基于2005～2019年衛(wèi)星遙感觀測(cè)的南大洋印度洋扇區(qū)中部渦旋特征分布研究*

李 等 程靈巧, 2, 3 嚴(yán)晨冰 張春玲, 2, 3 胡 松, 2, 3

基于2005～2019年衛(wèi)星遙感觀測(cè)的南大洋印度洋扇區(qū)中部渦旋特征分布研究*

李 等1程靈巧1, 2, 3①嚴(yán)晨冰1張春玲1, 2, 3胡 松1, 2, 3

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306; 2. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 上海 201306; 3. 自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201306)

在南大洋印度洋扇區(qū)中部海域, 除了地形控制(凱爾蓋朗高臺(tái)), 南極繞極流和厄加勒斯回流的匯合流進(jìn)一步加強(qiáng)了下游的斜壓剪切強(qiáng)度, 導(dǎo)致渦旋能量顯著增強(qiáng), 因此, 對(duì)該海域渦旋的研究有助于了解該海域的渦旋特征以及地形與渦旋的分布關(guān)系?；?005～2019年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 對(duì)該海域渦旋特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 并對(duì)渦旋產(chǎn)生地分布、跨鋒面渦旋的移動(dòng)狀況進(jìn)行分析, 同時(shí)結(jié)合Argo剖面數(shù)據(jù), 進(jìn)一步剖析渦旋內(nèi)部水文分布特征。結(jié)果表明: 該海域渦旋生命周期多在20 d以內(nèi)(64.25%), 平均半徑多在30～100 km(96.13%); 平均半徑與平均振幅呈正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)=0.55); 生命周期越大的渦旋平均傳播距離也越大。2014年開始渦旋數(shù)量明顯增加, 主要由短壽命渦旋(<30 d)數(shù)量增加所貢獻(xiàn)。反之, 21世紀(jì)10年代后期年平均渦動(dòng)能異常呈減小趨勢(shì)。渦旋產(chǎn)生地隨著壽命增長(zhǎng), 逐漸從亞南極鋒與南極繞極流南部邊界之間的鋒面區(qū)域向亞南極鋒以北移動(dòng)?？玟h面渦旋中, 暖渦向高緯, 冷渦向低緯移動(dòng), 大部分具有攜帶水團(tuán)移動(dòng)的能力。由渦旋內(nèi)部水文特征分析結(jié)果可知, 不同極性的渦旋能夠?qū)崿F(xiàn)完全不同來(lái)源水團(tuán)的遠(yuǎn)距離輸送, 對(duì)同一來(lái)源水團(tuán), 氣旋渦具有抬升作用, 而反氣旋渦具有壓沉作用。該研究工作有助于提升對(duì)南大洋渦旋特征及變動(dòng)的認(rèn)識(shí), 為進(jìn)一步的渦旋動(dòng)力研究提供支撐。

凱爾蓋朗; 海洋渦旋; 統(tǒng)計(jì)特征; 跨鋒面渦旋; 垂直結(jié)構(gòu)

南大洋是世界上渦旋活動(dòng)最活躍的海域之一(Fu, 2010)。顯著的渦旋活動(dòng)影響該海域南極繞極流(Antarctic circumpolar current, ACC)的動(dòng)量平衡和經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的物質(zhì)輸送(Sabu, 2015)。在南大洋上層海洋沒有強(qiáng)經(jīng)向流的情況下, 渦旋被認(rèn)為是橫跨緯向ACC實(shí)現(xiàn)經(jīng)向熱量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和碳交換的主要機(jī)制(Sallée, 2008; Ito, 2010)。同時(shí), 沿著ACC流軸方向分布著幾支顯著的海洋鋒面, 從北到南主要包括了亞南極鋒(subantarctic front, SAF), 極鋒(polar front, PF), 南極繞極流南鋒(Southern Antarctic circumpolar current front, SACCF)和南極繞極流南部邊界(southern boundary of the ACC, SBdy)。這些鋒面被認(rèn)為與渦旋具有強(qiáng)烈的相互作用關(guān)系, 且與這些鋒面相關(guān)的渦旋攜帶有較強(qiáng)的渦能量(Gille, 1994; Morrow, 1994; Hughes, 1995; Hughes, 2001; Sokolov, 2002)。一方面, 渦旋具有成鋒作用, 渦旋的外圍常會(huì)有鋒面; 另一方面, 鋒面由于不穩(wěn)定性可以產(chǎn)生渦旋(鄭全安等, 1988; 郭炳火等, 1995, 1997; 李立等, 1997)。在這些鋒面區(qū)域, 海流速度快且向東流動(dòng), 而在鋒面之間的區(qū)域, 流動(dòng)由渦旋主導(dǎo), 可以呈現(xiàn)任意方向(Talley, 2011)。

南大洋的顯著地形特征會(huì)影響ACC的結(jié)構(gòu)和輸送, 增強(qiáng)渦旋混合, 并導(dǎo)致主要地形特征下游的渦動(dòng)能(eddy kinetic energy, EKE)增強(qiáng)(Lu, 2010; Thompson, 2012; Frenger, 2015)。凱爾蓋朗高臺(tái)是ACC區(qū)域中最突出的海底地形之一(圖1), 其西北-東南的走向幾乎與ACC垂直, 對(duì)ACC的動(dòng)力學(xué)有重要影響作用(Webb, 1993; Gille, 1997)。厄加勒斯流是南印度洋副熱帶環(huán)流中的西邊界流, 沿著南非東側(cè)海岸向西南流動(dòng), 直到與南非大陸分離, 在南非大陸南端離開大陸并進(jìn)而向東反曲(林霞等, 2016)。厄加勒斯海流的大部分體積通過(guò)厄加勒斯回流返回印度洋(Civel-Mazens, 2021)。因此, 在南大洋印度洋扇區(qū)中部海域, 除了地形控制, ACC和厄加勒斯回流的匯合流進(jìn)一步加強(qiáng)了下游的斜壓剪切強(qiáng)度, 進(jìn)而導(dǎo)致渦旋能量顯著增強(qiáng)(Morrow, 1992; Park, 1993)。

