边缘海与开阔海中尺度涡生命周期演化规律对比分析：以南海和黑潮延伸体为例.pdf

热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY 2023 年 第 42 卷 第 4 期:6376 doi:10.11978/2022210 http:/ 边缘海与开阔海中尺度涡生命周期演化规律对比分析:以南海和黑潮延伸体为例 张智晟1,2,谢玲玲1,2,3,李君益1,2,3,李强1,2,3 1.广东海洋大学海洋与气象学院近海海洋变化与灾害预警实验室,广东 湛江 524088;2.广东省高等学校陆架及深远海气候资源与环境重点实验室,广东 湛江 524088;3.自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室,北京 100081 摘要:本文利用 19932020年 AVISO(archiving validation and interpretation of satellite oceanographic)涡旋轨迹数据,对比分析了太平洋边缘海域南海与开阔海域黑潮延伸体区中尺度涡的空间分布特征以及生命周期演化规律的异同。结果表明,南海涡旋特性呈显著的季节性差异,冬夏两季气旋涡(CEs,cyclonic eddies)和反气旋涡(AEs,anticyclonic eddies)极性概率分布呈现相反的“条带状”,冬季 CE 强于 AE,夏季相反;黑潮延伸体区则冬夏季均为 CE 强于 AE,极性概率分布无明显的季节变化。在生命周期演化上,南海和黑潮延伸体区涡旋动能(EKE,eddy kinetic energy)演化曲线均呈现增长稳定衰减的特征,且具有不对称性。南海涡旋的增长期短于衰减期,黑潮延伸体区则为衰减期更短。南海夏季 EKE曲线变化速率快于冬季,黑潮延伸体区冬季的衰减期变化速率是夏季的 1.5 倍。平均传播速度演化曲线显示南海气旋涡具有先向西北随后转而向西南传播的特征,纬向平均传播速度为 3.3cms1;黑潮延伸体区气旋涡呈现西南向传播,反气旋涡呈现西北向传播的特征,纬向平均速度为 1.3cms1,慢于南海涡旋。两个区域的涡旋传播速度和 EKE在涡旋生命周期中的演化均存在显著的负相关。关键词:南海;黑潮延伸体;中尺度涡;涡动能;生命周期 中图分类号:P731.27 文献标识码:A 文章编号:1009-5470(2023)04-0063-14 Comparative analysis of mesoscale eddy evolution during life cycle in marginal sea and open ocean:South China Sea and Kuroshio Extension ZHANG Zhisheng1,2,XIE Lingling1,2,3,LI Junyi1,2,3,LI Qiang1,2,3 1.Laboratory of Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction,College of Oceanology and Meteorology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China;2.Guangdong Key Laboratory of Climate,Resource and Environment in Continental Shelf Sea and Deep Ocean,Zhanjiang 524088,China;3.Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Application,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China Abstract:Using the AVISO(archiving validation and interpretation of satellite oceanographic)eddy trajectories atlas product from 1993 to 2020,this study comparatively analyzes the characteristics and evolution patterns of mesoscale