黑潮延伸體鄰近海區(qū)中尺度渦三維合成結(jié)構(gòu)分析

胡冬 陳希 宋海波 毛科峰 余丹丹 陳飛

摘要：文章基于衛(wèi)星高度計資料和A r g o浮標(biāo)資料，采用合成方法，構(gòu)建了黑潮延伸體鄰近海區(qū)中尺度渦的溫鹽三維結(jié)構(gòu)。合成結(jié)果表明，表層至1×1 07P a，合成氣旋渦（反氣旋渦）呈現(xiàn)較為一致的位溫負(fù)（正）異常，氣旋（反氣旋）渦內(nèi)呈現(xiàn)較為一致的位溫負(fù)（正）異常，混合層至約7×1 06P a深度，氣旋（反氣旋）渦存在位溫負(fù)（正）異常的冷核（暖）核結(jié)構(gòu)。氣旋（反氣旋）渦的平均鹽度在垂向上呈現(xiàn)“負(fù)—正”（“正—負(fù)”）上下相反的異常結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：黑潮延伸體；中尺度渦；三維結(jié)構(gòu)；合成分析； A r g o浮標(biāo)

中圖分類號： P 7 3 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 4 2-0 7

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（ 1 1 1 0 2 2 3 2） ；江蘇省自然科學(xué)基金（ B K 2 0 1 5 0 7 1 1）.

T h r e eD i m e n s i o n a l S t r u c t u r e so fC o m p o s e dM e s o s c a l eE d d i e s n e a r t h eK u r o s h i oE x t e n s i o nR e g i o n

HUD o n g1， CHE NX i2， S ON G H a i b o3，MAOK e f e n g2， YUD a n d a n1， CHE NF e i1

（ 1 .T h e 3 1 0 1 0A r m yo fP L A， B e i j i n g1 0 0 0 8 1， C h i n a； 2 . C o l l e g eo fM e t e o r o l o g ya n dO c e a n o g r a p h y， N a t i o n a lU n i v e r -s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y， N a n j i n g2 1 1 1 0 1， C h i n a； 3 .T h e9 2 7 2 1A r m yo fP L A， Z h o u s h a n3 1 6 0 0 0， C h i n a）

A b s t r a c t： T h r e ed i m e n s i o n a l s t r u c t u r e so f t e m p e r a t u r e， s a l i n i t y， v e l o c i t yo fm e s o s c a l ee d d i e sn e a r t h eK u r o s h i oE x t e n s i o nR e g i o nw e r e c o n s t r u c t e db ya c o m p o s i n gm e t h o db a s e do ns a t e l l i t e a l t i m -e t r yd a t aa n dA r g op r o f i l ed a t a . T h er e s u l t so f t h es t r u c t u r e ss h o w e dt h a t， f r o ms u r f a c et o1 0 0 0 d b a rd e p t h， c o m p o s e dc y c l o n i c（ a n t i c y c l o n i c）e d d yr e p r e s e n tc o n s i s t e n tt e m p e r a t u r en e g a t i v e（ p o s i t i v e）a n o m a l y， f r o mt h em i x e dl a y e rt oa b o u t7 0 0d b a rd e p t h， t h e r ee x i s t sac o l d（ w a r m） c o r ew i t hn e g a t i v e（ p o s i t i v e）t e m p e r a t u r ea n o m a l y . T h es t r u c t u r eo f t h es a l i n i t yo fc y c l o n i ce d d y p r e s e n t e da s“n e g a t i v e - p o s i t i v e”s a l i n i t ya n o m a l ys t r u c t u r ei nu p p e ra n dl o w e rl a y e r， w h i l ei t i s o p p o s i t e f o ra n t i c y c l o n i ce d d y .

