海洋水文学

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
展开
  • 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
谢玲玲。email:

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:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2022-10-05

  修回日期: 2022-12-18

  网络出版日期: 2022-12-22

基金资助

国家自然科学基金面上项目(42276019)

国家自然科学基金面上项目(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)

广东省冲一流专项资金项目(231420003)

Comparative analysis of mesoscale eddy evolution during life cycle in marginal sea and open ocean: South China Sea and Kuroshio Extension

  • ZHANG Zhisheng , 1, 2 ,
  • XIE Lingling , 1, 2, 3 ,
  • LI Junyi 1, 2, 3 ,
  • LI Qiang 1, 2, 3
Expand
  • 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
XIE Lingling. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-10-05

  Revised date: 2022-12-18

  Online published: 2022-12-22

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42276019)

National Natural Science Foundation of China(41706025)

Guangdong Provincial College Innovation Team Project(2019KCXTF021)

the First-class Discipline Plan of Guangdong Province(080503032101)

the First-class Discipline Plan of Guangdong Province(231420003)

摘要

本文利用1993—2020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3.3cm·s-1; 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1.3cm·s-1, 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。

本文引用格式

张智晟 , 谢玲玲 , 李君益 , 李强 . 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[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(4) : 63 -76 . DOI: 10.11978/2022210

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 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 cm·s-1, while in the KE, CEs move southwestward and AEs move northwestward in the whole life span, with average zonal speed of 1.3 cm·s-1, 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.

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140°E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46.5~223.5km, 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5°—25°N, 105°—122°E和30°—40°N, 140°—170°E(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 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30~240d(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0~1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, 1993—2020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2~3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 SCSKE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/(cm2·s-2)
SCS AEs 763 45674 7.5±5.4 112.3±44.7 59.9±35.9 496.8±355.2
CEs 902 49118 6.7±4.5 107.5±43.2 54.5±28.8 494.9±417.6
全部 1665 94792 7.1±5.0 109.8±44.0 56.9±32.3 495.8±388.8
KE AEs 1384 115504 17.3±11.5 94.7±31.3 83.5±75.5 930.5±751.8
CEs 1469 123021 19.0±13.0 87.8±29.6 83.7±72.5 1424.4±1486.5
全部 2853 238525 18.2±12.4 91.1±30.6 83.6±73.9 1185.2±1214.2

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图2b分别为1993—2020年1°×1°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10°N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34°N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, 155°E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)。
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(6—8月)和冬季(12—2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10°N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150°E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/dt>0.2max(|dEKE/dt|)时为增长期, 0.2max(|dEKE/dt|)≥dEKE/dt≥-0.2max(|dEKE/dt|)时为稳定期, dEKE/dt<-0.2max(|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0~0.24Te为增长期, 从420cm2·s-2快速增长至531cm2·s-2; 0.24~0.66Te为稳定期, EKE变化较小, 基本稳定在510cm2·s-2至550cm2·s-2之间; 在0.66~1Te逐渐下降至375cm2·s-2, 衰减期长于增长期。EKE曲线的初始阶段比末尾阶段高约45cm2·s-2, 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, 0.24Te~0.84Te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3.3cm·s-1, 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0~0.55Te朝北运动, 0.55~0.95Te向南运动, 在涡旋衰减阶段末期(0.95~1Te)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β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, 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β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12.3cm·s-1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6—8月和12—2月的涡旋快照进行了合成分析。图5a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(0.24~0.42Te)明显短于夏季(0.18~0.8Te), 冬季涡旋稳定期的EKE平均值为581.9cm2·s-2, 而夏季为495.1cm2·s-2, 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141.4cm2·s-2和245.9cm2·s-2, 而夏季涡旋增长阶段和衰减阶段EKE分别变化了80.2cm2·s-2和75.9cm2·s-2。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
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

