東海陸架區(qū)中尺度渦運(yùn)動(dòng)路徑的統(tǒng)計(jì)特征分析

張 桃，李君益*，謝玲玲，鄭少軍，鄭慧源

(1.廣東海洋大學(xué) 廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江) 南海資源大數(shù)據(jù)中心，廣東 湛江 524088)

0 引言

中尺度渦旋是全球海洋中幾乎隨處可見的一種物理現(xiàn)象[1]，其廣泛存在于海洋之中，自身很強(qiáng)的非線性[1-2]使其能攜帶著水團(tuán)運(yùn)動(dòng)[3]。中尺度渦不僅包含了海洋中約90%的動(dòng)能[4-5]，更是能量級(jí)串中連接大尺度和小尺度的重要中間環(huán)節(jié)[6]，對(duì)能量傳輸有著巨大的貢獻(xiàn)[7]，被認(rèn)為是上層海洋最重要的動(dòng)力過程之一[8]。同時(shí)，海洋渦旋的出現(xiàn)也使得傳統(tǒng)的海洋熱鹽環(huán)流與傳送帶理論受到了挑戰(zhàn)[9]。海洋中尺度渦生成機(jī)制復(fù)雜，局地產(chǎn)生的波動(dòng)[10-11]、流場(chǎng)中垂向剪切造成的斜壓不穩(wěn)定[12]、流場(chǎng)水平剪切造成的正壓不穩(wěn)定以及風(fēng)應(yīng)力旋度的輸入[6]等都可能誘發(fā)渦旋形成。海洋中尺度渦的生成不僅能夠傳遞海洋能量、熱量，也能對(duì)海洋內(nèi)部乃至于深層環(huán)流產(chǎn)生作用[12-14]，對(duì)海洋的垂向混合、物質(zhì)輸運(yùn)以及生態(tài)環(huán)境等皆有舉足輕重的影響。

東海是我國一個(gè)較為開闊的邊緣海，北接黃海，東經(jīng)朝鮮海峽與日本海相鄰，南經(jīng)臺(tái)灣海峽與南海北部相連[15]。東海面積寬廣，東西方向?qū)捈s740 km[16]，其中，東海大陸架尤為發(fā)育，面積約為52.99萬km2，具有復(fù)雜陡峭的海槽式地形，大陸架面積約占東海面積的66%[17]，是世界最寬的陸架之一。東海陸架區(qū)存在浙閔沿岸流、上升流、臺(tái)灣暖流等復(fù)雜流系，同時(shí)還受到北太平洋西邊界流——黑潮的入侵。鮑獻(xiàn)文 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，黑潮在冬季會(huì)以黑潮分支的形式向北侵入東海陸架，而在夏季則以大陸邊緣流形式侵入東海陸架。同時(shí)，東海內(nèi)還存在著鋒面渦旋、內(nèi)波等現(xiàn)象，海洋現(xiàn)象豐富多變、動(dòng)力環(huán)境十分復(fù)雜。另外，陸架海區(qū)是潮汐運(yùn)動(dòng)、洋流運(yùn)動(dòng)活躍的區(qū)域，是海洋中大量能量的匯集處，陸架海同時(shí)也貢獻(xiàn)了全球初級(jí)生產(chǎn)力的15%～30%。因此，研究東海陸架海區(qū)的動(dòng)力環(huán)境也是研究東海海洋動(dòng)力環(huán)境中不可或缺的一部分。

