衛(wèi)星和模式數(shù)據(jù)分析的南海中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征

江　偉，王　靜，邢　博

（海軍海洋水文氣象中心，北京100161）

衛(wèi)星和模式數(shù)據(jù)分析的南海中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征

江偉，王靜，邢博*

（海軍海洋水文氣象中心，北京100161）

為了進(jìn)一步了解南海中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征，利用OFES數(shù)據(jù)資料和最新的AVISO衛(wèi)星資料，采用速度矢量渦旋識(shí)別方法和空間距離搜索法，對(duì)南海中尺度渦的特征加以統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，南海海域是中尺度渦的多發(fā)區(qū)，尤其是在南海北部靠近呂宋海峽的區(qū)域存在較多的中尺度渦，這些中尺度渦的運(yùn)動(dòng)方向都是自東向西；同時(shí)在南海的西邊界流區(qū)也存在較多的中尺度渦，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡則是與局地的表層流的方向有很大的關(guān)系，有很多是自南向北運(yùn)動(dòng)。同時(shí)西北太平洋的西邊界流處也有大量的Rossby波以中尺度渦的形式傳來(lái)。

南海；中尺度渦；時(shí)空特征；資料分析；AVISO；OFES

南海面積約356萬(wàn)km2，是我國(guó)最深、最大的海，同時(shí)也是僅次于珊瑚海和阿拉伯海的世界第三大陸緣海。南海的地理位置獨(dú)特，作為連接印度洋和太平洋的重要樞紐，越來(lái)越引起海內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。南海東側(cè)的呂宋海峽是連接南海與西太平洋的重要通道，而呂宋海峽外側(cè)的黑潮對(duì)南海的環(huán)流產(chǎn)生重要影響。此外，加之整個(gè)南海海域受季風(fēng)作用明顯，使南海的環(huán)流結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜［1］。

由于海洋環(huán)流與南海的生態(tài)、環(huán)境和氣候息息相關(guān)，其結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律必然成為海洋學(xué)家所關(guān)注的問題之一。其中，由南海的海上觀測(cè)資料和衛(wèi)星高度計(jì)資料顯示出南海存在非?；钴S的中尺度現(xiàn)象。一些中尺度現(xiàn)象的強(qiáng)度甚至可以和南海定常環(huán)流的強(qiáng)度相比擬，其動(dòng)力學(xué)意義以及對(duì)人類海洋活動(dòng)的影響不容忽視。因此，研究南海的中尺度現(xiàn)象對(duì)認(rèn)識(shí)和開發(fā)利用南海具有重要意義［2］。中尺度渦以長(zhǎng)期封閉環(huán)流為主要特征，通常典型的空間尺度為50～500 km，時(shí)間尺度為幾天到上百天，是海洋物理環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。中尺度渦有相當(dāng)大的動(dòng)能，在海洋運(yùn)動(dòng)能量譜中是一個(gè)顯著的峰區(qū)，它不僅直接影響著海洋中的溫鹽結(jié)構(gòu)和流速分布，而且能輸運(yùn)動(dòng)量、熱量以及其他示蹤物［3］。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)展，Hwang等［4］利用TOPEX/Poseidon（T/P）高度計(jì)來(lái)統(tǒng)計(jì)渦旋數(shù)量，但是由于分辨率較低，無(wú)法統(tǒng)計(jì)到水平尺度較小的渦旋；Wang等［5］統(tǒng)計(jì)了南海中尺度渦旋的時(shí)空分布及特征，但是統(tǒng)計(jì)的時(shí)間序列較短，無(wú)法對(duì)渦旋的特征展開進(jìn)一步的分析討論。因此想要了解南海中尺度渦的基本物理屬性，還需要使用長(zhǎng)時(shí)間序列以及高精確度的衛(wèi)星觀測(cè)資料對(duì)其加以識(shí)別并進(jìn)行定量與定性的研究［6］。

