馬里亞納海溝東西兩側(cè)海域中尺度渦的海面高度計(jì)觀測研究

李熙泰，張鐘哲，王喜風(fēng)

(大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連116023)

海洋中尺度渦是指時(shí)間尺度在數(shù)天到數(shù)月之間、空間尺度在直徑數(shù)十到數(shù)百千米的渦旋。它們廣泛存在于海洋各處，相當(dāng)于大氣的風(fēng)暴系統(tǒng)，所以也稱為天氣尺度渦旋。這些渦旋中，既有氣旋式冷渦，也有反氣旋式暖渦，且渦旋中的流速也較大，垂直向下的伸展可及整個(gè)水柱。中尺度渦的能量很大，在海洋能量譜中是一個(gè)明顯的峰區(qū)［1］，能量可以比平均流高出一個(gè)量級或者更大，對海洋動力學(xué)的影響極大。20世紀(jì)90年代以前，由于受到觀測手段的限制，對中尺度渦的研究主要基于現(xiàn)場觀測，所以對渦旋的形成、傳播、消失過程不甚明了。近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，對中尺度渦的研究提升到新的高度。衛(wèi)星遙感可提供大覆蓋、準(zhǔn)同步、長時(shí)間序列的海洋觀測數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)都適合用于海洋中尺度現(xiàn)象的研究，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為中尺度渦的研究提供了豐富的資料。

國內(nèi)外基于現(xiàn)場觀測及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的中尺度渦研究有很多報(bào)道，如對臺灣西南海域的中尺度強(qiáng)渦的季節(jié)變化［2］，黑潮延伸區(qū)中尺度渦的強(qiáng)度規(guī)律［3-4］，呂宋海峽兩側(cè)中尺度渦的形成、西移、消散規(guī)律［5］，北太平洋副熱帶環(huán)流渦動能的季節(jié)變化及中尺度渦的西向傳播速度［6-10］，中尺度渦對日本海及東海的影響［11］等。很多研究發(fā)現(xiàn)，黑潮延伸區(qū)海域和副熱帶逆流區(qū)是中尺度渦形成較多的海域。但是，迄今為止的研究主要集中在西邊界及中緯度海域［2-5，8，12-14］。程旭華等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在北緯22°和35°存在兩條渦帶，而且有學(xué)者［6-9］對渦帶及附近海域的渦旋進(jìn)行了研究。本研究中，作者使用2001—2006年的衛(wèi)星海面高度計(jì)數(shù)據(jù)對渦帶內(nèi)中尺度渦的傳播過程及其強(qiáng)度變化進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本研究中選取15° ～25°N、120° ～160°E 的低緯度海域作為研究空間范圍，使用從2001—2006年的衛(wèi)星海面高度計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測水溫?cái)?shù)據(jù)，來研究該海域中尺度渦的傳播特性及其強(qiáng)度變化特征。圖1 為研究海域及其地形圖，研究區(qū)域的西側(cè)為臺灣島以及菲律賓群島，東側(cè)有強(qiáng)西邊界流黑潮流過。沿著東經(jīng)143°經(jīng)線有北馬里亞納群島，在其東側(cè)有世界上最深的海溝——馬里亞納海溝。

圖1 研究海域及海底地形Fig.1 The area and topography in the study

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 海面高度距平 本研究中使用的2001—2006年衛(wèi)星海面高度計(jì)數(shù)據(jù)，是由美國宇航局(NASA)的Goddard Space Flight Center和Ssalto/Duacs(Jason-1 數(shù)據(jù);AVISO，2004)衛(wèi)星發(fā)布的由TOPEX/POSEIDON(T/P)觀測的海面高度距平(sea surface height anomalies)數(shù)據(jù)和由Jason -1 觀測的延時(shí)更新海平面距平(delayed -time updated sea level anomalies)數(shù)據(jù)。這兩顆衛(wèi)星搭載的海面高度計(jì)觀測的時(shí)間間隔均為9.92 d，在中緯度的軌道間距為300 km。參照Ichikawa［16］用最適內(nèi)插法網(wǎng)格化的時(shí)間和空間分辯率，本研究中使用時(shí)間間隔為7 d、空間分辨率為1/4° ×1/4°的數(shù)據(jù)。