K e y w o r d s： K u r o s h i oe x t e n s i o n，M e s o s c a l ee d d i e s，T h r e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u r e， C o m p o s i n g m e t h o d， A r g op r o f i l e

0 引言

中尺度渦是廣泛存在于世界海洋中的一種中尺度現(xiàn)象，它的能量比平均流的能量要大一個量級以上[ 1]，可引起局地水團(tuán)的調(diào)整[ 2]，造成渦旋內(nèi)外溫鹽特性的差異[ 3]，并對局地和大尺度環(huán)流產(chǎn)生重要影響[ 4]。中尺度渦在世界大洋中的分布極不均勻，如，鄭聰聰?shù)萚 5]和I t o h等[ 6]分別基于統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體區(qū)域的中尺度渦活動十分活躍。

近2 0余年來，衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)在中尺度渦研究領(lǐng)域得到廣泛使用，黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦的表層特征的研究逐漸開展。如： I t o h等[ 6]利用融合高度計資料，對黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦的數(shù)量分布、渦旋強(qiáng)度、移動等特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，黑潮流軸及其南側(cè)為氣旋渦的密集區(qū)，而黑潮延伸體北側(cè)是反氣旋渦的密集區(qū)。然而，依托衛(wèi)星高度計資料僅能得到渦旋的表層信息，無法獲取水下溫鹽三維結(jié)構(gòu)信息，因此，現(xiàn)場水文觀測對于中尺度渦的研究是必不可少的。I t o h等[ 7]綜合利用衛(wèi)星高度計資料和A r g o剖面資料，對黑潮延伸體西部渦旋的水團(tuán)性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明， 8 5%以上的反氣旋渦具有高鹽暖核結(jié)構(gòu)，這種渦旋在垂向上具有雙核結(jié)構(gòu)，上層為高鹽暖核，下層為低鹽冷核，影響范圍可達(dá)2×1 07P a以上，但仍無法得到該區(qū)域的渦旋三維結(jié)構(gòu)。本研究將衛(wèi)星高度計資料與A r g o剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，參考CHA I GN E AUA等[ 8]和Y a n g等[ 9]的合成分析方法，構(gòu)建黑潮延伸體鄰近海區(qū)（ 2 5°N—4 5°N， 1 3 5°E—1 7 5°W）渦旋的三維溫鹽合成結(jié)構(gòu)，并對其特征進(jìn)行定量化研究。

1 資料及渦旋識別方法

1 . 1 衛(wèi)星高度計資料

衛(wèi)星高度計資料中的地轉(zhuǎn)流異常數(shù)據(jù)由法國國家空間研究中心的衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心（ AV I -S O）提供，這套資料融合了包括C r y o s a t - 2等在內(nèi)的多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間分辨率為0 . 2 5°×0 . 2 5°。本研究選取的數(shù)據(jù)時間跨度為2 0 0 0年1月至2 0 1 2年1 2月，時間分辨率為7d。

1 . 2 中尺度渦自動識別方法

本研究采用由N e n c i o l i等[ 1 0]提出的基于流場幾何形態(tài)方法對中尺度渦進(jìn)行自動識別和跟蹤，該方法在許多海域的中尺度渦研究中得到運用。該方法分為以下3個步驟。

（ 1）通過4個約束條件判斷存在渦旋中心：①沿東西向穿過渦中心時，其兩側(cè)的v（速度的經(jīng)向分量）方向須相反，且離渦中心越遠(yuǎn)v的值越大；②沿南北向穿過渦中心時，其兩側(cè)的u（速度的緯向分量）方向須相反，且離渦中心越遠(yuǎn)u的值越大；③存在局部速度最小值，最小值位置即為渦中心；④渦中心附近，速度向量須沿同一方向旋轉(zhuǎn)，且相鄰兩個速度向量位于同一象限或相鄰象限。

（ 2）計算流函數(shù)，以距渦中心最遠(yuǎn)的閉合流函數(shù)等值線作為渦的邊界。

（ 3）對不同時次的渦旋軌跡進(jìn)行跟蹤：①搜索t時次的所有渦中心；②在t+1時次，分別以t時次各渦旋的中心為原點，以某個設(shè)定值為半徑，在其范圍內(nèi)搜索到的同類型渦旋與t時次的渦旋屬于同一渦旋軌跡，如未找到同類型渦旋，則在t+2時次將搜索半徑擴(kuò)大為1 . 5倍再次搜索，若仍未搜索到同類型渦旋，則認(rèn)為該渦旋已經(jīng)消亡。

