中南半島近海偶極子演變過程研究*

裘 是 陳學恩 唐聲全

中南半島近海偶極子演變過程研究*

裘 是 陳學恩①唐聲全

(中國海洋大學海洋與大氣學院 青島 266100)

中南半島近海偶極子結(jié)構(gòu)是指在夏季與越南離岸流伴生的一對中尺度渦現(xiàn)象, 其中氣旋渦位于離岸流北側(cè), 反氣旋渦位于離岸流南側(cè), 偶極子結(jié)構(gòu)對于中南半島近海水文要素具有重要影響。本文基于衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)和HYCOM海洋模式的模擬結(jié)果, 以2012年為例研究了該偶極子的演變過程, 結(jié)果表明: 偶極子結(jié)構(gòu)7月出現(xiàn), 9月初鼎盛, 10月消失; 鼎盛時, 兩個渦旋直徑均大于300km, 在溫躍層引起的最大位溫異常可達±5°C。垂向結(jié)構(gòu)上, 反氣旋渦呈中心對稱, 而氣旋渦有非對稱性, 且影響深度大于反氣旋渦。在200m以下, 氣旋渦有隨深度增加向東傾斜的趨勢, 而反氣旋渦有隨深度增加向西偏移的趨勢, 但該趨勢在200m層以上并不顯著。對偶極子渦旋區(qū)域進行能量分析, 結(jié)果表明偶極子能量主要來自于越南離岸流提供的正壓和斜壓能量, 即越南離岸流區(qū)域是偶極子結(jié)構(gòu)的主要能量源, 局地風場對偶極子結(jié)構(gòu)的維持也具有重要作用。能量既可以由離岸流輸送給渦旋, 也可以從渦旋向離岸流轉(zhuǎn)化, 但總體上是離岸流向渦旋提供能量。

中尺度渦; 偶極子結(jié)構(gòu); 越南離岸流; 風應力旋度

南海是西北太平洋最大的邊緣海, 具有豐富的中尺度渦(蘭健等, 2006; Xiu, 2010; Lin, 2015; 鄭全安等, 2017)。在南海西南部中南半島沿岸存在著一支具有明顯季節(jié)變化的強流, 稱為南海西邊界流(Wu, 1998; 劉勇剛等, 2000; Wang, 2010; Fang, 2012)。夏季南海西邊界流結(jié)構(gòu)比較復雜, 其南部由卡里馬塔海峽北上至11o—12oN附近越南近岸的流動較為穩(wěn)定, 隨后此流動轉(zhuǎn)向東形成離岸流, 稱為越南離岸流 (Kuo, 2000; Xie, 2007)。其表層最大流速超過1m/s, 且存在明顯的月際變化和年際變化(Wang, 2010; 李晗等, 2017)。

此海域一個重要的海洋現(xiàn)象是中尺度渦的偶極子結(jié)構(gòu), 即分別存在于越南離岸流南北兩側(cè)的一對反氣旋和氣旋渦。該現(xiàn)象已由衛(wèi)星高度計、現(xiàn)場觀測和氣候態(tài)資料等證實: Shaw等 (1994) 對南海氣候態(tài)資料分析得出, 8月在越南以東海域存在偶極子結(jié)構(gòu); 劉勇剛等(2000)通過“向陽紅14號”調(diào)查船1998年夏季走航觀測發(fā)現(xiàn)越南近海有冷暖渦交替出現(xiàn)的現(xiàn)象; Wang等(2006)基于多年衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)得出該偶極子具有顯著的年際變化; Chen等(2010)利用SODA數(shù)據(jù)分析表明偶極子結(jié)構(gòu)對局地溫鹽躍層的位置深度有明顯影響。近年對該海域的觀測數(shù)據(jù)逐漸增多, Hu等(2011)基于對2007年9月在越南海區(qū)實地觀測的氣旋冷渦進行分析, 發(fā)現(xiàn)該氣旋渦在水平方向和垂向上均呈現(xiàn)非對稱性; 張洪欣等(2017)利用布設在中南半島外海的潛標數(shù)據(jù), 捕獲到9月出現(xiàn)的氣旋冷渦及對應的偶極子結(jié)構(gòu)。

前人也從機制上對該偶極子結(jié)構(gòu)進行了探討:有學者認為偶極子結(jié)構(gòu)由越南離岸流發(fā)展而來(Xie, 2007; Gan, 2008; Li, 2015; Xiang, 2016), 也有學者認為, 局地風應力旋度的輸入是形成偶極子結(jié)構(gòu)的主要機制(Cai, 2007; 閆桐等, 2015)。此外, 程旭華等(2005)推測該偶極子結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可能與8月越南近岸的上升流有關(guān); Wang等(2006)推測由南海西邊界流輸入的渦度是偶極子的主要形成原因?？梢? 前人對該偶極子的機理尚未達成共識。此外, 由于現(xiàn)場觀測較少, 對于偶極子結(jié)構(gòu)的垂向特征還有待進一步的認識。