1.2.2 海表面水溫 作為輔助數(shù)據(jù)，使用美國國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心(NODC)提供的AVHRR(advanced very high resolution radiometer)Pathfinder version 5 的海表面溫度數(shù)據(jù)(SST)，數(shù)據(jù)覆蓋全球，空間分辨率為4 km，時(shí)間間隔為7 d。為了與海面高度計(jì)數(shù)據(jù)對應(yīng)，選取了2001—2006年間的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以與海面高度計(jì)數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)相距最近的點(diǎn)的水溫作為該網(wǎng)格點(diǎn)的水溫。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 地轉(zhuǎn)流場 首先對研究區(qū)域內(nèi)的各數(shù)據(jù)去除全時(shí)段(2001—2006年)的平均值。然后，為了消除海面高度的季節(jié)性變動(熱力學(xué)成分)，假定海面高度變化的季節(jié)性變動是正弦性的，選用離散傅立葉方法去除季節(jié)性的變動，得到海面高度距平的時(shí)間序列。利用海面高度距平計(jì)算地轉(zhuǎn)流速的公式推導(dǎo)如下:

利用式(3)對式(1)、(2)作進(jìn)一步的簡化得到地轉(zhuǎn)流速的計(jì)算公式為

其中:u 為地轉(zhuǎn)流速的東西向分量;v 為地轉(zhuǎn)流速的南北向分量;f 為科氏力;h 為海面高度距平;g為重力加速度。

1.3.2 均方根 一般用海面高度距平的均方根或渦動能的大小及空間分布來表征海洋中尺度渦變化的強(qiáng)弱。李燕初等［17］曾利用海面高度距平均方根的時(shí)空分布研究了南海東北部海域中尺度渦的季節(jié)和年際變化，本研究中參考其中尺度渦的研究方法，所使用的均方根公式為

1.3.3 中尺度渦的選取方法 中尺度渦在海面高度距平分布中可分為中心部海面高于周圍的暖渦和中心部海面低于周圍的冷渦，由地轉(zhuǎn)流平衡可知，暖渦的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，冷渦的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。本研究中參考郭景松等［5］和程旭化等［14-15］的標(biāo)準(zhǔn)來識別中尺度渦，選取標(biāo)準(zhǔn)如下:1)在海面高度距平分布圖中要有閉合的等值線;2)渦旋中心的水深要大于1 000 m;3)渦旋的直徑大于150 km;4)渦旋的存在時(shí)間大于1 個(gè)月;5)將渦旋中20 cm(-20 cm)等值線的出現(xiàn)及消失定義為渦旋存在的初期與末期。

選取標(biāo)準(zhǔn)識別的原因基于以下幾點(diǎn):1)在海面高度距平分布圖中，渦旋在形態(tài)上表現(xiàn)為一系列封閉的等值線;2)渦旋中心的等值線值與最外層等值線值的高度差和水平距離反映了渦旋的強(qiáng)度和水平尺度;3)在海面高度距平分布圖中，可以很清晰地識別中尺度渦，但渦旋的形成期和消失期卻很難分辨，所以把渦旋存在時(shí)期作為研究對象。

2 結(jié)果

2.1 中尺度渦的西向傳播特性

本研究中將海面高度距平分為正異常(海面高度距平正值)及負(fù)異常(海面高度距平負(fù)值)。圖2 為從2002年4月10日—2003年1月8日約9個(gè)月的海面高度距平分布中屏蔽了絕對值小于10 cm等值線的時(shí)間序列，相鄰各圖之間的時(shí)間間隔為14 d。從圖2可以看出:起始時(shí)間渦旋A(正異常)的中心位置在北緯21.6°、東經(jīng)151.7°處，直徑為150 ～200 km，中心的海面高度距平值大于20 cm;渦旋A 持續(xù)了40 個(gè)周期約280 多天，最后中心位置移動到了北緯21.2°、東經(jīng)131.8°處。在移動過程中，渦旋中心的海面高度距平的最大值為38 cm，南北向移動僅為0.4 個(gè)緯度(約40 km)，東西向移動則為20 個(gè)精度(約2 200 km)，渦旋A的西向傳播速度大致可以由渦旋移動的距離除以渦旋持續(xù)的時(shí)間求出，得出渦旋A 的傳播速度大約為9 cm/s。在北緯20°，第一斜壓模式下Rossby 長波的傳播速度大約為10 cm/s，因此渦旋A 的傳播速度略小于Rossby 長波的傳播速度。