1 . 3 A r g o浮標(biāo)資料

本研究所采用的A r g o浮標(biāo)資料由中國A r g o實時資料中心提供，時間跨度為2 0 0 0年1月至2 0 1 2年1 2月。所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過了A r g o數(shù)據(jù)中心的實時和延時質(zhì)量控制[ 1 1]，且本研究只使用延遲模式且質(zhì)量標(biāo)識符為“1”（表示質(zhì)量為優(yōu)）的A r g o剖面數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，為提高合成結(jié)果的精度，參考YANG等[ 9]和CHA I GN E AUA等[ 8]的工作，同時滿足以下條件的剖面數(shù)據(jù)才能被利用。

（ 1）最淺和最深的數(shù)據(jù)須分別位于1×1 05P a以淺和1×1 07P a以深；

（ 2）垂向上兩個連續(xù)數(shù)據(jù)點之間的深度間隔不得超出給定范圍；

（ 3）每個剖面在1×1 07P a以淺至少有3 0個有效的數(shù)據(jù)點。

1 . 4 C A R S 2 0 0 9氣候態(tài)資料

氣候態(tài)溫鹽數(shù)據(jù)采用C A R S 2 0 0 9資料，空間分辨率為0 . 5°×0 . 5°。相對于其他氣候態(tài)資料而言， C A R S 2 0 0 9資料更適用于西邊界海域[ 7]。

2 渦旋合成方法

2 . 1 搜索中尺度渦

基于衛(wèi)星高度計資料和1 . 2節(jié)的中尺度渦自動識別方法，共搜索到37 6 3個渦旋軌跡，其中氣旋渦和反氣旋渦軌跡分別為19 2 7個和18 3 6個，若將各時次內(nèi)所有搜索到的渦旋相加，則共包含1 84 2 1個氣旋渦和1 92 3 8個反氣旋渦。如圖1所示為2 0 1 1年9月2 8日搜索到的渦旋分布示意。其中：圖1（ a）為2 0 1 1年9月2 8日渦旋探測結(jié)果，箭頭為表層地轉(zhuǎn)流，星號為渦旋中心，閉合曲線為渦旋邊界，實心點為A r g o浮標(biāo)的位置；圖1（ b）位于渦旋外部的一個浮標(biāo)（M 1）與其對應(yīng)渦旋中心C 1的位置關(guān)系，ΔxE和Δy E分別為M 1到C 1的緯向距離和經(jīng)向距離；圖1（ c）位于渦旋內(nèi)部的一個浮標(biāo)（M 2）與其對應(yīng)渦旋中心C 2的位置關(guān)系，ΔxE和Δy E分別為M 2到C 2的緯向距離和經(jīng)向距離。

2 . 2 A r g o數(shù)據(jù)與渦旋的匹配

基于1 . 3節(jié)的條件，共篩選出3 95 6 9條A r g o剖面數(shù)據(jù)。對于每一條剖面數(shù)據(jù)，找出與其觀測時次最近的一個渦旋搜索時次（二者的時間差不大于3天） ，若浮標(biāo)位置滿足以下其中一個條件則被用來進(jìn)行渦旋合成。①A r g o浮標(biāo)位于渦旋內(nèi)部，如圖1（ c）中的浮標(biāo)C 2；②A r g o浮標(biāo)位于渦旋外部，但距其最近的一個渦旋中心小于1 . 5倍渦旋半徑，如圖1（ b）中的浮標(biāo)C 1。

2 . 3 確定分區(qū)方案

本研究區(qū)域范圍較大，黑潮和渦旋之間存在復(fù)雜的相互作用，渦旋在西傳過程中不可避免地會發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化[ 1 2]。考慮到這些因素，參考Y A N G等[ 9]的方案，將研究區(qū)域分為5個較小的子區(qū)域：區(qū)域I、I I、I I I的經(jīng)度范圍分別為1 7 5°E—1 7 5°W， 1 6 5°E—1 7 5°E， 1 5 5°E—1 6 5°E，區(qū)域I V和區(qū)域V以過（ 1 4 0°E， 2 5°N）和（ 1 5 0°E， 4 5°N）兩點的直線為界，并可認(rèn)為區(qū)域V為西邊界流區(qū)。

