基于GIS的南海中尺度渦旋典型過程的特征分析

杜云艷, 王麗敬, 樊 星, 周成虎

(中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100101)

基于GIS的南海中尺度渦旋典型過程的特征分析

杜云艷, 王麗敬, 樊 星, 周成虎

(中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100101)

以具有復(fù)雜時空演變過程的海洋中尺度渦旋為研究對象, 以定量表達和組織渦旋典型過程案例為前提, 基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表層海流場, 對海洋中尺度渦旋進行綜合辨認和動態(tài)跟蹤。以南海為例, 通過提取渦旋典型過程中的典型狀態(tài), 建立中尺度渦旋典型案例庫。然后以庫中所有過程案例為對象對渦旋進行GIS(Geographic Information System)時空特征分析。所得結(jié)果為: (1) 南海中尺度渦旋整體上呈東北-西南向分布, 渦旋水平移動速度為3～16 cm/s, 平均速度為8.4 cm/s。(2) 大部分渦旋向西移動。春夏季渦旋主要向西北方向移動, 秋冬季渦旋主要向西南方向移動。(3) 南海東北部渦旋主要集中在9～10月以及次年的1～2月發(fā)生, 渦旋先向西北方向移動, 后又轉(zhuǎn)向西南方向移動, 大部分中尺度渦旋不能西移太遠。南海中部氣旋渦主要發(fā)生在冬、春兩季。一部分渦旋沿陸坡向西南運動,其中一些反氣旋渦沿南海海盆向西運動。南海東南部在研究期內(nèi)只有反氣旋渦出現(xiàn), 向西或西北偏西運動, 這里的渦旋比較弱, 但移動距離較長, 也有較長的生命周期。南海西南部夏季出現(xiàn)的渦旋多于冬季, 且夏季的絕大部分渦旋以偶極子結(jié)構(gòu)出現(xiàn), 該區(qū)域渦旋移動的距離較小。該研究引入GIS技術(shù), 基于大量時空數(shù)據(jù)對具有復(fù)雜時空特征的中尺度渦旋的信息進行組織、存儲, 以期通過對渦旋生消過程的時空分析來揭示其演變規(guī)律, 為進一步研究海洋渦旋的空間推理預(yù)測奠定了堅實的基礎(chǔ)。

中尺度渦旋; 典型過程; GIS(Geographic Information System); 時空特征分析; 南海

海洋渦旋對海水中熱量、鹽分、化學(xué)物質(zhì)的輸運及分區(qū)動力條件的改變起到至關(guān)重要的作用[1]。特別是中尺度渦旋, 對分區(qū)水動力環(huán)境的影響不可忽視[2]。近年來, 隨著空間探測手段的不斷提高, 海洋中尺度渦旋的研究有了長足的進展。已有大量研究成果綜合利用了衛(wèi)星高度計、衛(wèi)星跟蹤浮標、數(shù)值模擬和常規(guī)水文觀測對一定時期內(nèi)的1個或幾個中尺度渦旋的生命歷程及其與當(dāng)?shù)丨h(huán)流場的相互作用進行跟蹤和統(tǒng)計分析[2-10]。本文引入GIS(Geographic Information System)技術(shù), 基于大量時空數(shù)據(jù)對具有復(fù)雜時空特征的中尺度渦旋的信息進行組織、存儲,以期通過對渦旋生消過程的時空分析來揭示其演變規(guī)律, 為進一步研究海洋渦旋的空間推理預(yù)測奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 資料與方法

本文選取南海作為中尺度渦旋特征研究的典型分區(qū)。南海(98.5°～122.5°E , 0°～24.5°N)是西北太平洋最大的半封閉邊緣海, 地形復(fù)雜, 島嶼眾多, 海域面積約350萬 km2, 平均水深約為1 800 m, 最大水深約為5 000 m[11]。受海面大氣強迫場、海洋內(nèi)部環(huán)流的不穩(wěn)定過程以及復(fù)雜地形的共同影響, 南海中尺度渦旋較為活躍[12]。根據(jù)中尺度渦旋產(chǎn)生機理的差異, 按渦旋產(chǎn)生的地理位置, 將南海分為東北部(Z1),中部(Z2), 東南部(Z3)和西南部(Z4)4個分區(qū)[11], 如圖1所示。

