基于1993—2014年高度計(jì)數(shù)據(jù)的西北太平洋中尺度渦識(shí)別和特征分析

崔偉，王偉，馬毅，楊俊鋼*

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003；2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

基于1993—2014年高度計(jì)數(shù)據(jù)的西北太平洋中尺度渦識(shí)別和特征分析

崔偉1,2，王偉1，馬毅2，楊俊鋼2*

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003；2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

本文利用22年的AVISO衛(wèi)星高度計(jì)融合數(shù)據(jù)，基于WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法對(duì)西北太平洋的中尺度渦進(jìn)行了識(shí)別追蹤，并統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)域中尺度渦的空間分布特征、運(yùn)動(dòng)屬性以及季節(jié)和年際變化。研究結(jié)果表明：22年間共追蹤到生命周期超過30 d的氣旋渦3 841個(gè)，反氣旋渦2 836個(gè)，氣旋渦數(shù)量多于反氣旋渦。渦旋大部分向西移動(dòng)，西向傳播的渦旋分布在整個(gè)研究區(qū)域，而東向傳播的渦旋則集中在黑潮及其延伸區(qū)。渦旋主要存在15°～30°N的緯度帶間；分別而言，氣旋渦主要分布在研究區(qū)域的北部和南部，而反氣旋渦主要分布在副熱帶逆流區(qū)。30°～35°N之間的黑潮延伸區(qū)具有明顯更高的渦動(dòng)能和渦振幅，與同緯度區(qū)域相比這里的渦旋半徑也較高。在季節(jié)和年際變化上，春季出現(xiàn)的中尺度渦最多，夏季最少；對(duì)渦旋的月生成數(shù)目與ENSO指數(shù)MEI比較發(fā)現(xiàn)，西北太平洋渦旋活動(dòng)變化并不直接與ENSO現(xiàn)象相關(guān)。

中尺度渦；西北太平洋；高度計(jì)；特征分析；年際變化

1 引言

海洋中尺度渦是指時(shí)間尺度在幾十到幾百天，空間尺度在幾十到幾百千米的海洋渦旋，其能量要比背景場(chǎng)流高出一個(gè)量級(jí)甚至更多[1]。中尺度渦是上層海洋中一個(gè)顯著的中尺度現(xiàn)象，在海洋動(dòng)力過程中扮演著重要的角色。海洋中尺度渦就像一個(gè)巨大漏水的水桶攜帶著不同于周圍環(huán)境的海水在海洋中移動(dòng)[2]，對(duì)海洋的動(dòng)能輸運(yùn)、熱鹽輸運(yùn)、化學(xué)物質(zhì)輸運(yùn)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸運(yùn)起到重要作用[3]。在北半球，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的氣旋渦在科式力的作用下，海表面處的水體向外輻散，海表面高度為負(fù)異常，并在渦旋中心形成垂直而上的水體運(yùn)動(dòng)，使得其內(nèi)部水體降溫；對(duì)于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的反氣旋渦，則相反，海表面高度為正異常，內(nèi)部水體增溫。所以，在北半球，氣旋渦也稱之為冷渦，反氣旋渦也稱之為暖渦。

自1992年TP衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，衛(wèi)星高度計(jì)已經(jīng)提供了時(shí)間序列超過20年、全球覆蓋、高精度的海面高度場(chǎng)和海洋環(huán)流數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代海洋研究中，高度計(jì)常與其他衛(wèi)星任務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或者數(shù)值模式進(jìn)行聯(lián)合，其已為海洋現(xiàn)象觀測(cè)做出了重大貢獻(xiàn)[4—6]。多源海面高度融合產(chǎn)品可以有效提高海洋中尺度現(xiàn)象的觀測(cè)，基于多源高度計(jì)數(shù)據(jù)融合的AVISO海面高度產(chǎn)品研究顯示中尺度渦在全球海洋中盛行[7—8]，而西北太平洋是中尺度渦全球高頻發(fā)生區(qū)域之一。

西北太平洋具有復(fù)雜的環(huán)流結(jié)構(gòu)。向西流動(dòng)的北赤道流(NEC)抵達(dá)菲律賓海岸后受地形影響分叉，形成向赤道流動(dòng)的棉蘭老流和向極地方向的黑潮(Kuroshio)。黑潮攜帶熱而咸的赤道水在沿著西邊界流動(dòng)的過程中逐漸增強(qiáng)，這條極具能量的西邊界流最終在日本沿岸35°N形成黑潮延伸區(qū)(Kuroshio Extension)。研究顯示在黑潮及其延伸區(qū)經(jīng)常伴隨產(chǎn)生海洋渦旋[9—11]，并且在18°～25°N之間的北太平洋副熱帶逆流區(qū)(STCC)也具有顯著的中尺度渦活動(dòng)[12—13]。李熙泰等[14]使用6年的高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)馬里亞納海溝東西兩側(cè)海域的中尺度渦進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)大部分渦旋具有西向移動(dòng)的特征，且傳播速度與第一斜壓模式的Rossby長(zhǎng)波的傳播速度基本一致。林宏陽(yáng)等[15]對(duì)西北太平洋中尺度渦研究發(fā)現(xiàn)春季中尺度渦最多，秋季最少，中尺度渦活動(dòng)具有明顯的季節(jié)變化；并且低緯區(qū)域中尺度渦數(shù)量明顯少于高緯區(qū)域。西北太平洋是海洋環(huán)流系統(tǒng)最復(fù)雜的區(qū)域之一，該區(qū)域的中尺度渦現(xiàn)象相當(dāng)活躍，掌握該區(qū)域中尺度渦的分布和運(yùn)動(dòng)特征對(duì)于了解該區(qū)域的能量變化和海氣相互作用具有重要的意義。

