黑潮-亲潮交汇区涡旋演变特征及剖面结构分析.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：张梦莉，张春玲，魏永亮，等.黑潮-亲潮交汇区涡旋演变特征及剖面结构分析J.海洋测绘，2 0 2 3,43（3）：34-38.D0I:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.008海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.43,No.3May.,2023黑潮-亲潮交汇区涡旋演变特征及剖面结构分析张梦莉1,张春玲1,2,3,魏永亮1,2,3,刘必林1.4（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海2 0 130 6；2.自然资源部海洋生态监测与修复技术重点实验室，上海4.上海海洋大学大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室，上海2 0 130 6)摘要：为深入研究黑潮-亲潮交汇区不同纬度上涡旋的演变特征及剖面结构差异，利用流矢量方法和归一化区域合成分析，在系统统计该海域涡旋表面参数演变特征的基础上，构建了不同纬度同一类型涡旋的气候态复合剖面结构。结果显示，南部靠近黑潮流轴的海域，其涡旋平均半径、生命周期等均明显大于北部交汇区；气旋涡基本以西向传播为主，而反气旋涡的南-北向移动趋势也较明显；南、北部典型暖涡的暖心结构分别位于10 0 30 0 m和10 0 2 0 0 m深度处；涡旋复合结构与观测到的实时面结构相一致。研究表明,地形与剪切不稳定相比，前者影响下的涡旋表面演变特征和剖面结构更加显著与稳定。关键词：中尺度涡；黑潮-亲潮交汇区；合成分析；演变特征；面结构中图分类号：P229.71 引 言以封闭环流为主要特征的中尺度涡，是连接小尺度局地海洋环境要素与大尺度海洋过程的纽带 。其内部垂直环流通过涡动混合和抽吸作用决定着局地环境要素的垂直结构和跃层分布2 ，同时，涡旋的水平输运对当地海水的温盐性质、初级生产力的再分配都起到至关重要的调控作用3-4。东北向流动的黑潮作为西北太平洋流势最强的暖流，对流经海域的水团性质、物质分布等都具有直接而强烈的调控作用,其在40 N附近海域,与源于白令海的亲潮(千岛寒流)相遇,形成大范围强流剪切混合交汇区，也成为西北太平洋中尺度涡的高发区5。深人了解黑潮-亲潮交汇区中尺度涡演变特征，对维持我国沿海生态系统稳定具有重要的现实意义。随着人们对海洋中尺度涡的观测能力不断提升，黑潮-亲潮交汇区涡旋的精细化研究也越趋活跃。从最初基于卫星高度计的涡旋识别6-8 、表层信息统计9-11,到基于模式和观测的涡旋生成机制12-13、内部结构14-16 ，国内外学者均进行了系列探索研究。对于涡旋的识别方法，目前主要有收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 8；修回日期：2 0 2 3-0 4-17基金项目：国家自然科学基金（42 10 6 0 90）；农业农村部全球渔业资源调查监测评估（公海渔业资源综合科学调查）专项(D-8021-22-0129-01)。作者简介：张梦莉（1999-），女，河南商丘人，硕士研究生，主要从事中尺度涡旋研究。每2 0 130 6;3.上海海洋大学海洋科学与技术实验教学示范中心，上海2 0 130 6；文献标志码：A文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 34-0 5Okubo-Weiss 算法6-7 、WindingAngle（W A）方法17-18 、矢量几何法8 等，几种方法核心原理十分相似,只是在设定涡旋特征条件时各有侧重点。而Chelton等3 统计的全球大洋中尺度涡的时空特征，则是涡旋表层信息统计分析的代表之一。近年来，国内学者针对黑潮-亲潮交汇区的涡旋特征也进行了全面统计10-1。随着 Argo 观测数据的快速积累和数值模式的不断进步，国内外学者综合利用多种数据,通过复合分析14、区域合成15、数值模拟16 等方法，给出了不同时空背景下，涡旋内部结构的统计模型。这些研究大大提高了人们对黑潮-亲潮交汇区涡旋的认识。然而,基于不同生成机制,伴随涡旋演变过程，不同时空下的涡旋特征差异，仍需进一步细致分析。