北太平洋中尺度渦溫度垂直結構區(qū)域差別分析

鄭聰聰，訚忠輝，梁永春，崔偵久，孟 娜

（1.國家海洋局日照海洋環(huán)境監(jiān)測站,山東日照276800；2.國家海洋局北海預報中心,山東青島266000; 3.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室,山東青島2266061）

北太平洋中尺度渦溫度垂直結構區(qū)域差別分析

鄭聰聰1，訚忠輝2,3，梁永春1，崔偵久1，孟 娜1

（1.國家海洋局日照海洋環(huán)境監(jiān)測站,山東日照276800；2.國家海洋局北海預報中心,山東青島266000; 3.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室,山東青島2266061）

利用在北太平洋海域（120°E～100°W，10°～60°N；）19a間（1993—2011年）識別追蹤出的中尺度渦，結合該區(qū)域內(nèi)的Argo浮標資料，初步探索了北太平洋不同區(qū)域之間渦旋垂直溫度結構的差異性。通過對比北太平洋4個小區(qū)域（副熱帶逆流區(qū)域、黑潮延伸體區(qū)域、親潮區(qū)域、東部加利福尼亞沿岸區(qū)域）內(nèi)的渦旋發(fā)現(xiàn)：每個區(qū)域內(nèi)氣旋渦和反氣旋渦的垂直溫度結構具有很大的相似性，但不同區(qū)域之間則略有差異。其中黑潮延伸體區(qū)域跟其它區(qū)域的中尺度渦垂直溫度結構有較大差別，該區(qū)域內(nèi)中尺度渦溫度異常值明顯大于其它區(qū)域，冷暖核的深度比其它區(qū)域要深，并且從100～600 m的深度上都有較大的溫度異常。

中尺度渦；北太平洋；核結構

1 引言

中尺度渦作為中尺度現(xiàn)象的一個重要組成部分，在海洋熱鹽和能量的輸送及海洋生物、化學過程中都起著非常重要的作用[1-2]，其攜帶的能量要比平均流大一個量級以上[3]，是海洋動力學的重要組成部分[4]。近年來隨著衛(wèi)星遙感觀測手段的日益進步，對海洋中尺度渦的研究也得到了不斷的發(fā)展[5]。Wang等人利用8 a的高度計資料，將南海分成4個海域分別了討論渦旋的時空特征[6]。程旭華等利用10 a的高度計融合數(shù)據(jù)分析了南海中尺度渦的時空分布及渦旋的季節(jié)和年際差異[7]。程旭華及Chelton等都重點研究了全球海洋中尺度渦的空間分布及運動規(guī)律[5,8]。

北太平洋具有獨特的大、小雙環(huán)流結構，區(qū)域內(nèi)海流錯綜復雜，中尺度渦現(xiàn)象非常活躍。我國大部分海岸線均毗鄰北太平洋海域西側，因此研究北太平洋區(qū)域內(nèi)中尺度渦的垂直結構具有重要意義。近年來，隨著Argo浮標的不斷增多，不少學者對該區(qū)域內(nèi)中尺度渦的垂直結構進行了一定的研究。Liu等統(tǒng)計分析了副熱帶逆流區(qū)域內(nèi)的渦旋結構，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)冷暖渦旋的核深度相差不多，最大異常溫度大約為1℃左右[9]。Chaigneau等研究了秘魯智利沿岸渦旋的垂直溫度結構，結果表明渦旋的暖核要比冷核深，中尺度渦引起的溫度異常也在1℃左右[10-11]。Roemmich等利用T/P高度計資料，利用合成方法分析了北太平洋區(qū)域中尺度渦的溫度結構[12]。張正光利用合成分析的方法表明中尺度渦具有統(tǒng)一結構性，并且給出了利用海表高度資料反演三維結構的方法[13]。賀志剛等通過4個在南海范圍的Argo浮標資料和衛(wèi)星高度計資料，分析了南海區(qū)域中尺度渦旋的活動及空間結構[14]。劉金芳等利用CTD資料研究了呂宋冷渦的垂直結構[15]，燕丹晨等利用AVISO資料和CTD資料研究了越南東南外海的渦旋垂向結構[16]，均發(fā)現(xiàn)渦旋在溫躍層之下、約100 m深度上溫度異常較為明顯。但目前北太平洋中尺度渦垂直結構的研究仍主要集中在個例渦旋的研究上[17]，或者個別小區(qū)域上[18-19]，缺乏大量渦旋垂直結構的統(tǒng)計。本文利用統(tǒng)計方法分析了北太平洋區(qū)域內(nèi)中尺度渦的平均垂向溫度異常結構，并對比了幾個典型小區(qū)域內(nèi)渦旋結構的異同。

2 資料方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文識別追蹤中尺度渦所采用的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)是由法國采集定位衛(wèi)星（Collecte Localisation Satellites，CLS）中心提供的AVISO海平面高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由TOPEX/ Poseidon（T/P）和ERS-1/2衛(wèi)星高度計資料混合而成，數(shù)據(jù)精度為1/4°×1/4°，時間間隔為7 d，本文選取的時間段是從1993—2011年共19 a[20]。