eddies during eddy life span in the South China Sea(SCS),a marginal sea of the Pacific Ocean,and the Kuroshio Extension(KE),an open ocean.The results show that there is significant seasonal variation in the eddy characteristics in the SCS,with opposite polarity probability distribution of cyclonic eddies(CEs)and anticyclonic eddies(AEs)in winter and summer,while the distribution in KE has no seasonal variation.The AEs are stronger than CEs in summer in the SCS,while CEs are stronger than AE in the KE both in winter and summer.During 收稿日期：2022-10-05;修订日期：2022-12-18。姚衍桃编辑 基金项目：国家自然科学基金面上项目(42276019、41706025);广东省普通高校创新团队项目(2019KCXTF021);广东省冲一流专项资金项目(080503032101、231420003)作者简介：张智晟(1999),男,广东省深圳市人,硕士研究生,从事物理海洋学研究。email: 通信作者：谢玲玲。email: Received date:2022-10-05;Revised date:2022-12-18.Editor:YAO Yantao Foundation item:National Natural Science Foundation of China(42276019,41706025);Guangdong Provincial College Innovation Team Project(2019KCXTF021);the First-class Discipline Plan of Guangdong Province(080503032101,231420003)Corresponding author:XIE Lingling.email: 64 热 带 海 洋 学 报 Vol.42,No.4/Jul.,2023 1 the eddy life span,the eddy kinetic energy(EKE)exhibits asymmetrical growth,stable and decay stages both in the SCS and KE.The eddy growth stage in the SCS is shorter than the decay stage,while the decay stage is shorter in the KE.The change rate of EKE during life span has larger values in summer than that in winter in the SCS,but has 1.5 times larger in winter in the KE.The mean propagation velocity curves shown that the AEs move northwestward and then southwestward in the SCS with average zonal speed of 3.3 cms1,while in the KE,CEs move southwestward and AEs move northwestward in the whole life span,with average zonal speed of 1.3 cms1,which is slower than that in the SCS.There is a significant negative correlation between the eddy propagation velocity and the EKE in the eddy life cycle in both regions.Key words:South China Sea;Kuroshio Extension;mesoscale eddies;eddy kinetic energy;eddy life cycle 海洋中尺度涡广泛分布于全球海洋中,在传输和调节海洋物理和生物地球化学性质中起到了关键作用(Adams et al,2011;Chelton et al,2011a;Dong et al,2014;Zhang et al,2014)。