图a 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12cm2·s-2·Te-1和-8cm2·s-2·Te-1; 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9cm2·s-2·Te-1和-7cm2·s-2·Te-1, 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-10cm2·s-2·Te-1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0.7Te附近, EKE变化率上升至-5cm2·s-2·Te-1, 随后又逐渐下降至-10cm2·s-2·Te-1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, 0~0.2Te为增长期, 0.2~0.84Te为稳定期, 0.84~1Te为衰减期。增长期EKE从800cm2·s-2上升至1150cm2·s-2, 稳定期EKE保持在1150cm2·s-2至1300cm2·s-2之间, 衰减期EKE从1233cm2·s-2迅速下降至885cm2·s-2。增长期与衰减期EKE的变化量都约为350cm2·s-2, 但衰减期短于增长期, 且EKE衰减速度快于增长速度。EKE曲线末尾阶段高于初始阶段约80cm2·s-2, 同样存在生消时刻EKE的不对称现象。在0~1Te期间, 气旋涡EKE水平始终高于反气旋涡, 其中稳定期气旋涡EKE比反气旋涡高53%。涡旋半径的演化曲线比EKE演化曲线更为对称(图6b)。不同于EKE, 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。涡旋振幅的演化规律与半径一致。
图6 与图4一致, 但为KE海区涡旋

Fig. 6 Same as Fig. 4, but for eddies in the KE

KE涡旋的纬向传播速度在生命周期中的演化规律类似于EKE(图6c), 传播速度从增长期的1cm·s-1上升至稳定期的1.4cm·s-1, 在0.84Te之后的衰减期又下降至0.9cm·s-1。纬向上KE涡旋始终向西传播, 与SCS一致, 其纬向传播的平均速度为1.3cm.s-1, 低于SCS。不同的传播速度一方面与高纬度更低的罗斯贝波相速度有关, 另一方面KE的强背景流会使部分涡旋平流向东运动(Chelton et al, 2011; Klocker et al, 2014; Ni et al, 2020)。KE涡旋的经向传播平均速度如图6d所示, 不同于SCS反气旋涡先向北再向南传播, KE海区的反气旋涡基本向北传播; KE气旋涡则呈现与SCS类似的特征, 即向南传播。KE涡旋经向传播速度在生命周期的演化与背景经向流速变化的相关性较低, 经向传播特征可能与涡涡相互作用有关(Ni et al, 2020)。强流区涡旋平均向南移动的特征也存在于墨西哥湾流区域(胡冬 等, 2018b)。
图6e显示了KE涡旋总传播速度的演化特征。与SCS一致, KE气旋涡、反气旋涡和所有涡旋的总传播速度均呈现与图6a中EKE演化曲线的负相关关系(相关系数分别为-0.89、-0.76和-0.99, 显著水平为99%)。相比于SCS, KE涡旋不受海底地形和海盆边界限制, 涡旋背景流速(图6f)也呈现与涡旋总传播速度较为相似的三阶段演化特征, 即“衰减—稳定—增长”。EKE、总传播速度与背景流速之间的关系, 可能与背景平均流和中尺度涡之间存在的能量交换过程有关, 强背景流区往往存在较强的正压、斜压不稳定过程, 使得涡旋场和背景流场进行能量交换。具体而言, 中尺度涡一方面能从KE背景流场中获得能量, 另一方面也能促进和调控KE背景环流及射流的发展(Delman et al, 2015; Yang et al, 2016)。

3.2.2 季节演化特征

图7a图7b所示分别为KE冬季和夏季涡旋的EKE演化曲线, 不同于SCS涡旋显著的季节性, KE冬季和夏季涡旋的稳定期长度较为相近。冬季涡旋稳定期的EKE平均值为1130.6cm2·s-2, 而夏季为1379.8cm2·s-2, 夏季比冬季强约22%, 与SCS的季节特征相反。Yang等(2018)也得出了欧拉坐标下KE海区EKE夏季更强的结论。与稳定期EKE一样, EKE的变化量也呈现出夏季大于冬季的特点, 冬季涡旋增长和衰减阶段EKE分别变化了313.6cm2·s-2和401.1cm2·s-2, 而夏季涡旋增长和衰减阶段EKE分别变化了448.4cm2·s-2和504.5cm2·s-2。相比于SCS, KE涡旋EKE演化具有更强的极性差异, 气旋涡EKE在冬夏两季均大于反气旋涡, 其中冬季强33%, 而夏季强82%。
图7 与图5一致, 但为KE海区涡旋