2 . 4 構(gòu)建渦旋坐標(biāo)系

對于所有用于合成渦旋結(jié)構(gòu)的A r g o剖面，它們分別有一個與之對應(yīng)的渦旋（即可使A r g o剖面滿足2 . 2節(jié)中條件的渦旋） ，參考CHA I GN E AUA等[ 8]的方法，計算出浮標(biāo)M相對于對應(yīng)渦旋中心C的坐標(biāo)ΔxE和Δy E，如圖1（ c） ，再分別將ΔxE和Δy E除以對應(yīng)的渦旋半徑R得到相對坐標(biāo)（ΔX，ΔY） ，以消除渦旋半徑對合成結(jié)果的影響。最后，將該剖面包含的溫鹽等要素按相對坐標(biāo)（ΔX，ΔY）轉(zhuǎn)換到一個統(tǒng)一的“渦旋坐標(biāo)系”中。

2 . 5 要素插值

對每條A r g o剖面上的位溫（θ）和鹽度（ S）分別進(jìn)行A k i m a線性插值[ 1 3]，以1×1 05P a為間隔從海表至1×1 07P a分為1 0 1層，再將插值后的位溫（θ）和鹽度（ S）數(shù)據(jù)減去對應(yīng)位置和時次的C A R S 2 0 0 9氣候態(tài)數(shù)據(jù)，分別得到位溫異常（θ’）、鹽度異常（ S ’）。

基于2 . 4節(jié)的方法將位溫、鹽度轉(zhuǎn)換到渦旋坐標(biāo)中后，在插值后的1 0 1個深度層內(nèi)，分別利用四分位檢測法將各層可能的不合理值剔除，再將剩余的離散點利用客觀分析法[ 1 4]插值到渦旋坐標(biāo)系中0 . 1×0 . 1的規(guī)則網(wǎng)格上，構(gòu)建各層的二維要素場。對每一層采用相同的方法分別對溫鹽要素進(jìn)行插值，即可得到三維渦旋結(jié)構(gòu)[ 8， 1 5]，包括渦旋的位溫異常、鹽度異常。

3 渦旋三維合成結(jié)構(gòu)特征

基于第2節(jié)的合成方法，得到了合成渦旋的三維結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要分析合成渦的位溫異常、鹽度異常的三維結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上估算由渦旋引起的水體和溫鹽輸運。

3 . 1 水團(tuán)

由于中尺度渦引起的溫鹽異常結(jié)構(gòu)與當(dāng)?shù)厮畧F(tuán)分布有著很大關(guān)系，因此，在分析合成渦旋三維結(jié)構(gòu)之前，首先對存在于該區(qū)域的主要水團(tuán)進(jìn)行簡要描述。

基于A r g o剖面數(shù)據(jù)，分別計算出5個子區(qū)域內(nèi)平均位溫和鹽度的垂向分布，并做出θ—S廓線（圖2）。圖2表明， 5個子區(qū)域的θ—S曲線存在明顯差異，但整體上均呈反“S”形狀分布：表層為高溫低鹽水；次表層為北太平洋亞熱帶水（ N o r t hP a c i f i cS u b -T r o p i c a lW a t e r， N P S TW） ，鹽度出現(xiàn)極大值；中層為北太平洋中層水（N o r t hP a c i f i cI n t e r m e d i a t e W a t e r， N P I W） ，鹽度最低；σθ>2 7 . 1k g/m3的深度中存在的是北太平洋底層水（N o r t h P a c i f i c D e e p W a t e r， N P DW） ，鹽度逐漸增大。此外，在次表層和中層水之間，存在著低位渦的北太平洋副熱帶模態(tài)水（ N o r t h P a c i f i cS u b t r o p i c a lM o d eW a t e r， N P S TMW）[ 1 6]，它的范圍為1 6℃≤θ≤1 9 . 5℃， 2 5 . 0k g/m3≤σθ≤2 5 . 6k g/m3[ 1 7]，在2 . 5×1 06P a附近平均位勢渦度出現(xiàn)極小值，存在于主溫躍層內(nèi)[ 1 8-1 9]，并將主溫躍層分為上下兩個部分。