東海向來是中尺度渦旋頻發(fā)之地，修樹孟 等[19]在研究中指出：在臺(tái)灣東北海域產(chǎn)生的中尺度暖渦向海岸或陸架附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，其外部流場(chǎng)會(huì)誘導(dǎo)出上升流；MA et al[20]在對(duì)黑潮回流區(qū)的渦旋特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：中尺度渦以4.0～9.9 cm/s的速度向西或西南方向傳播；程建婷 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，中尺度渦活動(dòng)在東海的臺(tái)灣以東區(qū)域十分活躍，并且指出不同類型的中尺度渦會(huì)對(duì)黑潮的路徑產(chǎn)生明顯彎曲或減弱入侵、流速增加或減弱等影響。前人的研究多側(cè)重于東海中尺度渦的時(shí)空分布、生成機(jī)制以及中尺度渦對(duì)黑潮、海流的影響[22-23]，而對(duì)攜帶著大量能量從深海來到東海陸架上的中尺度渦運(yùn)動(dòng)路徑及其特征卻鮮少涉及[24]。本文對(duì)東海從深海到達(dá)陸架的中尺度渦以及東海陸架上生成的中尺度渦的季節(jié)、空間分布特征，物理參數(shù)特征及其運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 中尺度渦追蹤數(shù)據(jù)集

所用中尺度渦旋資料來源于法國國家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data，AVISO)提供的渦旋追蹤數(shù)據(jù)集，其基于CHELTON et al[1]在2011年提出的海洋渦旋識(shí)別方法，后經(jīng)Data Unification and Altimeter Combination System(DUACS)系統(tǒng)處理。數(shù)據(jù)處理步驟大概如下：(1)由于渦旋直徑范圍被定義為100～300 km，利用低通濾波剔除海平面異常場(chǎng)較大尺度的可變異性；(2)使用二階Lanczos篩選器進(jìn)行平滑處理，計(jì)算出大尺度的變異性；(3)將上述結(jié)果從原始海表高度異常數(shù)據(jù)中減去，生成一個(gè)僅包含中尺度變化的網(wǎng)格；(4)探測(cè)海平面異常場(chǎng)的極值，來估計(jì)出渦旋的位置和性質(zhì)。

該數(shù)據(jù)集主要包含中尺度渦振幅、旋轉(zhuǎn)速度、半徑、渦旋中心位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等信息。數(shù)據(jù)集的空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 d。

1.2 流速數(shù)據(jù)

流速數(shù)據(jù)來源于哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)察服務(wù)網(wǎng)(Copernicus Marine Environment Monitoring Service, http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/?option=com_csw&view=details&product_id=MULTIOBS_GLO_PHY_REP_015_004)，為融合數(shù)據(jù)及Ekman海流模式運(yùn)算數(shù)據(jù)的4級(jí)再分析全流場(chǎng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 d，時(shí)間跨度為1993年1月1日—2017年1月6日；數(shù)據(jù)覆蓋范圍為21.5°N—33°N，117.5°E—131°E；數(shù)據(jù)包含0 m 層及15 m層的海流數(shù)據(jù)。

1.3 背景場(chǎng)渦度的計(jì)算

渦度(本文指地轉(zhuǎn)相對(duì)渦度)又稱作旋度，代表著流體的旋轉(zhuǎn)速率，是渦旋最重要的物理屬性之一，渦度的大小可以表示海洋渦旋的強(qiáng)弱[13]。將渦度記為ζ，定義如下：

(1)

其中：u′、v′分別代表緯向(y方向)、經(jīng)向(x方向)的水平地轉(zhuǎn)流速。

1.4 研究區(qū)域選取范圍及渦旋樣本選定標(biāo)準(zhǔn)

選取中國東海(21.5°N—33°N，117.5°E—131°E)為研究區(qū)域(圖1)，因東海陸坡處陡峭，將陸架淺海區(qū)定義為水深為1 000 m以淺的海區(qū)，東海1 000 m以深的海域定義為深海區(qū)。陸架區(qū)的渦旋選取準(zhǔn)則為：從深海運(yùn)動(dòng)至東海陸架區(qū)，渦旋中心位置入侵東海陸架海區(qū)1 000 m等深線的渦旋以及生成時(shí)渦旋中心位置位于東海陸架區(qū)內(nèi)部的渦旋。對(duì)于生成自太平洋并通過琉球島鏈進(jìn)入東海的渦旋也同樣進(jìn)入統(tǒng)計(jì)。

