摘要：基于2012年10月和12月两次南海北部走航ADCP和站位CTD等资料，分析了南海北部海流的流速结构和温盐特征。通过校正ADCP失准角，将ADCP流速测量精度控制在5 cm/s，并得到两个航次7个断面的流速数据。走航ADCP成功地观测到了南海西边界流和南海暖流，其中西边界流流幅和厚度分别为120 km和200 m，顺风流向西南，最大流速和流量范围分别为30～67 cm/s和0.74～9.70 Sv(1 Sv=106m3/s)；而暖流流幅和厚度分别为40 km和600 m，呈带状结构，逆风流向东北，最大流速和流量范围分别为12～18 cm/s和0.14～1.13 Sv。对海南岛东部同一断面不同时间的两次观测表明，海流的流速结构发生了一定的变化，10月观测时西边界流和暖流分别位于陆架附近的表层和陆坡附近200 m以深的次表层，而12月观测时暖流出现在陆架附近表层到800 m以深的全深度范围，西边界流则分布于暖流南北两侧。在海南岛南部17.1°N、109.9°E 附近观测到有暖流通过，此暖流的位置是迄今为止所有报道中的最西侧。
关键词：南海北部；南海暖流；南海西边界流；走航ADCP观测
南海是西北太平洋最大的半封闭边缘海，周围分别被亚洲大陆、中印半岛、加里曼丹岛、巴拉望岛、菲律宾群岛和台湾岛包围，其跨度为0°～23°N、99°～121°E，面积约30万 km2，平均水深超过1800 m，中心和东部海盆深度超过了5000 m[1]。南海不仅是中国重要的海上交通要道，其海底石油、天然气储备和渔业资源潜在渔获量巨大[2]。南海环流主要受东亚季风驱动，冬季在东北季风驱动下，整个海盆呈气旋式环流，而夏季在西南季风驱动下，整个海盆呈反气旋式环流[3]。南海北部环流比较复杂，也是各种海洋现象频发的海区，涡旋、锋面等时有发生，在粤东沿岸海区和广东外海深水区域终年存在一支东北向的海流，即“南海暖流”，因其冬季逆东北风流动，故又称“冬季逆风海流”[4]，其与两侧的广东沿岸流和黑潮南海分支并列为南海北部三大流系[5]。
1959—1960年，管秉贤[5]基于全国海洋综合调查资料发现，在粤东沿岸海域南海暖流大致沿着100 m等深线流向东北；1971—1973年，基于南海北部定点海流连续观测资料发现，冬季从海南岛东北外海的余流矢量指向东北，流速约25 cm/s,这为初期发现的南海暖流提供了佐证；1978年，基于黑潮联合调查发现，在广东外海大致沿着200、 300、400 m等深线存在一支窄而强的带状结构的东北向海流，个别断面上地转流速最大可达2～3 kn或更大，也称此为南海暖流，并认为早年发现的南海暖流仅系整个东北向流的北翼;1981—1982年，基于南海北部多次调查资料表明，暖流在东沙群岛东部较强而在西部较弱,同时，冬季南海暖流的流轴大致位于陆坡内侧，研究结果也证明了南海暖流是一支斜压性很强的地转流。钟欢良[6]根据1975—1984年南海北部陆架10年水文调查资料，对南海北部的密度环流进行了系统研究，对暖流的来源、流轴位置、流速流量有了更清楚的认识，并认为南海暖流是黑潮南海分支的延续，属同一流系，但流向相反。1987—1989年在南海北部陆坡海域锚系观测到暖流最大流速超过80 cm/s[5]。
对于暖流的驱动机制有不少学者进行了研究。Hsueh[7]认为，受黑潮入侵的影响在陆架坡折处引起的压强梯度变化驱动此暖流；Chiang等[8]通过高分辨率的南海模式指出，冬季暖流主要是季风松弛产生；Yang等[9]认为，暖流是受台湾海峡影响产生的水槽驱动流。关于南海暖流的形成机制众说纷纭，到目前为止尚无明确定论。
南海暖流自被发现以来，对其进行的研究已经取得了很多成果，但还有不少问题，有关南海暖流的流速结构大多是基于地转平衡推测的相对地转流，而有限的定点锚系观测也只局限于空间某几个点，无法得到整个海域南海暖流的完整结构。本研究中，采用2012年10月和12月南海北部开放航次调查资料，对南海北部西边界流和南海暖流的流速结构、流量和水团特征作了详细分析。
1.1观测区域和数据来源
本研究中使用的数据主要为2012年10月和12月两次南海北部开放航次的走航声学多普勒海流计(Acoustic doppler current profiler，ADCP)和站位温盐深仪(Conductivity temperature depth，CTD)所测的资料。两次调查涵盖了南海北部大部分海域，范围为109°～117°E、16°～ 22°N，共完成ADCP有效观测断面7个(表1)，其中S2断面为两航次相同观测断面，CTD调查站位26个(图1)。调查所用ADCP(RDI-VM38型，38.4 kHz)采样频率为2 s，层厚为16 m，层数为60，底跟踪深度为2000 m，第一层采样深度为33 m，获取了观测期间960 m层以浅流速数据。
表1断面观测信息
Tab.1Theinformationofobservationateachsection
断面section观测时间timeonobservation走航方向travelingdirectionCTD站位数CTDnumberS1S2S3S4S510-1813：20—19：4710-142：43—19：0310-2411：02—10-2519：1910-93：50—19：1210-721：20—10-820：37NW-SESE-NWSE-NWSE-NWNW-SE00078S2S3a12-1515：23—12-165：2812-1316：12—12-140：44NW-SENW-SE65