針對目前中南半島近海偶極子結(jié)構(gòu)垂向特征、影響機制不明確的現(xiàn)狀, 為研究其演變特征和機制, 本文基于Tang等(2019)的HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)海洋模型(1/25°×1/25°cos,表示緯度)給出的高分辨率的南海數(shù)值模擬資料, 以2012年為例, 研究了中南半島近海偶極子結(jié)構(gòu)演變過程、生消時間及垂向結(jié)構(gòu), 從能量分析的角度對影響偶極子的因素進行探究, 以揭示潛在的影響機制。

之所以選取2012年為例, 是因為多位學者的研究表明, 2012年中南半島近海偶極子結(jié)構(gòu)同歷年相比強度(生成時間等)接近平均水平(Chu, 2017; Xia, 2018), 對研究該偶極子有較好的代表性。本文章節(jié)安排如下: 第一部分介紹數(shù)據(jù)和渦旋識別方法; 第二部分刻畫偶極子結(jié)構(gòu), 并描述其演變過程; 第三部分是依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果, 對偶極子結(jié)構(gòu)進行能量分析, 研究其主要能量來源; 第四部分為結(jié)論。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

1.1 衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)

本文使用的海表面絕對動力高度數(shù)據(jù)(Absolute Dynamic Topography, ADT)來自AVISO(the Archiving, Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic data project; http://www.aviso.oceanobs.com/), 空間分辨率為1/4°×1/4°, 時間分辨率為1d。

1.2 數(shù)值模式數(shù)據(jù)

本文模式數(shù)據(jù)取自Tang等(2019)基于HYCOM海洋模型給出的南海2012年日平均數(shù)據(jù), 該模型針對南海的模擬范圍為(4°—24°N、98.4°—124.4°E), 數(shù)據(jù)分辨率為0.04°×0.04°cos, 垂向密度分22層, 后插值到40層深度層。地形數(shù)據(jù)來自于GEBCO (General bathymetric chart of the oceans)大洋地勢圖數(shù)據(jù), 精度為30″×30″。強迫場來自2012年美國海軍全球大氣預報系統(tǒng)NOGAPS (Navy Operational Global Atmospheric Prediction System)數(shù)據(jù)(https:// www.hycom.org), 強迫場時間分辨率為3h。

1.3 渦旋識別方法

本文使用的渦旋識別方法為OW參數(shù)法(Okubo, 1970; Weiss, 1991), 基于公式(1)給出的物理量可以描述旋轉(zhuǎn)和變形在海水流動的相對重要性(Chelton, 2011)。

(v+u)2(u–v)2(v–u)2, (1)

其中分別表示東西和南北方向流速, 下標表示微分方向。

采用<-0.2判據(jù)來識別潛在渦旋, 其中表示空間均方根。渦旋核心定義為7×7網(wǎng)格范圍內(nèi)海平面異常高度的極值。渦旋半徑定義為等渦旋面積的圓的半徑。

OW方法多應用于表層渦旋要素的提取, 針對海表面以下的渦旋識別, Nencioli等(2010)提出基于流場幾何特征探測渦旋的方法, 以閉合流線最外側(cè)作為渦旋邊緣, 流速極小值作為渦旋中心。故本文對表層渦旋核心和軌跡識別時采用OW方法, 垂向結(jié)構(gòu)分析中提取渦旋邊緣時使用Nencioli等(2010)提出的方法。此外, 為避免風場和Ekman層對上層流場的影響導致識別的渦旋面積偏小, 本文以50m層深度為起點向下提取渦旋邊緣。

本文對渦旋軌跡的追蹤方法參考了Zhang等(2019)在南海對于中尺度渦的統(tǒng)計研究并針對中南半島近岸中尺度渦識別調(diào)整了部分參數(shù), 具體定義為,+1時刻的渦旋同時刻的同一渦旋相比, 空間距離小于1個緯距, 渦旋面積滿足時刻的2.5-1—2.5倍, 自身直徑大于50km, 渦旋振幅(渦旋核心極值與渦旋邊緣海表面高度異常(Sea Surface Height Anomaly, SSHA)之差)大于0.06m。

2 偶極子形態(tài)