本文利用22年的AVISO衛(wèi)星高度計(jì)融合數(shù)據(jù)，針對(duì)0°～46°N、122°～160°E的研究區(qū)域，識(shí)別追蹤1993—2014年西北太平洋中尺度渦的運(yùn)動(dòng)軌跡，量化渦旋的生命周期和傳播距離，分析渦旋的地理分布特征，分析渦旋的傳播方向和運(yùn)動(dòng)特性，描述渦旋活動(dòng)的季節(jié)和年際變化特征。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文使用的衛(wèi)星高度計(jì)資料是AVISO分發(fā)的最新版本的多源高度計(jì)海面高度異常(sea level anomaly, SLA)融合數(shù)據(jù)(ftp.aviso.altimetry.fr)，其空間分辨率為0.25°，時(shí)間分辨率為1 d，時(shí)間序列從1993年1月1日到2014年12月27日，長(zhǎng)達(dá)22年。值得注意的是，由于AVISO最新版本SLA數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率達(dá)到1 d，這使得本文中渦旋生命周期首次以天來(lái)描述，相比先前研究中渦旋的生命周期以周計(jì)，這確實(shí)極大提高了渦旋持續(xù)時(shí)間的精度。

2.2 中尺度渦探測(cè)方法

中尺度渦旋普遍存在于世界海洋之中，其最直觀的表現(xiàn)為閉合的海面高度異常的等值線。Chaigneau等[16]強(qiáng)調(diào)從海洋湍流中提取中尺度渦旋必須遵照合適的渦旋識(shí)別方法。基于這點(diǎn)，科學(xué)家們已經(jīng)提出了多種中尺度渦旋識(shí)別和追蹤算法，大致可分為兩類：一類是基于速度場(chǎng)的渦旋旋轉(zhuǎn)特性的識(shí)別算法，包括OW參數(shù)法[17]、小波分析方法[18]、矢量幾何法[19]；二是基于海面高度異常的閉合等值線的幾何算法，包括Winding-Angle(WA)方法[16,20]和自由等值線算法[7]。自由等值線方法可以看做是對(duì)Chaigneau等[16]WA方法的一個(gè)補(bǔ)充。多種研究結(jié)果表明[13, 16, 21]，與其他渦旋識(shí)別方法相比，WA方法具有更高的渦旋識(shí)別準(zhǔn)確率(將海洋中的渦旋識(shí)別出來(lái)的能力)和更低的誤判率(把氣旋渦識(shí)別為反氣旋渦或把反氣旋渦識(shí)別成氣旋渦)，其渦旋識(shí)別能力最好；而且就探測(cè)到的渦旋數(shù)量、生命周期以及移動(dòng)速度等方面，WA方法得到的探測(cè)結(jié)果最好并且更加可信。因此，本文選擇WA方法開展研究區(qū)域的中尺度渦研究。

WA方法首先在一個(gè)1°×1°經(jīng)緯度移動(dòng)窗口內(nèi)通過尋找內(nèi)部SLA最小(大)值來(lái)判斷可能的氣旋渦(反氣旋渦)中心。之后對(duì)于每一個(gè)可能的氣旋渦(反氣旋渦)中心，從其內(nèi)部以1 cm的增幅(減幅)向外尋找SLA閉合的等值線。最外面包含渦旋中心的等值線即為渦旋的外邊界?；谝陨侠碚摚瑓⒖糃helton等[7]識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到高度計(jì)的觀測(cè)誤差和AVISO融合產(chǎn)品的分辨率[4, 22]，渦旋的具體識(shí)別條件如下：

(1)氣旋渦(反氣旋渦)內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)的SLA值都比邊界SLA值要小(大)；

(2)組成渦旋的網(wǎng)格點(diǎn)不少于8個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，最多不超過1 000個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)；

(3)在氣旋渦(反氣旋渦)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)SLA局地最小(大)值；

(4)渦振幅不小于3 cm；

(5)渦內(nèi)任意網(wǎng)格點(diǎn)距離要小于600 km。

圖1給出了WA方法渦旋探測(cè)的一個(gè)實(shí)例。

圖1 2014年6月17日研究區(qū)域SLA分布(顏色表示SLA值)和通過WA方法識(shí)別出的氣旋渦(藍(lán)色線)和反氣旋渦(紅色線)Fig.1 The SLA map of Northwestern Pacific Ocean in 17 June, 2014 (the color represents the SLA value) and the detected cyclonic eddies (blue lines) and anticyclonic eddies (red lines) using WA method

2.3 渦旋屬性

為了更好地描述和分析中尺度渦的特征，下面對(duì)渦旋的一些屬性進(jìn)行了定義。本文使用和Nencioli 等[19]一樣的方法去定義渦旋的尺度和強(qiáng)度。首先渦旋的面積A表示的是包含在渦旋邊界內(nèi)的面積，半徑R為具有相同面積的圓的半徑:

(1)

渦旋的幅度(振幅，AM)定義為渦旋中心和渦邊界SLA差值的絕對(duì)值：

AM=|SLA中心-SLA邊界|.