Argo浮標數(shù)據(jù)資料采用中國Argo實時資料中心提供的浮標原始數(shù)據(jù)，使用之前做區(qū)域性和質量性篩選，只選取在北太平洋海域數(shù)據(jù)質量合格的2 442個浮標資料，并且在0～800 m深度上做線性插值處理。

海洋氣候態(tài)平均資料（World Ocean Atlas 2009，WOA09）是由美國海洋資料中心（the U.S.National Oceanographic Data Center）提供，分辨率為1°× 1°。為全球海洋經(jīng)緯網(wǎng)格的氣候學客觀分析、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，包括在33個深度上的溫、鹽、溶解氧等變量的逐年、月、季節(jié)數(shù)據(jù)。在本文中，我們將WOA09資料中1°×1°的逐月溫度數(shù)據(jù)與Argo浮標數(shù)據(jù)做同樣的插值處理。

2.2 中尺度渦垂直結構研究方法

本文利用通過SSHA閉合等直線法追蹤到的中尺度渦和被投放到北太平洋的Argo浮標數(shù)據(jù)資料來研究這些中尺度渦垂直溫度結構的整體狀況。Argo浮標投放的初始時間是2002年，因此我們所選用的中尺度渦也均是2001年之后的。由于中尺度渦和Argo浮標移動的無規(guī)律性，大部分渦旋可能只在某段時間段內(nèi)能夠捕獲一個Argo浮標。在本文中我們只關注那些被中尺度渦所捕獲的Argo浮標剖面，將所有這些浮標剖面做統(tǒng)計分析，來表征中尺度渦的垂直溫度結構。判斷Argo浮標剖面是否被渦旋捕獲的標準如下：渦旋的識別時間步長為7 d一次，浮標剖面數(shù)據(jù)的時間序列步長為數(shù)天左右。若一個浮標剖面在這個渦旋步長的前后3 d內(nèi)并且位于這個渦旋的0.8倍半徑之內(nèi)，那么我們就認定這個浮標剖面被這個渦旋所捕獲[20]（見圖1）。另外，由于每個浮標剖面在渦旋中的空間位置不同，有的位于渦旋中心，有的位于渦旋邊緣，但有研究認為中尺度渦在基于高度計的觀察中是基本軸對稱的[8,11]，所以在本文中我們同樣認為渦旋的三維結構在平均意義下也是基本軸對稱的。我們將所捕獲到的大量的浮標剖面進行統(tǒng)一平均化處理，忽略掉這種因單個浮標剖面空間位置的不同所帶來的整體渦旋結構的差異。

圖1 被氣旋渦所捕獲的Argo浮標

利用自動匹配程序來尋找所有被中尺度渦捕獲的Argo浮標剖面。匹配思想是：將所有Argo浮標剖面逐個跟2001年之后的中尺度渦旋做對比，看該剖面是否被中尺度渦捕獲。最后分別統(tǒng)計被氣旋渦和反氣旋渦捕獲的剖面，進而查看北太平洋區(qū)域中尺度渦的整體結構。

3 北太平洋中尺度渦垂向溫度結構

利用前文所述方法，我們找出在19 a間共產(chǎn)生18 420個氣旋渦和15 965個反氣旋渦，利用這些渦旋和浮標剖面匹配共找到符合條件的氣旋渦浮標剖面11 979個和反氣旋渦浮標剖面13 153個。將每個剖面除去被插值到該剖面所在位置所在月份的WOA09氣候態(tài)溫度平均值，得到溫度異常結果，該結果即代表該中尺度渦在垂直方向上所引起的溫度異常。將所有溫度異常做平均化處理，得到北太平洋氣旋渦和反氣旋渦的垂向溫度結構（見圖2）。

圖2 北太平洋中尺度渦垂向溫度結構

從圖2中可以看到，北太平洋海域氣旋渦和反氣旋渦的垂向溫度結構具有對稱性。該區(qū)域中尺度渦具有“核”狀結構，即渦旋引起的垂向溫度異常值都隨深度增加而先增后減，這與個例渦旋也具有核狀結構的結論相符[20]；在800 m深度上，兩者溫度異常值都降到0.5℃以內(nèi)，這說明北太平洋中尺度渦影響下層海水溫度的平均深度能夠達到800 m，但與此同時，在800 m深度時該影響已經(jīng)比較微弱；反氣旋渦的暖核中心位于120 m上下，氣旋渦的冷核中心位于150 m上下。在本文中，我們選取1℃作為中尺度渦對海水溫度影響較為明顯的閾值，大于此溫度的深度范圍則被視為中尺度渦對下層海水溫度的主要影響深度。北太平洋氣旋渦對海洋下層海水溫度的影響主要集中在50～450 m之間，反氣旋渦則集中在0～500 m之間，影響范圍更廣；反氣旋渦的最大溫度異常值接近1.5℃，而氣旋渦的最大溫度異常值為-1.3℃。

