基于船載和遙感的黑潮延伸體海域典型強(qiáng)中尺度冷渦演變及結(jié)構(gòu)分析

李敏華, 程靈巧,2*, 范錦曉, 胡松,2, 周相乾

(1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)系，上海 201306；2. 上海海洋大學(xué) 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306)

引 言

西北太平洋是世界上中尺度渦旋高發(fā)的海域之一。在該海域，由于黑潮及其延伸體所擁有的強(qiáng)流速，它們的流軸與周?chē)w之間形成不穩(wěn)定的強(qiáng)流速剪切，為中尺度渦的產(chǎn)生提供動(dòng)量來(lái)源。以往研究表明，表征渦旋活動(dòng)程度的渦動(dòng)能(Eddy Kinetic Energy, EKE)在黑潮主軸與黑潮延伸體區(qū)域存在明顯的峰值帶[1]。自1993年的22年衛(wèi)星高度計(jì)融合數(shù)據(jù)反映，期間在西北太平洋區(qū)域共檢測(cè)出生命周期超過(guò)30 d的渦旋數(shù)量多達(dá)6600余個(gè)[2]，主要集中于16°N以北海域[3]。胡冬等[4]統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，黑潮延伸體鄰近海域內(nèi)中尺度渦的平均生命周期在9—11周，平均半徑約為70 km。另有研究發(fā)現(xiàn)，由于β效應(yīng)，在黑潮延伸體區(qū)域產(chǎn)生的渦旋絕大部分向西移動(dòng)，移動(dòng)速度隨著緯度的增加而變慢甚至發(fā)生轉(zhuǎn)向的情況[5]。

目前依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)給中尺度渦的研究帶來(lái)了便利，然而僅僅從海表面研究分析海洋渦旋是不全面的，其內(nèi)部海水的水文三維結(jié)構(gòu)是研究中尺度渦對(duì)海洋內(nèi)部物質(zhì)交換和能量輸送以及化學(xué)、生物過(guò)程影響的關(guān)鍵。早在1991年，Babu等[6]在孟加拉灣觀測(cè)到一個(gè)半徑100 km的冷渦系統(tǒng)，在其渦流中心觀測(cè)到與周?chē)h(huán)境4 ℃的溫度差異，渦旋的垂向影響范圍在50～300 db之間。中尺度渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，喬方利等[7]根據(jù)2001年在東海觀測(cè)到的冷渦發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽高值區(qū)并不位于冷渦中心，推測(cè)出冷渦上升流呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)上升流區(qū)位于距離中心的一定距離處。在黑潮延伸體海域，Chen等[8]利用較高空間分辨率的XCTD與ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了該區(qū)域一個(gè)冷渦的溫、鹽三維結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果顯示渦旋范圍內(nèi)等溫線整體抬升且靠近渦旋中心等溫線抬升更加明顯，渦中心冷核溫度較氣候態(tài)平均值異常達(dá)到-6.5℃，溫度、鹽度垂直結(jié)構(gòu)表明渦旋的影響深度超過(guò)1000 m。

盡管對(duì)渦旋的研究已經(jīng)積累了一定的成果，但是目前針對(duì)該海域中尺度渦旋的研究大多是對(duì)渦旋探測(cè)與追蹤的統(tǒng)計(jì)分析[9-11]，而針對(duì)具體的單個(gè)渦旋的生命過(guò)程和三維水文結(jié)構(gòu)的研究較少。其中，雖然已有學(xué)者利用Argo等浮標(biāo)數(shù)據(jù)[12-13]與模型數(shù)據(jù)[14]對(duì)此地區(qū)渦旋進(jìn)行研究，并給出渦旋的溫度、鹽度結(jié)構(gòu)，但與生物生產(chǎn)力相關(guān)的溶解氧等海洋要素和渦旋范圍內(nèi)的生物分布特征并未涉及[15]。為了探究黑潮延伸體區(qū)域的渦旋精細(xì)結(jié)構(gòu)，本文利用2019年3月在黑潮延伸體區(qū)域的船測(cè)資料，結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，重現(xiàn)了一個(gè)冷渦系統(tǒng)的生命史過(guò)程，研究分析了該冷渦的溫度、鹽度、密度、溶解氧的垂直結(jié)構(gòu)特征，給出了渦旋區(qū)域浮游動(dòng)物分布特征，以期對(duì)生物生態(tài)方面的研究提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