因此，本文拟借助于黑潮-亲潮交汇区，2 0 0 12022年间的卫星高度计、Argo剖面观测，以及涡旋区XCTD实测数据，通过统计分析该海域2 2 年的涡旋演变特征，在对比分析不同纬度上涡旋表层信息差异的基础上，筛选了两个具有XCTD实际观测的典型暖涡，初步构建了不同区域同一类型涡旋的气候态复合面结构，并与涡旋区实测的实时特征加以对比分析，为进一步构建更精确的涡第3期旋演变三维特征、深入研究该海域涡旋动力过程奠定基础。2数据与方法2.1数据来源与预处理本文综合采用卫星高度计、Argo剖面观测、XCTD现场观测等3种数据进行涡旋分析。其中，卫星高度计数据由哥白尼海洋服务中心（http:/marine.copernicus.eu/）提供，并选取了黑潮-亲潮交汇区（30 N50 N,130 E18 0 E）（图1）,2 0 0 1年1月1日2 0 2 2 年12 月31日，0.2 50.2 5，每天的海表面高度异常（sea level anomaly，SLA）和地转流数据用于计算涡旋特征参数。用于中尺度涡复合结构区域合成的同期Argo温、盐度面资料来源于杭州全球海洋Argo系统野外科学观测研究站(ftp:/ 150 0 m的等间隔插值，垂向分辨率为5m。同时采用“淞航号”2 0 2 2 年在西北太平洋进行科学考察期间获取的XCTD现场调查数据,开展典型涡旋的实时剖面结构解析,该数据同样进行5m等间隔垂向插值处理。图1（b）、（c)中XCTD的观测时间分别为6 月2 0 2 1日（110号站位）和6 月2 3 2 4日（11 2 2 号站位）。50N45N2m/s040N35N30N130E140E150E160E170E180W（a）2 0 2 2 年6 月2 1日海表流场、海表高度异常及识别的涡旋SLA/m37N41N0.8400.536N0.220-0.140N-0.435N402m/s152E30153E30154E（b）e d d y 1合成区域图1研究区域海表信息及典型涡旋合成区域示意图2.2涡旋探测及复合结构分析方法首先涡旋识别基于涡旋中心具有局地速度最小值、远离涡心的切向速度呈线性增加至最大后又减小到最小的几何特征，根据涡旋周围速度矢量空间分布的4个约束条件来确定涡心位置8 。然后通过涡心局地区域内流函数的最外层闭合流线来识别涡边界,边界到涡心距离的平均值即为平均半径。其次涡旋的复合结构利用2 0 0 1 2 0 2 2 年间的Argo数据,进行归一化区域合成分析15：张梦莉，等：黑潮-亲潮交汇区涡旋演变特征及剖面结构分析(3)计算涡旋经向结构：R(元）=1一R.R式中,R为涡旋径向结构;r与R。分别为Argo观测离涡心的距离和涡旋半径。（4)合成涡旋垂直结构：H(z)=H。:s i n (k z,+0o)+HaN(z)ZdzN(Z)(po/dz)式中,H为涡旋垂直结构;z为水深;H。为涡心处的海表面高度;Hae为合成区域平均海表面高度;0。为初相位；z，为去除背景层结而进行的拉伸坐标系变换;f为科氏参数;N为浮力频率;g为重力常数;p为由Argo观测剖面计算的位势密度;P。为由WOA18数据计算的合成区域季节平均位势密度。（5)反演涡旋密度异常：p=-po:no R(R。）SLA/m式中,n。为涡心处的海表面高度异常。0.8本文选取位于40 N（e d d y 1）和35N（e d d y 2）上0.50.2-0.1-0.40.7-10.7-134N154E155E156E157E（c）e d d y 2 合成区域35（1)筛选合成区域内2 2 年的Argo剖面。（2)匹配与Argo剖面距离最近的暖涡，并按3倍半径进行筛选。)/22dH(z)dz的两个典型暖涡区域（图1（b）、（c）进行区域合成分析，其涡旋中心位于（153.12 5E，40.37 5N）、(155.625E,35.375N）,平均半径分别为43.6 56 8 km、64.1045km，合成区域内，满足条件的Argo剖面分SLA/m0.80.50.2-0.1-0.4m/s-0.7-1(1)(2)(3)(4)(5)别有556 2 条、50 7 3条。3结果与分析3.1不同纬度带的涡旋演变特征黑潮-亲潮交汇区是中尺度涡的高发区,2 0 0 12022年间,该海域生命周期大于14天的中尺度涡中，气旋涡平均2 0 1个/年,反气旋涡2 0 4个/年。由涡旋表面参数的纬向平均分布可见图2,沿黑潮流轴纬度带（约35N），气旋和反气旋涡的数量相当,生命周期也相当,对应的平均半径均在10 0km以上。即该海域的中尺度涡通常以涡流对的形式出现，时空尺度较大。而北部交汇区（约40 N），冷、暖涡数量大致呈互补趋势，涡旋半径减小至40 80km,生命周期也稍有缩短（4 5周）。对整个研究海域而言，反气旋涡的数量和时空尺度均大于气旋涡。36图3以涡旋生成位置为坐标原点，展示了黑潮-亲潮交汇区涡旋的相对移动路径。