基于CORA2再分析數(shù)據(jù)的南海中尺度渦時空分布特征初步研究

白志鵬，韓君，郭賢鵬，朱科瀾

（中國人民解放軍61741部隊，北京100094）

1 引言

南海作為西太平洋最大的半封閉邊緣海，其環(huán)流結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，并呈現(xiàn)多渦的特點。中尺度渦是指時間尺度在數(shù)天至數(shù)月之間、空間尺度在數(shù)十到數(shù)百公里之間的渦，其生成機制有多種，例如洋流的蛇行、海面風的作用、海面加熱和冷卻、地形作用、小尺度的混合和波動等。中尺度渦可以傳輸熱能和動能并可以和平均流場相互作用。

隨著觀測手段日益多樣化，中尺度渦現(xiàn)象的研究越來越活躍，有很多學者[1-6]利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和遙感對數(shù)據(jù)南海的中尺度渦進行了分析。但實測數(shù)據(jù)只局限于少量幾個渦旋進行分析，遙感數(shù)據(jù)由于資料時間分辨率的限制無法發(fā)現(xiàn)壽命小于3 d的渦旋且只能得到基于海面高度的結(jié)論。本文利用逐日海流再分析資料，對中尺度渦進行識別統(tǒng)計，比較全面直觀的分析了南海中尺度渦的時空分布特征。

2 資料和處理方法

2.1 資料

本文利用國家海洋信息中心制作的逐日海流再分析資料（China Ocean ReAnalysis 2，CORA2）計算識別南海中尺度渦。時間范圍為1993年1月—2012年12月，時間分辨率為1 d，空間分辨率為1/8°×1/8°。該數(shù)據(jù)發(fā)布之前經(jīng)過了嚴格的檢驗評估，利用大量內(nèi)部資料和國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品對該數(shù)據(jù)進行檢驗。通過與實測海洋資料對比、與常規(guī)海洋水文統(tǒng)計分析產(chǎn)品對比和與國外海洋再分析產(chǎn)品的比對檢驗3個模塊，細致分析給出了海洋再分析產(chǎn)品在溫度、鹽度、海流和海面高度的檢驗結(jié)果和誤差統(tǒng)計。溫度鹽度均方根誤差分別為0.70℃和0.09 psu，強流區(qū)（流速＞50 cm/s）流速平均誤差小于25 cm/s，流向平均誤差小于30°。其中還針對中尺度現(xiàn)象進行了單獨檢驗，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)在南海、東海和臺灣周邊海域能夠很好的再現(xiàn)海洋渦旋和溫度鋒結(jié)構(gòu)和變化過程。具體情況在文獻中有詳細論述。

2.2 資料處理方法

本文參考前人的研究結(jié)果[7-8]，經(jīng)過總結(jié)分析并結(jié)合南海的實際特點，采用基于海流的中尺度渦識別算法，主要步驟如下：

（1）渦旋中心的確定

滿足以下4個條件的格點被判定為渦旋的中心：①渦旋中心局部區(qū)域內(nèi)海流流速大小為極小值；②沿渦旋中心的東西向，速度北分量在中心點兩側(cè)的數(shù)值符號相反，大小隨距中心點的距離增加而增加；③沿渦旋中心的南北向，速度東分量在中心點兩側(cè)的數(shù)值符號相反，大小隨距中心點的距離增加而增加；④圍繞渦旋中心，渦旋速度矢量變化的旋轉(zhuǎn)性一致，即兩個相鄰的速度矢量方向必須位于同一個或相鄰兩個象限內(nèi)；

（2）確定渦旋中心后，求此點周圍的流函數(shù)，判斷最外圍準閉合的流線為該渦旋的邊界；

（3）邊界點到渦旋中心的平均距離為渦旋的半徑；

（4）在t+1時刻尋找與t時刻距離最近（若距離超過一個緯距，即認為不是同一渦旋）的性質(zhì)相同的渦旋，渦旋生命期第一個（最后一個）記錄為渦旋的產(chǎn)生（消亡）時間[9]。