根據(jù)2009年TRACK (transport across the Kerguelen Plateau)航次以及關(guān)于在凱爾蓋朗-阿姆斯特丹通道的地轉(zhuǎn)運(yùn)輸估算, ACC輸運(yùn)中約60% (約150×106m3/s)經(jīng)過(guò)凱爾蓋朗北部海區(qū), 主要與SAF有關(guān); 剩下40%穿過(guò)凱爾蓋朗與南極洲之間, 其中大部分(約43 ×106m3/s )與SACCF相關(guān), 并集中在福恩海槽中(Park, 1993, 2009, 2014)。凱爾蓋朗使ACC北部鋒面, 即SAF, 往低緯度的高能量、暖而咸的厄加勒斯回流和鄰近的副熱帶鋒方向偏轉(zhuǎn)(Wang, 2016)。這些洋流的匯合導(dǎo)致凱爾蓋朗下游的不穩(wěn)定性和大量中尺度渦旋的存在, 隨后導(dǎo)致強(qiáng)烈的混合和較高的生物生產(chǎn)力(Gille, 1997; Jayne, 2002; Fu, 2009; Lu, 2010; Sallée, 2011; Waterman, 2013; Gille, 2014; Rosso, 2014)。前人對(duì)印度洋扇區(qū)渦旋的研究大多集中在35°S以北(Jia, 2011; Delman, 2018), 而對(duì)凱爾蓋朗高臺(tái)的研究主要有: 史久新等(2002)研究了凱爾蓋朗海臺(tái)區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及季節(jié)變化; Wang等(2016)研究了凱爾蓋朗海臺(tái)對(duì)海洋環(huán)流的影響; Kostianoy等(2004)、Park等(2014)對(duì)凱爾蓋朗高臺(tái)的鋒面進(jìn)行了相關(guān)研究, 沒有對(duì)該區(qū)域的渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于凱爾蓋朗高臺(tái)是ACC區(qū)域顯著地形之一, 且四個(gè)主要鋒面在此分布, 渦旋與鋒面關(guān)系密切, 因此, 掌握凱爾蓋朗區(qū)域渦旋的參數(shù), 分布特征以及渦旋與鋒面的關(guān)系對(duì)進(jìn)一步理解該海域海洋動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征具有重要意義。

圖1 研究區(qū)域地形(a)以及2019年1月1日海表面高度異常(sea level anomaly, SLA)分布(b)

注: 鋒面從北到南分別包括了亞南極鋒(subantarctic front, SAF; 暗紅色實(shí)線)、極鋒(polar front, PF; 綠色實(shí)線)、南極繞極流南鋒(southern Antarctic circumpolar current front , SACCF; 橘紅色實(shí)線)和南極繞極流南部邊界(Southern Boundary of the ACC, SBdy; 紫色實(shí)線); 厄加勒斯流和厄加勒斯回流位置(黑色實(shí)線)參考De Ruijter等(2005); 黑色虛線表示2005～2019年平均冰緣線, 即15%海冰密集度線, 數(shù)據(jù)來(lái)自CMEMS (copernicus.eu), 分辨率為0.05°×0.05°; 紅色框?yàn)檠芯繀^(qū)域(40°～110°E, 70°～35°S)

因此, 本文基于2005～2019年的AVISO (archiving, validation and interpretation of satellite oceanographic data)衛(wèi)星高度計(jì)融合數(shù)據(jù), 對(duì)南大洋印度洋扇區(qū)中部凱爾蓋朗高臺(tái)周圍的渦旋進(jìn)行探測(cè)與追蹤, 結(jié)合該區(qū)域EKE分布, 分析渦旋的數(shù)量、不同生命周期渦旋數(shù)量的多年變化, 跨鋒面渦旋的地理分布及其物理性質(zhì)。同時(shí), 結(jié)合Argo剖面數(shù)據(jù)以案例分析的形式初步探究渦旋對(duì)該海域海洋內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文研究所用數(shù)據(jù)來(lái)自AVISO, 該資料由Jason-3, Sentinel-3A, HY-2A, Saral/AltiKa, Cryosat-2, Jason-2, Jason-1, T/P, ENVISAT, GFO, ERS1/2衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)融合而成。本文主要采用了海表面高度異常(sea level anomaly, SLA), 海表面地轉(zhuǎn)絕對(duì)流速(,)和地轉(zhuǎn)流速異常(,)。其中, SLA是基于1993～2012年期間平均海平面計(jì)算所得, 地轉(zhuǎn)流速異常(,)則基于地轉(zhuǎn)關(guān)系, 由SLA計(jì)算獲得:

其中,為SLA(單位: m),為重力加速度(單位: m/s2),為科氏參數(shù)(單位: /s)。本文采用的數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 d, 空間分辨率為0.25°×0.25°。研究區(qū)域?yàn)閯P爾蓋朗群島及其周邊海域(40°～110°E, 70°～35°S), 時(shí)間范圍為2005年1月1日至2019年12月31日。在進(jìn)行渦旋探測(cè)、追蹤以及計(jì)算渦動(dòng)能之前將數(shù)據(jù)線性插值為0.125°×0.125°。

本研究所使用的鋒面數(shù)據(jù)[即亞南極鋒(subantarctic front, SAF), 極鋒(polar front, PF), 南極繞極流南鋒(Southern Antarctic circumpolar current front, SACCF)和南極繞極流南部邊界(southern boundary of the ACC, SBdy)的位置數(shù)據(jù)]來(lái)自https://doi.org/10.17882/59800。