基于OW方法, 分析HYCOM模式數(shù)據(jù), 識別中南半島近海中尺度渦, 得出在2012年6月1日—10月31日期間三個時間較長的渦, 分別記為氣旋渦CE1、CE2和反氣旋渦WE1, 上述3個渦的具體軌跡見圖1。其中, CE1和WE1構(gòu)成偶極子, 兩者存在的時間均為7月中旬—10月初。

為避免模式與AVISO數(shù)據(jù)的參考面選取不同而造成計算SSHA時數(shù)值上的影響, 將模式輸出的海表面高度數(shù)據(jù)與衛(wèi)星高度計的絕對動力高度數(shù)據(jù)作如下處理: 兩者取各自網(wǎng)格點的在2012年的平均值作為參考面, 分別減去參考面, 得到對應的SSHA。

通過對比同期衛(wèi)星高度計海表面高度異常數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)(圖2), 兩者在鼎盛時期(即9月初)氣旋渦(反氣旋渦)渦旋半徑相近, 其中氣旋渦渦旋半徑在100km以上, 反氣旋渦渦旋半徑在150km以上(圖2b, 2f); 均再現(xiàn)了8月底9月初偶極子結(jié)構(gòu)中氣旋渦SSHA等值線向東南側(cè)延伸的結(jié)構(gòu), 以及9月中旬從氣旋渦(CE1)中脫裂出另一氣旋渦(CE2)的雙冷渦并存現(xiàn)象, 以往學者的偶極子模擬中未能再現(xiàn)該現(xiàn)象。同時, 兩者所給出的偶極子生成與消亡時刻較為接近(誤差小于一周)。

圖1 中南半島近海夏季中尺度渦軌跡圖

注: 紅色(藍色)五星、三角分別表氣旋渦(CE1、CE2)、反氣旋渦(WE1)在該時間段起(終)點位置; 6.1表示該渦旋在6月1日時的位置, 10.31表示該渦旋在10月31日時的位置; 黑線表示渦旋核心位置隨時間軌跡, 填充圖為水深

圖2 2012年中南半島近海海表面高度異常(Sea Surface Height Anomaly, SSHA)分布圖

注: a, b, c, d分別為模擬2012年8月1日、9月1日、9月20日、10月10的SSHA分布, e, f, g, h為同時刻衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù); 五星表示渦旋核心位置, 紅、黃、藍色分別為氣旋渦CE1、CE2, 反氣旋渦WE1; 虛線為垂向分析選取的斷面位置

綜上所述, 本次模擬很好地重現(xiàn)了2012年中南半島近海中尺度渦偶極子結(jié)構(gòu)的演變過程, 結(jié)果可用于后續(xù)分析。

2.1 偶極子演變過程分析

具體的偶極子演變過程為: 離岸流南側(cè)的反氣旋渦(WE1)在6月已出現(xiàn), 而氣旋渦(CE1)到7月中旬才在離岸流以北形成(圖1), 偶極子結(jié)構(gòu)初現(xiàn)。此時反氣旋渦旋面積是氣旋渦的兩倍, 能量密度為氣旋渦的1/2。此后氣旋渦不斷發(fā)展, 到7月底渦旋面積增長至與反氣旋渦相近(圖3a)。在氣旋渦生成初期, 其渦度波動幅度較大, 甚至出現(xiàn)越過零值線的現(xiàn)象(圖3c), 其原因可能是數(shù)值平均所致, 較大的拉伸形變造成渦旋邊緣處渦度較低為負值, 而渦旋核心此時較弱, 平均后出現(xiàn)負值。

8月初到中旬, 氣旋渦CE1與反氣旋渦WE1面積緩慢增長, 到8月15日前后, 兩渦旋的能量密度出現(xiàn)峰值(圖3d)。到8月中下旬偶極子結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展, 在此期間氣旋渦受到剪切形變較強而拉伸形變較弱, 而反氣旋渦受到的剪切形變和拉伸形變都偏低, 較為穩(wěn)定; 兩渦核心區(qū)域SSHA絕對值都增大0.1m左右(圖2c)。

圖3 偶極子結(jié)構(gòu)存在期間表層渦旋物理特征日變化

9月初偶極子結(jié)構(gòu)達到鼎盛, 鼎盛期從9月初持續(xù)至9月中旬, 維持兩周左右。在鼎盛期反氣旋渦的渦旋面積大于氣旋渦面積。在此期間, 隨著氣旋渦強度增加, 其東南側(cè)SSHA等值線向外延伸(圖2c), 并逐漸脫落出另一氣旋渦CE2, 此后CE1面積趨于穩(wěn)定, 維持在4×104km2左右。到9月下旬, 偶極子結(jié)構(gòu)減弱, 兩渦旋向南移動, WE1渦度逐漸減小。到10月初, WE1消失, 偶極子結(jié)構(gòu)消亡。