作为辅助数据本研究还使用AVISO(Archivings Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic)提供的融合TOPEX/Poseidon(T/P)、JASON-1、JASON-2和ERS-1/2 四颗卫星的周平均绝对动力地形数据(MADT)(网址为http://www.aviso. oceanobs.com/en/data/products.html)，数据分辨率为1/4°×1/4°，且消除了轨道误差和潮汐信号的影响，对数据更为详细的描述参见文献[10]。风场资料为美国Windsat提供月平均海面风场数据(网址为http://weather.msfc.nasa.gov/sport/windsat)。
注：图中粗黑线和黑点分别代表ADCP观测断面和CTD站位。海底地形等值线单位为m，黑色箭头代表Windsat 2012年10月平均海面风场
Note:The bold lines and bold dots indicate the ADCP sampling sections and CTD stations, respectively. The bathymetric contour lines are measuved in m. The arrows show the monthly mean sea surface wind field in October of 2012 from Windsat
图1 观测站位图
Fig.1 Location map of the sampling sites
1.2数据处理
走航ADCP测流有底跟踪(Bottom-Track)和GPS(Global Position System)两种模式，两者的区别就是测量船速的方式不同，底跟踪模式是通过ADCP发射声波测量静止的海底速度进而反推出船速，而GPS模式则是通过测量一定时间内船的位移来计算船速。一般来说，底跟踪模式比GPS模式测得的船速更为精确，但是受ADCP声学发射条件限制，当观测海域水深超过底跟踪深度范围时，就无法得到底跟踪船速，如S2断面中水深大于2000 m的区域。因此，为了获得断面完整流速数据，必须通过GPS模式补全底跟踪失效部分数据。然而两种模式并不属于同一坐标系，所以在补全数据过程中首先将两种模式矫正到同一坐标系内。
为此引入3种笛卡尔坐标系[11](图2)：NOE地理坐标系，N和E分别代表地理的北和东。由于地磁偏角的存在，真实船向(行船首尾线OY)会出现一定的偏差，这样以真实船向为参考的XOY坐标系与NOE地理坐标系形成了夹角α。在ADCP安装过程中，ADCP的方向与船底的龙骨线(船首尾连线)会出现较小的角度偏差β，构成了X′OY′坐标系，即ADCP测流坐标系。实际计算中，只能得到两个角度之和，即失准角(γ)：
图2 3种笛卡尔坐标系(Osinski[11])
Fig.2 Three kinds of coordinates(Osinski[11])
γ=α+β。
(1)
在上述X′OY′和NOE坐标系内，ADCP底跟踪模式下所得流速vADCP和GPS模式下所得流速vGPS可由下式求得：
vADCP=vship_ADCP+vw_ADCP,
vGPS=vship_GPS+vw_ADCP。
(2)
其中：vw_ADCP为X′OY′坐标系内相对于ADCP的流速;vship_ADCP和vship_GPS分别为X′OY′和NOE坐标系内的船速。两种模式在NOE坐标系内的绝对流速误差εADCP和εGPS可用下式表示：
,
。
(3)
当γ=0时，两种模式的绝对流速不存在误差，但是由于地磁偏角的存在，γ≠0。例如南海北部海区地磁偏角α≈3°(γ≈α)，当船速
=7 m/s，流速
=60 cm/s时，εADCP=0.1 cm/s，εGPS=36 cm/s。可以看出，两种模式的流速会存在一定误差，且GPS模式的误差更大，所以估测并矫正失准角非常重要。
为了探讨本研究中ADCP资料失准角的影响，选取S2断面一段时间内底跟踪船速积分得到行船路线与GPS位置进行比较。如图3-A所示，0点代表积分的起始点，横坐标和纵坐标分别代表行船在纬向和经向的行驶距离。图中两路线夹角即失准角γ为3.06°，此角度也是两个测流坐标系的夹角，两路线最后一点距离为6 km，折合平均船速误差为36 cm/s。为得到NOE内的绝对流速，需将底跟踪路线矫正到与GPS路线重合，如图3-B，矫正角度后最后一点距离为8 m。
进一步检验由上述方法得到的两种船速精度。ADCP底跟踪船速根据现有的设定条件，预计流速误差小于2 cm/s，具有足够精确。但GPS船速计算必须考虑定位误差和空间分辨率的影响。根据前人的经验[12]，首先将GPS数据按照10 min(约5 km)间隔进行平滑处理，然后用下式计算船速：
注：A和B分别为未矫正和矫正失准角情况下底跟踪和GPS的行船路线