首先，2019年3月上海海洋大學(xué)“淞航號(hào)”對(duì)西北太平洋進(jìn)行了生物地球環(huán)境綜合調(diào)查(圖1)。各站點(diǎn)利用溫鹽深儀(SBE911plus CTD)測(cè)量海表至300 m深處的溫度、鹽度、溶解氧等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，使用溫深儀(RBR-TDR 2050)對(duì)黑色三角站位進(jìn)行更深水層的溫度測(cè)量。如圖1所示，黑色三角站位測(cè)量深度為750～1000 m，其余站位為300 m。3月20日在渦旋中心西北側(cè)站位(F05)進(jìn)行了各參數(shù)垂向剖面觀測(cè)。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面，利用實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)(Guildline 8400B Autosal)對(duì)整個(gè)航次的Niskin采水器所獲水樣進(jìn)行鹽度檢測(cè)，所獲結(jié)果用于矯正現(xiàn)場(chǎng)CTD觀測(cè)鹽度數(shù)據(jù)。

圖1 觀測(cè)站位圖。黑色圓點(diǎn)為普通站位，觀測(cè)深度0～300 m，黑色三角形為重點(diǎn)站位，觀測(cè)深度為750～1000 m。圖中顏色表示2019年3月月平均海表面高度(SSH)。

其次，本文采用的海表面高度數(shù)據(jù)、海表面異常高度數(shù)據(jù)(Sea Surface Anomaly，SLA)、海表面地轉(zhuǎn)異常流速數(shù)據(jù)、海表面溫度數(shù)據(jù)均來(lái)自COPERNICUS海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)中心。SSH、SLA數(shù)據(jù)與海表面地轉(zhuǎn)異常流速數(shù)據(jù)來(lái)自近實(shí)時(shí)全球海洋網(wǎng)格L4表面高度產(chǎn)品，為Jason-3、Sentinel-3A、HY-2A，Saral/Altika等多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合，通過(guò)最優(yōu)化插值得到。SST數(shù)據(jù)選用全球ARMOR3D L4數(shù)據(jù)庫(kù)。以上數(shù)據(jù)空間分辨率均為(1/4)°×(1/4)°，海表面高度數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1個(gè)月，SLA數(shù)據(jù)、海表面異常流場(chǎng)流速數(shù)據(jù)與SST數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率均為1d，選取2019年1月10日(冷渦生成)至7月4日(冷渦消失)時(shí)間段海表面異常流速數(shù)據(jù)計(jì)算渦旋相對(duì)渦度、渦能量密度與形變率參數(shù)。另外，2019年3月的氣候態(tài)月平均數(shù)據(jù)用以計(jì)算溫度與鹽度的異常值。該數(shù)據(jù)來(lái)源于World Ocean Atlas 2013(WOA13)數(shù)據(jù)庫(kù)，空間分辨率為(1/4)°×(1/4)°。

1.2 渦旋探測(cè)方法

本文采用董昌明等提出的渦旋探測(cè)方法[16-17]。此方法基于流場(chǎng)的幾何特征來(lái)定義渦旋，且根據(jù)渦旋速度場(chǎng)特征提出了相應(yīng)的四個(gè)約束條件。滿足這四個(gè)約束條件的點(diǎn)即被定義為渦旋中心位置，它們分別是：(1)在選定區(qū)域內(nèi)找到速度最小值點(diǎn)近似為渦旋中心；(2)沿渦旋中心點(diǎn)東西兩側(cè)速度分量v在遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的兩側(cè)數(shù)值符號(hào)相反，大小隨距中心點(diǎn)的距離線性增加；(3)沿渦旋中心點(diǎn)南北兩側(cè)速度分量u在遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的兩側(cè)數(shù)值符號(hào)相反，大小隨距中心點(diǎn)的距離線性增加；(4)在近似渦旋中心點(diǎn)附近，速度矢量的旋轉(zhuǎn)方向必須一致，即兩個(gè)相鄰的速度矢量方向必須位于同一象限或相鄰的兩個(gè)象限。