南海(South China Sea,SCS)是太平洋西侧的半封闭边缘海,主要通过吕宋海峡与太平洋相连接。受季节性反转季风、局地风应力旋度变化、复杂的海底地形、西北太平洋传入的扰动信号和黑潮入侵的共同作用,SCS 海盆内的中尺度涡过程十分活跃,具有多变且复杂的生成机制(Yuan et al,2006;Yuan et al,2007;Wang et al,2008;Hu et al,2011;Xie et al,2016;Xie et al,2017;郑全安 等,2017;Xie et al,2018)。黑潮沿太平洋西边界北上,在 140E 附近与日本海岸分离,以东向流为主进入中太平洋的开阔深海海 盆,这 一 区 域 被 称 为 黑 潮 延 伸 体 区(Kuroshio Extension,KE)(Qiu,2010)。没有地形限制,黑潮路径变得蜿蜒曲折,引起了强烈且丰富的中尺度涡运动(Mizuno et al,1983;Ichikawa et al,1994;Yasuda et al,2010a)。随着卫星观测技术和数值模式的进步与发展,人们对各海区中尺度涡特征进行了大量统计分析。研究发现,SCS 中尺度涡数量的空间分布高值区与深海盆地形相吻合,呈东北西南走向(Chen et al,2011)。SCS 中尺度涡半径范围约为 46.5223.5km,平均值为87.4km,超过 70%的涡旋半径小于 100km(Xiu et al,2010)。使用多种涡旋识别方法检测的气旋式涡旋出现概率略高于反气旋式涡旋(He et al,2018;Xing et al,2021;You et al,2021)。受盆地尺度背景环流的调制,SCS 中尺度涡的传播速度具有显著的季节性,冬季传播速度大于夏季(Huang et al,2020)。同时,SCS 中尺度涡的生成地点、活动频率及强度也存在季节变化(程旭华 等,2005;Lin et al,2015;王文杰 等,2016;王萌 等,2019)。基于合并高度计构建的网格海面高度异常(SSHA,sea surface height anomaly)数据,前人发现 KE中尺度涡以黑潮流轴为界,南侧和北侧密集分布着气旋涡和反气旋涡,其中南侧气旋涡具有更强的 EKE,而北侧反气旋涡具有更长的寿命(Yasuda et al,2010a;Yasuda et al,2010b)。Dong 等(2011)利用遥感海面温度数据对 KE 进行涡旋识别和统计分析,指出涡旋半径的众数约为 50km,接近一阶斜压罗斯贝变形半径。Qiu 等(2010)提出了非线性涡流相互作用在 KE 系统路径及变异性中的重要性。Ji 等(2018)研究发现流轴两侧的气旋涡和反气旋涡存在不对称的分布特征,并指出由黑潮路径蜿蜒(Kuroshio path meanders)演化而来的涡旋具有更大的半径和更长的寿命。林宏阳等(2012)对比分析了西北太平洋和南海中尺度涡旋特性的差异,指出南海涡旋个数的高值区与 EKE空间分布基本吻合,而在黑潮延伸体区则存在差异,并指出是由海流的强不稳定性造成的。关于中尺度涡的生命周期特征演化规律,已有研究基于全球涡旋的统计分析发现,涡旋半径、振幅、涡动能(EKE)、涡度等,均遵循增长期稳定期衰减期的三段式演化规律,而对于涡旋传播速度、形变拉伸项和非地转能量则呈现衰减期稳定期增长期的相反特征(Samelson et al,2014;Zhang et al,2018;You et al,2021;Zhang et al,2022)。类似三段式的演化曲线在区域海洋学涡旋研究中也有提及(Lin et al,2015;Huang et al,2020;Zhang et al,2020;Sun et al,2022)。但对比不同区域和全球平均,可见不同海域涡旋特性的演化趋势及稳定期的长度却各不相同。