注意到, 在偶極子演變過程中, 氣旋渦受到的應力形變(應力形變等于剪切形變與拉伸形變的平方和)絕對值更大: 在CE1生成初期, 其形變主要由拉伸形變主導, 發(fā)展至8月中旬后主要由剪切形變主導, 這表明氣旋渦受到的外力作用更強。

2.2 偶極子垂向結(jié)構(gòu)

為了進一步研究偶極子對于海洋內(nèi)部的影響, 對應偶極子發(fā)展期、鼎盛期和消亡期, 選取8月1日、9月1日、9月20日三個時刻, 分析緯向斷面S1、S2在不同時期的垂直結(jié)構(gòu)(圖4、5)。斷面S1、S2由鼎盛期代表時刻9月1日偶極子結(jié)構(gòu)渦旋核心位置定義, 其中S1為氣旋渦(CE1)核心位置緯向斷面, S2為反氣旋渦(WE1)核心位置緯向斷面, 具體位置見圖2。偶極子次表層結(jié)構(gòu)與Chen等(2010)實測結(jié)果相近, 可用于分析。

各時刻偶極子對于溫鹽躍層抬升或下沉幅度及渦旋半徑最大值出現(xiàn)深度見表1。由于溫躍層與鹽躍層的位置與厚度相近, 故溫鹽躍層的變化幅度由渦旋中心同周圍海區(qū)的溫躍層深度差決定。參考Zhang等(2017)研究, 選取18°C等位溫線變化幅度作為溫躍層變化幅度的標志, 變化幅度正值表溫鹽躍層抬升, 負值表溫鹽躍層下沉。

表1 各時期渦旋對于溫鹽躍層抬升幅度和渦旋半徑最大值深度

Tab.1 The eddy effect on the thermocline and its depth of maximum radius in different periods

在偶極子結(jié)構(gòu)發(fā)展期(圖4, 5a, d, g), 兩渦旋半徑的最大值皆出現(xiàn)在表層, 隨深度增渦旋半徑逐漸減小, 即在垂向上呈碗狀結(jié)構(gòu)。由于此時偶極子結(jié)構(gòu)尚未完全發(fā)展, 氣旋渦僅在150m層以上可被識別, 反氣旋渦由于存在時間更久, 識別深度達200m左右。在表層WE1渦旋邊緣存在兩個高溫低鹽水體(圖5d), 其中靠西一側(cè)的水體具有很強的鹽度鋒面; 而在溫鹽躍層以下, 水體溫度差異不大。這一情況在鹽度分布中更加明顯, 等鹽度線趨向于和等深面平行。而此時期氣旋渦CE1所在區(qū)域溫鹽躍層以下, 等溫(鹽度)線起伏較大: 以15°C等位溫線為例, 其最大深度變化可達到近50m, 顯示出對于溫鹽躍層以下的水體水文要素影響上, 偶極子結(jié)構(gòu)中氣旋渦強于反氣旋渦, 反氣旋渦WE1對溫鹽躍層以下水體的水文要素影響很小。

到9月初, 偶極子結(jié)構(gòu)進入鼎盛期。此時海區(qū)內(nèi)的溫鹽躍層以上的溫鹽分布呈均勻階梯狀分布, 表層鹽度值減小, 溫度小幅升高, 兩渦旋可在300m層以深識別。反氣旋渦的渦旋半徑最大值出現(xiàn)在表層, 渦旋半徑在150km左右, 整體呈碗型結(jié)構(gòu); 而氣旋渦水平半徑最大值出現(xiàn)在75—100m層, 半徑超過150km, 整體呈透鏡型。在250m層處WE1的渦旋半徑已縮小到50km左右, 而氣旋渦半徑仍然維持在100km以上, 即氣旋渦在200m層以下仍強盛, 氣旋渦的影響深度顯著大于反氣旋渦。

9月下旬, 受風場變化的影響(圖8), 偶極子結(jié)構(gòu)進入消亡期。在此時期, 反氣旋渦明顯減弱, 識別深度在200m層以淺, 表層南北方向流速由0.5m/s減弱到0.3m/s; 對氣旋渦來說, 其靠岸一側(cè)表層南向流由0.3m/s增加到0.6m/s, 渦旋半徑最大值出現(xiàn)在表層。在背景流增強的情況下, 其垂向結(jié)構(gòu)卻明顯收縮, 以在200m層為例, 在該深度上氣旋渦CE1的渦旋半徑由鼎盛期近150m縮小至50m左右, 減弱迅速。