圖1 中國東海地形Fig.1 Topographic map of the East China Sea

2 結(jié)果與討論

2.1 渦旋路徑分類及空間分布特征

1993—2017年期間在東海陸架區(qū)或自西北太平洋產(chǎn)生并傳播到東海海區(qū)的中尺度渦旋共計(jì)594個(gè)，按照不同運(yùn)動(dòng)路徑分為6類，其空間分布特征如下：(1)東海陸架淺海生成，往深海運(yùn)動(dòng)型(簡稱淺海生成型)。這種類型的反氣旋式渦集中分布在東海東北偏北的陸架邊緣(28°N—31°N，127°E—132°E 之間)；而氣旋式渦在東海的分布較為平均。此類渦數(shù)量共計(jì)148個(gè)，占總數(shù)的24.9%。(2) 深海生成，往東海陸架淺海運(yùn)動(dòng)型(簡稱深海生成型)。這種類型的中尺度渦中，反氣旋渦數(shù)量更多(23個(gè))，約為氣旋式渦數(shù)量的2倍。同時(shí)，反氣旋渦在東海陸架海區(qū)的入侵距離比氣旋式中尺度渦更遠(yuǎn)、生命周期更長、且更容易到達(dá)靠近陸地的淺海海區(qū)。此類渦數(shù)量共計(jì)35個(gè)，占總數(shù)的5.9%。(3) 沿等深線運(yùn)動(dòng)型。這種類型的氣旋式、反氣旋式渦主要在200和1 000 m等深線附近產(chǎn)生，沿著東海200和1 000 m等深線運(yùn)動(dòng)，少數(shù)在200 m以淺陸架區(qū)產(chǎn)生，沿著等深線方向運(yùn)動(dòng)。此類渦數(shù)量共計(jì)180個(gè)，占總數(shù)的30.3%。(4) 徘徊型。路徑為在原地打轉(zhuǎn)的徘徊型中尺度渦具有明顯的空間分布特征：反氣旋式渦主要集中分布在東海200和1 000 m等深線附近，而在200 m以淺的淺海區(qū)較少分布；氣旋式渦則多分布在200 m以淺海區(qū)。此類渦數(shù)量共計(jì)121個(gè)，占總數(shù)的20.4%。(5) 外來入侵到達(dá)陸架型(簡稱外來入侵陸架型)。這種類型的中尺度渦自西北太平洋海區(qū)生成并入侵東海陸架海區(qū)，大部分是氣旋式渦，起源地離東海海域較遠(yuǎn)，故而其生命周期較長、從起源地向消亡地運(yùn)動(dòng)的距離較長。此類渦共計(jì)25個(gè)，占總數(shù)的4.2%。(6) 外來入侵到達(dá)東海型(簡稱外來入侵東海型)。這種類型的中尺度渦自西北太平洋海區(qū)生成，而后進(jìn)入東海深海海區(qū)，在海區(qū)內(nèi)消失，大部分為氣旋式渦，起源地離東海海域較遠(yuǎn)，生命周期較長。相較于外來入侵陸架型渦而言，此類渦旋的起源地距離東海海區(qū)更遠(yuǎn)，長距離傳播帶來的能量耗散可能是其未能到達(dá)陸架海區(qū)的原因之一。此類渦共計(jì)85個(gè)，占總數(shù)的14.3%。上述各類型渦旋的典型個(gè)例運(yùn)動(dòng)路徑如圖2所示，各類型渦旋的所有路徑分布如圖3所示。

圖2 不同類型中尺度渦的典型個(gè)例運(yùn)動(dòng)路徑示例Fig.2 Example of the moving path for six types of the mesoscale eddy (中尺度渦軌跡中圓圈與星號(hào)分別代表中尺度渦生成時(shí)與消亡時(shí)所處的位置。) (The circles and asterisks indicate the position for eddy generation and dissipation, respectively.)