確定渦旋中心之后，用流函數(shù)的等值線定義渦旋邊界,圍繞中心點(diǎn)的最外圍等值線即為該渦旋的邊界。渦旋的軌跡由相臨兩個(gè)時(shí)刻渦旋中心點(diǎn)的連線獲得。

1.3 渦旋特征參數(shù)

中尺度渦旋的特征可以由它的一些參數(shù)來(lái)表征。這里我們用以下的幾個(gè)參數(shù)來(lái)描述此中尺度冷渦的特征[18-19]。

渦旋半徑定義為渦旋邊界上的點(diǎn)到渦旋中心點(diǎn)的平均距離，由此可確定計(jì)算渦旋各參數(shù)時(shí)的渦旋范圍。某一時(shí)刻的渦旋平均相對(duì)渦度定義為該時(shí)刻渦旋范圍內(nèi)渦度的平均值。

(1)

式中：u'、v'分別為東西向和南北向的地轉(zhuǎn)異常流速；x、y分別為東西向與南北向的坐標(biāo)值。

渦動(dòng)能的計(jì)算公式為：

(2)

渦動(dòng)能密度定義為渦旋范圍內(nèi)平均渦動(dòng)能除以渦旋的面積，即：

(3)

渦旋的形變率可用來(lái)判斷渦旋的拉伸-收縮情況，散度用來(lái)判斷渦旋是否處于穩(wěn)定的狀態(tài)。剪切形變率：

(4)

拉伸形變率：

(5)

散度：

(6)

2 目標(biāo)冷渦特征

2.1 近半年渦旋統(tǒng)計(jì)

黑潮延伸體及其鄰近海域中尺度渦旋數(shù)量眾多，特征不一。本文統(tǒng)計(jì)了2019年上半年研究區(qū)域內(nèi)中尺度渦旋情況，根據(jù)追蹤方法中的日期差，共篩選出19個(gè)生命周期超過(guò)28 d的渦旋(圖2)。根據(jù)渦旋生成日期的先后順序，將此19個(gè)渦旋進(jìn)行編號(hào)。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，目標(biāo)渦旋(2號(hào))是2019年上半年唯一一個(gè)生命周期超過(guò)150 d的中尺度渦旋，大部分渦旋生命周期未超過(guò)90 d。從平均渦能量密度來(lái)看，目標(biāo)渦旋平均渦能量密度達(dá)到4.7×10-1cm2/(s2·km2)，其強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)該時(shí)間段內(nèi)絕大部分渦旋。目標(biāo)渦旋是在黑潮延伸體與周?chē)w的強(qiáng)流速剪切條件下“脫落”而來(lái)，并一直沿黑潮延伸體主軸向西移動(dòng)，整個(gè)過(guò)程中流速較大，渦動(dòng)能較強(qiáng)。因此，本文所研究目標(biāo)渦旋是研究區(qū)域內(nèi)一個(gè)典型的壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度大的冷渦。

圖2 研究區(qū)域內(nèi)2019年上半年生命周期大于28 d中尺度渦數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果黑色實(shí)線表示生命周期，灰色虛線表示平均渦能量密度。

2.2 渦旋的生成與消亡

在北半球氣旋式渦旋生成時(shí)，渦旋流場(chǎng)呈現(xiàn)出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。渦旋范圍內(nèi)表層海水向外輻散，導(dǎo)致渦旋內(nèi)部海平面高度出現(xiàn)負(fù)異常的情況。圖3顯示了本研究目標(biāo)渦旋在各個(gè)生命節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的SLA、海表面流場(chǎng)異常、渦旋邊界和移動(dòng)軌跡(a-d)，3月20日船舶在渦中心位置觀測(cè)時(shí)的渦旋狀態(tài)(e)，及整個(gè)生命周期內(nèi)渦旋中心的SLA和SST時(shí)間序列變化(f)。該冷渦系統(tǒng)生成于2019年1月10日，此時(shí)渦旋中心位置位于34.5°N，151.95°E，渦旋半徑為68 km。渦旋生成時(shí)對(duì)應(yīng)渦中心SLA值為-0.2 m，SST為18 ℃ (圖3f)。此后SLA出現(xiàn)持續(xù)負(fù)向增長(zhǎng)，同時(shí)SST也持續(xù)降低。3月20日船舶在渦中心附近(F05站點(diǎn))觀測(cè)前后，中心SLA達(dá)到最大，此時(shí)渦旋中心相較于平均海平面出現(xiàn)-1 m的高度差。而SST于4月9日達(dá)到最低值13.98 ℃，此時(shí)較周?chē)h(huán)境水體SST小3.5 ℃。