1.1 資料來源

本文采用美國海軍實驗室(Navy Research Laboratory, NRL)提供的全球分層海洋數(shù)值模式Global NLOM模擬所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表層海流數(shù)據(jù)(http: //www 7320.nrlssc.navy.mil/global_nlom32/scs.html)。該模式同化了ENVISAT、GFO 和 JASON-1的SSH, IR(infrared)的SST等多種衛(wèi)星資料。模式空間分辨率為(1/32)°×(1/32)°, 時間分辨率為1 d。Du等[13]利用2003～2009年的南海SSH進行距平計算得到SSHA(Sea Surface Height Anomaly), 對SSHA與AVISO提供的海表面異常觀測數(shù)據(jù)SLA(Sea Level Anomaly)進行了對比分析, 同時還對巡海測量數(shù)據(jù)與NLOM表層海流數(shù)據(jù)進行了對比分析, 分析結(jié)果表明NLOM模式的SSH在南海地區(qū)是可用的。本文對全球分層海洋數(shù)值模式所得SST數(shù)據(jù)與2008年8月16日～9月18日航次觀測數(shù)據(jù)(由中國科學(xué)院南海海洋研究所提供)進行比較(圖2), 模式所得SST與觀測結(jié)果的平均誤差為0.94%,因此可以認為該模式所得數(shù)據(jù)可靠。本文構(gòu)建的典型中尺度渦旋過程案例是在綜合分析SST, SSHA 和流場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上由目視解譯獲取。

圖1 南海地形(m)圖Fig. 1 Topographic map of the South China Sea (SCS)

1.2 中尺度渦旋典型過程案例提取方法

圖2 模式所得SST與航次觀測溫度對比圖Fig. 2 Comparison of simulated SST and in situ sea surface temperature

渦旋過程典型案例的組織與定量表達尤為重要。采用GIS時空分級表達模型來存儲渦旋典型過程案例,將渦旋的生命周期劃分為產(chǎn)生-發(fā)展-穩(wěn)定-減弱-消亡 5個典型階段(每個階段有n個狀態(tài))[14], 每個典型階段包含0～3個典型狀態(tài)。典型狀態(tài)需記錄渦旋空間位置與空間形態(tài)發(fā)生較大變化時刻的信息。典型過程的分解方法為: 首先, 由人工目視識別出渦旋產(chǎn)生與消亡階段的時間和空間位置, 記錄為一個典型過程; 然后, 對該過程內(nèi)的每個階段及各個狀態(tài)進行劃分。

渦旋典型過程是由渦旋達到穩(wěn)定階段的強度、空間尺度及空間形態(tài)等指標信息來界定。本文采用的渦旋判定標準為: (1) 閉合的SSH等值線[9,11]; (2) 水平空間尺度為100 km, 渦旋生命周期持續(xù)20 d以上; (3) 渦旋強度不小于8 cm[9,11]。在渦旋時空尺度的選取上, 王桂華[11]選取持續(xù)30 d以上的渦旋;林鵬飛等[9]選取中尺度渦旋直徑不小于100 km, 并要求渦旋至少持續(xù)5周。參考前人結(jié)果, 并結(jié)合實際,確定本文的渦旋時間尺度為持續(xù)20 d以上。本文所用資料的時空分辨率較高, 因而可識別生命周期相對較短的渦旋。

圖3 南海典型中尺度渦旋過程的抽取與組織流程Fig. 3 Flow chart of the extraction and organization of typical meso-scale eddy processes in the SCS