(2)

一般而言，中尺度渦變化的強(qiáng)弱可以采用渦動(dòng)能的大小及空間分布來(lái)表示：

(3)

式中，u′和v′分量分別表示地轉(zhuǎn)流異常的水平和垂直分量：

(4)

式中，g是重力加速度，f是科氏參數(shù)，?x和?y分別是水平和垂直方向的距離。

渦度ξ，即數(shù)學(xué)中的旋度，計(jì)算如下：

(5)

渦旋的移動(dòng)速度V被定義為渦旋移動(dòng)路徑的總距離與渦旋持續(xù)時(shí)間的比值。

2.4 渦旋追蹤方法

在大洋中，海洋渦旋一旦形成，這種穩(wěn)定的中尺度結(jié)構(gòu)便可以維持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因此渦旋識(shí)別出來(lái)之后，可以在時(shí)間上連續(xù)的海面高度場(chǎng)圖像中對(duì)其進(jìn)行追蹤。在時(shí)刻n對(duì)于每一個(gè)海面高度場(chǎng)中的渦旋，在下一個(gè)時(shí)間步n+1的海面高度場(chǎng)中尋找與其距離最近且屬性最相似的渦旋[16]：

(6)

式中，Dn,n+1描述的是時(shí)間步n和n+1渦旋之間的相似度(其值越小表示相似度越高)，ΔD、ΔR、Δξ和ΔEKE分別為渦旋在時(shí)刻n和n+1的空間距離、半徑、渦度以及 EKE的變化。D0、R0、ξ0和EKE0分別為標(biāo)準(zhǔn)距離(D0=100 km)、標(biāo)準(zhǔn)半徑(R0=50 km)、標(biāo)準(zhǔn)渦度(ξ0=10-6s-1)和標(biāo)準(zhǔn)EKE(EKE0=100 cm2/s2)。選擇Dn,n+1的最小值即認(rèn)為時(shí)間步n和n+1的渦旋是同一個(gè)渦?？紤]到渦旋的典型移動(dòng)速度(緯向速度為每秒幾個(gè)厘米)[7, 12]，并為了避免錯(cuò)誤的追蹤，尋找范圍ΔD被限定為50 km。

但由于衛(wèi)星軌道的原因，渦旋可能存在于兩條衛(wèi)星軌跡之間或者被網(wǎng)格化數(shù)據(jù)平滑掉而不能被捕捉到，為了減少這種誤差，會(huì)在一個(gè)渦旋消失一定天數(shù)內(nèi)的海面高度場(chǎng)中繼續(xù)尋找該渦旋。參考Nencioli等[19]和Souza等[21]使用AVISO周產(chǎn)品選擇在兩周的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行渦旋追蹤，我們這里采用15 d的時(shí)間間隔為限去對(duì)渦旋的一些追蹤結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。圖2藍(lán)線給出了渦旋追蹤過程中在下一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)渦旋的時(shí)間間隔(也就是渦旋在多少天之內(nèi)被重新發(fā)現(xiàn))頻率統(tǒng)計(jì)，可以看出絕大部分(93.5%)渦旋均是在1 d內(nèi)被連續(xù)發(fā)現(xiàn)的，僅有6.5%的渦旋在超過2 d的時(shí)間內(nèi)被重新發(fā)現(xiàn)；而且隨著時(shí)間間隔的增加，這種被重新發(fā)現(xiàn)的渦旋比例越來(lái)越小。注意，這里的統(tǒng)計(jì)是針對(duì)每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的渦旋(在任一時(shí)刻的海面高度場(chǎng)圖像中識(shí)別出的渦旋均計(jì)入統(tǒng)計(jì))，而不是針對(duì)時(shí)間上連續(xù)的一系列渦旋(時(shí)間上連續(xù)的一系列渦旋看做是一個(gè)渦旋)。因此，針對(duì)后者，我們統(tǒng)計(jì)了以不同天數(shù)的時(shí)間間隔對(duì)渦旋追蹤得到的渦旋數(shù)量與15 d時(shí)間間隔追蹤到的渦旋數(shù)量結(jié)果的比值(圖2紅線)。當(dāng)以時(shí)間間隔為1 d進(jìn)行渦旋追蹤時(shí)，也就是僅對(duì)每天時(shí)間上連續(xù)的渦旋進(jìn)行追蹤，可以看出其渦旋數(shù)量不到15 d時(shí)間間隔渦旋數(shù)量的10%，也就是說(shuō)其結(jié)果與15 d的結(jié)果相比追蹤到的渦旋減少了超過90%。盡管93.5%的時(shí)間節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的渦旋在1 d內(nèi)被重新發(fā)現(xiàn)，但是若采用每天連續(xù)追蹤的話，其追蹤到的渦旋結(jié)果會(huì)明顯減少?？梢钥闯鲭S著時(shí)間間隔天數(shù)的增加，追蹤到的渦旋數(shù)量比例近線性增加?？紤]到時(shí)間節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的渦旋在15 d的時(shí)間間隔(僅在15 d)被重新發(fā)現(xiàn)的比率已經(jīng)小于0.1%，我們認(rèn)為采用在15 d內(nèi)的海面高度場(chǎng)中繼續(xù)追蹤渦旋是合適的，且限定區(qū)域ΔD隨著時(shí)間的增加線性擴(kuò)大為100 km[19]。

圖2 下一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)重新發(fā)現(xiàn)渦旋的時(shí)間間隔頻率分布(藍(lán)線)，及選擇不同天數(shù)的時(shí)間間隔對(duì)渦旋追蹤得到的渦旋數(shù)量與15 d時(shí)間間隔追蹤到的渦旋數(shù)量比值(紅線)Fig.2 The frequency of the time interval which one eddy is re-detected at the next time node(blue), and the ratio of eddy number in the tracking procedure used a certain time in-terval to eddy number in the tracking procedure used time interval of 15 days(red)