此外, 本文從Argo (http://www.argo.net)數(shù)據(jù)集中分別提取了4組在本研究海域內(nèi)同一時(shí)期相近冷渦和暖渦內(nèi)部或影響范圍內(nèi)的剖面數(shù)據(jù)(表1), 進(jìn)行自海表到近2 000 dbar深度的水文結(jié)構(gòu)特征對(duì)比。

表1 選用Argo剖面信息

Tab.1 Information of Argo profiles

1.2 方法

本文采用的渦旋自動(dòng)探測(cè)和追蹤方法由Nencioli等(2010)提出。該方法根據(jù)流場(chǎng)的幾何特征來(lái)定義渦旋, 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在多個(gè)海域(Chen, 2011; Dong, 2012)。首先, 識(shí)別渦旋中心的約束條件包括了: (1) 沿渦旋中心點(diǎn)東西方向上, 經(jīng)向速度分量在遠(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; (2) 沿渦旋中心點(diǎn)南北方向上, 緯向速度分量在遠(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) 在選定區(qū)域內(nèi)找到速度最小值點(diǎn)近似為渦旋中心; (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2個(gè)相鄰的速度矢量方向必須位于同一個(gè)象限或相鄰的2個(gè)象限。針對(duì)前兩個(gè)約束條件, 本文首先對(duì)緯向軸線(東-西)上的速度分量符號(hào)相反的連續(xù)點(diǎn), 分析遠(yuǎn)離其5個(gè)格點(diǎn)分量的符號(hào)和大小, 僅符號(hào)相反且大小增加的連續(xù)點(diǎn)可初步表征為渦旋。滿足這些條件之后, 分析經(jīng)向軸線上符號(hào)相反的分量連續(xù)點(diǎn), 同樣也是在單側(cè)5個(gè)格點(diǎn)上進(jìn)行分析, 這些點(diǎn)的值符號(hào)必須與同一點(diǎn)上的分量在緯向變化的旋轉(zhuǎn)方向一致。滿足前兩個(gè)條件之后, 沿給定點(diǎn)的緯向和經(jīng)向, 移動(dòng)±5個(gè)網(wǎng)格點(diǎn), 設(shè)定的網(wǎng)格區(qū)域大小為11×11, 尋找局域流速最小值。最后分析最小值區(qū)域邊界上的速度矢量, 由經(jīng)向和緯向上距離速度最小值點(diǎn)的第4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)確定, 范圍為9×9網(wǎng)格區(qū)域, 由于方向變化的連續(xù)性, 任一矢量與其前一個(gè)矢量位于同一象限或在逆時(shí)針方向的臨近象限, 當(dāng)搜索區(qū)域邊界上所有矢量均滿足這一條件時(shí), 圍繞速度最小值點(diǎn)的周圍矢量場(chǎng)會(huì)有一個(gè)閉合環(huán)流, 因此, 這一點(diǎn)被記為渦旋中心(董昌明, 2015)。

確定好渦旋中心后, 通過(guò)求中心點(diǎn)局域范圍內(nèi)的流函數(shù)來(lái)判定最外的封閉流線為渦旋的邊界。邊界上的點(diǎn)到渦旋中心點(diǎn)的平均距離定義為渦旋的半徑大小。在+1時(shí)刻尋找與時(shí)刻最相近、極性相同的渦旋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)渦旋的追蹤(董昌明等, 2017)。由于本文數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 d, 所以渦旋探測(cè)的時(shí)間間隔為1 d, 即某1 d相對(duì)于前1 d對(duì)渦旋進(jìn)行追蹤。相對(duì)于某1 d (時(shí)刻)渦旋的中心位置, 假設(shè)第2 d (+1時(shí)刻)檢測(cè)到與時(shí)刻相同類型渦旋的新位置, 如果新中心位于以時(shí)刻所在位置為中心1 km為半徑的區(qū)域范圍內(nèi), 則認(rèn)為兩者屬于同一個(gè)渦旋; 如果在+1時(shí)刻的對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)渦旋, 則需要進(jìn)行第二次搜索: 在+2時(shí)刻的擴(kuò)大區(qū)域, 即時(shí)刻所在位置為中心1.5 km為半徑的區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行搜索, 如果在+2時(shí)刻仍未發(fā)現(xiàn)渦旋, 則認(rèn)為渦旋已消散。

基于地轉(zhuǎn)流速異常進(jìn)行EKE的計(jì)算:

渦旋強(qiáng)度(eddy intensity,EI), 表示渦旋內(nèi)部平均的EKE, 其計(jì)算公式為(Chaigneau, 2008)

此外, 基于絕對(duì)地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù)計(jì)算非線性參數(shù)(定義=/), 其中,表示渦旋內(nèi)部絕對(duì)地轉(zhuǎn)流速的平均值,表示渦旋的平移速度。通過(guò)判斷的值來(lái)確定渦旋的移動(dòng)是否是線性的, 當(dāng)>1時(shí), 說(shuō)明具有被限制在渦旋內(nèi)部的流體存在, 該渦旋可以攜帶水團(tuán)進(jìn)行移動(dòng)(Chelton, 2007)。

2 結(jié)果

2.1 渦旋數(shù)量及渦動(dòng)能

由于本文所使用時(shí)間分辨率為1 d的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是插值所得, 因此, 為了避免該部分誤差, 只針對(duì)生命周期大于7 d的渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)自動(dòng)探測(cè)方法對(duì)渦旋進(jìn)行追蹤, 結(jié)果顯示2005～2019年間在本研究區(qū)域共檢測(cè)到24 793個(gè)生命周期大于7 d、振幅大于2 cm的顯著渦旋(表2), 其中共有12 371個(gè)氣旋式渦旋(cyclonic eddy, CE), 占渦旋總個(gè)數(shù)的49.9%, 12 422個(gè)反氣旋式渦旋(Anticyclonic Eddy, AE), 占比為50.1%。從表2可知, 生命周期為20 d之內(nèi)的渦旋數(shù)量最多(占比64.25%), 且隨著生命周期的增長(zhǎng), 渦旋數(shù)量逐漸減少。與之相反, 渦旋對(duì)應(yīng)的平均半徑、平均振幅和平均傳播距離都隨著生命周期的增長(zhǎng)而變大。