显然，该海域多数涡旋以西向运动为主，气旋涡（超过8 5%）比反气旋涡（约7 0%）更显著,其对应的西向最大传播距离分别约为11个和10 个经度（10 0 0 km）。仍有不少涡旋在各个方向的移动距离相对均匀,呈现局地运动特征，这似乎与剪切流不稳定有关。反气旋涡中,部分有较明显的南-北向运动特征（纬向变化超过2），且以东北向运动最显著。50N5046N46N42N42N538N$38N34N反气旋锅气旋涡30N2575125175225275325涡旋数量/个（a）涡旋数量统计图2 生命周期超过14天的涡旋参数纬向平均示意图3N210-2-3-12-10-8-6-4-2024经度变化/（）（a）气旋涡图3生命周期超过14天的涡旋相对运动路径示意图3.2典型涡旋剖面结构图4、图5分别是通过区域合成得到的图1中两个典型暖涡（以下简称eddy1、e d d y 2）的复合剖面结构,以及由 XCTD观测得到的实时断面。断面中虚、实线分别表示涡旋中心和边界，红色三角为XCTD观测站位。01002003004006007008006040200204060与涡心的距离/km（a）e d d y 1的位势温度异常001000.03200200300.3D/400-0.06500600700800-60-40200204060与涡心的距离/km（c）e d d y l 的位势密度异常海洋测绘位势温度/048121620240100200E300摄40 0深50 0600700800图4不同纬度的典型涡旋复合结构示意图由图4可见，两个典型涡旋的气候态复合结构，在涡心区域都分别存在明显的高温、低密中心，水平50N气旋反气旋钢$38N349N34N30N20.406080100120140160平均半径/km(b)平均半径3N210-2-3-12-10-8-6-4-2024经度变化/（）(b）反气旋涡0.30.51000.252000.23000.15/崇0.10.05-0.09-0.12第43卷盐度位势密度/(kg:m-)33.73434.334.634.92324.25262728100元100200200三30 0E300便40 0400500500600600eddyleddy1eddy2700800（e）位势温度、盐度、位势密度平均剖面结构46N尺度基本与观测得到的平均半径相一致，很好地反42N映了暖涡处海表暖水下沉的特征，其内部温度（密反气旋涡气旋涡30N242832364044生命周期/天（c）生命周期0.440035006007008008060-40-2002040 60 80与涡心的距离/km（b）e d d y 2 的位势温度异常010030040050060070080038060-40-20 020.40.6080与涡心的距离/km（d）e d d y 2 的位势密度异常eddyleddy2700800度)高于（低于)同水层的周围海水。不同纬度涡旋的合成温度、盐度、密度剖面见图4（e）,随着深度具有较为相似的变化趋势,均反映了暖涡区域的气候态垂直结构特征。两个涡旋复合结构相比，40 N上的暖涡（eddy1)垂直影响范围约为7 0 0 m,温度和密度异常最高约为0.3和0.12 kg/m,而35N上的暖涡(eddy2)影响深度在8 0 0 m以上,与周围海水的温度和密度异常则分别高达0.5、0.15 kg/m。在由XCTD观测得到的涡旋实时温度和密度断面上，见图5,两个典型暖涡区在其平均半径范围内也都有较为明显的温度/密度等值线的下沉。即区域合成得到的复合结构与实测的实时结构在涡旋核心区具有较为一致的剖面特征。与复合结构类似，两个典型涡旋实时结构的水平尺度和垂直影响深度均有较大差别。40 N上的暖涡（eddy1）温度/密度等值线下沉的水平尺度约为6 0 km，其在350 m深度处有明显的温度/密度跃层，而10 0 2 0 0 m的深度范围内,存在一个暖心;35N上的暖涡（eddy2)温度/密度等值线下沉的水平尺度则约为8 0 km，对应的跃层深度位于约50 0 m深度处,其也存在一个明显的暖心,对应的深度在10 0 30 0 m之间。由温-盐关系图5(e）、（f)可见,高纬度的暖涡的结构影响范围较小,30 0 m（位势密度约为10 2 6 kg/m）以浅0.10-0.03(U.-0.06-0.091-0.12-0.15eddy2的温-盐关系相对离散。而南部的暖涡结构相对更稳定,影响范围也相对较大,50 0 m（位势密度约为10 2 5.5kg/m）处存在明显的跃层。复合气候态结构与实测结构相比,实时断面反应的暖涡水平尺度更大,而垂向影响深度却相对较小,40 N上的暖涡影响深度约为6 0 0 m，35N上的暖涡影响深度约为7 50 m。