3 特征統(tǒng)計分析

3.1 空間分布

南海在1993—2012年20 a間共出現(xiàn)渦旋2 349個，其中順時針渦旋1 287個，逆時針渦旋1 062個。圖1為南海中尺度渦出現(xiàn)位置的統(tǒng)計，紅色和藍色分別表示順時針渦和逆時針渦的出現(xiàn)位置。由圖可以看出，渦旋出現(xiàn)位置主要跟南海200 m等深線較一致，但南海東部、南部渦旋出現(xiàn)較少。順時針渦主要沿南海200 m等深線分布，南海中部較少，蘇祿海有相當數(shù)量的順時針渦出現(xiàn)。逆時針渦在南海中北部較多，尤其在北部海盆比較有數(shù)量優(yōu)勢。

圖1 1993—2012年南海中尺度渦出現(xiàn)位置（紅：順時針渦，藍：逆時針渦，青色線：200 m等深線）

3.2 時間分布

圖2 為南海中尺度渦的年分布統(tǒng)計，20 a間南海平均每年出現(xiàn)117個渦旋，其中順時針渦64個，逆時針渦53個。從每年的統(tǒng)計分布看，1997年、1998年、2008年、2009年、2010年和2012年出現(xiàn)的渦旋較多，2008年以前順時針渦多于逆時針渦，自2009年開始逆時針渦多于順時針渦。

圖3為南海中尺度渦的月分布統(tǒng)計，從月變化圖可看出，中尺度渦變化呈現(xiàn)春夏多、秋冬少的特點。12月出現(xiàn)渦旋最少，隨后開始增多，4月增到最多，之后基本維持，9月開始減少?；旧鲜琼槙r針渦旋多于逆時針渦旋。

3.3 生命周期

圖4給出了南海中尺度渦的生命周期統(tǒng)計結(jié)果，由圖可以看出，生命周期最長的為138 d，位于蘇祿海內(nèi)的一個順指針渦旋；周期最短的為6 d。大部分渦旋周期都集中30 d以內(nèi)，5～10 d周期的渦旋最多，占總數(shù)的57.7%；周期在30 d以內(nèi)的渦旋占總數(shù)的91.27%。周期在25～30 d和65～70 d的渦旋逆時針渦多于順時針渦，其余周期均為順指針渦多；周期在70 d以上的渦只有順時針渦。

圖2 南海中尺度渦個數(shù)年統(tǒng)計分布

圖3 南海中尺度渦個數(shù)月統(tǒng)計分布

3.4 空間尺度

本文在計算中尺度渦半徑時，定義渦旋每個時次的半徑為其邊緣到中心的平均距離，每個渦旋的直徑為其所有時次半徑的平均值的2倍[10-12]。由圖5可看出，直徑150～200 km之間的渦旋最多，占總數(shù)的26.9%，以此區(qū)間為中心，隨著直徑的增大和減小，渦旋數(shù)量都逐漸減??；直徑在100～300 km的渦旋占總數(shù)的79.35%。

3.5 移動路徑

圖6、7分別為南海中尺度渦移動路徑和生成消亡的位置，由圖可以看出，移動路徑比較亂，為了更清楚的了解南海中尺度渦的移動路徑，我們進一步把移動路徑按東北、西北、西南和東南4個方向分別統(tǒng)計。圖8為中尺度渦4個方向的統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，總體上渦旋東移路徑少于西移路徑，各占總數(shù)的31.49%和68.51%，東移路徑順時針渦多于逆時針渦，西移路徑，逆時針渦多于順時針渦；南移路徑略多于北移路徑，各占總數(shù)52.66%和47.34%；東南路徑最少，西南路徑最多，表明渦旋主要向西南方向移動。逆時針渦西南路徑最多，占總數(shù)的41.31%，西北路徑次之，占總數(shù)的25.84%，東南路徑又次之，占總數(shù)的17.58%，東北路徑最少，占總數(shù)15.27%。順時針渦西南、西北路徑最多，各占總數(shù)的38.56%和31.07%，東北路徑次之，占總數(shù)21.37%，東南路徑最少，占總數(shù)8.99%。