EKE能夠反映渦旋所攜帶動(dòng)能情況。圖2a中多年平均EKE空間分布顯示, EKE高值(>400 cm2/s2)主要集中在厄加勒斯回流及凱爾蓋朗高臺(tái)的下游區(qū)域, 從西往東逐漸向高緯偏轉(zhuǎn)。從與鋒面位置關(guān)系的角度來(lái)看, 在80°E西側(cè)EKE高值區(qū)基本分布在SAF以北海域, 而在其東側(cè)EKE高值區(qū)向高緯延伸到SAF和SBdy之間。整個(gè)研究區(qū)域的多年平均EKE為173.5 cm2/s2, EKE月平均和年平均異常在多年均值附近振蕩, 其中月平均異常存在明顯的周期性(圖2b): EKE極小值一般出現(xiàn)在年初, 極大值集中在8～10月間, 以10月最多。結(jié)合EKE功譜圖可知(圖2c), 其功率對(duì)應(yīng)365 d和182.6 d存在顯著峰值, 說(shuō)明其具有1年和半年周期變動(dòng)規(guī)律, 很好地解釋了月平均EKE異常周期性振蕩的特點(diǎn)。年平均EKE異常(圖2b紅線)長(zhǎng)期變動(dòng)在2015年前沒有顯著規(guī)律, 從2015年開始呈現(xiàn)單向降低趨勢(shì)。分別基于CE與AE的15 a平均個(gè)數(shù), 求得兩者的年數(shù)量異常(圖2d)。結(jié)果顯示, 兩者數(shù)量多年變化呈現(xiàn)顯著年際變化特征, 在2014年之前, 除2008～2011年之外, CE和AE數(shù)量基本低于多年均值; 在2014年以后, 兩種渦旋數(shù)量整體變多, 都高于多年均值。因此, 在21世紀(jì)10年代后期渦旋數(shù)量變化與EKE異常長(zhǎng)期變動(dòng)基本呈相反趨勢(shì)。Duan等(2016)曾在南大洋太平洋扇區(qū)發(fā)現(xiàn)渦旋數(shù)量增加的時(shí)期不一定與EKE增加的時(shí)期相對(duì)應(yīng)。Lamont等(2020)在研究愛德華王子島附近渦旋分布時(shí)也發(fā)現(xiàn)EKE增加與渦旋數(shù)量增加沒有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 2005～2019年間研究區(qū)域中不同生命周期區(qū)間內(nèi)的渦旋個(gè)數(shù), 以及對(duì)應(yīng)的平均半徑、平均振幅和平均傳播

距離

Tab.2 Lifespan, number of eddies, the corresponded mean radius, and propagation distance in the study region from 2005 to 2019

注: 誤差部分代表一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差; CE表示氣旋式渦旋(cyclonic eddy, CE), AE表示反氣旋式渦旋(Anticyclonic Eddy, AE)

接著, 我們將渦旋劃分為與表2一樣的7個(gè)生命周期()區(qū)間進(jìn)行時(shí)間序列分析, 觀察不同生命周期渦旋的數(shù)量變化情況。結(jié)合表2和圖3可以看出, 在該海域內(nèi)大多數(shù)渦旋短于30 d, 其中在20 d以內(nèi)的渦旋數(shù)量最多(占總渦旋數(shù)量的64.25%)。對(duì)比圖3a和圖2d發(fā)現(xiàn),在20 d以內(nèi)的渦旋數(shù)量年變化與總渦旋數(shù)量年變化基本一致; 7 d<≤20 d和20 d<≤30 d內(nèi)的渦旋數(shù)量在15 a的時(shí)間跨度內(nèi)呈整體增加趨勢(shì)。相較之下, 更大生命周期的渦旋數(shù)量基本在多年均值上下振蕩, 并不具有明顯的單向變化特征, 其中,大于80 d的渦旋在2012年之后反而出現(xiàn)明顯低值。因此可知, 在15 a間不同生命周期渦旋數(shù)量變化規(guī)律各不相同, 短生命周期在整體數(shù)量增加上貢獻(xiàn)最大。同時(shí)對(duì)比不同生命周期的CE和AE多年數(shù)量平均發(fā)現(xiàn),短于20 d的渦旋中, AE數(shù)量大于CE數(shù)量; 而在大于20 d的各個(gè)區(qū)間中, CE數(shù)量都比AE數(shù)量大。這與Frenger等(2015)7427的結(jié)果一致, 即在南大洋短生命周期的渦旋與長(zhǎng)生命周期的渦旋極性分布相反, 短生命周期渦旋數(shù)量AE多于CE, 長(zhǎng)生命周期渦旋數(shù)量反之。他們認(rèn)為, ACC區(qū)域的CE傾向于表現(xiàn)出更大的EKE, 而AE能量更有可能在海-氣相互作用、渦旋與周圍環(huán)境相互作用過(guò)程中耗散, 使得其存活時(shí)間比CE短。

圖2 2005～2019年間平均渦動(dòng)能(eddy kinetic energy, EKE)空間分布(a), 月平均EKE異常(黑實(shí)線)及其標(biāo)準(zhǔn)差范圍(淺藍(lán)色)時(shí)間序列, 年平均EKE異常以及標(biāo)準(zhǔn)差(紅線) (b), 日平均EKE功譜圖(c), 渦旋數(shù)量年異常值(d)