Fig. 7 Same as Fig. 5, but for eddies in the KE

图7c图7d展示了KE涡旋EKE的时间导数dEKE/dt。结果显示, 冬季涡旋EKE的稳定期为0.18Te至0.82Te, 增长期和衰减期的EKE平均变化率分别为37cm2·s-2·Te-1和-43cm2·s-2·Te-1; 夏季涡旋EKE的稳定期为0.24Te至0.84Te, 增长期和衰减期的EKE平均变化率分别为39cm2·s-2·Te-1和-61cm2·s-2·Te-1。夏季涡旋EKE衰减期的变化率约为冬季的1.5倍。值得注意的是, 冬季气旋涡的EKE变化较为对称, 反气旋涡的EKE增长期长于衰减期, 而夏季则呈现相反的特征, 即反气旋涡的EKE变化对称, 气旋涡EKE增长期长于衰减期。结合图6f所示的背景流速, 冬夏两季涡旋EKE在衰减期的迅速下降与较强的背景流活动有关。另外, KE涡旋不仅具有更高的EKE水平, EKE的变化率也远大于SCS涡旋。

4 涡旋演化差异机制分析

本文对SCS和KE涡旋的气候态EKE、半径、传播速度, 以及冬夏两季的EKE演化趋势进行了分析。结果显示, 不同于全球海洋涡旋演化特征所具有的时间反转对称性(Samelson et al, 2014), 区域海洋涡旋的EKE演化曲线是不对称的, 包括演化速率、EKE变化量、增长期和衰减期长度等。同时, 作为半封闭海盆和开阔大洋, SCS和KE涡旋的演化特征也存在许多不同之处。导致这些差异的原因是涡旋的演化过程一方面依赖于涡旋自身性质(Early et al, 2011), 另一方面也会受到许多外界因素的共同影响, 包括背景场的正压不稳定和斜压不稳定过程、风对涡旋做功、海盆边界和海底地形摩擦耗散, 以及向更小尺度的能量级串等(Yang et al, 2013; Zhai et al, 2013; Kang et al, 2015; Xu et al, 2016; Zhang et al, 2018)。具体而言, 包含以下几点差异:
第一, KE和SCS的涡旋传播方向的演化特征不同。作为边缘海和开阔大洋的典型海域, SCS与KE之间的海盆形态和背景流场差异共同影响了涡旋传播特征。SCS大于1000m的深海盆为东北—西南走向, 而海洋中尺度涡由于自身的β效应, 普遍是向西传播的, 当涡旋传播到海盆西侧时, 在经向背景流平流作用下继续沿着陆架向西南侧移动, 或者与陆架碰撞后能量转变为高波数模态, 发生能量耗散(Dewar et al, 2010; Zhai et al, 2010)。SCS涡旋经向传播方向先向北随后转而向南的现象证明了这一点。相比之下, KE海域普遍深于5000m, 涡旋活动几乎不会受到海洋边界的限制, 因此涡旋呈现基本向西移动的趋势。
第二, SCS为反气旋涡EKE更强, 而KE为气旋涡更强。这主要由两个因素所导致的: 涡旋自身性质差异和外界背景场差异。涡旋自身不稳定性的极性偏好, 可能会导致气旋涡和反气旋涡具有不同的演化特征。本文研究结果显示, KE气旋涡EKE始终高于反气旋涡, 与全球统计结果(Chen et al, 2019)一致, 说明反气旋涡在演化过程中难以达到高能量水平, 这可能与气旋旋转优势导致的对称性破缺现象有关(Zheng, 2017)。此外, Munk等(2000)用瑞利稳定性判据证明了气旋涡比反气旋涡具有更强的稳定性, 数值实验也显示了反气旋涡具有更强的不稳定性, 在涡旋的发展过程中更容易被破坏(Lesieur et al, 1991; Potylitsin et al, 1998)。相比之下, SCS涡旋则显示出不同于全球以及KE涡旋的演化特征, 为反气旋涡EKE更强, 这主要是由边缘海不同于开阔大洋的背景场所导致的。具体而言, SCS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(Lian et al, 2015; Zhu et al, 2019)。
第三, KE的涡旋EKE稳定期在冬季更长, 而SCS则是夏季更长, 这主要是因为背景流在涡旋演化和传播中起到了重要作用。Huang等(2020)给出了SCS深海盆内涡旋传播速度和旋转速度之间的负相关关系, 并指出背景环流场对涡旋传播速度具有调控作用。结合KE与SCS涡旋的第一个不同点, SCS涡旋在冬季气旋式背景流场与海盆边界的共同作用下, 加速向西运动, 涡旋在传播过程中碰到SCS西侧或北侧陆架后, 转而向南运动或消散。冬季SCS背景流场的“加速”作用也导致冬季涡旋稳定期更短。相比之下, 夏季SCS反气旋式环流一定程度上阻碍了涡旋向西传播, 因此SCS夏季涡旋具有更长的稳定期。
第四, SCS和KE的EKE演化曲线均存在不对称性, 但两海区的不对称性相反。涡旋演化曲线的不对称特征一方面可能与背景流速相关, 背景流速的差异可能影响了两个海区涡旋生消曲线的不对称。结合图4f图6f, SCS涡旋背景流速在衰减期并未增强, 而KE存在相应的增强。背景流速的增强通常对应着更强的不稳定过程, 使能量在中尺度涡场和背景流场之间发生交换, Zhang等(2022)通过计算正压转化率证实了这一点。另一方面, 不对称性还可能与耗散过程有关, SCS涡旋遇到海盆西边界后, 涡旋与边界的侧摩擦也会使涡旋耗散。关于涡旋演化曲线的不对称性问题, 更多机制有待后续通过动力学计算进行确定。
另外, 风场在涡旋演化过程中也存在一定影响, 这具体取决于风场是阻碍涡旋还是向涡旋输入能量。Xu等(2016)给出了全球大气风对海洋中尺度涡做功的空间分布图, 指出大尺度风应力旋度在不同空间位置上增强或抑制气旋涡和反气旋涡。Rai等(2021)指出在小于260km尺度上, 风对海洋涡旋平均输入负功。但是, 风对涡旋输入负功的是全球海洋涡旋的平均结果, 在南海等边缘海区, 风对海洋涡旋做功基本为正功; 而在开阔大洋, 尤其是KE等强流海区, 风对海洋涡旋做负功[见文献Rai等(2021)中的图2a]。Yang等(2018)以及Zhao等(2022)计算了EKE在KE与SCS的季节变化, 结果显示KE和SCS风场对涡旋有截然不同的作用: 风场在KE起到耗散涡旋能量的作用, 冬季耗散最强; 而风场在SCS则起到了向涡旋输入能量的作用, 但其量级相比于背景流场的正压和斜压不稳定过程较小。
综上所述, 涡旋的演化规律受多种因素所调控。不论边缘海区还是开阔海区, 背景流场都是关键要素之一; 相比之下, 风场在边缘海和开阔海区起到了截然不同的作用。此外, 边缘海区的海盆形态会影响涡旋的传播方向和速度。关于演化规律差异更为详尽的动力学机制, 仍有待后续进一步研究。