圖2 海面高度距平的時(shí)間序列Fig.2 The time series of the sea surface height anomaly

圖3 典型渦旋A 存在期開始與結(jié)束時(shí)的地轉(zhuǎn)流場Fig.3 The geostrophic velocity field of the typical eddy A beginning and ending

由海面高度距平分布，利用地轉(zhuǎn)流速方程計(jì)算出最初和最后的表層地轉(zhuǎn)流場(圖3)，能更直觀的看清渦旋中的流速。從圖3 -a可以看出，渦旋A是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的反氣旋渦旋，即暖渦，渦旋A內(nèi)的最大流速為60 cm/s，而且渦旋中心的流速要小于渦旋的外層。從圖3 -b可以看出，渦旋內(nèi)的最大流速為40 cm/s，渦旋中心的流速為20 cm/s。中尺度渦的西向傳播已經(jīng)在理論上得到很好的解釋，反氣旋式渦旋和氣旋式渦旋在β 效應(yīng)下向西傳播［18-19］。

另外，還選取了16 個(gè)渦旋，其中暖渦和冷渦各8 個(gè)。渦旋的傳播距離由起始和終止位置的經(jīng)度來確定，傳播速度可以由渦旋傳播距離除以渦旋的持續(xù)時(shí)間來算出［3］。經(jīng)計(jì)算:冷渦的傳播速度最小約為6 cm/s，最大約為13 cm/s，平均傳播速度為9 cm/s;暖渦的傳播速度最小約為9 cm/s，最大約為12 cm/s，平均傳播速度約為10 cm/s。在統(tǒng)計(jì)渦旋傳播過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)在馬里亞納海溝以東形成的很多渦旋，強(qiáng)度較小時(shí)不能越過馬里亞納島鏈，而強(qiáng)度較大的渦旋越過島鏈向西傳播，大部分渦旋在臺灣以東的黑潮邊界消散。

2.2 中尺度渦的面積變化

中尺度渦的暖渦，在海面高度距平圖中表現(xiàn)為正值，中尺度渦冷渦表現(xiàn)為負(fù)值。由于整個(gè)研究區(qū)域的數(shù)據(jù)為分布均勻的1/4° ×1/4°的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，所以渦旋內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)可以近似代表渦旋的面積。圖4 為6年間的海面高度距平圖中上述網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量隨時(shí)間的變化。

從圖4可以清晰地看出，點(diǎn)線的峰值在6年的全時(shí)段上明顯大于短橫線的峰值，說明暖渦的面積大于冷渦的面積。而且大體可以看出，當(dāng)點(diǎn)線的值較小時(shí)，短橫線的值較大，表明暖渦與冷渦的面積是交替變化的。即暖渦面積較大時(shí)冷渦面積較小，反之亦然。暖渦面積的變化具有明顯的季節(jié)性特征(本研究中定義1—3月為冬，4—6月為春，7—9月為夏，10—12月為秋)，在夏季達(dá)到最大值。冷渦的面積變化也具有季節(jié)性，最大值出現(xiàn)在冬春季，但是2004年情況比較特殊，冷渦面積的最大值出現(xiàn)在秋季。圖4 中實(shí)線代表了海面高度距平的正異常和負(fù)異常的總和，代表整個(gè)研究區(qū)域中尺度渦的面積變化，可以看出，2004年的中尺度渦面積最大。2004年出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象是否與當(dāng)年發(fā)生的黑潮大彎曲有關(guān)，還有待進(jìn)一步考證。

圖4 海面高度距平網(wǎng)格點(diǎn)個(gè)數(shù)的時(shí)間序列Fig.4 The time series of the numbers of grid points by the sea surface height anomaly

2.3 中尺度渦強(qiáng)度變化的時(shí)間特征

為了進(jìn)一步說明中尺度渦強(qiáng)度變化的時(shí)間特征，筆者計(jì)算了月際和年際的海面高度距平的均方根值。在計(jì)算過程中，將海面高度距平數(shù)據(jù)按月和年分段，計(jì)算出各網(wǎng)格點(diǎn)各時(shí)間段的均方根值，然后在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)作空間平均，結(jié)果見圖5。