3 . 2 溫度結(jié)構(gòu)

圖3和圖4為區(qū)域I至區(qū)域V中合成氣旋渦和反氣旋渦在ΔY=0斷面上的位溫異常（θ’）分布，圖3和圖4表明，不同區(qū)域內(nèi)渦旋的位溫異常具有相似的分布特征，氣旋（反氣旋）渦內(nèi)呈現(xiàn)較為一致的位溫負(fù)（正）異常，表層及次表層內(nèi)，位溫異常較小，而在混合層以深至約7×1 06P a深度，氣旋渦（反氣旋渦）存在位溫負(fù)（正）異常的冷（暖）核結(jié)構(gòu)，但冷（暖）核的位置及強(qiáng)度在不同區(qū)域內(nèi)存在明顯差異，從西向東：氣旋渦的冷核中心逐漸變深，中心最大位溫負(fù)異常分別為-1 . 5℃，-2 . 1℃，-3 . 3℃，-3 . 0℃，-1 . 3℃，冷核強(qiáng)度以區(qū)域I I、I I I、I V較大；反氣旋的暖核中心的深度差異不大，中心最大位溫正異常值分別為1 . 1℃，2 . 1℃，2 . 8℃，2 . 2℃， 2 . 6℃，暖核強(qiáng)度以區(qū)域I I ～V較強(qiáng)。

圖5和圖6分別顯示了5個子區(qū)域內(nèi)合成氣旋渦和反氣旋渦在不同壓強(qiáng)深度上的位溫異常（θ’）水平分布，圖中所示壓強(qiáng)從上至下分別為0P a、1×1 06P a、2 . 5×1 06P a、5×1 06P a、7 . 5×1 06P a、1×1 07P a。

從表層至1×1 07P a，合成氣旋渦（反氣旋渦）呈現(xiàn)較為一致的位溫負(fù)（正）異常。在渦旋的表層，位溫異常值較小，且區(qū)域I至區(qū)域V內(nèi)的氣旋渦，以及區(qū)域I I I、區(qū)域I V內(nèi)的反氣旋渦，表層呈現(xiàn)較為清晰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但位溫異常等值線不太規(guī)則。隨著深度的增加，各區(qū)域內(nèi)氣旋渦和反氣旋渦的環(huán)狀結(jié)構(gòu)逐漸規(guī)則、位溫異常值逐漸增大，最大異常值出現(xiàn)在（ 2 . 5～5）×1 06P a深度層之間，分別可達(dá)-3 . 5℃和2 . 4℃。5×1 06P a以深，位溫異常值逐漸減小，但直至1×1 07P a深度層，仍保持較好的結(jié)構(gòu)，氣旋渦和反氣旋渦的位溫異常值分別可達(dá)-0 . 4℃和0 . 3℃以上。

3 . 3 鹽度結(jié)構(gòu)

圖7和圖8為區(qū)域I至區(qū)域V中合成氣旋渦和反氣旋渦在ΔY=0斷面上的鹽度異常（ S ’）分布，其顯著特征為：渦旋在斷面的上下兩層分別引起相反的鹽度異常。

