样性(Zhang et al, 2011b)产生影响。此外, 受寡营养盐特征的西边界流-黑潮入侵的影响, 发现黑潮入侵降低了南海溶解无机磷的储量, 成为影响SEATS站溶解无机磷储量年际变化的主要因素(Du et al, 2013)。同时对SEATS站的湍流观测发现, 50m以浅湍流输送的硝酸盐通量几乎可忽略, 而通过真光层底边界(~75m)的硝酸盐输送通量则可支撑约11%的新生产力(Du et al, 2017)。
由于缺乏系统性的观测, 我们对海洋浮游生物在中尺度涡内部的分布、代谢活动和群落组成的变化认识仍然不足, 目前主要基于卫星遥感、数值模拟和少量的航次资料。遥感数据只能反演海洋表层的变化, 无法展现中尺度涡内部生态过程在垂向上的变化。数值模型结果需要实测数据的验证。中尺度涡对生态过程的影响非常复杂, 生态过程对中尺度涡的响应在不同阶段均有所不同。因此, 应用新的观测技术, 开展高分辨率的观测对于认知中尺度涡的生态效应非常重要。

4.2 上升流的生态效应

上升流是海洋系统中最重要的过程之一, 是近海海洋环流和物质输送的重要组成部分, 对相关海区的理化环境、水团性质以及生态系统有着重要影响, 历来受到广泛关注(Bakun, 1990; Xie et al, 2003)。沿岸上升流的面积仅占全球海洋表面积的~1%, 但贡献了全球海洋~10%的新生产力和~20%的渔业捕捞量, 对近岸生态系统和渔业生产都具有举足轻重的贡献(Chavez,1995; Pauly et al, 1995)。沿岸上升流的生态效应可表述为: 在与海岸线平行的风场的作用下, 埃克曼效应使得表层海水离岸运动, 在岸界地形约束下深层较冷的海水上升补充流失的表层水体; 同时深层的高营养盐水也被带到上层, 在光合作用下, 浮游植物大量生长具备了有利条件(图7)。
图7 南海上升流的生态效应框架图

Fig. 7 Framework of the ecological effect of upwelling in the South China Sea

目前的研究表明, 南海上升流系统存在多个海区, 覆盖南海北部陆架区、吕宋岛西北外海、以及越南东部沿岸广阔海区(Shaw et al,1996; 吴日升 等, 2003; Jing et al, 2009, 2011; 谢玲玲 等, 2012; Jing et al, 2015; Hu et al, 2016)。Wyrtki(1961)首次指出, 在越南东南沿岸存在着由风驱动的上升流, 其海表温度与周围的水相比低1℃以上。在吕宋岛西北海域, Shaw等(1996)发现上升流出现在冬季, 认为海盆尺度环流而非局地风场是其主要生成机制。吴日升(2003)给出南海北部陆架区上升流的时空分布特征并给出相应的机制解释, 指出夏季西南季风是南海北部陆架区上升流形成的主要因素。在年际时间尺度上, 南海上升流系统的变化受厄尔尼诺遥相关调控, 但不同海区响应效果不同。Xie等(2003)发现1998年夏季越南以东海域上升流明显减弱, 表现为高海温和低叶绿素浓度; 而Jing等(2011)研究发现受印度洋海盆模态影响, 南海北部上升流在1998年夏季明显增强, 对应着低海温和高叶绿素浓度。Zhao等(2018)发现在厄尔尼诺年更高的海表温度和更弱的风速使得越南以东海域上升流区藻华规模减小; 在厄尔尼诺至拉尼娜的过度期, 风场强度的突然变化增强了埃克曼效应, 导致更多营养盐从次表层输送到表层, 提高了藻华规模。在受珠江冲淡水和沿岸上升流双重影响的南海北部陆架区, 利用现场观测结果及三端元混合模型, 实现了在冲淡水和沿岸上升流相互作用下不同水团中营养盐元素的生物消耗及吸收比率(Han et al, 2012)以及净溶解有机碳生产率(Wu et al, 2017)的定量计算, 并成功构建了营养盐的生物地球化学与物理过程耦合的概念模型(Han et al, 2012)。
上升流与南海的渔业资源利用和开发相关, 而且影响了近岸的珊瑚礁生态系统, 在未来相关的研究会得到进一步加强。