采用上述判定指標, 對2003年11月～2009年6月南海中尺度渦旋進行識別和定量提取, 提取流程如圖3所示。提取方法為: (1) 從SSH, SST和表層海流3個參數(shù)的圖像中初步識別出渦旋的典型過程并提取; (2) 采用 GIS時空分級模型組織存儲渦旋過程對象,構(gòu)建海洋中尺度渦旋 GIS案例庫。一方面采用 GIS的快照模型對渦旋每一典型過程的各個狀態(tài)進行空間形態(tài)的組織與存儲, 同時定量提取渦旋的空間特征信息(空間尺度、形態(tài)指數(shù)等); 另一方面, 根據(jù)定量提取出的渦旋空間信息, 從原始資料中獲取對應(yīng)的渦旋強度、渦度、中心點溫度、中心點與外圍溫差、表層海流的最大流速等動力參數(shù)。

1.2.1 海洋渦旋過程案例的GIS分級表達模型

GIS案例庫中渦旋過程的表達分為過程、階段和狀態(tài)三個級別分別進行, 定義如下所示:

過程: {過程唯一標識, 過程起始時間, 過程結(jié)束時間, 發(fā)生區(qū)域, 渦旋類型, 產(chǎn)生階段標識, 發(fā)展階段標識, 穩(wěn)定階段標識, 減弱階段標識, 消亡階段標識, (過程名稱), (過程屬性)};

階段: {階段唯一標識, 前一階段標識, 后一階段標識, 階段起始時間, 階段結(jié)束時間, 狀態(tài)標識, (階段名稱), (階段屬性)};

狀態(tài): {狀態(tài)唯一標識, 中心點經(jīng)緯度, 狀態(tài)時刻, 狀態(tài)屬性, 空間形態(tài)};

其中, 空間形態(tài)={(long1, lat1), (long2, lat2), …, (longm, latm)}, 用一系列坐標串來表示, longm為經(jīng)度, latm為緯度?！皗}”表示包含的選項, 其中的“()”表示可選項,斜體字表示可重復(fù)的選項, 其余為必選項。

在案例過程的分級表達模型中, 案例過程包括案例標識、過程發(fā)生的起止時間和區(qū)域、渦旋過程類型、可選名稱項和案例屬性信息, 而其空間信息以及更為詳細的屬性信息是通過與相關(guān)聯(lián)的階段案例描述的。階段定義中包含其描述信息, 如標識、可選名稱項、起止時間、屬性信息, 同時有其前后階段標識和案例狀態(tài)標識。案例狀態(tài)是過程的最終描述單元, 提供過程和階段時刻上的屬性信息和空間形態(tài)信息。

1.2.2 渦旋典型狀態(tài)的屬性特征及渦旋過程的移動特征指標

渦旋案例典型狀態(tài)的屬性包括兩大類, 其一是空間特征信息, 其二是渦旋的動力參數(shù)。主要有:

1) 長軸長度: 經(jīng)渦旋幾何中心, 所能獲得的最大弦長定義為長軸(單位: km)。

2) 短軸長度: 經(jīng)渦旋幾何中心, 垂直于長軸的弦長(單位: km)。

3) 空間尺度D: 長軸尺度與短軸尺度之和的一半(單位: km)。

4) 緊湊度C: 衡量空間數(shù)據(jù)圖斑的完整性和聚集性的指標, 由公式(1)得到:

其中,S為渦旋表層的總面積,P為渦旋的周長。

5) 渦旋強度M: 渦旋中心與外圍的振幅差(單位: cm)。

6) 渦度?(單位: s-1) :

其中,u,v分別為渦的線速度的分量, g為重力加速度,D為渦旋空間尺度,f為科氏力參數(shù)[11]。

7) 中心點溫度: 渦旋中心位置的溫度(單位: ℃)。

8) 中心點與外圍溫差: 渦旋中心點溫度與渦旋外圍溫度之差(單位: ℃)。

9) 渦旋最大流速: 渦旋內(nèi)最大的表層流速(單位: m/s)。

渦旋過程整體的定量描述采用渦旋移動的路徑與移動的特征參數(shù)進行, 特征參數(shù)包括:

1) 移動距離L: 從渦旋產(chǎn)生位置到渦旋消失位置的位移(單位: km);