Note: A and B indicate the ship speeds with uncorrected and corrected misalignment determined by the bottom track mode and GPS, respectively
图3 S2断面行船路线图
Fig.3 The ship tracks of section S2
vship_GPS(i)=S(ti-5,ti+5)/10,i=6,7,8，…。
(4)
其中：vship_GPS(i)为第i分钟的GPS船速，ti-5和ti+5分别为第i分钟前后各5 min的GPS数据，S为两时刻内的位移。图4为两种模式船速绝对值在垂直断面方向的差值,
。
Δv基本控制在5 cm/s之内。由此可知，当底跟踪资料缺失时，可用GPS模式资料去补充。在高速行船或者水文调查过程中，船向的变化会导致所测船速误差较大，这样就会影响ADCP的测流精度，所以必须去除由此造成的误差值。根据前人的经验，一般可以将船向的标准偏差STD作为去除误差值的标准[12-15]，计算公式如下：
。
(5)
其中：Hi为第i分钟时的船向
为N分钟的平均船向，这里N等于10 min(距离约5 km)。图5为S2断面的船速矢量图，对比图5-A、B可知，当STD>1.3时，对应时间内船向偏转较大，观测数据误差较大，去除此段船速，结果如图5-C所示。后期分析中再通过相邻边界的流速线性内插补全该段数据，最终流速再通过距离6 km、深度48 m的窗口进行平滑处理，去除海洋较小尺度变化的影响。
图4 S2断面底跟踪和GPS模式得到的船速差
Fig.4 Difference in ship speeds determined by the bottom track mode and GPS
注：蓝色和红色矢量分别代表底跟踪船速和底跟踪失效部分的GPS船速；A为船向的STD时间序列；B为未去除误差船速的船速矢量；C为去除误差船速的船速矢量
Note:the blue and red vectors denote the ship speed determined by the bottom track mode and GPS,respectively.A， STD of ship heading; B,vectors of the ship velocity including errors;C,vectors of the ship velocity excluding errors
图5 S2断面船速矢量图
Fig.5 The sagittal ship speed for section S2
2.1ADCP观测结果
图6为走航ADCP观测得到的垂直于不同断面的流速分布图。图6-A～G显示，200 m以浅的流向为西南，为典型的南海西边界流(以下简称西边界流)。西边界流流速较大，流幅较宽，平均流幅和厚度分别为120 km和200 m，其中10月的观测中，最西侧的S1断面最大流速达到67 cm/s(图6-A)，西边界流流速由西向东逐步减小，S2、S3、S4和S5断面最大流速分别为53、52、50、50 cm/s(图6-B～E)。西边界流最大流速均位于断面北侧陆架上方的表层或近表层(见图6中“*”)。200 m以深西南向流速较小，流速一般小于10 cm/s。S1、S2、S3和S5断面(图6-A～C、E)陆坡附近均存在一支带状东北向海流，此海流与图1所示的风速方向相逆，即逆风海流(图6中陆坡附近正流速部分)。此逆风海流也称南海暖流(以下简称为暖流)。暖流与西边界流相比，流幅较窄，平均流幅和厚度分别为40 km和600 m，且均可见明显流核。S1、S2、S3和S5断面(图6-A～C、E)暖流的最大流速分别为16、16、17、12 cm/s(见图6中“+”)。S2和S3断面暖流右侧、远离陆坡处出现的东北向流将在后面的讨论中说明。
注：▼示CTD站位；流速正值示垂直于断面的东北向流，+示东北向流中最大流速位置，负值示西南向流，*示西南向流中最大流速位置；流速等值线间隔为10 cm/s，粗灰线示海底地形，粗黑线示流速零线
Note: ▼ indicate the locations of CTD stations. Positive and negative value indicates northeastward and southwestward current, respectively. + and * denote the maximum northeastward and southwestward velocities. Contour interval is 10 cm/s. The bold grey line represents the sea bottom and the bold line denotes the current velocity
图6 垂直于不同断面的流速分布图
Fig.6 Vertical sections of the current velocity across the section measured by the shipboard ADCP