Chen 等(2019)将全球中尺度涡按寿命长短进行划分,给出了不同寿命涡旋的 EKE、半径、振幅和涡度的演化规律,指出长寿命涡旋具有不对称的演化曲线,增长期和稳定期显著缩短,气旋涡比反气旋涡具有更高的 EKE 水平。黄挺等(2020)基于孟加拉湾涡旋半径和振幅演化曲线特征,将涡旋分为三种类型:快速增长型、缓慢增长型以及长期稳定型,并结合海盆结构和涡旋生成机制等进行了解释。综上,在南海和黑潮延伸体海域,前人对中尺度涡的统计特征已有较多认识,并指出了边缘海不同张智晟等:边缘海与开阔海中尺度涡生命周期演化规律对比分析:以南海和黑潮延伸体为例 65 1 于开阔大洋的独特涡旋特征(林宏阳 等,2012;Xie et al,2018)。然而,这些研究主要是基于欧拉视角,主要是海域内平均或不同空间位置上的涡旋特性,对于沿着涡旋运动路径的拉格朗日视角下生命周期上涡旋性质演化规律认识还不多。部分工作中给出了涡旋特征在生命周期中“三段式”的定性认识(Lin et al,2015;He et al,2018;Huang et al,2020;You et al,2021),但对生命周期上涡旋性质演化的量化分析还比较缺乏,尤其是关于边缘海和开阔大洋涡旋生命周期演化规律有何异同的问题仍有待解答。这对深入认识涡旋动力学及跨尺度相互作用具有重要 意义。为此,本研究基于卫星高度计追踪的涡旋识别数据集,选取 SCS 和 KE 分别作为边缘海和开阔大洋的代表区域,对两区域的中尺度涡生命周期特征演化规律进行量化和对比分析,其中研究区域的空间范围分别为 525N,105122E 和 3040N,140170E(图 1)。图 1 西北太平洋海底地形示意图 图中实线框和虚线框分别表示南海和黑潮延伸体区。该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2022)1873 号的标准地图制作,下同。地形数据为美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的 ETOPO2 数据 Fig.1 Topography map in the Northwest Pacific Ocean.The solid line frame and dotted line frame represent the SCS and the KE,respectively 1 数据和方法 1.1 涡旋识别数据集 本研究采用了 AVISO 分发的中尺度涡轨迹数据集(META 2.0 DT,https:/www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/value-added-products/global-mesoscale-eddy-trajectory-product/meta2-0-dt.html),该数据集是基于 SLA 的自动涡旋检测算法,时间范围为 1993 年1 月 1 日至 2020 年 3 月 7 日,仅包含寿命长度(Te)长于 4 周的涡旋样本。Schlax 等(2016)对该数据集的识别算法进行了详细描述。数据集内包含了半径、振幅、极性、Te、经纬度、日期以及最大旋转速度等变量。其中,最大旋转速度为涡旋内沿所有封闭的海面高度等值线平均的地转速度的最大值,一定程度上反映了涡旋内外海面的高度差即振幅的相对大小,可以指示涡旋能量总体情况(Chelton et al,2011b)。参考 Zhang 等(2018)的定义,本文的 EKE 计算公式为 EKE=Ug2/2,其中 Ug为涡旋的最大旋转速度。为表征涡旋传播特征,基于数据集的涡旋经纬度信息,我们根据同一涡旋前后两天的中心位置(经度与纬度)之差,计算了涡旋经向和纬向的传播距离,从而获取该涡旋的瞬时传播速度。由于涡旋识别数据集的时间分辨率为 1d,因此这一瞬时速度实际上是一个日平均瞬时速度。1.2 海面流速数据 为探究背景流场对中尺度涡演化过程的影响,本研究采用了由哥白尼海洋环境监测服务(Copernicus Marine Environment Monitoring Service,CMEMS)提供的全球海洋涡分辨率的再分析数据集(Global Ocean Eddy-resolving Reanalysis Dataset,GLORYS12V1)的海面流速数据(https:/data.marine.copernicus.eu/product/GLOBAL_MULTIYEAR_PHY_001_030),时间范围为1993 年 1 月至 2020 年 5 月,空间分辨率为(1/12)(1/12)。