2) 移動速度V: 單位時間內(nèi)渦旋移動的位移長度(單位: cm/s);

3) 移動方向O: 采用標準八方向定性描述和方位角定量描述(定義北為0°, 東為90°)。

1.2.3 渦旋典型過程案例介紹

按照上述方法提取南海中尺度渦旋, 共提取出76個渦旋(51個反氣旋渦和25個氣旋渦)的391個典型狀態(tài)來構(gòu)建中尺度渦旋典型過程案例庫(76個渦旋中包含58個完整的過程案例和18個只用一個典型狀態(tài)表示的案例, 我們認為這種只用某一典型狀態(tài)表示的案例是過程的特例, 后文的統(tǒng)計不再進行細分)。采用GIS時空分析方法, 對分布在Z1～ Z4四個分區(qū)內(nèi)的渦旋在兩個季風(fēng)期期間移動的時空特征進行分析。渦旋移動路徑和特征參數(shù)的計算采用ArcGIS軟件的二次開發(fā)獲得。表1和表2分別是南海渦旋典型過程案例庫的過程信息表和狀態(tài)信息表。圖4給出了一個渦旋典型移動過程的案例(過程唯一標識為SCS72)的移動路徑示例。

2 結(jié)果與討論

2.1 中尺度渦旋的時空分布特征

圖5給出了76個渦旋源地的空間分布。由圖5可知, 中尺度渦旋主要產(chǎn)生在中心海盆邊緣2 000 m等深線以深海域及呂宋島以西海域, 呈東北-西南向分布, 與林鵬飛[9]的研究結(jié)果不甚一致, 是由研究時間段不同和渦旋篩選條件不完全相同所造成的。其中, 氣旋渦數(shù)量較少, 分布于 2 000 m等深線附近,在臺灣島西南和越南半島外海分布較為集中; 反氣旋渦數(shù)量明顯多于氣旋渦, 分布的海域也更為廣泛,除了沿2 000 m等深線兩側(cè)均勻分布之外, 在呂宋島西側(cè)的海盆中心區(qū)域(14°～19°N , 117°～121°E)也分布了相當(dāng)數(shù)量的反氣旋渦。此外, 在(14°～15°N , 118°～ 120°E)區(qū)域內(nèi)冬季經(jīng)常出現(xiàn)反氣旋渦, 氣旋渦幾乎不出現(xiàn), 這與林鵬飛等[9]的統(tǒng)計結(jié)果一致。

表1 南海區(qū)域2003年11月～2009年6月海洋渦旋案例庫——過程信息表Tab.1 The case library of ocean eddies in the SCS from Nov.2003 to Jun.2009——process information

表2 南海區(qū)域2003年11月～2009年6月海洋渦旋案例庫——狀態(tài)信息表Tab.2 The case library of ocean eddies in the SCS from Nov.2003 to Jun.2009——state information

圖5 渦旋生成源地的地理位置分布圖Fig. 5 The original locations of mesoscale eddies in the SCS

圖 4 一個渦旋的空間移動路徑示意圖(過程唯一標識為SCS72)Fig. 4 Moving track of an eddy marked as SCS72 as a case

由統(tǒng)計結(jié)果可知, 在2003年11月～2009年6月期間, 年均出現(xiàn)渦旋 13.4個, 其中反氣旋渦 9.0個,氣旋渦 4.4個。圖 6給出了渦旋個數(shù)在完整年份(2004～2008)的年際變化趨勢, 由圖6可知, 4個分區(qū)的渦旋總數(shù)年際變化較大, 且每個分區(qū)的情況不盡相同。南海 4個分區(qū)的渦旋總數(shù)年際變化趨勢也不盡相同, 2004年和 2008年的差異不大, 但在2005～2007年間變化劇烈。表3統(tǒng)計了2003年11月～ 2009年6月南海4個分區(qū)氣旋渦與反氣旋渦的總數(shù)(表 3)。南海西南部海域產(chǎn)生的渦旋數(shù)量最多(25個), 中部次之(23個), 北部17個, 東南部最少(11個)。除西南部海域外, 反氣旋渦的數(shù)量均多于氣旋渦的數(shù)量。特別是在東南部海域, 統(tǒng)計時間內(nèi)沒有氣旋渦產(chǎn)生。表4統(tǒng)計了2004～2008年氣旋渦與反氣旋渦總數(shù)的年際變化。除2005年氣旋渦與反氣旋渦的數(shù)量持平(8個)之外, 其它年份的反氣旋渦數(shù)量均顯著高于氣旋渦。