对比S2断面10月(图6-B)和12月(图6-F)两次观测可知，海流的流速结构发生了明显变化。具体表现为：10月西边界流位于陆架上方，暖流位于200 m以深陆坡附近，而12月从表层到800 m以深的全深度范围都可以确认到暖流的出现，西边界流由于暖流的“露头”，被分割成南北两部分,且在相距50 km的170 m水层两支海流均可见明显流核。S2(图6-F)、S3a(图6-G)断面西边界流最大流速分别为45、30 cm/s，暖流最大流速分别为18、13 cm/s。
表2为各断面的暖流和西边界流的流量。对S2断面的两次观测时期，暖流流量分别为1.05、1.11 Sv，几乎保持不变，而西边界流分别为7.11、8.75 Sv，由此可知进入冬季西边界流得到加强。
表2各断面南海暖流和西边界流流量
Tab.2Thevolumetransportofthewarmcurrentandwesternboundarycurrentateachsection
观测日期date断面section暖流/Svwarmcurrent西边界流/Svwesternboundarycurrent流量积分点/kmcalculationpointS11 135 2828 5～184 4S21 057 117 4～286 510月S30 629 7057 4～328 4S4∗4 501 1～166 5S50 141 941 4～165 412月S21 118 757 5～208 2S3a0 180 7413 5～159 0
2.2CTD观测结果
图7为10月和12月两次观测期间各断面的温盐分布图。12月观测的S2断面(图7-A、B)温盐跃层位于70 m水层附近，等温线和等盐度线走势相似，整体自东南向西北下倾。等温线在西北侧2～3站位间的100 m水深处隆起成拱形，根据地转原理可知，西北侧海流流向东北，东南侧流向西南，且北侧水温高于南侧。ADCP观测显示，在西北侧2～3站位间为东北向的暖流，东南侧为西南向的西边界流，与地转分布吻合(见图7-A、B中的灰色部分)。暖流对应站位(图7-A北起第2个站位)与此断面所有站位300 m以浅温度距平为+0.6 ℃。12月观测的S3a断面(图7-C、D)100 m以深等温线整体自西北向东南下倾，根据地转原理可知，图7-C有东北向流通过，且南侧水温高于北侧。ADCP观测显示，在断面南侧100 m以深同样出现东北向的暖流，与地转分布一致(图7-C、D中的灰色部分)。
10月观测的S4断面(图7-E、F)等温线和等盐度线整体均自东南向西北下倾，断面地转流为西向流。ADCP观测显示，断面均为西南向的西边界流，与地转分布吻合。盐度断面显示，在150 m深度附近出现高盐水，最大盐度为34.7。同样，10月观测的S5断面在西北侧左起第6站位附近(图7-G、H)也可看到东北向的暖流，与ADCP观测较为吻合。
图7 各断面温度、盐度分布图(阴影区域示南海暖流位置，▼示CTD观测站位)
Fig.7 Vertical section of temperature，salinity(The shaded area indicates warm current，and ▼ indicate the locations of CTD stations)
南海西边界流与南海暖流是南海北部两支较为重要的海流，其在整个南海环流系统中担任重要角色。以往对于两种流系的研究大多基于地转平衡得到的相对地转流和有限的锚系观测，而大断面的走航ADCP观测研究甚少。本研究中获取了观测区域两支流系较完整的流速结构以及最大流速、流量和流幅等观测值。本研究中ADCP观测显示，南海西边界流最大流速和最大流量分别为67 cm/s和9.7 Sv，暖流最大流速和最大流量分别为18 cm/s和1.13 Sv，这与郭忠信等[16]的观测结果基本一致。S2和S3断面观测期间，在暖流的右侧远离陆坡处均出现东北向流(图6-B、F远离陆坡正流速部分)，这与管秉贤[17]指出的在暖流右侧也会出现类似特征的顺时针环流的结论相似。S4断面盐度分布显示，在150 m水深附近出现高盐水团，而以往的观测也曾多次报道这个位置出现高盐水团迹象[16,18]。
图8分别为10月和12月观测的ADCP表层流场、暖流流轴和同时期的卫星海面绝对地转流场图，可以看出，ADCP表层流场与卫星海面绝对地转流场吻合较好，而且两次观测得到的南海北部流场有一定的变化。12月观测的S3a断面(图8-B)北部大致在100 m等深线处有一支较弱的东北向流，此海流与管秉贤[4]最早发现的南海暖流位置相近，当时认为此海流仅系整个东北向流的北翼。而在断面南部约200 m等深线附近可见东北向流出现向南偏转迹象，这一现象与钟观良[6]指出的冬季南海暖流在流至114°E海域附近向南偏转现象类似。管秉贤[4]和郭忠信等[16]早年报道暖流的位置仅仅局限于海南岛东部111°E以东、18°N以北的海区，而对于西南侧海区暖流情况未见报道。本研究中在海南岛南部17.1°N、109.9°E附近也观测到暖流通过，此暖流的位置是迄今为止所有报道中的最西侧。
图8 2012年10月(A)和12月(B)的ADCP表层流场(红色箭头)与绝对动力地形得到的平均绝对地转流场(蓝色箭头)对比图(绿色箭头示暖流流轴)