對于快遞包裝回收，國家有關(guān)部門制定了一個時間表。2017年，國家十部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于協(xié)同推進快遞業(yè)綠色包裝工作的指導(dǎo)意見》明確，到2020年，可降解的綠色包裝材料應(yīng)用比例將提高到50%，基本淘汰重金屬等特殊物質(zhì)超標的包裝物料，基本建成專門的快遞包裝物回收體系。主要快遞品牌協(xié)議客戶電子運單使用率達到90%以上，平均每件快遞包裝耗材減少10%以上，推廣使用中轉(zhuǎn)箱、籠車等設(shè)備，編織袋和膠帶使用量進一步減少?；窘⒖爝f業(yè)包裝治理體系。2019年1月1日實施的《電商法》中第五十二條規(guī)定，快遞物流服務(wù)提供者應(yīng)當按照規(guī)定使用環(huán)保包裝材料，實現(xiàn)包裝材料的減量化和再利用。

圖4 南海中尺度渦周期概率分布

圖5 南海中尺度渦直徑概率分布

圖6 南海中尺度渦移動路徑（星號：生成位置；圓：消亡位置）

圖7 南海中尺度渦生成和消亡位置（星號：生成位置；圓：消亡位置）

3.6 移動速度

我們把渦旋在它的生命周期中的平均速率作為該渦旋的平均移動速率[13-15]，在統(tǒng)計的20 a間，最大移動速率為85.80 cm/s，為逆時針渦，位于呂宋海峽以西的海域，也就是黑潮入侵南海的位置。最小移動速率幾乎為0，即有原地不動的渦旋存在。如圖9所示，速率在15～20 cm/s的渦旋最多，占總數(shù)的近20%。順時針渦速率在5～45 cm/s的渦旋占總數(shù)的90.6%，逆時針渦速率在5～45 cm/s的渦旋占總數(shù)的92.8%。

前面提到南海中尺度渦西向移動占多數(shù)，下面計算了渦旋的緯向移動速度與緯度的關(guān)系，如圖11所示，順時針渦有3個密集帶，分別在7°～10°N，11°～17°N，19°～22°N。逆時針渦以12.5°N為分界線，北邊較密集，南邊較稀疏。

圖8 南海中尺度渦移動方向統(tǒng)計

圖9 南海中尺度渦移動速率概率分布

3.7 影響頻率

若某點被一個中尺度渦的外緣線包含，則該點受到了中尺度渦的影響，我們將該點受中尺度渦影響的天數(shù)除以統(tǒng)計的全部天數(shù)，此比值稱為該點受中尺度渦的影響頻率[16-19]。

由南海中尺度渦多年平均影響頻率圖（見圖12）可以看出，順時針中尺度渦影響頻率要大于逆時針中尺度渦的影響頻率，主要影響區(qū)域與地形分布比較一致，大致在200 m等深線以內(nèi)海域。其中有兩個極大值帶狀區(qū)域和3個極大值區(qū)。第一個帶狀海域在呂宋海峽以西至海南島東南海域的帶狀海域，影響頻率在20%左右。第二個帶狀海域在13°～15°N海域，影響頻率也在20%左右。第一個極大值區(qū)域在菲律賓呂宋島西南海域，影響頻率在35%左右。第二極大值區(qū)域在中南半島東南海域，也是面積最大的海域，中心最大影響頻率接近40%。第三極大值區(qū)在蘇祿海，中心海域影響頻率在40%以上，另外在泰國灣還存在一個5%左右的極大值區(qū)域。逆時針中尺度渦影響頻率在南海整體呈東北西南走向，有兩個極大值區(qū)，第一個在呂宋海峽以西海域，影響頻率在25%左右，第二極大值區(qū)域在中南半島以東海域，影響頻率在20%左右。在南海南部、蘇祿海也有一些影響頻率在10%左右的海域。