圖7給出了2003年11月～2009年6月南海中尺度渦旋總數(shù)的月統(tǒng)計圖, 10月和12月產(chǎn)生的渦旋最多, 9月和11月最少。表5分季節(jié)統(tǒng)計了2003年11月～2009年6月期間的氣旋渦與反氣旋渦的總數(shù)。反氣旋渦的總數(shù)比氣旋渦多出1倍, 氣旋渦在秋冬季生成的數(shù)量(18個)遠高于春夏季(7個), 反氣旋渦的數(shù)量在2個季節(jié)差異不大, 春夏季比秋冬季少3個。在秋冬季共產(chǎn)生45個渦旋, 春夏季共產(chǎn)生31個。秋冬季節(jié)下, 黑潮的頻繁入侵使得渦旋產(chǎn)生的數(shù)量高于春夏季[15-17]。

圖6 2004～2008年南海及4個分區(qū)渦旋數(shù)量的年際變化Fig. 6 Annually statistical chart of the numbers of mesoscale eddies in the whole SCS and its four zones during 2004～2008

圖7 2003年11月～2009年6月南海渦旋產(chǎn)生數(shù)量的月統(tǒng)計圖Fig. 7 Monthly statistical histogram of the number of meso-scale eddies in the SCS from Nov.2003 to Jun.2009

表3 2003年11月～2009年6月南海及4個分區(qū)氣旋渦與反氣旋渦的數(shù)量Tab.3 The numbers of anticyclonic eddies and cyclonic eddies in the four zones of the SCS from Nov.2003 to Jun.2009

表4 2004～2008年每年氣旋渦與反氣旋渦的數(shù)量Tab.4 The yearly numbers of anticyclonic eddies and cyclonic eddies in the SCS from 2004 to 2008

南海上層環(huán)流受季風(fēng)影響顯著, 因此渦旋的產(chǎn)生具有明顯的季節(jié)性[18]。圖 8給出了春夏季和秋冬季的氣旋渦與反氣旋渦源地的空間分布。

由圖 8可知: (1) 在南海東北部, 春夏季僅有 1個氣旋渦形成, 而在秋冬季氣旋渦的數(shù)量明顯增加,反氣旋渦的數(shù)量也有所增加; 渦旋出現(xiàn)在臺灣島西南, 反氣旋渦均位于氣旋渦的西側(cè)。(2) 在南海中部,秋冬季產(chǎn)生的兩類渦旋數(shù)量均大于春夏季, 在春夏季僅有1個氣旋渦產(chǎn)生, 在秋冬季有3個。(3) 在南海東南部, 渦旋的活動不夠活躍。產(chǎn)生的數(shù)量極少,秋冬季多于春夏季, 且兩個季節(jié)均沒有氣旋渦產(chǎn)生,只有反氣旋渦。(4) 在南海西南部, 春夏季的渦旋數(shù)量明顯多于秋冬季, 這與其它3個分區(qū)的趨勢恰好相反。在春夏季形成的主要是反氣旋渦, 氣旋渦僅有5個; 而在秋冬季, 形成的主要是氣旋渦, 反氣旋渦僅有1個。

表5 2003年11月～2009年6月春夏季與秋冬季氣旋渦與反氣旋渦的總數(shù)量Tab.5 The seasonal numbers of anticyclonic eddies and cyclonic eddies in the SCS from Nov.2003 to Jun.2009