Fig.8 Comparison between the surface current velocity measured by shipboard ADCP (red vectors) and geostrophic current (blue vectors) calculated from the merged absolute dynamic topography in October(A) and December (B) of 2012(green vectors indicate warm current)
致谢：感谢参加两个航次南海海洋学综合科学考察实验的所有科技人员及“实验3”号考察船船长李有光、首席研究员周生启、调查队长毛华斌、吴泽文和全体船员的支持！
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Abstract：The characteristics of current velocity and structures of temperature and salinity were evaluated by the shipboard ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) and CTD (Conductivity Temperature Depth) data collected during two cruises in the northern South China Sea (SCS) in October and December of 2012.The accuracy of shipboard ADCP velocity was controlled within 5 cm/s by the corrected misalignment angle, and current velocity data of were obtained at seven sections from the two cruises. The SCS western boundary current and warm current were successfully observed by the shipboard ADCP survey. The SCS western boundary current was flowing southwestward downwind with a width of 120 km and a vertical range of 200 m with the maximum velocity from 30 cm/s to 67 cm/s and from 0.74 Sv to 9.70 Sv (1 Sv=106m3/s). The warm current, however, was flowing northeastward upwind with a horizontal and vertical ranges of 40 km and 600 m, with the maximum velocity of 12-18 cm/s and 0.14-1.13 Sv. The two cruises revealed that there were some changes in the velocity structure in the same section of east Hainan Island. In October, the western boundary current and warm current were located in the surface layer near the shelf and below 200 m near the slope, while the western current was divided into northern and southern branches by the warm current which located in depth from surface to 800 m depth. Moreover, the warm current was found in south of Hainan Island near 17.1°N,109.9°E, and is until now the most westwards.
Key words：north South China Sea; warm current in South China Sea; western boundary current in South China Sea; shipboard ADCP survey
DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2014.03.023
文章编号：2095-1388(2014)03-0309-07
收稿日期：2013-09-16
基金项目：国家基础研究发展规划项目(2011CB403503)；国家自然科学基金资助项目(40776021，41176021，41321004)；辽宁省教育厅科研项目(L2012268)
中图分类号：P717
文献标志码：：A