4 北太平洋中尺度渦垂向結構區(qū)域性差別

為更好的研究分析不同區(qū)域之間渦旋結構的差異性，我們選取北太平洋內(nèi)4個較小的區(qū)域（見圖3）。所選區(qū)域均為中尺度渦高發(fā)地段，這4個小區(qū)域的位置和范圍如表1所示：

表1 4個小區(qū)域名稱及位置

依據(jù)前文所述方法，做出這4個小區(qū)域內(nèi)中尺度渦垂直溫度異常結構（見圖4—7），其中左側為氣旋渦，右側為反氣旋渦。

為更好的對比觀察4個區(qū)域中尺度渦垂直溫度結構的異同，我們總結4個小區(qū)域中尺度渦的結構，如冷暖核深度、冷暖核溫度異常值等信息（見表2）。

表2 4個區(qū)域中尺度渦溫度異常結構信息

圖3 北太平洋4個中尺度渦高發(fā)區(qū)域

圖4 副熱帶逆流區(qū)中尺度渦垂向溫度結構

結合圖表對比每個小區(qū)域中尺度渦的冷暖核結構可以發(fā)現(xiàn)，其各自的冷核和暖核深度相差不大，冷暖核的溫度異常值也比較接近，這說明不管是北太平洋區(qū)域還是其內(nèi)部小區(qū)域，氣旋渦和反氣旋渦的垂直結構都具有相似性，這與前文結論相符。

4個小區(qū)域之間中尺度渦的垂直結構則具有一定的差異性。首先，每個區(qū)域的冷暖核深度各不相同，親潮區(qū)域最淺，只有不足80 m，黑潮延伸體區(qū)域最深，達到300多米。其次，其冷暖核的溫度異常值稍有差異，除黑潮延伸體外，其他區(qū)域的溫度異常大都在1～2℃之間，而黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦垂直結構的溫度異常則達到3℃，遠高于其他區(qū)域。另外，從圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)，黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦的冷暖核深度范圍更大，遠不如其他3個區(qū)域集中。對于這種差異，有學者認為是因為黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦的產(chǎn)生機制多種多樣，并且存在迥然各異的性質[21]，或者復雜的黑潮-渦旋相互作用可以極大地改變渦旋結構[22-24]，進而造成了這種區(qū)域上的差別。對此我們做出了北太平洋中尺度渦的平均振幅分布（見圖8）。結合圖8顯示的北太平洋中尺度渦平均振幅分布，本文認為中尺度渦對下層海水的影響可能跟渦旋自身的振幅有關，渦旋振幅越大表明該渦旋活動越強烈，能夠引起的上層海水下沉過程或下層海水上翻就越劇烈，進而能夠影響的海水深度就越深。

圖5 黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦垂向溫度結構

圖6 親潮區(qū)域中尺度渦垂向溫度結構

5 結論

北太平洋中尺度渦的冷暖核中心位于100～ 150 m之間，最大溫度異常值約為1～1.5℃，氣旋渦和反氣旋渦的垂直結構具有很大的相似性。4個小區(qū)域之間中尺度渦的垂直結構略有差異，黑潮延伸體區(qū)域內(nèi)中尺度渦的溫度異常值明顯大于其它區(qū)域，冷暖核中心的深度達到300～400 m，該區(qū)域渦旋對下層海水的影響具有溫度異常高、冷核暖核深、影響范圍廣等特點。

圖7 加利福尼亞區(qū)域中尺度渦垂向溫度結構

圖8 北太平洋中尺度渦平均振幅分布

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Analysis of the eddy vertical structure in different areas in the North Pacific

ZHENG Cong-Cong1，YIN Zhong-hui2,3，LIANG Yong-Chun1，CUI Zhen-Jiu1，MENG Na1

（1.Rizhao Marine environmental monitoring station of SOA,Rizhao,Rizhao 276800 China;2.North China sea marine forecasting center of state oceanic Administration,Qingdao 266000 China;3.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266061 China）

The difference of eddy vertical structure in different areas in the North Pacific（NP）was analyzed with eddies identified in 19 years（1993—2011）and Argo data in the NP.By comparing eddy vertical structure in four different areas（the Subtropical Countercurrent,the Kuroshio extension,the Oyashio Current and east coast of North Pacific）,the results show that the cyclones and anticyclones have similar structure in the same area,but the eddy structure distinct from each other in different areas,especially in the Kuroshio extension.The vertical temperature anomaly of eddies in this area is larger than other areas,and the depth of cores is deeper. Furthermore,the temperature anomaly in depth from 100 m to 600 m is large generally in this area.

mesoscale eddies;North Pacific;core structure

P731.11

A

1003-0239（2017）03-0010-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.002

2016-09-02；

2016-11-10。

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC1402103）；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（2013418031）。

鄭聰聰（1987-），男，助理工程師，碩士，主要從事中尺度渦三維結構研究。E-mail:zcclstx@126.com