2.2 中尺度渦旋過程移動的區(qū)域性特征

圖9給出了不同季風(fēng)期內(nèi)典型渦旋過程的移動軌跡, 其中箭頭所指方向為渦旋移動方向。經(jīng)計算,渦旋的平均水平移動距離為237 km, 其中反氣旋渦為249 km, 氣旋渦為210 km, 此結(jié)果略小于王桂華[11]的統(tǒng)計結(jié)果。渦旋水平移動速度為3～16 cm/s,平均速度為8.4 cm/s, 其中反氣旋渦平均移動速度為9.2 cm/s, 氣旋渦平均移動速度為6.8 cm/s, 可見反氣旋渦比氣旋渦的移動速度大35%。此反氣旋結(jié)果與Wang等[4]采用衛(wèi)星高度計資料、衛(wèi)星跟蹤浮標資料以及水文觀測資料追蹤的南海東北部的兩個暖渦的移動特征相似。其中70%的渦旋移動方向為西北和西南向, 平均移動相位角為262°, 即往西移動。

為了討論渦旋移動的區(qū)域特征, 針對南海的 4個分區(qū)分別進行渦旋過程移動的時空特征分析, 圖10給出了4個分區(qū)的渦旋移動方向的玫瑰圖。由結(jié)果可知:

1) 南海東北部: 渦旋主要集中在9～10月以及次年的1～2月發(fā)生, 即東北季風(fēng)期。渦旋平均移動距離為247 km, 大部分渦不能向西跨過118° E, 渦旋平均移動速度為8.1 cm/s, 移動方向為西南(256°)。從渦旋過程內(nèi)部各階段的具體演變來看, 產(chǎn)生-發(fā)展階段的移動速度為11.3 cm/s, 向西北方向(280°)移動; 發(fā)展-穩(wěn)定階段移動速率減小到7.1 cm/s, 轉(zhuǎn)向西南, 移動方向為203°; 減弱-消亡階段的移動速度又開始增加,達13 cm/s, 移動方向逐漸偏西, 為260°。大部分中尺度渦不能西移太遠, 一方面因為地形的阻擋作用(這里的地形導(dǎo)致中尺度渦旋向西北移動[11]); 另一方面由于臺灣島西南側(cè)有一小范圍的反氣旋式環(huán)流, 在其作用下渦旋難以西移[11]。

圖8 南海春夏季與秋冬季氣旋與反氣旋渦的空間分布Fig. 8 Seasonal distributions of anticyclonic eddies and cyclonic eddies in the SCS

2) 南海中部: 氣旋渦主要發(fā)生在冬、春兩季。一部分渦旋沿陸坡向西南運動, 其中一些反氣旋渦沿南海海盆向西運動[11]。渦旋平均水平移動距離為215 km, 移動速度為10.2 cm/s, 移動方向為西南(251°)。從渦旋過程內(nèi)各階段的具體演變來看, 渦旋產(chǎn)生-發(fā)展階段的移動速度最大, 為 12.5 cm/s, 向西南方向(252°)移動; 到發(fā)展-穩(wěn)定階段移動速度減小到8.8 cm/s, 繼續(xù)向西移動, 移動方向為264°; 減弱-消亡階段的移動速度又增大到 11.4 cm/s, 轉(zhuǎn)向西南方向移動(228°)。

3) 南海東南部: 只有反氣旋渦出現(xiàn), 向西或西北偏西運動。這里的渦旋比較弱, 但移動距離較長, 也有較長的生命周期[11]。渦旋平均水平移動距離為323 km,移動速度為8.2 cm/s, 向西(274°)移動。從渦旋過程內(nèi)各階段的具體演變來看, 從產(chǎn)生到發(fā)展、穩(wěn)定階段的移動速度較小, 為6 cm/s, 向西北方向移動, 移動方向為296°, 穩(wěn)定-消弱階段移動速度逐漸變快, 達到11.4 cm/s,移動方向為 280°, 減弱-消亡階段移動速度稍有減慢,為10.2 cm/s, 并逐漸轉(zhuǎn)向西南(252°)。