具體地，對于氣旋渦而言，斷面整體呈現(xiàn)“負(fù)—正”上下層相反的鹽度異常結(jié)構(gòu)。由于渦旋內(nèi)部存在上升運動，次表層的高鹽N P S TW、中層的低鹽N P I W和深層N P DW被整體抬升，因此N P S TW至N P I W位置之間水體的鹽度降低，產(chǎn)生鹽度負(fù)異常，由于N P S TW厚度很小、深度較淺且很靠近海表面的混合層，它與上下兩層水體混合作用減小了它對上層海水鹽度的影響，因此表層和次表層也表現(xiàn)為鹽度的負(fù)異常。由于從西向東N P S TW的深度逐漸加深，渦旋中心處鹽度負(fù)異常的范圍也隨之加深。中心最大異常值以區(qū)域I I ～ I V較大，最大異常值所在深度從西向東也是逐漸加深。在深層，渦旋內(nèi)部的N P DW向上抬升至原來鹽度較低的深度，引起鹽度的正異常，最大異常值與上層的負(fù)異常值相比較小，這是因為渦旋信號在深層受到減弱，且較深層海水的鹽度梯度也有所減小[ 8]。

對于反氣旋渦而言，整體上呈現(xiàn)“正—負(fù)”上下層相反的鹽度異常結(jié)構(gòu)。由于渦旋內(nèi)部存在下沉運動，高鹽的N P S TW深度變深，在次表層及其以下范圍產(chǎn)生鹽度正異常，中心最大異常值以區(qū)域I I ～ I V較強(qiáng)，這與氣旋渦的情況類似。位于較深層的低鹽N P I W下沉并引起較弱的鹽度負(fù)異常結(jié)構(gòu)，中心最大異常值與氣旋渦相比較小。

綜上分析，氣旋渦引起的鹽度異常大于反氣旋渦，且以區(qū)域I I ～ I V的鹽度異常較大。

圖9和圖1 0分別為5個子區(qū)域內(nèi)合成氣旋渦和反氣旋渦在不同壓強(qiáng)深度上的鹽度異常（ S ’）水平分布，圖中所示壓強(qiáng)從上至下分別為0 P a、1×1 06P a、2 . 5×1 06P a、5×1 06P a、7 . 5×1 06P a、1×1 07P a。圖9表明，氣旋渦各水平層上的鹽度異常均呈現(xiàn)較為清晰、規(guī)則的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。與位溫異常的水平分布有所不同，鹽度異常值在表層附近較大，區(qū)域I的鹽度異常最大值甚至出現(xiàn)在表層附近；從（ 5～7 . 5）×1 06P a，合成氣旋渦的鹽度異常發(fā)生了從負(fù)向正的變化。在1×1 07P a深度層上，鹽度異常的結(jié)構(gòu)仍較為明顯。對于反氣旋渦而言，各層的鹽度異常也呈現(xiàn)比較清晰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從（ 5～ 7 . 5）×1 06P a，鹽度異常發(fā)生了從正向負(fù)的變化，在1×1 07P a深度層上，鹽度異常的結(jié)構(gòu)仍較為明顯。

4 總結(jié)

本研究結(jié)合中尺度渦的探測結(jié)果和A r g o浮標(biāo)數(shù)據(jù)，基于渦旋合成分析方法，構(gòu)建了黑潮延伸體鄰近海區(qū)中尺度渦的三維溫度、鹽度結(jié)構(gòu)。主要結(jié)論如下。

（ 1）表層至1×1 07P a，合成氣旋渦（反氣旋渦）呈現(xiàn)較為一致的位溫負(fù)（正）異常，表層和次表層內(nèi)的位溫異常較小，混合層至約7×1 06P a深度，氣旋（反氣旋）渦存在位溫負(fù)（正）異常的冷（暖）核結(jié)構(gòu)。從平面分布來看，渦旋表層位溫異常值較小，隨著深度增加至5×1 06P a，各區(qū)域內(nèi)合成氣旋渦和反氣旋渦的位溫異常值逐漸增大，直至1×1 07P a深度層，位溫異常的環(huán)狀結(jié)構(gòu)仍十分明顯。

（ 2）氣旋（反氣旋）渦的平均鹽度在垂向上呈現(xiàn)“負(fù)—正”（“正—負(fù)”）上下相反的異常結(jié)構(gòu)，氣旋渦引起的鹽度異常大于反氣旋渦。不同子區(qū)域內(nèi)的渦旋在各水平深度層上的鹽度異常均呈現(xiàn)較清晰、規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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