该数据集基于 NEMO(Nucleus for European Modeling of the Ocean)平台,是由 ECMWF(European 66 热 带 海 洋 学 报 Vol.42,No.4/Jul.,2023 1 Centre for Medium-Range Weather Forecasts)ERA-Interim 和近年来的 ERA5 在海面驱动的再分析数据,通过降阶卡尔曼滤波器同化了卫星沿轨测高数据、卫星海面温度数据、海冰浓度、现场温度和盐度垂直剖面等观测数据。此外,3D-VAR 方案提供了对温度和盐度缓慢变化的大规模偏差的校正。对比 CMEMS流场分布与 AVISO 涡旋数据集结果,二者对应吻合情况较好。考虑到 KE 和 SCS 中尺度涡的 Te 一般为30240d(He et al,2018;You et al,2021),因此对CMEMS 流场进行 256d 的低通滤波以得到背景流场特征。为了得到涡旋生命周期背景流场的演化特征,选取涡旋对应日期的背景流速场,将涡旋范围内(涡旋1 倍半径)的背景流速求平均,即为涡旋在生命周期不同阶段的背景流速。1.3 归一化处理 为了表征中尺度涡生命周期特征的演化规律,同时考虑到不同中尺度涡的 Te 长度差异较大(以 SCS为例,从 28d至 253d),因此需要对 Te 进行归一化处理以消除差异:将每一个中尺度涡的 Te 归一化到 01之间,即生成时刻为 0,消亡时刻为 1,得到每一个涡旋自身属性在归一化 Te中的演化曲线,随后将研究区域内所有涡旋归一化 Te的演化曲线平均,得到该区域中尺度涡的生命周期特征演化曲线。2 涡旋基本性质对比 2.1 涡旋总体特征 涡旋数量采用快照计数和涡旋寿命计数两种方法进行统计,一个 Te 为 N 天的涡旋对应 N 个涡旋快照(Sun et al,2021)。本文仅统计了从生成到消亡都位于 SCS 和 KE 范围内的涡旋。以涡旋寿命计数法统计,19932020 年间 SCS 存在 763 个反气旋涡和802 个气旋涡,KE 存在 1384 个反气旋涡和 1469 个气 旋 涡。以 涡 旋 快 照 统 计 法 统 计,SCS 存 在 49118 个气旋涡快照和 45674 个反气旋涡快照,KE存在 123021 个气旋涡快照和 115504 个反气旋涡快照。上述海区涡旋的平均振幅、半径、Te 以及EKE 如表 1 所示,其中半径、振幅和 EKE 基于涡旋快照计数法统计,Te 基于涡旋寿命计数法统计。从总体统计特征来看,KE 和 SCS 均呈现出气旋涡数量略大于反气旋涡的特点,与全球的特征相一致(Chelton et al,2011b)。另外,KE 的涡旋振幅与 EKE约为 SCS 的 23 倍,Te 约为 SCS 的 1.5 倍,这是由于 KE 海区作为强西边界流区域,平均流通过正压不稳定过程将大量能量传输到中尺度窗口,引发了大量高能且活跃的中尺度涡过程(Yang et al,2016)。相比之下,KE 的涡旋半径略小于 SCS,这与 KE 处于更高的纬度和具有更小的 Rossby 变形半径有关(Chelton et al,1998)。表 1 SCS 和 KE涡旋特征统计 Tab.1 Statistics of eddy characteristics of SCS and KE 海区 涡旋 数量/个 快照数/个 振幅/cm 半径/km Te/d EKE/(cm2s2)SCS AEs 763 45674 7.55.4 112.344.7 59.935.9 496.8355.2 CEs 902 49118 6.74.5 107.543.2 54.528.8 494.9417.6 全部 1665 94792 7.15.0 109.844.0 56.932.3 495.8388.8 KE AEs 1384 115504 17.311.5 94.731.3 83.575.5 930.5751.8 CEs 1469 123021 19.013.0 87.829.6 83.772.5 1424.41486.5 全部 2853 238525 18.212.4 91.130.6 83.673.9 1185.21214.2 2.2 涡旋极性概率空间分布 涡旋极性概率指的是单个网格内气旋涡和反气旋涡的出现概率(Chaigneau et al,2009)。