整體來看, 偶極子結(jié)構(gòu)的兩渦旋都有由近岸端向遠岸端發(fā)展的趨勢: 起初氣旋渦只能影響近岸到111.5oE以西的區(qū)域, 到鼎盛期東擴至113oE以西區(qū)域; 同樣地, 反氣旋WE1與氣旋渦CE1的運動軌跡(圖1)顯示, 兩者在生成后有明顯向東移動的趨勢。

另一個值得注意的是, 在氣旋渦發(fā)展的各階段, 靠岸一(西)側(cè)的北向流速數(shù)值上皆強于離岸(東)側(cè)的南向流速。在8月初, CE1表層出現(xiàn)超過0.3m/s的南向流速, 而直到9月才在其離岸側(cè)的表層出現(xiàn)超過0.3m/s的北向流; 到9月下旬, 南向流在表層數(shù)值上可達0.6m/s, 其中超過0.3m/s的流層向下擴展到150m層左右, 而離岸側(cè)超過0.3m/s的北向流仍局限在表層。此外, 以流速零線為界, 在氣旋渦發(fā)展的各階段流速零線的位置更靠岸界一側(cè), 在氣旋渦離岸側(cè)經(jīng)向流速梯度更大, 顯示出氣旋渦結(jié)構(gòu)上具有非對稱性; 而在反氣旋渦發(fā)展的階段, 經(jīng)向流速沿渦旋核心對稱分布。由上述2.1中分析, 相較反氣旋渦, 氣旋渦受到的應力形變更強, 該特征或許是導致其垂向結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對稱的原因。

對2012年7月15日—9月15日的模式數(shù)據(jù)取時間平均, 給出偶極子的三維結(jié)構(gòu)(圖6), 位溫異常由模式南海區(qū)域(4°—24°N、98.4°—124.4°E)同期同深度層的位溫平均決定, 選取該時段分析的原因為, 此時段風場較為穩(wěn)定(見圖8), 且涵蓋了偶極子結(jié)構(gòu)的生成發(fā)展階段及鼎盛期。

由圖6可見, 中南半島近岸流速最大值多出現(xiàn)在東向的越南離岸流, 其路徑在表層向東延伸至114oE。隨著深度的增加, 越南離岸流影響范圍逐漸減小, 但到600m層仍能影響113oE以西區(qū)域。偶極子渦旋引起的位溫異常主要存在于100—150m層, 數(shù)值上達±5°C, 冷異常覆蓋的海區(qū)范圍更廣。

從海表面向下至200m層, 反氣旋渦面積大于氣旋渦; 但在200m以下, 反氣旋渦迅速減弱, 到600m層幾乎消失, 而氣旋渦仍可在800m層中被識別。從垂向結(jié)構(gòu)來看, 在200m層以深, 氣旋渦有隨深度向東(離岸側(cè))偏移的趨勢, 而反氣旋渦有隨深度向西(靠岸側(cè))偏移的趨勢, 但上述趨勢在200m層以上并不顯著。

圖4 氣旋渦(CE1)核心位置垂向斷面S1分布圖

注: 黑色虛線表示渦旋邊緣, 圖5同

圖5 反氣旋渦(WE1)核心位置垂向斷面S2分布圖

圖6 偶極子平均三維結(jié)構(gòu)

注: 矢量箭頭表示流速; 玫紅色表示氣旋渦(CE1)渦旋邊緣, 藍色表示反氣旋渦(WE1)渦旋邊緣

3 偶極子能量分析

上述分析表明偶極子結(jié)構(gòu)與越南離岸流有著緊密的聯(lián)系為進一步分析離岸流和風場與偶極子的關(guān)系, 通過能量分析對偶極子渦旋的能量生成源地進行探究。根據(jù)B?ning等(1992)的研究, 正壓能量轉(zhuǎn)化率(BT)、斜壓能量轉(zhuǎn)化率(BC)和風場對渦旋的影響(WW)可定義為:

仍然選取模擬偶極子結(jié)構(gòu)的生成至鼎盛時期(2012年7月15日—9月15日)進行時間平均, 海平面高度平均結(jié)果見圖7a; 斜壓能量轉(zhuǎn)化(圖7b)正(負)值表示平均流(渦)有效位能向渦(平均流)有效位能轉(zhuǎn)化, 正壓能量轉(zhuǎn)化(圖7c)正(負)值表示平均流(渦)動能向渦(平均流)動能轉(zhuǎn)化, 上述兩項結(jié)果取海表面至200m層積分; 風對渦旋的能量輸入(WW)見圖7d。