圖3 不同類型中尺度渦的路徑分布圖Fig.3 Distribution of the moving path for six types of the mesoscale eddy (中尺度渦軌跡中圓圈與星號(hào)分別代表中尺度渦生成時(shí)與消亡時(shí)所處位置。) (The circles and asterisks indicate the position for eddy generation and dissipation, respectively.)

在東海識(shí)別出的渦旋中，存在著相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)量可觀的由淺海海區(qū)(主要生成于陸架海區(qū))向深海海區(qū)運(yùn)動(dòng)的中尺度渦，這與傳統(tǒng)認(rèn)為的中尺度渦由深海海區(qū)產(chǎn)生向陸架海區(qū)運(yùn)動(dòng)，并在陸架上發(fā)生耗散、從而消亡的理論是相悖的[24]。

2.2 渦旋季節(jié)分布特征

按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)及冬季(12月—次年2月)4個(gè)季節(jié)進(jìn)行劃分，對(duì)中尺度渦數(shù)量進(jìn)行季節(jié)分類，結(jié)果如圖4所示。(1)淺海生成型的反氣旋渦數(shù)量在春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)分布較為平均(平均為17個(gè)/季)；氣旋渦在夏季數(shù)量最少(為13個(gè))，在春季和冬季數(shù)量較多。(2)深海生成型渦無論是反氣旋型還是氣旋型均在春、秋季數(shù)量最少(平均為2個(gè)/季)，在夏、冬季生成最多(平均為6個(gè)/季)。(3)沿等深線運(yùn)動(dòng)型渦在春、夏季的數(shù)量高于秋、冬季。(4)徘徊型渦在春、夏季分布較為平均(平均為15個(gè)/季)；反氣旋式中尺度渦在冬季最多(20個(gè))，秋季最少(11個(gè))；氣旋渦在秋、冬季的分布與反氣旋渦數(shù)量分布相反，在冬季最少(9個(gè))，秋季最多(22個(gè))。(5)外來入侵陸架型反氣旋渦數(shù)量在春季最多(5個(gè))，其他3個(gè)季節(jié)分布較少(平均僅為1個(gè)/季)；氣旋渦數(shù)量在春季最少(僅為1個(gè))，在其余3個(gè)季節(jié)數(shù)量較多，該類型氣旋渦數(shù)量在夏季達(dá)到峰值(7個(gè))，在秋、冬季數(shù)量分別為5個(gè)和3個(gè)。(6)外來入侵東海型的氣旋渦在春、夏季數(shù)量較少(平均為12個(gè)/季)，在秋、冬季數(shù)量較多(平均為17個(gè)/季)；反氣旋渦在春、夏、秋季數(shù)量較多(平均為9個(gè)/季)，在冬季數(shù)量最少(僅為3個(gè))。

圖4 不同類型中尺度渦的季節(jié)分布特征Fig.4 Seasonal distribution of six moving types for the mesoscale eddy

2.3 渦的物理參數(shù)特征

對(duì)6種類型中尺度渦到達(dá)東海陸架海區(qū)后的生命周期、振幅以及直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)后發(fā)現(xiàn)：外來入侵東海型渦的平均振幅、生命周期及直徑3項(xiàng)物理參量數(shù)值均為6類不同運(yùn)動(dòng)路徑渦中的最小值，其中，渦旋生命周期為13±13 d，振幅為8.7±4.5 cm，直徑為98±30 km，這可能意味著這類渦從太平洋生成、經(jīng)過琉球島鏈傳播到東海海區(qū)后能量很快耗散，強(qiáng)度變?nèi)?、振幅變小。而同樣源自西北太平洋的外來入侵陸架型渦的平均直徑與其它幾類中尺度渦相比，為最大值(122±19 km)，與淺海生成型渦的平均振幅均為最大值，為13.2 cm。不過，由于外來入侵到達(dá)陸架型和外來入侵到達(dá)東海型中尺度渦的各項(xiàng)參數(shù)均從渦旋進(jìn)入東海才計(jì)入統(tǒng)計(jì)，因此，加上渦進(jìn)入東海之前的生存時(shí)間，外來入侵陸架型渦的實(shí)際平均生存時(shí)間最長，外來入侵東海型渦的生存時(shí)間也大于30 d。