将涡旋极性概率 的 计 算 公 式 定 义 为:P=(ACYC-CYC)/(ACYC+CYC),其中 ACYC 为网格内反气旋涡出现次数,CYC为气旋涡出现次数。根据该定义可知,正概率和负概率分别代表反气旋涡和气旋涡出现的概率更高。图 2a和图 2b分别为 19932020 年 11网格内SCS 和 KE 的涡旋极性概率分布图。由图可见,SCS的极性概率分布图呈现正负交替的与北部陆坡平行的条带状特征。其中,在 10N 以南的 SCS 出现了绝对值大于 60%的概率高值,即这一区域反气旋涡/气旋涡的出现概率更高;而在 SCS 海盆的中部以及北部概率普遍低于30%,说明这一区域的气旋涡和反气旋涡数量相近。KE 的涡旋极性概率分布则大致以 34N 为界,北侧反气旋涡活动占主导,而南侧则是气旋涡活动占主导。随着黑潮向东远离大陆,155E 以东区域的涡旋极性概率逐渐趋向于 0,与前人研究结果一致(胡冬 等,2018a;Ji et al,2018)。造成这种空间分布的主要原因与该区域涡旋生成的机制有关,即黑潮流轴的南北蜿蜒会分别在南北两侧产生气旋涡和反气旋涡(Qiu,2003;Ji et al,2018)。张智晟等:边缘海与开阔海中尺度涡生命周期演化规律对比分析:以南海和黑潮延伸体为例 67 1 图 2 SCS(a)和 KE(b)的中尺度涡极性概率分布图 Fig.2 Polarity probability distribution of mesoscale eddies in the SCS(a)and the KE(b)为了分析两海区中尺度涡极性概率的季节变异性,分别绘制了夏季(68 月)和冬季(122 月)的极性概率分布图(图 3)。由图可见,SCS 夏季与冬季的极性概率分布图均呈现正负交错的条带状特征,该特征与南海深海盆斜压罗斯贝标准模态的南北向模态相吻合(Xie et al,2018)。同时,SCS 冬夏两季同一空间位置的涡旋极性发生反转。该季节性涡旋极性反转在班达海、安达曼海、苏拉维西海、苏禄海等边缘海均有发生,与背景流剪切的季节性变化有关(Chen et al,2020;Xie et al,2021)。相比于图 2a 所示的 SCS 全年极性概率分布图,夏季与冬季的极性概率分布显示出更强的涡旋极性偏好,气旋涡和反气旋涡呈现出空间分布的差异。其中,SCS 在 10N 以南出现了涡旋极性概率为100%的区域,存在全为气旋涡或反气旋涡活跃的区域。本文的涡旋极性概率分布图显示的结果与 崔凤娟等(2015)基于 O-W 涡旋识别方法给出的涡旋冬季和夏季空间分布结果类似。在 KE 区域,夏季和冬季的涡旋极性概率空间分布与全年类似,季节差异不显著,冬季的极性偏好略强于夏季,尤其是 150E以西的区域。总体而言,两个海域涡旋极性概率分布的空间特征和季节变化特征存在差异。其中,南海涡旋极性概率在空间上呈现条带状分布特征,与南海背景流的条带状结构类似(Guan et al,2018),可能与边缘海海盆固有的 SLA空间模态有关(Xie et al,2018;Xie et al,2021);同时,南海涡旋极性概率分布存在季节性反转,即同一位置冬夏两季概率相反,该极性反转与背景流涡度反向有关(Chen et al,2020),这可能由海盆内的流场和风场的季节性变化所导致(Wang et al,2009)。图 3 SCS(a、c)和 KE(b、d)在冬季(a、b)和夏季(c、d)的中尺度涡极性概率分布图 Fig.3 Winter(a,b)and Summer(c,d)polarity probability distribution of mesoscale eddies in SCS(a,c)and KE(b,d)3 涡旋演化特征对比 3.1 SCS 涡旋性质演化特征 3.1.1 气候态演化特征 图 4a 显示了 SCS 涡旋的 EKE 在生命周期上的演化曲线。由图可见,SCS 气旋涡、反气旋涡和所有涡旋的 EKE 演化趋势均呈现统一的三段式演化规律,即增长、稳定、衰减 3 个阶段。通常来说,EKE 增加时为增长期,基本不变时为稳定期,下降时为衰减期。为了准确衡量 3 个阶段的长度,本文根据涡旋生命周期EKE演化曲线的变化率(dEKE/dt,式中 t为涡旋归一化68 热 带 海 洋 学 报 Vol.42,No.4/Jul.,2023 1 生命周期)对 3 个阶段进行判断。