4) 南海西南部: 渦旋移動的軌跡較短。夏季出現(xiàn)的渦旋多于冬季, 且夏季的絕大部分渦旋與偶極子結(jié)構(gòu)相關(guān)[11]。渦旋平均水平移動距離為 213 km,移動速度為 9.8 cm/s, 移動方向為西北(300°)。從渦旋過程內(nèi)各階段的具體演變來看, 產(chǎn)生-發(fā)展階段的最大移動速度為 11.6 cm/s, 向西北方向(290°)移動;從發(fā)展到穩(wěn)定、減弱階段移動速度逐漸減小, 為8.4 m/s,移動方向為西北(288°); 減弱-消亡階段渦旋的移動速度又增至10.5 cm/s, 向西(270°)移動。其中氣旋渦與反氣旋渦移動速度差別較大, 氣旋渦為 8.2 cm/s,反氣旋渦為 10.6 cm/s, 氣旋渦移動逐步加快, 而反氣旋渦的移動逐步減慢。

圖9 南海春夏季與秋冬季氣旋與反氣旋渦移動過程路徑示意圖Fig. 9 The seasonal sketch maps of the moving tracks of anticyclonic eddies and cyclonic eddies in the SCS

圖10 各分區(qū)渦旋水平移動方向玫瑰圖Fig. 10 The rose diagram of eddy moving directions in the four zones of the SCS

2.3 中尺度渦旋移動過程的季節(jié)性特征

南海位于東亞季風(fēng)區(qū), 冬季盛行強勁的東北季風(fēng), 夏季盛行西南季風(fēng)。為討論中尺度渦隨季節(jié)的變化規(guī)律, 按不同的季風(fēng)期來劃分時間段。冬季季風(fēng)期從10月份到次年3月, 4～5月為春季轉(zhuǎn)換期, 6～8月為夏季季風(fēng)期, 9月為秋季轉(zhuǎn)換期[11]。本文按秋冬季和春夏季兩個季風(fēng)期分別對典型的渦旋過程案例進行統(tǒng)計分析。

由圖8和圖9可知, 春夏季共產(chǎn)生31個渦旋, 其中氣旋渦7個, 反氣旋渦24個。該季節(jié)產(chǎn)生的渦旋主要集中在南海西南部海域, 以反氣旋渦居多, 且部分渦旋呈偶極子[11]形式出現(xiàn), 南側(cè)為反氣旋渦, 北側(cè)為氣旋渦。在春夏季, 渦旋整體上向西北方向移動(291°), 平均移動速度為8.2 cm/s。從渦旋生消的不同階段來看, 渦旋產(chǎn)生的早期是向西北方向移動, 然后轉(zhuǎn)向西。秋冬季共產(chǎn)生45個渦旋, 其中18個氣旋渦, 27個反氣旋渦。該季節(jié)出現(xiàn)的渦旋較春夏季多, 且主要集中在南海東北部和中部海域[11]。在南海東北部,秋冬季期間臺灣島西南部以反氣旋渦為主, 也出現(xiàn)多個氣旋渦旋; 南海中部東側(cè)均為反氣旋渦, 而在西側(cè), 大部分為反氣旋渦, 出現(xiàn)少數(shù)氣旋渦; 在南海西南部, 以氣旋渦為主。由圖可知, 該季節(jié)渦旋主要向西南方向(243°)移動, 平均移動速度為8.6 cm/s。從渦旋生消各階段的移動規(guī)律來看, 渦旋在產(chǎn)生-發(fā)展階段向西移動, 隨著渦旋的生命歷程發(fā)展而逐漸向西南移動, 這可能是受經(jīng)由呂宋海峽進入南海的黑潮水對北部海域環(huán)流的影響, 以及局地季風(fēng)的驅(qū)動[19]。由移動方向不難看出, 南海中尺度渦旋移動過程的規(guī)律有顯著的季節(jié)性。