圖3 渦旋在各個(gè)生命節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的SLA(顏色)、海表面流場(chǎng)異常(箭頭)、邊界(黑色虛線)和移動(dòng)軌跡(黑色實(shí)線)(a-d)，3月20日船舶在渦中心位置觀測(cè)時(shí)的渦旋狀態(tài)(e)，及整個(gè)生命周期內(nèi)渦旋中心的SLA(黑色曲線)和SST(紅色曲線)時(shí)間序列變化(f)(綠色虛線對(duì)應(yīng)時(shí)間3月20日)。

從移動(dòng)速度來(lái)看，消亡期之前，渦旋移動(dòng)緩慢，進(jìn)入消亡期之后，渦旋移動(dòng)速度明顯增加。整個(gè)生命過(guò)程渦旋移動(dòng)距離為1201.6 km，平均移動(dòng)速度為8.13 cm/s，在該區(qū)域渦旋典型移動(dòng)速度(1～10 cm/s)[20]范圍之內(nèi)。該渦旋存在時(shí)間為175 d，遠(yuǎn)超于該區(qū)域渦旋壽命平均水平(約77 d)[4]。

2.3 渦旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

圖4給出了該冷渦的半徑、散度、相對(duì)渦度、渦能量密度、剪切形變率以及拉伸形變率的時(shí)間序列圖。在渦旋生成的初期，渦旋半徑在幾天之內(nèi)迅速增大。與前人結(jié)果較為不同的是，渦旋半徑的峰值階段與最小值皆出現(xiàn)于渦旋生成期，并且此時(shí)半徑的波動(dòng)較為劇烈，這可能是由于渦旋生成時(shí)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致探測(cè)的渦旋邊界出現(xiàn)誤差。進(jìn)入穩(wěn)定期后，渦旋半徑趨于穩(wěn)定，而從穩(wěn)定期中后期開(kāi)始，半徑逐漸減小。此中尺度渦平均半徑為58.37 km,小于胡冬等[4]在此區(qū)域統(tǒng)計(jì)的渦旋平均半徑(69.5 km)。渦旋的散度表示了渦旋的穩(wěn)定性。在渦旋生成初期，散度變化較為劇烈，說(shuō)明了渦旋處于不穩(wěn)定狀態(tài)，與半徑變動(dòng)劇烈對(duì)應(yīng)。而在穩(wěn)定期與消亡期，散度變化較小且接近于0，渦旋處于穩(wěn)定狀態(tài)，也意味著渦旋在單位時(shí)間單位體積內(nèi)的流量損失很小。

圖4 渦旋半徑和散度 (a)、相對(duì)渦度和渦能量密度(b)以及拉伸形變率與剪切形變率 (c)的時(shí)間序列圖

相對(duì)渦度的大小代表了渦旋剪切的強(qiáng)弱，整個(gè)生命過(guò)程中平均相對(duì)渦度為3.44×10-5/s。相對(duì)渦度、渦能量密度與半徑之間存在明顯的對(duì)應(yīng)性，整體而言隨著半徑減小相對(duì)渦度與渦能量密度逐漸增加。渦動(dòng)能密度表明了渦旋動(dòng)能的強(qiáng)度(圖4b)。該渦旋平均渦動(dòng)能密度為4.7×10-1cm2/(s2·km2)。渦旋生成期，渦動(dòng)能密度較小，穩(wěn)定期渦動(dòng)能密度逐漸增大，渦旋強(qiáng)度不斷增加。渦旋消亡期初期，渦能量密度短時(shí)間內(nèi)增大，出現(xiàn)此種情況是由于該冷渦壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度大，該冷渦穩(wěn)定期相比統(tǒng)計(jì)學(xué)上所劃分時(shí)間要長(zhǎng)。