從圖5可見:在海面高度距平均方根的月際變化中，超過10 cm 的高值出現(xiàn)在5月份至9月份，其他月份則相對較低，說明春季和夏季的中尺度渦強(qiáng)度要大于秋季和冬季，并且在6月份強(qiáng)度最大，12月份最小;在海面高度距平均方根的年際變化中，中尺度渦強(qiáng)度在2004年出現(xiàn)最大值，在2001年出現(xiàn)最小值，這與圖4 中的粗實(shí)線的變化相符，即中尺度渦的面積變化在某種程度上也可代表其強(qiáng)度變化。

圖5 海面高度距平均方根值的月變化和年變化Fig.5 The monthly and annual variation in the RMS of the sea surface height anomaly

2.4 中尺度渦強(qiáng)度變化的季節(jié)特征

為了分析中尺度渦強(qiáng)度變化的季節(jié)特征，首先將各網(wǎng)格點(diǎn)的海面高度距平數(shù)據(jù)按季節(jié)范圍作平均，然后再將6年間的季節(jié)平均數(shù)據(jù)再按4 個(gè)季節(jié)作平均，求出各季節(jié)的平均值。從圖6可以看出:春季16 cm 以上的均方根高值區(qū)主要分布在臺灣島的東側(cè)、馬里亞納海溝附近及其東側(cè);夏季臺灣島東側(cè)的高值區(qū)向南延伸，馬里亞納海溝附近及其東側(cè)的高值區(qū)消失，并且夏季高值區(qū)的幅值和面積，即中尺度渦的強(qiáng)度是四個(gè)季節(jié)中最大的;秋季高值區(qū)集中在東經(jīng)131°以西，南邊延伸到了菲律賓群島東側(cè)，但幅值較小，最高只有16 cm;冬季高值區(qū)主要在臺灣島與馬利亞納島鏈之間，菲律賓群島東側(cè)的高值區(qū)消失。

除此之外，從圖6 還可以看出，除了春季外，均方根的高值區(qū)大部分集中在馬里亞納島鏈的西側(cè)。在臺灣島和菲律賓群島的東側(cè)，海底地形為階梯狀分布，而海面高度距平均方根的分布也相應(yīng)地呈現(xiàn)階梯狀分布，即深度越深，均方根值也越大。

圖6 海面高度距平均方根值的季節(jié)變化Fig.6 The seasonal variation in the sea surface height anomaly RMS

3 討論

圖7 為6年間平均海面高度距平均方根的空間分布圖。從全時(shí)段的海面高度距平均方根值的空間分布來看，中尺度渦高值區(qū)主要分布在臺灣島以東19°N 以北、140°E 以西海域。圖中有兩個(gè)均方根值大于18 cm 的最高值區(qū)，形成渦旋狀結(jié)構(gòu)，中心位置分別在(23.5°N、125.5°E)附近和(22°N、135°E)附近。總的來說，馬里亞納島鏈東側(cè)的均方根值小于西側(cè)的均方根值?？梢哉J(rèn)為，本研究中中尺度渦主要形成于島鏈以東，然后向西傳播，中尺度渦的能量也由東向西傳播到西側(cè)，并匯集形成中尺度渦能量集聚區(qū)。

圖7 海面高度距平均方根的空間分布Fig.7 The spatial distribution of the sea surface height anomaly RMS

將20° ～25°N、120° ～140°E 的海域作為中尺度渦能量集聚區(qū)，比較6年間能量集聚區(qū)與整個(gè)研究海域的海表面平均水溫(圖8)，結(jié)果表明，能量集聚區(qū)的海表面平均水溫與整個(gè)研究海域的峰值相差不大，但是振幅較大。

圖8 海面水溫的時(shí)間序列Fig.8 The time series of sea surface temperature

4 小結(jié)

本研究中通過對2001—2006年的高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了馬里亞納海溝東西兩側(cè)中尺度渦的傳播特性和強(qiáng)度變化，得到如下結(jié)論:

1)中尺度渦的西向傳播特性得到了驗(yàn)證，其傳播速度與第一斜壓模式下Rossby 長波的傳播速度基本一致。

2)從中尺度渦的面積變化來看，6年間暖渦的強(qiáng)度大于冷渦的強(qiáng)度，并且冷渦和暖渦的強(qiáng)度交替變換。

3)從海面高度距平的均方根值來看，中尺度渦的強(qiáng)度有季節(jié)和年際變化特征。

4)中尺度渦強(qiáng)度的高值區(qū)主要分布在臺灣島和菲律賓群島的東側(cè)海域，其空間分布隨季節(jié)發(fā)生變化，有與海底地形相應(yīng)的階梯狀分布。

5)從全時(shí)段中尺度渦強(qiáng)度的空間分布來看，在臺灣島的東側(cè)海域形成能量集聚區(qū)。

［1］王桂華，蘇紀(jì)蘭，齊義泉.南海中尺度渦研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20(8):882 -886.