5 总结与展望

海洋观测是海洋科学发展的第一推动力。自20世纪50年代末全国第一次海洋普查以来, 我国对海洋科学考察的支持力度不断加大, 近20年海洋科学观测能力不断加强, 以科学考察船为代表的平台建设取得了巨大的进步。随着观测技术的发展、观测航次的增多以及资料的积累, 关于南海多尺度环流及其生态环境效应方面的研究日益深入, 取得了很多优秀的成果。本文简要回顾了自南海北部开放航次计划和国家自然科学基金委员会船时共享航次计划以来, 在南海多尺度海洋动力学及其生态环境效应方面所取得的主要进展。
作为西北太平洋最大的深水边缘海, 南海兼具独立性和开放性。南海贯穿流连通了西太平洋、南海、印度尼西亚海和东印度洋, 调制了南海的与周边大洋的水体交换。在吕宋海峡, 上层水交换呈现季节性的翻转; 在深层~2000m深度上, 水平密度压力差导致的压强梯度力驱动北太平洋深层水以“深海瀑布”的形式入侵南海。观测和模式结果显示, “深水瀑布”在南海深层海盆驱动出气旋式环流, 并且在南海海底海山地形影响下呈现多分支的环流结构。同时, 在复杂的岸界地形和季风环境下强烈的海气相互作用等因素影响下, 南海呈现出多种时空尺度的海洋动力过程, 这包括海盆尺度环流、中尺度涡、次中尺度过程和更小尺度过程, 以及它们之间的能量串级和相互作用。随着卫星遥感技术和数值模式的发展, 南海中小尺度过程及其生态环境效应也受到越来越多研究的关注。
未来仍有诸多科学问题有待解决, 包括但不限于: 次中尺度过程及其生态环境效应、中尺度海气相互作用与区域气候变化、南海深海环流格局及物质循环、南海上下层环流耦合及物质与能量交换; 以及本文没有涉及的南海多尺度环流结构与物理-生态耦合过程、南海生物地球化学循环与碳收支、古海洋学/古气候学与南海地质结构演变等方面的科学问题。这方面的工作, 都需要仔细的进行梳理。
关于南海未来的观测, 本文提出几条不成熟的思考。
1) 持续固定断面长期观测体系。继续推进18°N CLIVAR标准断面、吕宋海峡西侧断面、珠江口断面、南海南部标准断面等固定断面的长期观测(图8), 以期持续观测南海流系结构演变规律, 积淀“透明南海”的科学基础。
图8 未来长期固定观测断面建议

本图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1611的标准地图制作, 底图无修改)

Fig. 8 Suggestions for long-term repeated cruise sections in the future

2) 强化空间一体化的立体观测, 面向科学前沿和国家需求, 采用新的观测设备和观测手段。未来, 通过多手段、多平台的全方位组网, 构建从海表到海底, 从近岸到大洋, 从大尺度到次中尺度、湍流混合, 从单一测量到多变量协同测量的海洋观测网络, 推动南海海洋观测和科学研究的创新发展。
3) 进一步推进海洋动力与生态耦合过程的观测, 研究海洋生态系统对南海多尺度动力过程(如海盆和次海盆尺度环流、中尺度涡旋、上升流、冲淡水、锋面等)的响应机制。通过观测改进南海关键生态动力过程的参数化方案, 提高物理-生态耦合模型的预测能力。
4) 开发新观测信息获取技术。海洋科学的生命力在于观测, 几乎每一次海洋科学的跳跃式进展都依赖于观测技术和观测手段的重大突破。未来加强以Glider、AUV、Deep Argo为代表的新型观测设备组网观测, 同时强化卫星遥感观测。例如, 推动全球海表流场多尺度结构观测卫星计划(Ocean Surface Current Multiscale Observation Mission), 实现对次中尺度全球海表流场的直接观测, 以及风场、温度和海表流场的同步观测。在科学上突破多尺度相互作用和跨洋盆物质交换的动力学瓶颈, 定量解释海洋垂向物质能量收支平衡, 并为海洋非平衡态动力过程的数值模拟和精细化预报奠定动力学基础。此外, 基于海洋中信息的传递主要依赖声学传感, 发展以地震海洋学为代表的新型海洋观测信息提取技术也是未来一个重要方向。

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