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)等各種觀探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及高精度數(shù)值再分析產(chǎn)品的問世，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)南海中尺度現(xiàn)象的分布、季節(jié)、年際變化等特征進(jìn)行了大量基礎(chǔ)理論研究。Wang等［5］利用5 a的T/P數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在南海存在兩個(gè)明顯的中尺度現(xiàn)象區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域呈帶狀分布，其中有一支較強(qiáng)的沿著西北部2 000 m等深線，另一支則呈現(xiàn)出東北-西南走向自越南沿岸一直延伸到呂宋海峽。林鵬飛等［1］發(fā)現(xiàn)南海西北部和東南部渦旋較少，14°～15°N，118°～120°E以及120°E以東區(qū)域主要出現(xiàn)反氣旋渦，氣旋渦幾乎不出現(xiàn)。夏季有利于生成反氣旋渦（暖渦），冬季則有利于生成氣旋渦（冷渦）。程旭華等［7］則認(rèn)為季風(fēng)強(qiáng)迫是形成南海中尺度渦季節(jié)、年際變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，其季節(jié)性分布規(guī)律表現(xiàn)為：冬季暖渦主要在呂宋西南、臺(tái)灣島西南，冷渦則分布于呂宋島西北和越南外海；夏季的暖渦明顯多于冷渦，且暖渦主要位于越南東南和呂宋島西北部，冷渦主要位于越南外海。崔鳳娟等［6］對(duì)20 a高度計(jì)資料中識(shí)別到的渦旋進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，南海中尺度渦旋活動(dòng)具有較為顯著的年際變化特征，且渦旋活動(dòng)與ENSO現(xiàn)象遙相關(guān):南海中尺度渦活動(dòng)在El Niňo年較弱，在La Niňa年較強(qiáng)。莊偉等［8］發(fā)現(xiàn)南海中尺度現(xiàn)象有兩個(gè)主要的傳播帶，一個(gè)是在南海北部位于呂宋海峽以西向西南方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是在南海南部深海盆地的西南方大致向南運(yùn)動(dòng)。

上述研究，多使用較早的觀測(cè)資料和模式數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步了解南海中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征，本文主要基于法國(guó)最新的AVISO海面高度異常資料和日本地球模擬器模擬的OFES模式再分析資料采用速度矢量渦旋識(shí)別方法和空間距離搜索法，對(duì)南海中尺度渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并加以診斷分析。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)介紹

1.1.1衛(wèi)星資料文中所使用的衛(wèi)星資料主要是法國(guó)最新的AVISO的海面高度異常（SSHA）資料。該資料是由法國(guó)空間研究院提供的多衛(wèi)星融合的高精度SSHA全球格點(diǎn)化數(shù)據(jù)。其時(shí)間跨度為1993-2015年，空間分辨率為1/4°×1/4°，時(shí)間間隔為1 d。該資料自2014年4月進(jìn)行了一次較大的升級(jí)，其中將時(shí)間間隔從7 d縮短為1 d，空間分辨率從1/3°增加至1/4°，并修正了新的氣候態(tài)SSH參考面，使該資料能夠非常好地分辨全球的中尺度渦現(xiàn)象。

1.1.2海洋模式再分析數(shù)據(jù)模式再分析數(shù)據(jù)選取的是日本地球模擬器模擬計(jì)算得到的長(zhǎng)時(shí)間序列的渦解高精度海洋模式OFES（OGCM for the Earth Simulator）模式數(shù)據(jù)。該模式基于GFDL/NOAA（GeophysicalFluidDynamicsLaboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration）的MOM3（Modular Ocean Model）模式，并改進(jìn)為并行計(jì)算。模式的計(jì)算區(qū)域?yàn)?5°S～75°N，幾乎覆蓋除北極海域外的全球區(qū)域。該數(shù)據(jù)水平分辨率達(dá)到1/10°×1/10°，時(shí)間間隔為3 d。其時(shí)間跨度同樣取為1993-2015年，變量包括SSHA、溫鹽場(chǎng)和速度場(chǎng)。OFES被認(rèn)為是目前最好的渦分辨率海洋模式。將其作為本次研究的主要模式數(shù)據(jù)源，用于中尺度渦的研究。

1.2方法介紹

1.2.1中尺度渦識(shí)別方法文中的研究方法采用了Nencioli等［9］在2010年提出的基于流量矢量的算法來(lái)對(duì)渦旋進(jìn)行識(shí)別，相比于傳統(tǒng)方法，該方法能夠降低渦旋的誤報(bào)率，提高識(shí)別的準(zhǔn)確度。目前，該方法已經(jīng)用于識(shí)別南加利福尼亞海灣的中尺度渦［10］。由于在接近渦旋中心點(diǎn)的位置有速度最小值，而渦旋的切向流度會(huì)隨著離中心點(diǎn)距離的增大而增大，該方法定義了4個(gè)約束條件，從而能夠較快且準(zhǔn)確的確定中尺度渦的中心和范圍，這4個(gè)約束條件是：