注: a中鋒面從北到南分別表示亞南極鋒(subantarctic front, SAF; 黃色實(shí)線)、極鋒(polar front, PF; 暗紅色實(shí)線)、南極繞極流南鋒(southern Antarctic circumpolar current front , SACCF; 橘紅色實(shí)線)和南極繞極流南部邊界(Southern Boundary of the ACC, SBdy; 紫色實(shí)線); d中CE表示氣旋式渦旋(cyclonic eddy, CE); AE表示反氣旋式渦旋(Anticyclonic Eddy, AE); c中紅色三角處標(biāo)注的數(shù)字分別表示在365和182.6天存在顯著峰值

圖3 在不同生命周期(T)的渦旋數(shù)量異常時(shí)間序列

注: 黑色虛線表示異常值為0; CE和AE標(biāo)注的數(shù)字表示該生命周期渦旋數(shù)量的多年平均值; a: 7 d<≤20 d; b: 20 d<≤30 d; c: 30 d<≤40 d; d: 40 d<≤50 d; e: 50 d<≤60 d; f: 60 d<≤80 d; g: 80 d<≤446 d

生命周期在20 d之內(nèi)的渦旋數(shù)量最多, 且生命周期在30 d之內(nèi)和大于30 d的渦旋數(shù)量年變化存在顯著不同, 因此, 將生命周期劃分為7 d<≤20 d、20 d<≤30 d、30 d<≤80 d和80 d<≤446 d區(qū)間, 對(duì)渦旋產(chǎn)生地的占比進(jìn)行分析(圖4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 7 d<≤20 d的渦旋中有56.82%產(chǎn)生在SAF和SBdy之間的鋒面區(qū)域, 主要集中在凱爾蓋朗高臺(tái)東側(cè)下游區(qū)域(圖4a); 20 d<≤30 d之間的渦旋產(chǎn)生自SAF以北的占比明顯增多, 但仍有48.07%產(chǎn)生在SAF和SBdy之間(圖4b); 30 d<≤80 d之間的渦旋, 部分生成自SAF和SBdy之間的鋒面區(qū)域, 更有多于一半(57.51%)產(chǎn)生自SAF以北海域(圖4c); 而生命周期大于80 d的渦旋產(chǎn)生地主要分布在SAF以北海域, 占比達(dá)到85.35% (圖4d)。由此可知, 不同生命周期渦旋產(chǎn)生地存在顯著差異, 隨著壽命的增長(zhǎng), 其產(chǎn)生地有逐漸向SAF以北移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4 不同生命周期(T)的渦旋產(chǎn)生地分布占比

注: 白色區(qū)域表示沒有相應(yīng)渦旋生成; 網(wǎng)格大小為2°×1°; 鋒面從北到南分別是亞南極鋒(subantarctic front, SAF; 暗紅色實(shí)線)、極鋒(polar front, PF; 藍(lán)色實(shí)線)、南極繞極流南鋒(southern Antarctic circumpolar current front , SACCF; 橘紅色實(shí)線)和南極繞極流南部邊界(Southern Boundary of the ACC, SBdy; 紫色實(shí)線)

通過(guò)上述分析可知, 本研究區(qū)域內(nèi)不同生命周期的渦旋具有不同的年數(shù)量變化及產(chǎn)生地分布特征。這驅(qū)使我們進(jìn)一步對(duì)不同生命周期渦旋對(duì)應(yīng)的半徑、振幅、傳播距離、非線性參數(shù)()和強(qiáng)度特征進(jìn)行全面分析(圖5)。渦旋平均半徑(單個(gè)渦旋在其生命周期內(nèi)的平均半徑)在30～100 km之間的占比達(dá)到96.13%, 且平均半徑越大的渦旋具有更大的平均振幅(圖5a), 兩者具有顯著線性正相關(guān)關(guān)系, 對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)=0.55 (<0.01); 長(zhǎng)生命周期(> 80 d)渦旋對(duì)應(yīng)的平均半徑基本集中在30～100 km內(nèi), 其中最長(zhǎng)壽命渦旋(>300 d)擁有40～60 km之間的平均半徑, 之后更大平均半徑的渦旋不再具有長(zhǎng)壽命特點(diǎn); 同時(shí), 平均半徑在30～100 km之間的長(zhǎng)壽命渦旋能夠傳播更遠(yuǎn)距離(圖5b)。此外, 具有非線性的渦旋(>1)有效占比為58.57% (去除沒有移動(dòng)的渦旋), 與生命周期沒有特定對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖5c); 渦旋強(qiáng)度(EI)在平均半徑-生命周期坐標(biāo)域中的分布特征并不顯著(圖5d), 但是統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)盡管EI>0.1 (cm2/s2)/km2的較強(qiáng)強(qiáng)度渦旋個(gè)數(shù)占比僅為4.58%, 但是其91.63%的平均半徑在30～100 km之間, 即對(duì)應(yīng)生命周期較大的區(qū)間內(nèi)。

圖5 渦旋生命周期內(nèi)的平均半徑、生命周期與平均振幅(a)、傳播距離(b)、β(c)及渦旋強(qiáng)度(EI, d)方面的對(duì)應(yīng)關(guān)系

注: 其中, 藍(lán)色、橙色和黃色虛線分別表示生命周期為20、30、80 d; 生命周期大于300 d的渦旋個(gè)數(shù)較少, 因此, 對(duì)縱坐標(biāo)進(jìn)行縮短處理