其它4種類型中尺度渦均為東海本地生成。從渦的生存時(shí)間看，徘徊型渦的生存時(shí)間最長，平均達(dá)44 d；深海生成型渦的生存時(shí)間最短，平均為35 d；其它2類渦旋的生存時(shí)間平均為38 d。從中尺度渦的振幅看，淺海生成型渦振幅最大，為13.2±6.4 cm。東海本地生成的中尺度渦平均直徑在110～115 km之間。

從上述渦旋的物理參數(shù)特征可以看出，東海本地生成與外來入侵東海型中尺度渦特征明顯不同。

表1 不同運(yùn)動(dòng)路徑類型中尺度渦的參量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Parametric statistics of mesoscale eddy with different motion path types

3 東海中尺度渦旋與黑潮的相互作用

黑潮是東海的主要流系之一，它對(duì)東海的自然環(huán)境有著極其重要的影響。東海黑潮分支主段基本沿著陸坡向東北流動(dòng)，相對(duì)穩(wěn)定。本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，沿等深線運(yùn)動(dòng)型中尺度渦占討論渦總數(shù)量的30.3%，可以看出東海渦旋的運(yùn)動(dòng)主要受黑潮分支的影響。黑潮主軸冬半年靠近東海陸架，對(duì)陸架的入侵較強(qiáng)；夏半年遠(yuǎn)離陸架，入侵較弱，并且伴隨著陸架邊緣處的氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)[25]。本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果也顯示出東海的渦旋數(shù)量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)分布，淺海生成型渦在冬半年的數(shù)量多于夏半年的數(shù)量；深海生成型渦在夏、冬季的數(shù)量多于在春、秋季節(jié)的數(shù)量。同時(shí)，黑潮在夏半年入侵作用較弱，在冬半年入侵作用較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)了夏半年外來入侵陸架型的渦數(shù)量較多，冬半年較少。渦旋數(shù)量的季節(jié)變化使得渦旋對(duì)黑潮在臺(tái)灣東北入侵的季節(jié)變化產(chǎn)生貢獻(xiàn)，在冬季，氣旋式渦多于反氣旋式渦[26]，這與外來入侵東海型渦的季節(jié)分布一致。

對(duì)比6種不同類型渦對(duì)應(yīng)的背景流場(chǎng)和渦度場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)，在東海海區(qū)東側(cè)的琉球群島島鏈處，黑潮分支特征在不同類型渦背景流場(chǎng)中均最為明顯，流速約為0.5～2 m/s，表現(xiàn)出黑潮分支流速強(qiáng)的特點(diǎn)。6類不同運(yùn)動(dòng)路徑渦背景流場(chǎng)在黑潮分支主軸上的流速大小有所不同；6類渦背景渦度場(chǎng)相似，靠近東海陸架坡折(1 000 m等深線)淺海的渦度為正，島鏈(124°E以東)兩側(cè)渦度均為負(fù)。圖5為所有淺海生成型渦在整個(gè)生命期內(nèi)的平均流場(chǎng)及渦度場(chǎng)，圖中粉色實(shí)線區(qū)域包圍的淺海為負(fù)渦度，而東側(cè)粉色虛線包圍的深海區(qū)為正渦度。這可能與黑潮入侵東海后在慣性作用下大量水體涌入大陸坡，由于位渦守恒產(chǎn)生負(fù)渦度并造成黑潮主軸由向北轉(zhuǎn)為向東運(yùn)動(dòng)有關(guān)[14]，故而淺海(粉色實(shí)線區(qū)域)渦度場(chǎng)呈現(xiàn)出負(fù)渦度，而在25.5°N—26.5°N、124.5°E—126.0°E海域，陸架坡折走向突然向東北轉(zhuǎn)變，水深變大，從而產(chǎn)生正渦度(粉色虛線區(qū)域)，且正渦度的產(chǎn)生可能與黑潮主體由向東運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向東北運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