圖10 南海中尺度渦緯向速度統(tǒng)計

圖11 南海中尺度渦緯向速度與緯度關(guān)系

圖12 南海順時針中尺度渦多年平均影響頻率

圖13 1—12月份南海順時針中尺度渦影響頻率

圖13 為1—12月順時針中尺度渦影響頻率，有以下特點：

（1）呂宋海峽以西海域從8月份出現(xiàn)一個30%左右的極大值區(qū)域，9、10月份維持，11、12月減弱，1月又有所加強，2—7月減弱至15%左右；（2）海南島東南海域1月份出現(xiàn)一極大值區(qū)域，2月份增強，面積也有所加大，3月份減弱，4月份向東北方向移動，5月份又向西南方向移動，范圍也有所增大，6月份減弱，7、8月份大幅加強，8月份最強可達50%左右，9月份減弱，10—12月逐漸減弱趨于消失；（3）菲律賓呂宋島西南海域11月份開始出現(xiàn)50%左右的極大值海域，12月—次年1月份逐漸向北移動，強度略有加強，2—4月份范圍和強度都逐漸增大，4月最強接近60%，5月份強度減弱，6月在減弱的同時位置逐漸向南移動，7—8月份繼續(xù)減弱，8月最弱在15左右，9—10月份逐漸增強；（4）南海南部在4月份開始出現(xiàn)極大值區(qū)域，影響頻率在20%左右，5—9月份強度和范圍逐漸加強，9月影響頻率最大可達60%以上，10—12月份減弱，且向東移動，1—2月份向西移回，強度最弱，只有5%左右，3—4月份又逐漸增強；（5）蘇祿海存在一個反逆時針中尺度渦的極大值區(qū)，3月份最弱，在5%左右，4月份開始逐漸加強，8月份最強，區(qū)域也最大可達60%以上，9—12月份開始逐漸減弱，1—3月份維持5%的水平；（6）在水深比較淺的泰國灣也有比較弱的反逆時針中尺度渦存在，主要存在于12月—次年2月份的冬季，影響頻率在2月最大，可達20%左右[20-22]。

圖14為1—12月逆時針中尺度渦影響頻率，有以下特點[23,24]：

（1）南海南部海域11月—次年1月份3個月有一極大值區(qū)，12月份最大，可達30%以上，其他月份影響頻率都不大；（2）呂宋海峽西南海域在3月份出現(xiàn)極大值區(qū)，4、5月份逐漸增大，且向西北方向移動，最大可達60%以上，6—10月份開始減弱，后趨于消失；（3）南海中部海域在7月份出現(xiàn)極大值區(qū)，8月份開始增強，且向西南方向移動，9—10月份強度和范圍都開始增大，10月份最強，影響頻率可達45%以上，12月份最弱，影響頻率在15%左右，1月份有所增強，后向東北方向移動，3月份與呂宋海峽以西的大值區(qū)域連在一起。

4 結(jié)論

本文利用國家海洋信息中心制作的西北太平洋及南海海洋再分析海流資料，對南海1993—2012年20a間的中尺度渦進行了識別，并就識別結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）共出現(xiàn)渦旋2 349個，順時針渦1 287個，逆時針渦1 062個，渦旋出現(xiàn)位置主要跟南海200 m等深線較一致；

（2）平均每年出現(xiàn)117個渦旋，順時針渦64個，逆時針渦53個。生命周期最長138 d，最短6 d，大部分渦旋周期都集中30 d以內(nèi)，渦旋占總數(shù)的91.27%；

（3）大部分渦旋直徑在100～300 km的，占渦旋占總數(shù)的79.35%，渦旋主要向西南方向移動；

（4）渦旋移動速率最大85.80 cm/s，為逆時針渦，最小移動速率幾乎為0。速率在15～20 cm/s的渦旋最多，占總數(shù)的近20%。順時針渦渦旋移動隨緯度分布有 3個密集帶，分別在7°～10°N，11°～17°N，19°～22°N。逆時針渦以12.5°N為分界線，北邊較密集，南邊較稀疏；

（5）順時針中尺度渦影響頻率要大于逆時針中尺度渦的影響頻，主要影響區(qū)域與地形分布比較一致，大致在200 m等深線以內(nèi)海域。其中有兩個極大值帶狀區(qū)域和3個極大值區(qū)。逆時針中尺度渦影響頻率在南海整體呈東北西南走向，有兩個極大值區(qū)。

總的來說，本文利用再分析海流資料初步分析了南海中尺度渦的一些特征，但由于數(shù)據(jù)來源不同，方法及參數(shù)選擇上的不同，與從衛(wèi)星資料分析得到的一些結(jié)果有所差異。在以后的工作中我們要重點研究導(dǎo)致差異的原因，在此基礎(chǔ)上對南海中尺度渦變化的機理、以及與相關(guān)物理過程的關(guān)系再做進一步討論。