胡冬等(2017)曾統(tǒng)計(jì)得到南印度洋渦旋半徑多集中在40～100 km。Duan等(2016)31對(duì)南大洋太平洋扇區(qū)渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)多于90%的渦旋半徑在40～110 km, 渦旋振幅在2～30 cm范圍內(nèi), 振幅峰值為2～8 cm。Cotroneo等(2013)對(duì)新西蘭南部的冷渦進(jìn)行追蹤, 獲得其平均半徑為52.5 km。Swart等(2008)對(duì)西南印度洋脊的渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)其半徑在60～90 km之間。因此, 本研究區(qū)域渦旋統(tǒng)計(jì)特征結(jié)果符合南大洋渦旋基本情況。

2.2 跨鋒面渦旋分布

南大洋海域存在強(qiáng)勁的鋒面系統(tǒng), 鋒面與渦旋關(guān)系密切。為了認(rèn)識(shí)渦旋在經(jīng)向跨鋒面物質(zhì)能量輸送方面的作用, 有必要對(duì)該部分渦旋進(jìn)行識(shí)別追蹤。因此, 本章節(jié)基于鋒面的位置分布, 對(duì)研究海域內(nèi)2005～2019年間生命周期大于7 d, 振幅大于2 cm的跨鋒面渦旋進(jìn)行特性解析。由圖6a可以看出, 跨鋒面渦旋普遍存在于每條鋒面處, 并且在凱爾蓋朗高臺(tái)下游跨鋒面渦旋數(shù)量達(dá)到最大(白色區(qū)域, 沿著鋒面每隔5o緯向區(qū)間統(tǒng)計(jì)獲得)。圖6b顯示了跨鋒面渦旋中CE和AE的個(gè)數(shù)分布情況。高緯向跨鋒面渦旋中, AE的數(shù)量多于CE, 且高緯向AE數(shù)量在所有類別中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì); 而低緯向移動(dòng)的渦旋中, 所有鋒面處CE數(shù)量均多于AE, 其中PF處達(dá)到最多。

為了更細(xì)致地探討跨鋒面渦旋的移動(dòng)軌跡, 分別繪制了渦旋跨越不同鋒面的相對(duì)移動(dòng)軌跡(圖7), 發(fā)現(xiàn)不同鋒面處渦旋的移動(dòng)軌跡各有特點(diǎn)。首先, 相對(duì)較北的兩個(gè)鋒面SAF和PF處, CE往東北方向移動(dòng)的個(gè)數(shù)占比最多, AE往東南方向移動(dòng)的個(gè)數(shù)占比最多(圖7a, 7b, 7e和7f)。其中, 長(zhǎng)距離傳播(>2°)的渦旋中CE基本往東向移動(dòng), 而AE大多往東南方向移動(dòng)。在SACCF處, 東北向CE和西南向AE占比最多(圖7c和7g); 而在最南邊的SBdy處, 西北向移動(dòng)的CE和西南向移動(dòng)的AE個(gè)數(shù)占比最多(圖7d和7h)。這4個(gè)鋒面走向不盡相同, 所處的地形環(huán)境各異, 可能導(dǎo)致了不同的鋒面處渦旋移動(dòng)方向的不同特點(diǎn), 整體上從北往南有由東向轉(zhuǎn)為西向的趨勢(shì)。

注: a中白色矩形表示對(duì)應(yīng)跨鋒面渦旋產(chǎn)生地個(gè)數(shù)最多的區(qū)域, 即沿著鋒面每隔5°緯向區(qū)間計(jì)算的渦旋個(gè)數(shù)最多的部分; 黃色虛線從北到南(由上至下)分別表示亞南極鋒(subantarctic front, SAF)、極鋒(polar front, PF)、南極繞極流南鋒(southern Antarctic circumpolar current front , SACCF)和南極繞極流南部邊界(Southern Boundary of the ACC, SBdy ); CE表示表示氣旋式渦旋(cyclonic eddy, CE); AE表示反氣旋式渦旋(Anticyclonic Eddy, AE)

圖7 跨鋒面渦旋相對(duì)移動(dòng)軌跡

注: 百分比代表不同象限方向的渦旋個(gè)數(shù)占比; 橫坐標(biāo)的0°表示跨鋒面渦旋(圖6a中渦旋)的產(chǎn)生地經(jīng)度, 縱坐標(biāo)的0°表示跨鋒面的渦旋(圖6a中渦旋)的產(chǎn)生地緯度, 即坐標(biāo)原點(diǎn)(0°, 0°)表示跨鋒面渦旋產(chǎn)生地

對(duì)所有跨鋒面渦旋的各個(gè)性質(zhì)取日平均, 并在生命周期尺度上進(jìn)行分析(圖8)。結(jié)果顯示, 跨鋒面渦旋平均半徑大部分在40～50 km之間(圖8a), 在該研究區(qū)域中屬于中等偏小水平(對(duì)比圖5a)。渦旋的平均振幅多在5～15 cm之間變動(dòng), 其中10 cm以上渦旋基本為CE類型(圖8b), 且這些擁有較大平均振幅的CE擁有較強(qiáng)的EI及(圖8c和8d)。整體來(lái)看, 大部分CE的EI都比AE的強(qiáng), 同時(shí)多數(shù)渦旋無(wú)論是CE和AE的都大于1。此外, 渦旋的經(jīng)緯度方向偏移中顯示, 經(jīng)度方向(東西方向)上的偏移主要發(fā)生在20 d周期以上的渦旋, 往東偏移更明顯(圖8e); 緯度方向(南北方向)上AE偏向高緯, CE偏向低緯(圖8f)。綜上, 大部分跨鋒面渦旋都具有攜帶水團(tuán)移動(dòng)的能力(>1), 且偏向低緯向移動(dòng)的CE能量強(qiáng)度明顯更大, 契合Frenger等(2015)7427的觀點(diǎn)。因此, 結(jié)合圖6和圖7可推測(cè), 通過(guò)不同極性渦旋的跨鋒面經(jīng)向輸送, AE向高緯, CE向低緯, 能夠起到緩解鋒面兩側(cè)海水溫度、鹽度等特性差異, 同時(shí)經(jīng)向上運(yùn)輸不同源水團(tuán)的作用。