即理论复合结构在一定程度可以较真实地反映涡旋的剖面结构特征，但对于不同位置、不同时间的同一类涡旋，气候态结构需要进一步结合一定的实时观测数据,才能更精确第3期地呈现不同纬度、不同演变阶段的涡旋实时结构特征。与涡心的距离/km-100-75-5025025 50 75100200300040050060070080036912151821位势温度/（a）e d d y 1的位势温度与涡心的距离/km100-75-50-2502550 750+100200300三40050060070080024（c）e d d y l 的位势密度2133.4 33.6 33.8 34 34.2 34.4 34.623.5241824.52515129630（e）e d d y 1的温盐关系图5不同纬度的典型涡旋实时结构特征示意图4结束语本文综合利用多源观测数据，识别追踪、对比分析了黑潮-亲潮交汇区不同纬度带上中尺度涡的演变特征,并在不同纬度带上,选取了两个有实测数据的典型涡旋,利用归一化区域合成分析,进行涡旋气候态剖面结构的构建，同时利用实测数据进行结果验证和对比分析。研究表明：（1)对于表面特征，无论是数量，还是时空尺度，研究区域内的反气旋涡均占主导地位，涡旋的时空尺度随纬度的升高大致呈逐渐减小的变化趋势。南部的中尺度涡受地形和强流影响显著，多以冷、暖涡流对出现，其水平尺度较大；而北部的涡旋主要因剪切流不稳定而产生，涡旋时空尺度相对较小。张梦莉，等：黑潮-亲潮交汇区涡旋演变特征及剖面结构分析与涡心的距离/km-12080 4004080 1200100200300440050060070080036912151821位势温度/（b）e d d y 2 的位势温度与涡心的距离/km-120804004080 1200100200300400500600700800252627位势密度/(kgm-)盐度33.52123.5182424.5152525.512/9630(f)eddy2的温盐关系37(2)对于运动特征，大部分涡旋以西向运动为主，也有部分以局地涡流或南北传播形式运动，但南北向运动距离显著偏小。即虽然科氏力是涡旋运动的动力因素之一,但与地形和剪切不稳定相比,其动力效应量级明显小的多。（3)对于垂直剖面，因产生机制及运动特征的差异,即使是同一类的涡旋,在南部强流区,其影响深度明显较深，涡旋面结构也更稳定,这对中纬度的水体和物质输运至关重要；而北部混合区的涡旋，由于海水混合作用导致其暖涡中心位于近表层，垂直影响深度相对较浅，为局地物质与能量交换的重要动力因素。值得指出的是，区域合成是构建全球涡旋内部结构的普适方法,其可以在一定程度上反映涡旋气候态物理特征，但对于不同时空下，伴随涡旋演变的实时结构特征，仍需进一步结合实时观测数据的同化分析，以得到更精确、更具针对性的涡旋演变特征。2425位势密度/(kg:m=)（d）e d d y 2 的位势密度盐度3434.526.527-27.5262735参考文献：1DONG D,BRANDT P,CHANG P,et al.Mesoscaleeddies in the northwestern Pacific Ocean:Three-dimensional eddy structures and heat/salt transports J.Journal of Geophysical Research:Oceans,2017,122(12):9795-9813.2SIEGEL D A,PETERSON P,MCGILLICUDDY JR DJ,et al.Bio-optical footprints created by mesoscaleeddies in the Sargasso Sea J.Geophysical ResearchLetters,2011,38(13):1-6.3CHELTON D B,SCHLAX M G,SAMELSON R M.Global observations of nonlinear mesoscale eddies J.Progress in oceanography,2011,91(2):167-216.4BIBBY T S,MOORE C M.Silicate:nitrate ratios ofupwelled waters control the phytoplankton communitysustained by mesoscale eddies in sub-tropical NorthAtlantic and