渦旋的剪切率表示渦旋在東北-西南方向與西北-東南方向上的形變強(qiáng)度。當(dāng)剪切率為正值時(shí)，表示渦旋于東北-西南方向拉伸，西北-東南方向壓縮，此時(shí)渦旋呈橢圓狀，長(zhǎng)半軸位于東北-西南方向，反之亦然[21]。類(lèi)似的，渦旋的拉伸率表示渦旋在東-西方向與南-北方向的形變強(qiáng)度。當(dāng)拉伸率為正值時(shí)，表示渦旋于東-西方向拉伸，南-北方向壓縮，此時(shí)渦旋同樣呈橢圓狀，長(zhǎng)半軸位于東-西方向。從圖4c來(lái)看，在渦旋生成的初期，剪切率為正值，拉伸率為負(fù)值，且均出現(xiàn)快速波動(dòng)的現(xiàn)象，與散度變化所顯示渦旋生長(zhǎng)期處于極不穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，此時(shí)渦旋呈橢圓狀且在東北-西南方向與南-北方向拉伸，長(zhǎng)半軸位于東北-西南方向，與海表面異常流場(chǎng)結(jié)果一致。在渦旋的穩(wěn)定期，渦旋形變強(qiáng)度較大，拉伸率由負(fù)值變?yōu)檎?，渦旋在東西方向拉伸。在渦旋的消亡期，剪切率由正值變?yōu)樨?fù)值，渦旋向西北-東南方向拉伸。

2.4 緯向斷面水文結(jié)構(gòu)

根據(jù)2019年3月的船測(cè)數(shù)據(jù)(渦旋處于穩(wěn)定期)，圖5給出了經(jīng)過(guò)渦旋中心附近(F05站位)的F斷面的位溫、鹽度、位密、溶解氧的垂直斷面結(jié)構(gòu)。在所有特征斷面中，F(xiàn)05站點(diǎn)上的等值線都有明顯抬升，對(duì)應(yīng)冷渦引發(fā)上升運(yùn)動(dòng)的特征。

圖5 位溫、鹽度、位密、溶解氧的垂直斷面結(jié)構(gòu)。其中(a)、(b)等值線數(shù)值表示位溫、鹽度大小，顏色表示溫度、鹽度的異常值(空白區(qū)域無(wú)數(shù)據(jù))。

從位溫?cái)嗝婵梢钥闯?，在F05站點(diǎn)，極強(qiáng)的上升流作用將深層冷水帶至更淺的水層，內(nèi)部等溫線整體抬升(圖5a等值線所示)。上層60 m以內(nèi)，位溫垂向分布均勻，表征該深度范圍內(nèi)海水混合充分。在60～300 m的深度范圍內(nèi)，水溫從14 ℃銳減至7 ℃。渦旋范圍內(nèi)水體與周?chē)h(huán)境水體(以F04站點(diǎn)為界限)存在明顯的水平溫差。在300 m深度，渦旋中心與渦旋西側(cè)水體(F02、F03站點(diǎn))的溫度差異達(dá)到了10 ℃以上。在渦旋的南(E斷面)、北(G斷面)邊界處，水體垂向水文特性變化小，被認(rèn)為受到渦旋的影響較小(未給出)。渦旋中心誘發(fā)的上升流同樣引發(fā)鹽度等值線的明顯抬升(圖5b等值線所示)。與位溫分布類(lèi)似，該觀測(cè)點(diǎn)的60 m以淺深度鹽度趨于垂向均一。60～300 m的深度范圍內(nèi)，水體鹽度從34.5 psu減少至34 psu。渦旋范圍內(nèi)水體鹽度與外界水體鹽度差異明顯，在300 m深度上，渦旋中心鹽度值為34 psu，而渦旋西側(cè)水體鹽度值在34.8 psu左右。

測(cè)量的溫度(鹽度)數(shù)據(jù)減去3月氣候態(tài)平均溫度(鹽度)得到溫度(鹽度)的異常值(圖5a和圖5b顏色所示)。溫度(鹽度)在渦旋中心附近均表現(xiàn)出負(fù)異常的特征，從F斷面溫度、鹽度的異常來(lái)看，在0～300 m深度內(nèi)，渦旋中心區(qū)域溫度(鹽度)負(fù)異常隨著深度的增加而逐漸增強(qiáng)。溫度在F05站點(diǎn)處300 m深度上的異常值達(dá)到了-7.5 ℃，鹽度異常值達(dá)到了-0.5 psu。