圖8 不同生命周期跨鋒面渦旋對(duì)應(yīng)的平均半徑(a)、平均振幅(b)、EI (c)、β (d)、平均經(jīng)度偏移(e)和平均緯度偏移分布(f)

注: 大于60 d渦旋數(shù)量少, 因此, 對(duì)大于60 d的渦旋的橫坐標(biāo)進(jìn)行了縮短處理

2.3 渦旋對(duì)海洋內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)的影響

渦旋內(nèi)部的獨(dú)特水文結(jié)構(gòu)特征能夠顯示渦旋對(duì)物質(zhì)的垂向、水平遷移作用。為了初步評(píng)估渦旋的這一作用, 本文篩選了研究區(qū)域內(nèi)4組同一時(shí)期相近CE和AE內(nèi)部或者其影響范圍內(nèi)的Argo水文剖面, 以案例的形式進(jìn)行對(duì)照分析(圖9和圖10)。首先, 圖9顯示了兩組Argo剖面, 分別位于同時(shí)期相鄰CE和AE內(nèi)部(圖9a1～9a5), 或者CE影響范圍內(nèi)及臨近的AE內(nèi)部(圖9b1～9b5)。結(jié)果反映, 這兩組渦旋中, CE和AE擁有完全不同的溫鹽特性, 且顯著差異持續(xù)到1 500 dbar以深。CE從次表層(200 dbar)開始位溫保持在5 °C以下, 并不隨深度顯著改變; 鹽度從海表的近35.5隨著深度緩慢遞增; 同時(shí)密度從次表層開始保持相對(duì)高密狀態(tài)。這種低溫且相對(duì)高密度的結(jié)構(gòu)顯示了南極高緯度水柱的特征。另一方面, AE的溫鹽從海表(位溫>12 °C, 鹽度>35)向海洋內(nèi)部遞減, 在500～1 000 dbar之間出現(xiàn)顯著躍層, 同時(shí)在1 000 dbar以深出現(xiàn)鹽度極小值(<34.5), 即南極中層水特征(Makarim, 2019), 反映了來(lái)自低緯度的水柱特點(diǎn)。以上證據(jù)證明, 在南大洋這樣經(jīng)向溫鹽特性變化顯著的海域, 不同極性的渦旋能夠跨鋒面實(shí)現(xiàn)兩種完全不同源水團(tuán)的遠(yuǎn)距離輸送, 并可能對(duì)局地海洋環(huán)境造成重要影響。

圖10顯示了另外兩組同時(shí)期相鄰CE和AE內(nèi)部或影響范圍內(nèi)Argo剖面結(jié)果。與上兩組渦旋水文結(jié)構(gòu)對(duì)比結(jié)果不同, 這兩組CE和AE內(nèi)部溫鹽特征高度重合(圖10a5和10b5), 僅在近海表出現(xiàn)差異。盡管如此, 在剖面圖中, CE的溫鹽特征相較于AE具有明顯被抬升的特點(diǎn), 對(duì)比前后者的海洋內(nèi)部鹽度極小值所在深度可知, a組(圖10a3)渦旋的CE相較于AE抬升了320 dbar, b組(圖10b3)渦旋的CE相較于AE抬升了464 dbar。這兩組對(duì)比結(jié)果反映了渦旋的另外一個(gè)重要作用, 即不同極性渦旋對(duì)同一來(lái)源水團(tuán), CE具有抬升作用, 而AE具有壓沉作用。當(dāng)這種CE和AE靠近時(shí), 必然會(huì)增強(qiáng)相鄰水柱的斜壓性, 進(jìn)而可能引發(fā)斜壓不穩(wěn)定促進(jìn)跨密度面混合。

圖9 兩組同一時(shí)期鄰近CE與AE內(nèi)部或影響區(qū)域內(nèi)水文特征的比較

注: 黑色圓點(diǎn)表示Argo浮標(biāo)站點(diǎn); 黑色實(shí)線表示渦旋生命周期內(nèi)的移動(dòng)軌跡; 黑色虛線表示渦旋外部輪廓; 黃色圓點(diǎn)表示渦旋第一天出現(xiàn)的位置; a1和b1中深紅色實(shí)線表示亞南極鋒(subantarctic front, SAF), a1中綠色表示極鋒(polar front, PF); 等值線上的數(shù)字表示位密, 單位為kg/m3(圖9a5, 9b5)

圖10 另外兩組同一時(shí)期鄰近CE與AE內(nèi)部或影響區(qū)域內(nèi)水文特征的比較

注: 黑色圓點(diǎn)表示Argo浮標(biāo)站點(diǎn); 黑色實(shí)線表示渦旋生命周期內(nèi)的移動(dòng)軌跡; 黑色虛線表示渦旋外部輪廓; 黃色圓點(diǎn)表示渦旋第一天出現(xiàn)的位置; 深紅色實(shí)線表示SAF鋒面的相對(duì)位置; 等值線上的數(shù)字表示位密, 單位為kg/m3(圖10a5, 10b5)

3 結(jié)論

本文利用2005～2019年衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), 基于流場(chǎng)幾何的探測(cè)方法, 對(duì)南大洋印度洋扇區(qū)中部的渦旋半徑、振幅、傳播距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 并對(duì)渦旋產(chǎn)生地分布、跨鋒面渦旋的移動(dòng)特征和分布狀況進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上結(jié)合Argo浮標(biāo)剖面數(shù)據(jù), 對(duì)本區(qū)域渦旋內(nèi)部水文情況進(jìn)行進(jìn)一步剖析。主要結(jié)論如下:

(1) 南大洋印度洋扇區(qū)中部渦旋生命周期多在20 d以內(nèi)(64.25%)。在15 a期間, 生命周期在30 d之內(nèi)的短壽命渦旋顯著增加, 對(duì)總體渦旋數(shù)量變化特征起主要貢獻(xiàn)作用。EKE高值集中在厄加勒斯回流區(qū)域和凱爾蓋朗高臺(tái)下游, 從西往東逐漸向高緯偏轉(zhuǎn)。在2010年代后期渦旋數(shù)量增加, 而年平均EKE異常卻呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

(2) 不同生命周期的渦旋產(chǎn)生地有顯著差異。30 d之內(nèi)的短壽命渦旋主要產(chǎn)生在SAF和SBdy之間的鋒面區(qū)域(55.03%)。隨著生命周期的增長(zhǎng), 產(chǎn)生自SAF以北海域的渦旋占比增多, 其中包括了生命周期大于80 d的長(zhǎng)壽命渦旋中的85.35%。

(3) 該海域渦旋的平均半徑多分布在30～100 km之間(91.63%), 包括了所有能夠遠(yuǎn)距離傳播的長(zhǎng)壽命渦旋。平均半徑越大的渦旋具有更大的平均振幅, 兩者具有顯著線性正相關(guān)關(guān)系。在所有渦旋中, 非線性的渦旋(>1)有效占比為58.57%。

(4) 大部分跨鋒面渦旋都具有攜帶水團(tuán)移動(dòng)的能力(>1), 跨鋒面AE(暖渦)向高緯移動(dòng), CE(冷渦)向低緯移動(dòng)。其中, 偏向低緯向移動(dòng)的CE具有更大的能量強(qiáng)度。結(jié)果表明, 不同極性渦旋能夠起到緩解鋒面兩側(cè)海水溫度、鹽度等特性差異, 同時(shí)經(jīng)向上運(yùn)輸不同源水團(tuán)的作用。

(5) 海洋內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)的案例分析證實(shí), 不同極性的渦旋能夠?qū)崿F(xiàn)兩種完全不同來(lái)源水團(tuán)的遠(yuǎn)距離輸送。另外, 不同極性渦旋對(duì)同一來(lái)源水團(tuán), CE具有抬升作用, 而AE具有壓沉作用。

本文采用了流體幾何法對(duì)渦旋進(jìn)行探測(cè), 該方法對(duì)渦旋流體分布具有較高要求。相對(duì)而言, 南大洋的渦旋具有生命周期短、半徑較小的特征(Cotroneo, 2013; Duan, 2016), 同時(shí)該海域強(qiáng)勁的ACC流場(chǎng)和鋒面分布易造成渦旋不穩(wěn)定(容易合并或者分離), 因此, 可能增加該方法渦旋探測(cè)結(jié)果的不確定性。另外, 由于南大洋Argo剖面數(shù)量依然相對(duì)有限, 目前研究無(wú)法定量且全面地解析渦旋在跨鋒面物質(zhì)能量輸送上的具體作用。

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CHARACTERISTICS OF EDDIES IN THE CENTRAL INDIAN SECTOR OF THE SOUTHERN OCEAN BASED ON SATELLITE OBSERVATION FROM 2005 TO 2019

LI Deng1, CHENG Ling-Qiao1, 2, 3, YAN Chen-Bing1, ZHANG Chun-Ling1, 2, 3, HU Song1, 2, 3

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2.Demonstration Center for Experimental Teaching of Marine Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306; 3. Key Laboratory of Marine Ecological Monitoring and Restoration Technologies, MNR, Shanghai 201306, China)

In the central Indian Ocean sector of the Southern Ocean beside the topographic control (Kerguelen plateau), the confluence of Antarctic Circumpolar Current (ACC) and Agulhas Return Current strengthens the downstream baroclinic shear, resulting in a significant increase in eddy energy. Therefore, the study on eddies in this region is helpful to understand the eddies characteristics and the distribution relationship between topography and eddies in this region. Based on the satellite data from 2005 to 2019, a statistic study on the characteristics of the eddies was conducted and their generation distribution and the movement of the cross frontal eddies were analyzed. In addition, combined with the Argo profile data, hydrographic properties inside eddies were further evaluated. Results show that most of the eddy life cycles are within 20 days (64.25%), and most average radius during lifespan is between 30～100 km (96.13%). The average radius has a positive correlation with the average amplitude (correlation coefficient= 0.55). Eddies with larger life cycle have longer average propagation distance. The number of eddies increased significantly since 2014 due mainly to the increase in the number of short-lived eddies (<30 days). In contrast, the eddy kinetic energy (EKE) anomaly decreased in the late 2010s. The generation location of eddies gradually moved from the frontal area between the Subantarctic Front (SAF) and Southern Boundary of the ACC to the north of SAF with the increase of life cycles. Among the cross frontal eddies, the warm eddies tended to move to higher latitudes while the cold eddies moved to lower latitudes, most of which can carry water masses. According to the analysis results of hydrographic characteristics inside eddies, eddies with different polarities could accomplish long-distance transportation of completely different water masses. For water masses from the same source, cyclonic eddies have a vertical uplift effect, while the anticyclonic ones have a subsidence effect. This research helps to improve the understanding of eddy characteristics and variability in the Southern Ocean and supports the further research on eddy dynamics.

Kerguelen; ocean eddy; statistical characteristics; cross frontal eddy; vertical structure

P728.1; P731.1

10.11693/hyhz20220100005

*國(guó)家自然科學(xué)基金, 42176012號(hào), 42130402號(hào); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題, 2021YFC3101702號(hào)。李 等, 碩士研究生, E-mail: dengkl1929@163.com

程靈巧, 講師, E-mail: lqcheng@shou.edu.cn

2022-01-04,

2022-03-04