3.1 越南離岸流的影響

由圖7得, 在海區(qū)內(nèi), 渦旋正壓和斜壓能量的正值分布主要集中在越南離岸流主軸區(qū)域而非西邊界流區(qū)。為進一步探究越南離岸流對渦旋能量的輸送, 以109.5°—114°E, 11.25°—13.5°N范圍(區(qū)域A)作為離岸流影響區(qū)域計算BC、BT、WW項能量轉(zhuǎn)化, 結(jié)果見表2。

圖7 中南半島近海海平面高度異常(a), 斜壓能量轉(zhuǎn)化(b)正壓能量轉(zhuǎn)化(c)及風場對渦旋輸入項(d)分布(單位: W/m2)

注: a為衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù), 其余為模式數(shù)據(jù); 黑色虛線表示模式給出的該時期平均海平面高度異常等值線, 黑(綠)框A(B)區(qū)域表示越南離岸流(上游)影響區(qū)域

表2 離岸流區(qū)域A的BC、BT、WW能量轉(zhuǎn)化

Tab.2 The energy conversion of BC, BT, and WW in Vietnam offshore current region

注: ±后數(shù)值表示標準差

在所選取時段, 風場向海洋輸送的能量數(shù)值上顯著低于BC、BT項, 即在離岸流區(qū)域, 風對渦旋的能量輸入(約為1.6×108W)不及離岸流向渦旋輸入能量(約為5.3×108W)的1/3, 由離岸流向渦旋提供的能量中43%由斜壓轉(zhuǎn)化而來, 57%由正壓轉(zhuǎn)化, 凈轉(zhuǎn)化能量上正壓和斜壓在數(shù)值上相差不大, 即偶極子渦旋的主要能量來源由正壓和斜壓能量共同提供。

對于正壓不穩(wěn)定來說, 在離岸流上游區(qū)域B(109°—111°E, 11.5°—13.5°N), 離岸流流速主要為東西向分量(), 而在其南北兩側(cè)的西邊界流流速主要為南北向速度分量(), 即在離岸流區(qū)域B南北兩側(cè)的東西向分量()較小, 易形成水平方向的流速剪切, 該剪切易形成正壓不穩(wěn)定進而向反氣旋渦和氣旋渦輸入能量。

對于斜壓不穩(wěn)定來說, 斜壓轉(zhuǎn)化項(BC)與密度梯度分布有關(guān), 而密度受溫度的影響顯著, 對區(qū)域內(nèi)0—200m層位溫異常分布研究得, 在離岸流南北兩側(cè)分布著正溫度異常和負溫度異常(溫度異常分布與SSHA分布圖相近, 故圖略), 平均溫度異?？蛇_±3°C, 即離岸流區(qū)域為位溫異常梯度的高值區(qū)。據(jù)學者研究, 在夏季越南近岸會出現(xiàn)上升流(Xie,2003, 2007), 其攜帶到海洋上層的冷水通過離岸流輸送到南海中部, 而在離岸流南側(cè)為暖水區(qū), 即離岸流區(qū)域存在較強的溫度鋒面。由上述分析離岸流區(qū)域易形成水平方向的溫度鋒面, 引起密度分布不均, 受此影響在離岸流區(qū)域易產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定, 將平均有效位能向渦有效位能轉(zhuǎn)化。故離岸流是形成正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定的主要源地。

由圖7注意到, 不僅離岸流會向渦旋提供正壓和斜壓能量, 渦旋反過來也會向平均流輸送正壓和斜壓能量(即出現(xiàn)圖7b, c負值區(qū)), BC、BT轉(zhuǎn)化項的負值集中在氣旋渦和反氣旋渦東南側(cè), 其中以氣旋渦東南側(cè)負值尤為顯著; 考慮到在離岸流上游為BC、BT的正值區(qū), 而負值區(qū)出現(xiàn)在離岸流的中下游, 且渦動能和渦有效位能向平均流的轉(zhuǎn)化有利于離岸流的發(fā)展, 故渦旋向離岸流提供的正壓和斜壓能量使得離岸流進一步發(fā)展, 影響范圍由109°E以西一直延伸到114°E附近。