［2］李燕初，李立，林明森，等.用TOPEX/POSEIDON 高度計(jì)識別臺灣西南海域中尺度渦強(qiáng)渦［J］.海洋學(xué)報(bào)，2002，24(S1):163-170.

［3］高理，劉玉光，榮增瑞.黑潮延伸區(qū)的海平面異常和中尺度渦的統(tǒng)計(jì)分析［J］.海洋湖沼通報(bào)，2007(1):14 -23.

［4］Ebuchi N，Hanawa K.Mesoscale eddies observed by TOLEX-ADCP and TOPEX/POSEIDON altimeter in the kuroshio recirculation region South of Japan［J］.Journal of Oceangraphy，2000，56(1):43 -57.

［5］郭景松，袁業(yè)立，熊學(xué)軍，等.呂宋海峽兩側(cè)中尺度渦統(tǒng)計(jì)［J］.海洋科學(xué)進(jìn)展，2007，25(2):139 -148.

［6］Qiu Bo.Seasonal eddy field modulation of the North Pacific Subtropical Countercurrent:TOPEX/POSEIDON observations and theory［J］.Journal of Physical Oceanography，1999，29:2471 -2486.

［7］Qiu Bo，Chen Shuiming.Interannual variability of the North Pacific Subtropical Countercurrent and its associated mesoscale eddy field［J］.Journal of Physical Oceanography，2010，40:213 -225.

［8］Noh Y，Yim B Y，You S H，et al.Seasonal variation of eddy kinetic energy of the North Pacific Subtropical Countercurrent simulated by an eddy-resolving OGCM［J/OL］.Geophysical Research Letters，Vol 34，L07601 dio:10.1029/2006GL029130，2007.

［9］Zhu Xiao-hua，Park Jae-hun，Huang Da-ji.Observation of baroclinic eddies southeast of Okiniawa Island［J］.Science in China Series-D:Earth Sciences，2008，512(12):1802 -1812.

［10］Kang Lin，Wang Fan，Chen Yongli.Eddy generation and evolution in the North Pacific Subtropical Countercurrent(NPSC)zone［J］.Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2010，28(5):968-973.

［11］Jacobs G A，Hogan P J，Whitmer K R.Effect of eddy varibility on the circulation of the Japan/East Sea［J］.Journal of Oceanography，1999，55(2):247 -256.

［12］袁耀初，楊成浩，王彰貴.2000年東海黑潮和琉球群島以東海流的變異:Ι.東海黑潮及其附近中尺度渦的變異［J］.海洋學(xué)報(bào)，2006，28(2):1 -13.

［13］周惠，郭佩芳，許建平，等.臺灣島以東渦旋及東海黑潮的變化特征［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37(2):181 -190.

［14］程旭華，齊義泉，王衛(wèi)強(qiáng).南海中尺度渦的季節(jié)和年際變化特征分析［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2005，24(4):51 -59.

［15］程旭華，齊義泉.基于衛(wèi)星高度計(jì)觀測的全球中尺度渦的分布和傳播特征［J］.海洋科學(xué)進(jìn)展，2008，26(4):447 -453.

［16］Ichikawa K.Variation of the Kuroshio in the Tokara strait induced by mesoscale eddies［J］.Journal of Oceanography，2001，57:55 -68.

［17］李燕初，蔡文理，李立，等.南海東北部海域中尺度渦的季節(jié)和年際變化［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2003，22(3):61 -70.

［18］Nof D.On the β-induced movement of isolated baroclinic eddies［J］.Journal of Physical Oceanography，1981，11:1662 -1672.

［19］Cushman-Roisin B，Chassignet E P，Tang B.Westward motion of mesoscale eddies［J］.Journal of Physical Oceanography，1990，20:758 -768.