5 结论

本文基于AVISO涡旋识别数据集和CMEMS再分析海面流速数据, 针对太平洋边缘海域——南海与开阔海域——黑潮延伸体区的中尺度涡空间分布特征和生命周期演化规律的异同进行了对比分析, 并探讨了可能的影响机制。主要结论如下:
1) KE海区涡旋的振幅、Te与EKE均大于SCS海区涡旋, 而半径则略小于SCS海区涡旋。
2) SCS海区冬季与夏季的涡旋极性概率呈南北交错的条带状分布, 这一空间分布特征在冬季与夏季相反。
3) 基于EKE变化率dEKE/dt的定义, SCS和KE海区涡旋的气候态EKE演化曲线均满足三段式的演化规律, 但3个阶段的长度存在差异。
4) SCS和KE海区的涡旋EKE演化规律呈现显著的季节性差异: SCS海区涡旋夏季的EKE曲线变化速率快于冬季, KE海区冬季涡旋衰减期的EKE下降速度约为夏季的1.5倍。
5) 平均传播速度显示, 经向上SCS反气旋涡的传播方向在0.55Te前后发生反转, KE反气旋涡基本向北传播, 两海区气旋涡均呈现向南传播的特征; 纬向上两海区涡旋均向西传播, 传播速度慢于非频散斜压罗斯贝波相速度。
6) SCS和KE海区的涡旋传播速度演化曲线与EKE演化曲线呈负相关关系。
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