（1）沿緯向（東西）穿越渦中心時(shí)，中心左右兩側(cè)南北向流速的速度方向相反且離中心越遠(yuǎn)量值越大。

（2）沿經(jīng)向（南北）穿越渦中心時(shí)，中兩心左右側(cè)東西向流速的速度方向相反且離中心越遠(yuǎn)量值越大。

（3）中心速度是局地最小值。

（4）渦中心附近，沿著同一旋轉(zhuǎn)方向，相鄰的兩個(gè)速度向量必須在同一象限或者在相鄰的兩個(gè)象限內(nèi)。

實(shí)際進(jìn)行中尺度渦識(shí)別時(shí)，首先通過第三個(gè)條件找出局地速度最小值點(diǎn)，然后利用其他條件進(jìn)行中尺度渦中心的判定。最后在渦中心附加的窗口區(qū)域計(jì)算流函數(shù)，得到最外邊的一條閉合流線作為渦的邊緣。

1.2.2中尺度渦追蹤方法文中所采用的追蹤方法是以當(dāng)前渦旋狀態(tài)為中心，在下一個(gè)時(shí)刻的渦旋空間分布中進(jìn)行半徑搜索，以尋找后續(xù)的渦旋狀態(tài)，亦稱空間距離搜索法。其前提假設(shè)即空間距離最鄰近的渦旋即后續(xù)渦旋。Morrow等［11］最先實(shí)現(xiàn)了這種自動(dòng)跟蹤算法。之后，Isern-Fontanet等［12］、Nencioli等［9］和Chelton等［14］都在這種方法的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)。

該方法的計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且追蹤效果也比較理想，其具體追蹤方法過程為：首先，對(duì)于t時(shí)刻識(shí)別出來(lái)的任意渦旋e1，在下一個(gè)時(shí)刻，即（t+l）時(shí)刻，識(shí)別出來(lái)的渦旋中搜索所有落入el中心150 km范圍內(nèi)的目標(biāo)渦旋。若能找到離e1渦旋e2最近的一個(gè)性質(zhì)相同的渦旋，則認(rèn)為e2是el的后續(xù)渦旋。若在150 km內(nèi)未找到合乎條件的渦，則擴(kuò)大搜索半徑和時(shí)間。在（t+2）時(shí)刻識(shí)別出來(lái)的渦旋中，以el中心半徑300 km范圍內(nèi)進(jìn)行搜索。若能找到離e1渦旋e2最近的一個(gè)性質(zhì)相同渦旋，且該渦旋不是其他渦的后繼渦旋，則認(rèn)為e2是el的后續(xù)渦旋。若在300 km內(nèi)未找到合乎條件的渦，則該渦的演變終止。

通過如上所述的中尺度渦識(shí)別和追蹤方法，即可得到所有時(shí)刻的中尺度渦的核心位置、旋轉(zhuǎn)方向（冷暖特性）和運(yùn)動(dòng)情況等基本信息，在此基礎(chǔ)上，可通過統(tǒng)計(jì)分析得到更加詳細(xì)的中尺度渦特征信息。

2　結(jié)果與分析

2.1中尺度渦的實(shí)時(shí)空間分布比較

圖1和圖2是對(duì)OFES和AVISO兩種數(shù)據(jù)得到的同一時(shí)刻中尺度渦實(shí)時(shí)空間分布比較。從圖中可以看到：兩者的結(jié)果都表明，南海海域是中尺度渦的多發(fā)區(qū)，其冷暖特性基本平衡。同時(shí)也可以看到在西北太平洋的西邊界流區(qū)有大量的以Rossby波形式傳來(lái)的中尺度渦。OFES的中尺度渦個(gè)數(shù)要明顯多于AVISO的結(jié)果。與AVISO的結(jié)果相比，OFES模式的結(jié)果有更強(qiáng)的渦動(dòng)。盡管渦的大致分布情況相似，OFES與AVISO的渦的位置是無(wú)法一一對(duì)應(yīng)的，這是因?yàn)闇u的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)具有非常強(qiáng)的非線性和隨機(jī)性。因此，如果海洋模式?jīng)]有使用同化方法的話，將很難再同一時(shí)刻同一地點(diǎn)生成同樣的渦。而OFES就沒有使用同化方法，這樣做雖然保證了物質(zhì)能量的守恒性，但是卻無(wú)法較準(zhǔn)確地模擬和預(yù)報(bào)中尺度渦?？梢哉f(shuō)，在海洋模式中加入同化是模擬和預(yù)報(bào)中尺度渦的一個(gè)有效途徑。

2.2中尺度渦的軌跡統(tǒng)計(jì)