在本研究中，只分析生命周期不小于30 d的渦旋，并且研究區(qū)域限制在水深大于1 000 m的深水海域。

3 渦旋屬性分析

本部分對(duì)研究區(qū)域1993—2014年22年間探測(cè)到的中尺度渦進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，在西北太平洋共追蹤到6 677個(gè)生命周期超過30 d的中尺度渦，氣旋渦和反氣旋渦數(shù)量分別為3 841和2 836個(gè)(分別對(duì)應(yīng)237 744個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的氣旋渦和170 919個(gè)獨(dú)立的反氣旋渦，若無(wú)特殊說(shuō)明后面的渦旋均指時(shí)間上連續(xù)的系列渦旋)，氣旋渦數(shù)量多于反氣旋渦的數(shù)量。接下來(lái)針對(duì)這些渦旋的屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 渦旋生命周期及其生消位置

圖3給出了渦旋生命周期和傳播距離的累積數(shù)目統(tǒng)計(jì)以及氣旋渦與反氣旋渦數(shù)目比例。結(jié)果顯示隨著渦旋生命周期和傳播距離的增加，渦旋數(shù)目急劇下降。78%的渦旋生命周期小于90 d，74.1%的渦旋傳播距離小于500 km；全部渦旋的平均生命周期和傳播距離分別為69 d和408 km，與楊光[13]關(guān)于西北太平洋副熱帶逆流區(qū)的渦旋平均10周的壽命基本一致。分別而言，氣旋渦的平均生命周期和傳播距離分別為70 d和408 km，反氣旋渦相對(duì)應(yīng)的分別為69 d和407 km，可以看出氣旋渦與反氣旋渦的平均生命周期與傳播距離基本一樣。從渦旋生命周期和傳播距離的累計(jì)數(shù)目統(tǒng)計(jì)圖(圖3上圖)中可以看出，對(duì)于生命周期超過30 d的全部渦旋，氣旋渦數(shù)量要多于反氣旋渦，但隨著生命周期和傳播距離的增加，氣旋渦數(shù)量與反氣旋渦數(shù)量越來(lái)越接近。從渦旋比例圖中(圖3下圖)中可以看出，整體上渦旋生命周期和傳播距離分布是相似的：對(duì)于生命周期小于210 d或者長(zhǎng)于310 d的渦旋氣旋渦數(shù)量多于反氣旋渦，生命周期大于210 d且小于310 d的渦旋則是以反氣旋渦居多；對(duì)于傳播距離小于1 300 km的渦旋以氣旋渦為主，傳播距離大于1 300 km且小于2 700 km的渦旋以反氣旋渦為多。

渦旋生命周期給出的同時(shí)，也確定了渦旋的生消位置。為了觀測(cè)渦旋生消的地理分布，將研究區(qū)域劃分成經(jīng)緯度1°×1°的網(wǎng)格矩陣，在1°×1°內(nèi)統(tǒng)計(jì)了生命周期超過30 d的中尺度渦產(chǎn)生和消失的數(shù)目，并給出了相應(yīng)的頻率分布(圖4)。可以看出，除了低緯度區(qū)域，渦旋幾乎可以在研究區(qū)域的任何位置產(chǎn)生和消失。就圖4a而言，一個(gè)明顯的特征是研究區(qū)域東部具有高頻的渦旋產(chǎn)生，那意味著出現(xiàn)在西北太平洋的渦旋部分是由北太平洋東部海域傳播過來(lái)的。一般而言，這些從東部傳播過來(lái)的渦旋具有更長(zhǎng)的生命周期和傳播距離[10—11]。一旦渦旋形成，一些渦旋可以傳播的非常遠(yuǎn)，其距離可達(dá)上千千米。相比之下，渦旋主要消失在西北太平洋的西部，尤其集中在臺(tái)灣和呂宋海峽東部海域(圖4b)。這也從某種程度上說(shuō)明渦旋具有西向移動(dòng)的特征。

3.2 渦旋移動(dòng)軌跡和傳播方向

圖5分別給出了西北太平洋西向移動(dòng)和東向移動(dòng)的渦旋軌跡分布，圖5a顯示有3 268個(gè)氣旋渦(占全部氣旋渦的85.1%)和2 535個(gè)反氣旋渦(占全部反氣旋渦的89.4%)向西移動(dòng)，對(duì)比而言，僅僅有573個(gè)氣旋渦和301個(gè)反氣旋渦東向移動(dòng)(圖5b)。同時(shí)可以看出西向移動(dòng)的渦旋幾乎分布在整個(gè)研究區(qū)域；而東向移動(dòng)的渦旋主要分布在黑潮及其延伸區(qū)以及3°～6°N的北赤道逆流區(qū)。這些東向移動(dòng)的渦旋，很可能伴隨著這些東向海流逐漸向東移動(dòng)。

圖5 生命周期超過30 d的西向移動(dòng)的氣旋渦(藍(lán)色線)和反氣旋渦(紅色線)移動(dòng)軌跡(a)和生命周期超過30 d的東向移動(dòng)的氣旋渦和反氣旋渦移動(dòng)軌跡(b)，對(duì)應(yīng)的渦旋數(shù)目標(biāo)注在圖中Fig.5 The westward propagation (a) and eastward propagation (b) trajectories of cyclonic (blue lines) and anticyclonic (red lines) eddies with lifetime longer than 30 days, the numbers of cyclonic and anticyclonic eddies are labeled in the bottom of each panel