圖5 淺海生成型對(duì)應(yīng)的中尺度渦流場(chǎng)和渦度場(chǎng)Fig.5 Average current and vorticity field for the mesoscale eddy generated on the continental shelf of the ECS (顏色代表平均渦度場(chǎng)，箭頭代表平均流速場(chǎng)。粉色實(shí)線和虛線框分別為負(fù)渦度和正渦度區(qū)。) (Color codes represent average vorticity field. Arrows represent average current field. The pink solid and dotted frame indicate the negative and positive vorticity area, respectively.)

4 小結(jié)

本研究采用1993—2017年共25 a衛(wèi)星高度計(jì)中尺度渦識(shí)別數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)了東海594個(gè)渦，其中有318個(gè)氣旋渦和276個(gè)反氣旋渦。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)路徑將中尺度渦分為東海陸架淺海生成往深海傳播型(淺海生成型，148個(gè))、深海生成向東海陸架淺海傳播型(深海生成型，35個(gè))、沿等深線運(yùn)動(dòng)型(180個(gè))、徘徊型(121個(gè))、外來入侵到達(dá)東海陸架型(外來入侵陸架型，25個(gè))及外來入侵到達(dá)東海深海型(外來入侵東海型，85個(gè))。計(jì)算了各類型渦的空間、季節(jié)分布及物理特征參量，并結(jié)合對(duì)應(yīng)背景流場(chǎng)、渦度場(chǎng)圖分析造成渦呈不同路徑運(yùn)動(dòng)的原因，得到以下結(jié)論：

(1)沿等深線運(yùn)動(dòng)型的渦數(shù)量最多(占30.3%)；自西北太平洋產(chǎn)生并入侵東海陸架海區(qū)的渦數(shù)量最少(占4.2%)；在陸架淺海區(qū)生成，向深海區(qū)運(yùn)動(dòng)型的渦數(shù)量也較為可觀(占24.9%)。

(2)東海的中尺度渦數(shù)量具有明顯的季節(jié)分布特征。淺海生成型渦的季節(jié)分布較為平均，氣旋式渦在夏季數(shù)量最少，在春季和冬季數(shù)量較多。沿等深線運(yùn)動(dòng)型渦在春、夏季的數(shù)量高于秋、冬季。徘徊型渦在春、夏季分布較為平均；反氣旋渦在冬季最多，秋季最少；氣旋渦在秋、冬季的分布與反氣旋渦數(shù)量分布相反，在冬季最少，秋季最多。各個(gè)類型氣旋、反氣旋渦的季節(jié)分布特征均不相同。

(3)淺海生成型及外來入侵陸架型中尺度渦具有最大的平均振幅，為13.2 cm；外來入侵陸架型渦具有最大的直徑，為122 km；外來入侵東海型渦的生命周期、振幅和直徑在數(shù)值上均為最?。慌腔残蜏u的平均生命周期最長，約為44 d。不過由于外來入侵陸架型渦的各項(xiàng)參數(shù)均從渦旋進(jìn)入東海才計(jì)入統(tǒng)計(jì)，實(shí)際上，該類型中尺度渦旋的平均生存時(shí)間最長。

由于中尺度渦的生成機(jī)制眾多，東海海區(qū)的大陸架及地形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜多變，本文僅對(duì)東海中尺度渦旋的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了分類分析，發(fā)現(xiàn)黑潮入侵與東海各類型渦的季節(jié)分布有關(guān)，然而在研究分析過程中未考慮深層流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及地形β效應(yīng)等因素對(duì)中尺度渦路徑造成的影響。下一步工作將詳細(xì)分析上述因素對(duì)于中尺度渦路徑的影響，以期更深刻地剖析中尺度渦的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及動(dòng)力過程。