取 dt=0.02Te 为步长计算 dEKE/dt,当 dEKE/dt0.2max(|dEKE/dt|)时为增长期,0.2max(|dEKE/dt|)dEKE/dt0.2max(|dEKE/dt|)时为稳定期,dEKE/dt0.2max(|dEKE/dt|)时为衰减期。图 4 SCS涡旋生命周期特征演化曲线 a.EKE;b.半径;c.纬向传播速度;d.经向传播速度;e.总传播速度;f.背景流速。图中曲线附近阴影为标准误差,黑色虚线表示涡旋稳定期的起始。Te表示涡旋的归一化生命周期,即涡旋持续时间除以涡旋平均周期 Fig.4 Evolution of eddy properties during eddy life in the SCS.(a)EKE;(b)radius;(c)zonal propagation velocity;(d)meridional propagation velocity;(e)total propagation velocity and(f)background current velocity.The shading around curves represents standard error.The horizontal axis is the normalized eddy Te,and the black dotted lines show the start and end of the eddy stable stage 基于 EKE 演化曲线变化率的定义,SCS 涡旋的EKE 演化曲线在 00.24Te 为增长期,从 420cm2s2快速增长至 531cm2s2;0.240.66Te 为稳定期,EKE 变化较小,基本稳定在 510cm2s2至 550cm2s2之间;在0.661Te 逐渐下降至 375cm2s2,衰减期长于增长期。EKE 曲线的初始阶段比末尾阶段高约 45cm2s2,显示出了涡旋生消时刻 EKE 的不对称性。另外,0.24Te 以前的涡旋增长阶段和 0.84Te 之后的涡旋衰减 阶 段 为 气 旋 涡EKE高 反 气 旋 涡EKE,0.24Te0.84Te 之间则是反气旋涡 EKE 高于气旋涡EKE。涡旋半径的演化规律呈现出 与 EKE 演化规律相似的三阶段特征(图 4b),但其演化曲线更为对称,涡旋半径在涡旋的增长阶段和衰减阶段均变化了20km。此外,反气旋涡显示出了更大半径的特征,与表 1 给出的平均特征一致。振幅也呈现出类似于半径的演化规律。图 4c 和图 4d 分别给出了 SCS 涡旋纬向和经向的传播速度演化特征。纬向上气旋涡与反气旋涡均向西运动,西向传播速度约为 3.3cms1,慢于非频散斜压罗斯贝波相速度(Chelton et al,2007)。经向上,气旋涡主要向南运动,反气旋涡在 00.55Te 朝北运动,0.550.95Te 向 南 运 动,在 涡 旋 衰 减 阶 段 末 期(0.951Te)两种极性涡旋均向北小幅移动。此外,反气旋涡的经向传播速度显著快于气旋涡。中尺度涡传播速度受到 效应、自身平流以及背景流、涡涡相互作用 等 多 重 因 素 影 响(Cushman-Roisin et al,1990;Chelton et al,1998;Chelton et al,2011b;Ni et al,2020)。Huang 等(2020)指出 SCS 涡旋的经向移动速度与背景经向流密切相关。SCS 涡旋经向传播速度在生命周期中演化与背景经向流速变化的相关系数达到0.89。图 4e 显示了 SCS 涡旋总传播速度的演化特征,张智晟等:边缘海与开阔海中尺度涡生命周期演化规律对比分析:以南海和黑潮延伸体为例 69 1 涡旋总传播速度在涡旋 EKE 曲线的稳定期也同样呈现出一段较为稳定的平台期,气旋涡、反气旋涡和所有涡旋都显示出与图 4a 中 EKE 演化曲线的负相关关系(相关系数分别为0.83、0.77 和0.83),这与Huang 等(2020)的结论一致。涡旋的传播特征一方面受其自身的 效应影响会向西传播,另一方面也会受到背景流场的影响。图 4f 所示为涡旋 1 倍半径范围内的平均背景流速演化曲线,在涡旋的增长期,背景流速与涡旋总传播速度一致,呈现下降的趋势,而在涡旋的稳定和衰减期背景流速则基本保持不变,稳定在12.3cms1左右。