圖1　OFES（左）與AVISO（右）在2013年第60 d的中尺度渦空間分布圖

圖2　OFES（左）與AVISO（右）在2013年第280 d的中尺度渦空間分布圖

雖然OFES并不能準(zhǔn)確地模擬出單個(gè)中尺度渦的位置和運(yùn)動(dòng)，但是在統(tǒng)計(jì)意義上的中尺度渦的模擬還是比較合理的。圖3～圖4給出了兩種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的南海2012年的中尺度渦的軌跡圖。從圖中可以看出：兩者具有非常相似的軌跡分布。都在南海北部靠近呂宋海峽的區(qū)域存在較多的中尺度渦，這些中尺度渦的運(yùn)動(dòng)方向都是自東向西的；同時(shí)在南海的西邊界流區(qū)也存在較多的中尺度渦，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡則與局地表層流的方向有很大關(guān)系，很多是自南向北運(yùn)動(dòng)，該結(jié)果與林鵬飛［1］和莊偉［8］等的結(jié)果相吻合。盡管渦的個(gè)數(shù)有較大差異，OFES模式的軌跡與AVISO的結(jié)果是比較相近的，說(shuō)明OFES海洋模式的數(shù)值模擬框架是比較合理的?？梢哉f(shuō)，OFES能夠在統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)中尺度渦進(jìn)行研究。同時(shí)也驗(yàn)證了實(shí)時(shí)空間分布的比較結(jié)果，可以看到在西北太平洋的西邊界流區(qū)有大量的以Rossby波形式的自東向西傳來(lái)的中尺度渦，同時(shí)印尼貫穿流區(qū)也有明顯的渦出現(xiàn)。冷暖特性基本平衡。

圖3　由AVISO統(tǒng)計(jì)的南海2013年的中尺度渦的軌跡圖（紅色為暖渦，藍(lán)色為冷渦）

圖4　由OFES統(tǒng)計(jì)的南海2013年的中尺度渦的軌跡圖（紅色為暖渦，藍(lán)色為冷渦）

2.3中尺度渦的個(gè)數(shù)和半徑統(tǒng)計(jì)

為了檢驗(yàn)評(píng)估OFES模式對(duì)中尺度渦特征的模擬情況，分別對(duì)AVISO資料和OFES模擬的中尺度渦的個(gè)數(shù)和半徑特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。兩種數(shù)據(jù)的半徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出:根據(jù)AVISO的觀測(cè)資料，共識(shí)別提取了544個(gè)渦，其中冷渦281個(gè)，暖渦263個(gè)。多數(shù)渦的半徑在60～80 km之間，占總數(shù)的38%，小于60 km的小渦約占20%，而半徑大于90 km的渦則占42%，平均半徑為79 km。根據(jù)OFES模式的結(jié)果，共識(shí)別提取了1 133個(gè)渦，其中冷渦553個(gè)，暖渦580個(gè)。則半徑小于40 km的小渦占更大的比例，約有54%，而半徑在40～80 km之間，占總數(shù)的38%，半徑大于80 km的渦的個(gè)數(shù)小于10%，平均半徑為45 km。

圖5　中尺度渦的半徑比較圖（單位：km）

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，南海的中尺度渦的半徑多為70～90 km左右，同時(shí)不乏100 km以上的強(qiáng)渦，該結(jié)果驗(yàn)證了已有的研究結(jié)果［1，8］。OFES識(shí)別的渦的個(gè)數(shù)是AVISO的兩倍，同時(shí)小渦的個(gè)數(shù)明顯多于AVISO。產(chǎn)生這樣的差異的原因可能是由于OFES更加平滑的表面流場(chǎng)和較高的分辨率，使更多的小渦被識(shí)別出來(lái)。AVISO的流場(chǎng)相對(duì)而言則較為粗糙，因此在局地小區(qū)域內(nèi)無(wú)法形成完整的閉合流線，造成了識(shí)別到的小渦數(shù)量的減少。從實(shí)時(shí)空間分布圖中也可以看到這一點(diǎn)。通常，當(dāng)數(shù)值產(chǎn)品分辨率比較高且水平耗散又不足夠時(shí)，容易產(chǎn)生很多虛假的中尺度渦。據(jù)上述結(jié)果分析，OFES也有這一問題。當(dāng)然也不能排除AVISO自身數(shù)據(jù)處理時(shí)引入的觀測(cè)誤差。