3 結(jié)論

本文采用Global NLOM模式的SSH、SST和表層海流結(jié)果, 在給定判定標準的基礎(chǔ)上, 對典型海洋中尺度渦旋進行綜合識別和渦旋移動過程的提取,并采用 GIS分級模型對典型過程的信息進行組織和存儲。基于中尺度渦旋典型過程案例庫, 采用 GIS時空統(tǒng)計分析方法, 首先分析了南海中尺度渦旋的分布特征, 然后分別分析了四個分區(qū)的渦旋移動特征, 最后分析了渦旋移動的季節(jié)性特征, 所得結(jié)論如下: (1) 南海中尺度渦的移動速度為3～16 cm/s, 平均速度為8.4 cm/s。大部分渦旋在產(chǎn)生階段和消亡階段移動較快, 而穩(wěn)定階段移動較慢。(2) 大部分渦旋向西移動。其中, 南海東北部和中部的渦旋基本上向西南方向移動, 東南部的渦旋沿海盆向西移動, 西南部的渦旋向西北方向移動。(3) 春夏季渦旋主要向西北方向移動, 秋冬季渦旋主要向西南方向移動。

本文主要對南海中尺度渦旋的移動過程進行了GIS的時空特征分析, 今后還將結(jié)合其它數(shù)據(jù)資料對渦旋案例庫進行修改完善, 以進一步豐富和增強對海洋中尺度渦旋時空運動規(guī)律的認識。同時在考慮渦旋產(chǎn)生機制與演變過程的動力等因素方面也仍需進一步研究, 未來工作可結(jié)合 GIS的空間案例挖掘方法對構(gòu)建的中尺度渦旋案例庫進行相似性計算與推理的預(yù)測分析。

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

GIS-based analysis on temporal-spatial features of typical processes of meso-scale eddies in the South China Sea

DU Yun-yan, WANG Li-jing, FAN Xing, ZHOU Cheng-hu
(State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Jun., 1, 2012

meso-scale eddy; typical process; GIS (Geographic Information System); temporal-spatial analysis; the South China Sea

Meso-scale marine eddies with complicated temporal-spatial evolution process were studied. They are expressed quantitatively and then organized as typical-process cases. These eddies were synthetically identified and dynamically tracked by using SSH (Sea Surface Height), SST (Sea Surface Temperature) and surface horizontal circulation distribution obtained by Global NLOM (Naval Research Laboratory Layered Ocean Model). Taking the South China sea (SCS) as an example, a case-based database was built by some typical states extracted from each process of meso-scale eddies. Then the GIS (Geographic Information System) temporal-spatial features of all cases in the database were analyzed. The results show that the meso-scale eddies were distributed as a belt style in NE-SE direction in the SCS, and the horizontal moving speed was 3-16 cm/s with an average value of 8.4 cm/s. Most of them moved towards west. These eddies moved towards the NW direction in spring and summer but towards the EW direction in autumn and winter. The meso-scale eddies in the northeastern SCS mainly originated in September-October and January- February the following year. They moved toward NW first, and then turned to SW. Most of the westward movement of the northeastern eddies can’t be too far. The meso-scale eddies in the central SCS mainly originated in winter and spring, part of which moved toward SW along the slope. Some of anticyclonic eddies moved toward W along the SCS basin. There were only some anticyclonic eddies identified in the southeastern SCS in the study. They moved toward W or WNW. Their intensity and vorticity were weak, but usually they moved a long distance and had a long lifetime. In the southwestern SCS, eddies originated in summer were more than that in winter, most of which appeared in dipole, and usually they moved a short distance.

P731

A

1000-3096(2014)01-00001-09

10.11759/hykx20110301004

2012-06-01;

; 2013-04-15

國家自然科學(xué)基金面上項目(41071250); 國家重點實驗室自主創(chuàng)新項目(088RA500KA)

杜云艷(1972-), 女, 河南內(nèi)鄉(xiāng)人, 副研究員, 碩士導(dǎo)師, 研究方向為海洋地理信息理論與時空分析, 電話: 010-64888973; E-mail: duyy@lreis.ac.cn