為了進(jìn)一步觀測(cè)氣旋渦和反氣旋渦在研究區(qū)域的移動(dòng)方向，渦旋的初始產(chǎn)生位置被移動(dòng)到相同的(0°N，0°E)位置處，得到生命周期超過30 d的氣旋渦和反氣旋渦相對(duì)移動(dòng)軌跡(圖6)。可以非常直觀的看出，大部分渦旋向西移動(dòng)并且傳播距離較遠(yuǎn)，較少的渦旋向東移動(dòng)并且其一般不會(huì)傳播太遠(yuǎn)。統(tǒng)計(jì)顯示，西向移動(dòng)渦旋的平均周期和傳播距離分別為71 d和435 km，東向移動(dòng)渦旋對(duì)應(yīng)的分別為60 d和229 km，可以看出后者的平均周期和傳播距離要明顯小于前者；而且較少有東向移動(dòng)的渦旋傳播距離會(huì)超過300 km。該結(jié)論與Chelton等[7]全球東向移動(dòng)渦旋的結(jié)論相似。對(duì)氣旋渦和反氣旋渦相對(duì)路徑分析顯示50.7%氣旋渦和51.3%的反氣旋渦向赤道移動(dòng)，隨著生命周期變?yōu)?0 d、90 d、180 d、270 d、360 d，這個(gè)數(shù)字分別變?yōu)?1.4%和55.1%、54.7%和62.4%、55.3%和64.4%、42.4%和62.5%、41.7%和62.5%。說(shuō)明對(duì)于長(zhǎng)生命周期的反氣旋渦有一個(gè)輕微向赤道運(yùn)動(dòng)的偏向；而對(duì)于長(zhǎng)生命周期的氣旋渦而言則稍微會(huì)有一個(gè)向極運(yùn)動(dòng)的偏向。Chelton等[7]對(duì)全球海洋渦旋的運(yùn)動(dòng)特性分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于長(zhǎng)生命周期的渦旋而言，氣旋渦具有向極地運(yùn)動(dòng)的偏向，而反氣旋具有明顯向赤道運(yùn)動(dòng)的偏向。西北太平洋中尺度渦的南北運(yùn)動(dòng)偏向與全球結(jié)果基本一致。

圖6 生命周期超過30 d的氣旋渦(a)和反氣旋渦(b)相對(duì)移動(dòng)軌跡Fig.6 The relative propagation trajectories of all cyclonic (a) and anticyclonic (b) eddies with lifetime longer than 30 days

為了更好的理解研究區(qū)域渦旋的傳播特性，生命周期超過90 d、180 d、270 d和360 d的渦旋軌跡依次顯示在圖7中?？梢郧逦目闯鲩L(zhǎng)生命周期的中尺度渦多分布在研究區(qū)域中部；與圖5對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在32°～35°N的緯度帶之間，多集中生命周期較短而且傳播距離較近的渦旋，這很可能是由于這里的渦旋受黑潮的影響，其海面高度變化頻繁導(dǎo)致這里不能形成穩(wěn)定的渦旋。分別而言，長(zhǎng)生命周期的氣旋渦主要分布在黑潮延伸區(qū)，而長(zhǎng)生命周期的反氣旋渦主要分布在20°～30°N的副熱帶逆流區(qū)。

圖7 生命周期超過90 d(a)、180 d(b)、270 d(c)、360 d(d)的氣旋渦(藍(lán)線)和反氣旋渦(紅線)移動(dòng)軌跡，渦旋數(shù)目標(biāo)注在圖中Fig.7 The trajectories of all cyclonic (blue lines) and anticyclonic (red lines) eddies with lifetime longer than 90(a), 180(b), 270(c), 360(d) days, the numbers of cyclonic and anticyclonic eddies are labeled in the bottom of each panel

3.3 渦旋地理分布特征

為了觀測(cè)渦旋的地理分布特征，對(duì)22年間6 677個(gè)生命周期超過30 d的中尺度渦移動(dòng)經(jīng)過每個(gè)1°×1°網(wǎng)格區(qū)域的渦旋個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(這里共涉及到237 744個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的氣旋渦和170 919個(gè)獨(dú)立的反氣旋渦)，并做出渦旋的地理頻率分布，結(jié)果如圖8a所示。可以看出，中尺度渦多集中在15°～30°N的緯度帶之間，尤其是集中在黑潮主軸附近，說(shuō)明伴著黑潮主軸常有中尺度渦出現(xiàn)；值得注意的一點(diǎn)是30°～35°N緯度帶之間的黑潮延伸區(qū)，其渦旋分布并沒有中部區(qū)域明顯。相比而言，研究區(qū)域的北部和南部渦旋出現(xiàn)頻率較低，說(shuō)明該兩個(gè)區(qū)域不是中尺度渦的高發(fā)地帶。一個(gè)明顯的特點(diǎn)是在赤道低緯度區(qū)域中尺度渦分布很少，Chelton等[7]認(rèn)為由于Rossby變形半徑的影響低緯地區(qū)的中尺度渦尺度更大并且振幅更小(如圖9半徑和渦振幅的分布所示)，這導(dǎo)致這類渦旋不能被探測(cè)到。

渦旋極性表示的是渦旋內(nèi)某一點(diǎn)處于氣旋渦 (P<0)或是反氣旋渦內(nèi) (P>0)[16]。計(jì)算方法如下：

P=(FAE-FCE)/(FAE+FCE)，

(7)