此外, 在離岸流區(qū)域112°E附近又產(chǎn)生第二個BC、BT正值主區(qū)域, 其中正的斜壓能量轉(zhuǎn)化集中在反氣旋渦東側(cè)及離岸流主軸區(qū)域, 正的正壓能量轉(zhuǎn)化值集中在反氣旋渦東北側(cè); 該部分能量有利于中尺度渦的維持及發(fā)展, 并為第二個氣旋渦(CE2)的產(chǎn)生提供能量。即渦旋在發(fā)展過程中會將一部分渦能輸送到平均流, 從而有利于離岸流的維持和發(fā)展, 而離岸流在維持和發(fā)展過程中會向渦旋輸送能量, 促進渦旋的維持及發(fā)展。但總體來看, 離岸流向渦旋輸送的能量大于渦旋向離岸流輸送的能量。

3.2 風場的影響

為探究風場對偶極子結(jié)構(gòu)的影響, 首先分析2012年中南半島夏季近海風場及風應力旋度分布(圖8), 數(shù)據(jù)來自于HYCOM官網(wǎng)提供的NOGAPS強迫場。

在6—8月中南半島近海盛行西南季風, 風應力旋度分布場呈偶極子型: 在11°N以北主要分布正的風應力旋度場, 而在10°N以南主要為負的風應力旋度場。偶極子風應力場的位置與中南半島近海偶極子結(jié)構(gòu)位置相近。

到9月中南半島近海風場迅速變化, 偶極子型風應力旋度場明顯減弱。在13°N以南依然盛行西南風, 近岸10°—12°N區(qū)域正的旋度場強度有所減弱, 而南側(cè)負的旋度場幾乎看不到, 即偶極子式風應力旋度場中負旋度場先消失。該特征也與偶極子結(jié)構(gòu)中反氣旋渦先消失相呼應, 在9月中旬以后反氣旋渦WE1迅速減弱并消亡。

但在3.1討論中離岸流區(qū)域風應力作用輸送的能量(圖7d)在量值上小于離岸流向渦旋輸送的正壓及斜壓能量, 表明在此區(qū)域風并非渦旋能量的主要源地, 但其對渦旋的影響不可忽略。以圖7中區(qū)域為例, 正壓和斜壓能量轉(zhuǎn)化的渦能量主要集中在離岸流區(qū)域, 但風能的輸入在研究區(qū)域幾乎皆存在, 除了在反氣旋渦東北側(cè)風能輸入為負之外, 在偶極子結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)風場均向渦旋提供能量。

一個值得注意的現(xiàn)象是, 在數(shù)值上中南半島近岸正的風應力旋度輸入值遠大于負的風應力旋度, 在12°N緯線靠岸處6—8月平均每天輸入5×10-7N/m3以上, 而南側(cè)的負風應力旋度輸入平均每天小于3×10-7N/m3。如果風是影響偶極子渦旋最主要的因素, 那么位于更強的正風應力旋度場的氣旋渦應顯著強于南側(cè)較弱的負風應力旋度場下的反氣旋渦, 可實際上, 在鼎盛期北側(cè)氣旋渦海表面渦旋強度卻小于反氣旋渦, 表明風應力旋度或風能的輸入并非影響渦旋最主要的機制, 風更有可能是通過影響環(huán)流結(jié)構(gòu)進而影響渦旋。該結(jié)論與Xiang等(2016)的研究結(jié)果一致, 其研究表明風應力旋度場并非是中南半島夏季反氣旋渦生成的直接誘因。

圖8 2012年夏季(6—9月)中南半島近海風場(箭頭)及風應力旋度

Wang等(2006)研究表明風引起的Sverdrup輸運是形成南海西邊界流的主要因素, Xie等(2007)指出越南近岸西南急風促使越南離岸流的形成, 即局地風場是形中南半島近岸環(huán)流結(jié)構(gòu)的主要因素。許多研究表明偶極子渦旋結(jié)構(gòu)的年際變化主要與風場的變化有關(guān)(Chen, 2010; Xiu,2017), 但風對偶極子的作用不是直接誘導, 更像是通過局地環(huán)流結(jié)構(gòu)對渦旋施加影響。而風場對于偶極子結(jié)構(gòu)的維持和發(fā)展十分重要: 當9月風場減弱后, 西邊界流也進入調(diào)制期, 從廣東沿岸到越南近岸的南向流進一步發(fā)展加強, 使得氣旋渦仍然維持一較大的渦旋面積與強度; 可此時負的風應力旋度場減弱, 造成原本北向的西邊界流迅速減弱, 反氣旋渦的渦度在兩周內(nèi)驟降至零線附近, 偶極子結(jié)構(gòu)消亡。顯示出風對偶極子結(jié)構(gòu)的維持十分重要。

4 結(jié)論

本文基于高分辨率HYCOM海洋模式資料并結(jié)合衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù), 較為準確的模擬出2012年中南半島近海中尺度渦偶極子結(jié)構(gòu)的演變過程, 得到以下主要結(jié)論:

2012年中南半島近海偶極子結(jié)構(gòu)于7月出現(xiàn), 9月初發(fā)展到鼎盛, 9月下旬減弱, 10月初消亡; 北部的氣旋式冷渦出現(xiàn)時間要晚于南部反氣旋渦, 渦旋引起的位溫異常在溫躍層區(qū)域達±5°C。在偶極子結(jié)構(gòu)發(fā)展鼎盛期, 反氣旋渦半徑在200km左右, 大于氣旋式冷渦150km左右, 氣旋(反氣旋)渦會使所在區(qū)域溫鹽躍層抬升(下降)30m以上, 但在影響深度氣旋渦要大于反氣旋渦, 尤其是在溫鹽躍層以下, 氣旋渦對于水文要素場的影響更加顯著。

偶極子的兩渦旋都有由近岸端向遠岸端發(fā)展的趨勢, 而氣旋渦有隨深度增加向東偏移的趨勢。氣旋渦經(jīng)向流速靠岸一側(cè)的北向流數(shù)值上強于離岸一側(cè)的南向流, 且靠岸一側(cè)速度梯度更大; 該特征與渦旋形變相對應, 氣旋渦在演變過程中剪切形變和拉伸形變項變化幅度更大, 表征偶極子結(jié)構(gòu)中反氣旋渦結(jié)構(gòu)上相較于氣旋渦來說更穩(wěn)定, 而氣旋渦的形變更強、非對稱性更強。

渦旋能量的來源分析表明, 偶極子結(jié)構(gòu)的能量主要來自于從越南離岸流中轉(zhuǎn)化的正壓和斜壓能量, 兩種能量在數(shù)值上差別不大。其中, 正壓能量的轉(zhuǎn)化主要與離岸流和兩側(cè)西邊界流的水平流速剪切有關(guān),而斜壓能量的轉(zhuǎn)化與離岸流區(qū)域的溫度鋒面有關(guān)。而風主要通過影響環(huán)流結(jié)構(gòu)影響渦旋, 當風向轉(zhuǎn)變后, 偶極子結(jié)構(gòu)迅速減弱, 表明風對渦旋的維持具有重要作用。

能量既可以由離岸流向渦旋轉(zhuǎn)化, 渦旋反過來也可以向平均流輸送正壓和斜壓能量, 以促進離岸流的維持和發(fā)展, 使得離岸流影響范圍擴大, 并為生成的第二個氣旋渦提供渦能量。但在離岸流區(qū)域, 渦旋對離岸流輸送的能量(約為5.6×108W)小于離岸流向渦旋輸送能量(約為10.9×108W), 即正壓和斜壓能量的轉(zhuǎn)化主要是由離岸流向渦旋輸入。

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LIFE CYCLE OF MESOSCALE DIPOLE STRUCTURE NEAR THE COAST OF INDO-CHIAN PENINSULA

QIU Shi, CHEN Xue-En, TANG Sheng-Quan

(College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean university of China, Qingdao 266100, China)

A dipole structure is an anticyclonic eddy and a cyclonic eddy located in the south and north of the Vietnam offshore current (VOC) in summer, respectively, and it has an important impact on the surrounding hydrologic features. Based on the HYCOM model data and satellite altimeter merged data, the life cycle of the mesoscale eddies in 2012 is reproduced, revealing that the dipole structure appears in July, peaks in early September, and disappears in October. The diameters of these mesoscale eddies are more than 300 km, and they may induce ±5°C potential temperature anomalies in thermocline layer. In terms of vertical structure, the anticyclonic eddy is centrosymmetric while the cyclonic eddy is asymmetric with a stronger impact under the thermocline. Beneath the 200m layer, the cyclonic eddy tends to decline eastward (offshore), while the anticyclonic eddy tends to deflect westward (near-shore) with deepen depth. However, this tendency is not obvious in the upper ocean. Energy analysis shows that the main energy source region of dipole structure is from the VOC, which provides baroclinic and barotropic energy, and the local wind fields is also important in the maintenance of the dipole structure. Energy can be transported from the VOC to the dipole structure and vice versa, but the energy provider in the mass is the VOC.

mesoscale eddies; dipole structure; Vitenam Offshore Current (VOC); wind stress curl

* 國家重點研發(fā)計劃“海洋儀器設備規(guī)范化海上試驗”, 2016YFC1401300號。裘 是, 碩士研究生, E-mail: 506213803@qq.com

陳學恩, 教授, E-mail: xchen@ouc.edu.cn

2020-01-04,

2020-02-06

P731

10.11693/hyhz20200100003