渦旋的密度結(jié)構(gòu)與溫度、鹽度結(jié)構(gòu)類(lèi)似，近中心處等密度線向上抬升(圖5c)。F05站點(diǎn)上，表層密度σ為25.6 kg/m3，300 m水深處密度為26.6 kg/m3，差值達(dá)到1 kg/m3。圖5d為F斷面的溶解氧垂直結(jié)構(gòu)。在冷渦范圍內(nèi)由于深層貧氧海水向上涌升，導(dǎo)致150 m以下出現(xiàn)明顯的溶解氧含量的低值區(qū)，300 m處的溶解氧低至4 ml/L。而在渦旋范圍內(nèi)的表層50 m以內(nèi)則出現(xiàn)了明顯的溶解氧含量的高值區(qū)，達(dá)到了F斷面內(nèi)的最大值(5.5 ml/L)。

2.5 經(jīng)向斷面溫度結(jié)構(gòu)

圖6顯示了A05—G05經(jīng)向斷面上各站點(diǎn)由溫深儀采集的溫度剖面。結(jié)果表明，F(xiàn)05站位之外的各站點(diǎn)上，0～200 m的深度范圍內(nèi)，除了極易受大氣影響的表層外，溫度維持在17 ℃到19 ℃之間；從200 m到700 m，溫度從17 .5℃下降到7 ℃，表現(xiàn)為0.021℃/m的垂向平均溫度梯度。而進(jìn)入冷渦中心區(qū)域(F05站位)，海表混合層不再明顯，溫度從表層的23.5 ℃逐漸減少到700 m深的4 ℃，表現(xiàn)為0.028 ℃/m的垂向平均溫度梯度。900 m深度時(shí)，渦旋中心附近溫度為3.3 ℃，相較于渦旋范圍外的4.7 ℃左右，溫度差異達(dá)到1.4 ℃，表明該深度海水依然受到渦旋中心海水向上抽吸作用的影響。由此推測(cè)，此渦旋影響深度超過(guò)900 m，與Chen等[13]在此區(qū)域觀測(cè)到的冷渦影響深度基本一致。

圖6 特殊站位斷面A05-G05各站點(diǎn)溫度剖面圖(左)與溫度異常值剖面圖(右)。左圖中黑色實(shí)線為F05站點(diǎn)溫度剖面，灰色實(shí)線為其他站點(diǎn)溫度剖面；右圖中黑色實(shí)線為F05溫度異常值剖面，灰色實(shí)線為其他站點(diǎn)溫度異常值剖面。

從溫度的異常值來(lái)看，冷渦中心區(qū)域表現(xiàn)出明顯的負(fù)異?，F(xiàn)象，而冷渦的南北側(cè)上方0～300 m的水層與周?chē)h(huán)境水體皆表現(xiàn)出正異常的現(xiàn)象。觀測(cè)期間該渦旋的冷核中心位于F05站點(diǎn)的250～350 m水層，溫度異常最大值在此處達(dá)到了-6.2 ℃，與Chen等[13]在該海域得到的-6.5 ℃類(lèi)似。

3 生物結(jié)果分析

中尺度渦旋的存在對(duì)生物分布有著重要影響。圖7為浮游動(dòng)物生物量調(diào)查結(jié)果。總體來(lái)看，三個(gè)斷面上大部分站位(78 %)的浮游動(dòng)物生物量在40 mg/m3以下。而渦旋東側(cè)F06站點(diǎn)處浮游動(dòng)物生物量達(dá)到最大值80 mg/m3。這可能與F06站點(diǎn)所處位置剛好位于冷渦與外界水體交匯的東邊界處有關(guān)。雖然冷渦中心強(qiáng)大的抽吸能力將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從下層水體帶入表層，但是可能由于冷渦中心溫度較低，所以冷渦與周?chē)w交匯所產(chǎn)生的溫度鋒區(qū)域帶存在更多的浮游動(dòng)物。

圖7 2019年3月E01-E06站點(diǎn)(a)、F01-F06站點(diǎn)(b)、G01-F06站點(diǎn)(c)浮游動(dòng)物生物量調(diào)查結(jié)果