式中，F(xiàn)AE和FCE分別表示反氣旋渦和氣旋渦的發(fā)生頻率。同樣以1°×1°的網(wǎng)格計(jì)算了渦旋的極性結(jié)果如圖8b所示。整個(gè)區(qū)域傾向于氣旋渦，很大程度上是因?yàn)闅庑郎u的數(shù)量要明顯多于反氣旋渦。氣旋渦更傾向于出現(xiàn)在研究區(qū)域的北部和南部，尤其是在30°～35°N之間的黑潮延伸區(qū)；而在研究區(qū)域中部20°～30°N的副熱帶逆流區(qū)則傾向于出現(xiàn)反氣旋渦。

圖8 生命周期超過30 d的中尺度渦頻率(a)和渦旋極性(b)地理分布Fig.8 Geographical frequency (a) and polarity distribution (b) of observed eddies with lifetime longer 30 days

類似地，我們統(tǒng)計(jì)了每個(gè)1°×1°網(wǎng)格區(qū)域出現(xiàn)過中尺度渦的渦動(dòng)能、渦振幅和渦半徑屬性，圖9給出了這些渦旋屬性的地理分布和緯向平均變化。明顯的可以看出來(lái)30°～35°N之間的黑潮延伸區(qū)中尺度渦具有更高的渦動(dòng)能和渦振幅，這說(shuō)明這里的中尺度渦活動(dòng)變化強(qiáng)烈，而且渦強(qiáng)度一般較強(qiáng)(振幅高)。這種渦旋強(qiáng)烈的變化很可能導(dǎo)致渦旋存在的時(shí)間較短，使得其生命周期難以超過30 d，最終導(dǎo)致我們?cè)跍u旋識(shí)別追蹤過程中捕捉不到這種變化較快的渦旋；這也就使得這里的渦旋頻率分布并沒有那么高(圖8a)。同時(shí)也正是因?yàn)檫@里的海面高度變化劇烈，一旦出現(xiàn)穩(wěn)定的中尺度渦，就會(huì)形成這種高振幅強(qiáng)度的渦旋。

就圖9a的EKE分布而言，在低緯度區(qū)域也具有較高的EKE分布，這很可能是東向流動(dòng)的北赤道逆流擾動(dòng)造成的。在中緯度10°～30°N緯度帶間和黑潮延伸區(qū)以北區(qū)域具有較小的渦動(dòng)能，說(shuō)明這里的渦活動(dòng)并不是很強(qiáng)烈；但與同緯度區(qū)域相比，黑潮主軸具有更高的渦動(dòng)能，說(shuō)明伴隨著黑潮主軸常有較強(qiáng)的中尺度渦活動(dòng)。渦旋振幅分布(圖9b)顯示除了黑潮延伸區(qū)渦振幅較高外，其他區(qū)域分布一般較低；而且隨著緯度的降低，渦振幅也在減小，尤其對(duì)于20°N以南的區(qū)域渦振幅一般小于10 cm。渦旋半徑分布(圖9c)呈現(xiàn)明顯的隨緯度降低而增大的特點(diǎn)，尤其是在15°N以南，渦旋半徑基本超過110 km；渦旋半徑的這種變化與第一斜壓模態(tài)下Rossby波變形半徑隨緯度減小而不斷變大的趨勢(shì)基本一致。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)在黑潮延伸區(qū)渦旋的半徑也傾向于更大，這與渦振幅分布基本一致。

圖9 生命周期超過30 d的渦旋EKE(a)、振幅(b)和半徑(c)的地理分布以及其緯向平均的變化Fig.9 Geographical distribution of EKE(a), amplitudes(b) and radius(c) of observed eddies with lifetime longer than 30 days and the corresponding zonal-averaged variations

3.4 渦旋的運(yùn)動(dòng)特性

該部分就22年間追蹤到的生命周期超過30 d渦旋的振幅、半徑和移動(dòng)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖10)。

生命周期大于30 d的氣旋渦平均振幅為13.5 cm，反氣旋渦平均振幅為10.8 cm，可見氣旋渦的平均振幅比反氣旋渦的稍大。圖10d顯示，氣旋渦與反氣旋渦的振幅分布基本一致，集中在3～15 cm這個(gè)范圍內(nèi)(約占全部渦旋的80.2%)，尤其是3～7 cm。從渦旋振幅的氣旋渦與反氣旋渦比值圖中(圖10h)可以看出，研究區(qū)域?qū)τ谒姓穹笮〉臏u旋都是以氣旋渦居多，這種趨勢(shì)隨著渦旋振幅的增加更加明顯。

30 d以上生命周期氣旋渦平均半徑為96.6 km，反氣旋渦平均半徑為99.3 km，要略大于氣旋渦的平均半徑。圖10e顯示，在30～70 km之間，氣旋渦比反氣旋渦稍微更集中在這個(gè)區(qū)域；而在大于半徑70 km之后，反氣旋渦的分布要比氣旋渦稍微更集中。渦旋半徑分布(圖10b)接近于一個(gè)以70 km為中心的正偏態(tài)分布，平均半徑為97.7 km，約84.6%的渦旋半徑集中分布在40～130 km之間。渦旋半徑的反氣旋渦與氣旋渦比值(圖10i)顯示，小尺度的渦旋(半徑小于70 km)氣旋渦優(yōu)勢(shì)非常明顯，隨著渦旋半徑的增大，氣旋渦和反氣旋渦數(shù)目分布趨于均衡；當(dāng)半徑超過230 km時(shí)，再次氣旋渦數(shù)量占優(yōu)勢(shì)。