2.4中尺度渦的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

筆者還對(duì)AVISO資料和OFES模擬的中尺度渦的強(qiáng)度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。其中中尺度渦的強(qiáng)度定義是渦半徑以內(nèi)的平均動(dòng)能（EKE）。兩種數(shù)據(jù)的中尺度渦強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出:從AVISO的觀測(cè)資料可見，多數(shù)渦的強(qiáng)度在100 cm2/s2以下，占總數(shù)的40%，而大于100 cm2/s2的較強(qiáng)渦則占60%，而強(qiáng)度大于600 cm2/s2的強(qiáng)渦則占10%，平均強(qiáng)度為222 cm2/s2。OFES模式的結(jié)果，在強(qiáng)度的分布上與AVISO的結(jié)果非常相似。多數(shù)渦的強(qiáng)度也是在100 cm2/s2以下，占總數(shù)的47%，而大于100 cm2/s2的較強(qiáng)渦則占53%，而強(qiáng)度大于600 cm2/s2的強(qiáng)渦則占12%，平均強(qiáng)度也比較接近為261 cm2/s2。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，OFES在強(qiáng)度的分布上與AVISO的觀測(cè)結(jié)果非常相近，原因可能是由于中尺度渦的相似性，導(dǎo)致小渦的平均動(dòng)能由于較小的渦的面積而并沒有減小很多。可見OFES對(duì)于中尺度渦的結(jié)構(gòu)模擬應(yīng)當(dāng)是比較好的。

圖6　中尺度渦的強(qiáng)度比較圖（單位：cm2/s2）

3　結(jié)論

本文利用OFES數(shù)據(jù)資料和AVISO衛(wèi)星資料，采用速度矢量渦旋識(shí)別方法和空間距離搜索法對(duì)南海中尺度渦的特征加以統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：

南海海域是中尺度渦的多發(fā)區(qū)，尤其是在南海北部靠近呂宋海峽的區(qū)域存在較多的中尺度渦，這些中尺度渦的運(yùn)動(dòng)方向都是自東向西；同時(shí)在南海的西邊界流區(qū)也存在較多的中尺度渦，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡則是與局地表層流的方向有很大關(guān)系，有很多是自南向北運(yùn)動(dòng)。同時(shí)也可以看到，從西北太平洋的西邊界流處有大量的Rossby波以中尺度渦形式傳來(lái)。

文中將AVISO和OFES的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了比較，用以評(píng)估該渦解模式的中尺度渦的模擬效果。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，OFES模式的結(jié)果有更強(qiáng)的渦動(dòng)，且兩者的位置并不是一一對(duì)應(yīng)。這是因?yàn)闇u的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)具有非常強(qiáng)的非線性和隨機(jī)性，而OFES沒有使用同化方法，所以就只能保證物質(zhì)能量的守恒性，但是卻無(wú)法較為準(zhǔn)確地模擬和預(yù)報(bào)中尺度渦。還需要進(jìn)一步探討數(shù)據(jù)同化技術(shù)在模擬中尺度渦中的改進(jìn)作用。同時(shí)OFES的小半徑的渦模擬的數(shù)量較多，同樣暴露了海洋模式由于湍粘性系數(shù)等參數(shù)的調(diào)整會(huì)產(chǎn)生虛假的小型中尺度渦的問題。而OFES模式對(duì)渦強(qiáng)度的與AVISO結(jié)果相近，可見OFES對(duì)于中尺度渦的結(jié)構(gòu)模擬應(yīng)當(dāng)是比較好的。

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Study on the Statistical Characteristics of the Mesoscale Eddies in the South China Sea Analyzed by Satellite Altimeter and Model Data

JIANG Wei，WANG Jing，XING Bo
Naval Meteorology and Physical Oceanography Center，Beijing 100161，China

In order to further understand the statistical characteristics of the mesoscale eddies in the South China Sea，OFES data and latest AVISO satellite altimeter data are used in this study，in conjunction with the method of Winding Angle and the spatial distance search tracing method，to detect and analyze the eddies.The results show that the South China Sea is an area in which mesoscale eddies frequently occur，especially in the northern part closing to the Luzon Strait where numerous mesoscale eddies move from the east to the west.There are also many mesoscale eddies in the western boundary current of the South China Sea，and their trajectories are highly correlated with the directions of local surface flows which mainly move from the south to the north.In addition，there are a lot of Rossby waves spreading from the western boundary current in the northwest Pacific to the South China Sea in the form of mesoscale eddies.

South China Sea；mesoscale eddy；temporal and spatial characteristics；data analysis；AVISO；OFES

P731.21

A

1003-2029（2016）03-0022-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.004

2016-04-24

江偉（1975-），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐娛滤臍庀蠹耙?guī)劃論證。E-mail：htpyang@sina.com

邢博，E-mail：xb_5211314@126.com