從渦旋南側(cè)斷面看(圖7a)，浮游動(dòng)物生物量較低且均勻，而在穿過(guò)渦旋中心的F斷面緯度上(圖7b)，浮游動(dòng)物生物量空間分布差異大，而渦旋西側(cè)站點(diǎn)(F04)與東側(cè)站點(diǎn)(F06)生物量相差大。在渦旋北側(cè)(圖7c)，存在兩個(gè)明顯的峰值站點(diǎn)(G03、G06)，其余站點(diǎn)生物量則較低。

4 結(jié)論和展望

本文結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與2019年3月開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，研究了西北太平洋黑潮延伸體海域一個(gè)冷渦的生消過(guò)程及其穩(wěn)定期渦旋中心的溫、鹽、密以及溶解氧結(jié)構(gòu)，為該海域中尺度渦精細(xì)結(jié)構(gòu)研究，及中尺度渦旋對(duì)生物生產(chǎn)影響方面的研究提供參考依據(jù)。具體結(jié)論如下：

(1)目標(biāo)冷渦出現(xiàn)在2019年1月10日到7月4日期間，整個(gè)過(guò)程持續(xù)175 d，遠(yuǎn)超該海域渦旋的平均壽命(約77 d)，是2019年上半年壽命最長(zhǎng)的典型強(qiáng)冷渦。渦旋穩(wěn)定期的SLA最低值達(dá)到-1 m，SST的最低值為13.89℃。該渦旋總體向西移動(dòng)。整個(gè)生命過(guò)程中，渦旋移動(dòng)距離為1201.6 km，平均移動(dòng)速度為8.13 cm/s。

(2)渦旋的平均半徑為58.37 km。渦旋的相對(duì)渦度、渦能量密度均與半徑呈現(xiàn)負(fù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。整個(gè)過(guò)程中渦旋呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的橢圓狀。渦旋生成的初期階段，渦旋向東北—西南方向拉伸。渦旋的消亡期，渦旋向西北—東南方向拉伸。

(3)船測(cè)結(jié)果顯示出了冷渦中心極強(qiáng)的上升流作用。渦中心海表至60 m深，各水文要素表現(xiàn)出明顯的垂向均一性，溶解氧含量達(dá)到最大(5.5 ml/L)。而在60～300 m的深度范圍內(nèi)，水溫從14 ℃銳減至7 ℃，鹽度從34.5 psu減至34 psu，溶解氧從5.2 ml/L減少到4 ml/L。渦旋中心300 m處深度海水溫度與周?chē)壬疃拳h(huán)境水體存在-10 ℃的溫度差異，鹽度差異達(dá)到0.8 psu。經(jīng)向的溫度剖面結(jié)構(gòu)顯示，溫度從表層到900 m的深度范圍內(nèi)下降約20 ℃。在900 m處，冷渦中心與周?chē)w的溫度差異依然有-1.4 ℃，表明該冷渦影響深度超過(guò)900 m。另外，觀測(cè)期間渦旋的冷核中心位于F05站位的250到350 m水層。

(4)浮游動(dòng)物生物量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，渦旋東邊界處，冷渦與外界環(huán)境水體交匯的地方生物量最為豐富。

中尺度渦對(duì)小范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的影響一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。冷渦存在期間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)出現(xiàn)快速積累，隨后由于浮游植物大量繁殖而快速減少的過(guò)程[22]。另外，近年來(lái)研究表明，冷渦中心往往出現(xiàn)葉綠素的高值區(qū)或者葉綠素的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[23-24]。根據(jù)此次的溶解氧調(diào)查結(jié)果顯示，渦旋范圍內(nèi)50 m溶解氧出現(xiàn)明顯高值區(qū)，除了冷渦抽吸作用將下層冷水帶至表層，能吸收更多溶解氧外，生物作用因素不可忽視。初步的生物調(diào)查結(jié)果顯示，冷渦中心東側(cè)浮游動(dòng)物生物量明顯較高，且渦旋東、西兩側(cè)生物量差異明顯，造成這種現(xiàn)象的原因與冷渦中心營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化、中心水體的溫度等因素的關(guān)系還需要更豐富的調(diào)查資料和更細(xì)致的分析。因此，中尺度渦對(duì)局部海域生態(tài)系統(tǒng)如葉綠素等的影響將是未來(lái)研究的一部分。