氣旋渦的平均移動(dòng)速度為7.30 cm/s，反氣旋渦則為7.36 cm/s；二者平均移動(dòng)速度相差不大。圖10f顯示二者的速度分布大體一致：速度都集中在1～13 cm/s之間(約占全部渦旋的92.6%)，但反氣旋渦比氣旋渦更集中分布在5～10 cm/s這個(gè)范圍內(nèi)。與渦振幅相似，渦移動(dòng)速度的反氣旋渦與氣旋渦比值分布顯示不論什么移動(dòng)速度的渦旋都是以氣旋渦為主。

圖10 生命周期超過30 d的中尺度渦振幅、半徑、速度頻率統(tǒng)計(jì)。第一行是全部渦旋屬性的頻率分布；第二行是氣旋渦和反氣旋渦分別的屬性頻率分布，并且對(duì)應(yīng)的屬性的平均值標(biāo)注在圖中；第三行是氣旋渦與反氣旋渦的數(shù)量比例分布Fig.10 The distributions of the amplitudes, radius scales and propagation velocities of observed eddies with lifetime longer than 30 days. Histograms of all eddies are shown in the first row of panels. Histograms of cyclonic and anticyclonic eddies are shown in the second row of panels, the average values of kinetic properties of each polarity are la-beled in the panels. The ratio of anticyclonic to cyclonic eddies are shown in the bottom row of panels

4 季節(jié)和年際變化

在這一部分，對(duì)中尺度渦的出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)研究西北太平洋渦旋的季節(jié)和年際變化，圖11分別給出了中尺度渦季節(jié)和年際變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從1993年1月到2014年12月，共追蹤到928、1 029、957、927個(gè)生命周期超過30 d的氣旋渦和699、759、653、725個(gè)反氣旋渦分別在冬季、春季、夏季、秋季產(chǎn)生?？梢钥闯龃杭井a(chǎn)生的渦旋最多，夏季最少。對(duì)于不同的渦旋而言，春季的氣旋渦數(shù)量最多，秋冬季節(jié)最少；而反氣旋渦同樣在春季較多，但在夏季最少。每年產(chǎn)生的中尺度渦數(shù)目在270(2014年)～327(1996年)之間，并沒有太明顯的年際變化，尤其是在1998—2013年間每年產(chǎn)生的渦旋數(shù)目偏差小于7%。對(duì)于反氣旋渦而言其數(shù)目年際變化更加穩(wěn)定，在115～136之間，每年產(chǎn)生的反氣旋渦數(shù)目偏差小于10%；氣旋渦數(shù)目年際變化在154～201之間，可以看出，氣旋渦數(shù)量的變化基本對(duì)應(yīng)于全部渦旋數(shù)量的年際變化。

雖然中尺度渦數(shù)目年際變化并不明顯，但是渦旋數(shù)目22年間的逐月變化呈明顯的震蕩分布(圖12)。下面比較了渦旋的月生成數(shù)量與多變量ENSO指數(shù)MEI(Multivariate ENSO Index)的關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)，全部渦旋的月數(shù)量變化與MEI相關(guān)系數(shù)為0.002，氣旋渦月數(shù)量變化與MEI相關(guān)系數(shù)為0.025，反氣旋渦月數(shù)量變化與MEI相關(guān)系數(shù)為-0.026?？梢钥闯?，西北太平洋中尺度渦數(shù)目變化與ENSO指數(shù)MEI沒有明顯的相關(guān)性，或者說(shuō)西北太平洋渦旋數(shù)目的變化并不直接與ENSO現(xiàn)象相關(guān)。同時(shí)我們研究了氣旋渦月數(shù)量變化與全部渦旋月數(shù)量變化的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)為0.792；同樣得到反氣旋渦月數(shù)量變化與全部渦旋的相關(guān)系數(shù)為0.659?？梢园l(fā)現(xiàn)西北太平洋的氣旋渦的數(shù)目變化與全部渦旋的數(shù)目變化更相關(guān)。

圖11 22年間生命周期超過30 d的中尺度渦季節(jié)和年際變化，各季節(jié)產(chǎn)生的氣旋渦和反氣旋渦旋數(shù)目分別標(biāo)注在圖中Fig.11 Seasonal and interannual statistical graphs of the eddies with lifetime longer than 30 days, the seasonal numbers of cyclonic and anticyclonic eddies are shown in columns

圖12 生命周期超過30 d的中尺度渦數(shù)目22年間的逐月變化Fig.12 The monthly variations of the numbers of eddies with lifetime longer than 30 days over the 22 years

5 總結(jié)和結(jié)論

本文使用長(zhǎng)達(dá)22年的AVISO高度計(jì)融合數(shù)據(jù)基于WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法對(duì)西北太平洋的中尺度渦進(jìn)行了識(shí)別追蹤，全面分析了整個(gè)研究區(qū)域的中尺度渦分布特征，中尺度渦運(yùn)動(dòng)屬性以及季節(jié)和年際變化。由于AVISO最新版本SLA數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率達(dá)到1 d，這使得本文中對(duì)渦旋的生命周期首次以天來(lái)描述。本研究主要結(jié)論如下：