PacificJ.Biogeosciences,2011,8(3):657-666.5孙湘平西北太平洋副热带逆流、北赤道流、北赤道逆流几个特征的比较J黄渤海海洋，2 0 0 0，18（1)：1-12.6WEISS J.The dynamics of enstrophy transfer in two-dimensional hydrodynamics J.Physica D:NonlinearPhenomena,1991,48(2-3):273-294.7CHELTON D B,SCHLAX M G,SAMELSON R M,et al.Global observations of large oceanic eddies J.Geophysical Research Letters,2007,34(15):1-5.388NENCIOLI F,DONG C,DICKEY T,et al.A vectorgeometry-based eddy detection algorithm and itsapplication to a high-resolution numerical model productand high-frequency radar surface velocities in theSouthern California Bight J.Journal of atmosphericand oceanic technology,2010,27(3):564-579.9ROEMMICH D,GILSON J.Eddy transport of heat andthermocline waters in the North Pacific:A key tointerannual/decadal climate variability?J.Journal 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201306,China)Abstract:In order to further research the evolution and structure differences of mesoscale eddies at differentlatitudes in the Kuroshio-Oyashio Confluence Region,This paper conducts a systematic statistic of the evolutioncharacteristics of surface parameters.The composite profile structure of eddies at different latitudes is constructedby using flow vector method and nomallized composite analysis.The results show that the radius and cycles ofeddies in the southern area are significantly greater than those in the northern intersection area.The cycloniceddies propagate mainly in the west direction.The anticyclonic eddies have obvious south-north movementtrend.The warm core structure in the south and north is located at the depth of 100300 m and 100200 m,respectively.The eddy composite structure is consistent with the real-time profile structure.Comparing with theshear instability,the influence of topography on eddy evolution and profile structure is more significant andstable.Key words:mesoscale eddy;kuroshio-oyashio confluence region;composite analysis;evolution characteristics;profile structure