结合 SCS 海盆结构和反气旋涡在生命周期中先向北后转而向南运动的特征(图 4d),认为可能是由于涡旋在传播过程中碰到西北侧陆架后转而向南运动或消散,能量通过摩擦被耗散或转化为高波数模态,而非返回至背景流场中,因此背景流速在涡旋的衰减期未出现与总传播速度类似的增长特征(Dewar et al,2010;Zhai et al,2010;Zhang et al,2016)。3.1.2 季节演化特征 为进一步区分夏季与冬季 SCS 的涡旋 EKE 演化特征,分别选取 68 月和 122 月的涡旋快照进行了合成分析。图 5a 和图 5b 分别给出了 SCS 涡旋在冬季和夏季的 EKE 演化特征。可见,基于 dEKE/dt演 化 率 判 据,冬 季SCS 涡 旋 的 稳 定 期 长 度(0.240.42Te)明显短于夏季(0.180.8Te),冬季涡旋稳定 期 的 EKE 平 均 值 为 581.9cm2s2,而 夏 季 为495.1cm2s2,冬季比夏季强约 17%。冬强夏弱的季节特征与前人基于欧拉坐标下的 EKE 变化规律一致(Cheng et al,2010;Wang et al,2012)。另外,EKE 的变化量也呈现出冬季大于夏季的特点,在冬季涡旋增长阶段和衰减阶段 EKE 分别变化了 141.4cm2s2和245.9cm2s2,而夏季涡旋增长阶段和衰减阶段 EKE分别变化了 80.2cm2s2和 75.9cm2s2。在极性差异方面,冬季气旋涡稳定期中的 EKE 与反气旋涡基本一致,而夏季则弱 31%。图 5 冬季(a、c)和夏季(b、d)SCS 涡旋性质的生命周期演化 图 a 和 b 中曲线附近阴影为标准误差;黑色虚线表示涡旋稳定期的起始。Te 表示涡旋的归一化生命周期,即涡旋持续时间除以涡旋平均周期 Fig.5 Evolution of winter(a,c)and summer(b,d)eddy properties during eddy life cycle in SCS.The shading around curves indicates the standard error.The black dotted lines show the start and end of the eddy stable stage.The horizontal axis is the normalized eddy Te 图 5c 和图 5d 给出了 EKE 演化的时间导数dEKE/dt,对涡旋 EKE 演化曲线进行了进一步的量化。结果显示,冬季涡旋 EKE 稳定期为 0.24Te 至0.42Te,增长期和衰减期的 EKE 平均变化率分别为12cm2s2Te1和8cm2s2Te1;夏季涡旋 EKE 稳定期为 0.18Te 至 0.8Te,增长期和衰减期的 EKE 平均变化率分别为 9cm2s2Te1和7cm2s2Te1,SCS 涡旋增长期的 EKE 平均变化率略高于衰减期。冬季涡旋稳定期非常短,仅维持了约 0.18Te,说明涡旋与其他过程的能量转换在整个生命期均比较强盛,能量平衡难以稳定。在 0.42Te 至 0.62Te 之间的衰减期,EKE 变化率出现低于10cm2s2Te1的时段,是稳定期 EKE变化率的 4 倍以上。在此期间,EKE 出现快速下降,反气旋涡 EKE 的相对变化率较大,而气旋涡较小。在70 热 带 海 洋 学 报 Vol.42,No.4/Jul.,2023 1 0.7Te 附近,EKE 变化率上升至5cm2s2Te1,随后又逐渐下降至10cm2s2Te1左右,直至涡旋生命周期结束。相比之下,夏季涡旋稳定期相对较长,持续了0.62Te,增长期和衰减期的持续时间较为相近。季风作为 SCS 环流的重要影响因素,可能会间接造成涡旋活动的季节性差异(Chen et al,2011;Lian et al,2015;Zhu et al,2019)。冬季环流场的正涡度和风应力旋度场的正旋度使得冬季气旋涡的发展得到增强,而夏季则是反气旋涡的发展得到增强。此外,冬夏季稳定期长度的差异还可能与 SCS 环流流向的季节变化有关,SCS 冬季的气旋式环流加速了涡旋的西传运动,使得涡旋更快地到达海盆边界,从而更快速地进入衰减期(Hu et al,2000;Cai et al,2002)。3.2 KE 涡旋性质演化特征 3.2.1 气候态演化特征 图 6a 所示为 KE 涡旋的 EKE 演化曲线,气旋涡、反气旋涡和所有涡旋同样满足于三段式演化规律。基于变化率 dEKE/dt 的定义,00.2Te 为增长期,0.20.84Te 为稳定期,0.841Te 为衰减期。增长期 EKE