(1)22年間在西北太平洋共追蹤到生命周期超過30 d的氣旋渦3 841個(gè)，反氣旋渦2 836個(gè)，氣旋渦要多于反氣旋渦。全部渦旋的平均生命周期和傳播距離分別為69 d和408 km，氣旋渦和反氣旋渦之間的生命周期和傳播距離沒有明顯差異。

(2)西北太平洋渦旋大部分向西移動(dòng)，這些向西移動(dòng)的渦旋分布在整個(gè)研究區(qū)域，而向東移動(dòng)的渦旋較少且主要分布在黑潮及其延伸區(qū)以及3°～6°N的北赤道逆流區(qū)。與西移的渦旋相比，東向移動(dòng)渦旋的生命周期較短并且傳播距離較近。長(zhǎng)生命周期的氣旋渦主要出現(xiàn)在黑潮延伸區(qū)，而長(zhǎng)生命周期的反氣旋渦主要出現(xiàn)在20°～30°N的副熱帶逆流區(qū)。

(3)對(duì)于渦旋的地理分布特征研究發(fā)現(xiàn)，中尺度渦多集中在15°～30°N的緯度帶之間。分別而言，氣旋渦傾向于出現(xiàn)在研究區(qū)域的北部和南部，尤其是在30°～35°N之間的黑潮延伸區(qū)；而在20°～30°N的緯度帶之間則傾向于出現(xiàn)反氣旋渦。對(duì)于渦旋的EKE和振幅分布而言，黑潮延伸區(qū)中尺度渦具有更高的渦動(dòng)能和渦振幅；渦旋半徑分布呈現(xiàn)明顯的隨緯度降低而增大的特點(diǎn)。

(4)對(duì)渦旋的振幅、半徑以及傳播速度的分析結(jié)果顯示，平均而言氣旋渦的振幅比反氣旋渦的稍大，反氣旋渦的平均半徑大于氣旋渦，而二者的傳播速度差別不大。渦旋振幅基本集中在3～15 cm范圍內(nèi)，尤其是3～7 cm；渦半徑分布接近于一個(gè)以70 km為中心的正偏態(tài)分布，平均半徑為97.7 km；而渦傳播速度主要集中在1～13 cm/s之間。

(5)研究區(qū)域中尺度渦的季節(jié)分布顯示，春季出現(xiàn)的中尺度渦最多，夏季最少；對(duì)于不同的渦旋而言，春季的氣旋渦數(shù)量最多，秋冬季節(jié)最少；而反氣旋渦同樣在春季較多，但在夏季最少。每年產(chǎn)生的中尺度渦數(shù)目在270～327之間，并沒有太明顯的年際變化。對(duì)渦旋的月生成數(shù)目與ENSO指數(shù)MEI比較發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域渦旋活動(dòng)變化并不直接與ENSO現(xiàn)象相關(guān)。

下一步將針對(duì)西北太平洋中尺度渦的形成機(jī)制展開相應(yīng)的研究。

致謝：感謝AVISO提供多源衛(wèi)星高度計(jì)SLA融合數(shù)據(jù)。

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Identification and analysis of mesoscale eddies in the Northwestern Pacific Ocean from 1993-2014 based on altimetry data

Cui Wei1,2, Wang Wei1, Ma Yi2, Yang Jungang2

(1.KeyLaboratoryofPhysicalOcanography,OceanUniversityofChina,MinistryofEducation,Qingdao266061,China; 2.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)

Eddy properties in the Northwestern Pacific Ocean are studied from 22 years of AVISO altimeter data using a SLA-based eddy identification approach. 3 841 cyclones and 2 836 anticyclones with lifetimes that exceed 30 days are detected during the 22-year period, and there is a preference for cyclones for most of lifetimes and propagation distances. Most mesoscale eddies propagate westward, the westward eddies are distributed everywhere of the area, as well as the eastward eddies occur mainly along Kuroshio Current and in Kuroshio Extension. Eddies exist principally in the latitude band of 15°-30°N, especial in the region near Kuroshio Current. The cyclones prefer to occur in the northern and southern of the area, while anticyclones mainly occur in the Subtropical Countercurrent. There are higher EKE, eddy amplitudes and eddy radii in The Kuroshio Extension of 30°-35°N. Cyclones and anticyclones occur more often in spring than in other seasons. The interannual variability of eddies activities is not obvious, the number of eddies generated every year are distributed in the range of 270-330. The comparison of the monthly variations of the numbers of eddies with Multivariate ENSO Index (MEI) shows that the eddy activities of Northwestern Pacific Ocean do not directly related with the ENSO phenomena.

mesoscale eddy; Northwestern Pacific; altimetry data; eddy characteristic; interannual variability

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.002

2015-12-02；

2016-09-19。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41576176)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)(2013AA122803)；龍計(jì)劃項(xiàng)目(10466)。

崔偉(1990—)，男，山東省鄆城縣人，研究方向海洋中尺度渦。E-mail：cuiwei@fio.org.cn

*通信作者：楊俊鋼(1980—)，男，副研究員，從事衛(wèi)星高度計(jì)海洋應(yīng)用研究。E-mail：yangjg@fio.org.cn

P731.2

A

0253-4193(2017)02-0016-13

崔偉，王偉，馬毅，等. 基于1993-2014年高度計(jì)數(shù)據(jù)的西北太平洋中尺度渦識(shí)別和特征分析[J].海洋學(xué)報(bào)，2017，39(2)：16—28,

Cui Wei, Wang Wei, Ma Yi, et al. Identification and analysis of mesoscale eddies in the Northwestern Pacific Ocean from 1993-2014 besed on altimetry data[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(2)：16—28, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.002