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Journal of Tropical Oceanography >

2018 , Vol. 37 >Issue 3: 9 - 18

DOI: https://doi.org/10.11978/2017077

Orginal Article

Cross-basin particle transport by a warm eddy southwest of Taiwan Island

  • LIN Xiayan , 1, 2 ,
  • DONG Changming , 3 ,
  • CHEN Dake 2
Expand
  • 1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China
  • 2. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration Hangzhou 310012, China
  • 3. School of Marine Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
Corresponding author: DONG Changming. E-mail:

Received date: 2017-07-09

  Request revised date: 2017-09-25

  Online published: 2018-05-03

Supported by

National Program on Key Basic Research Project (“973” Program) (2013CB430302)

National Programme on Global Change and Air-Sea

Interaction ( GASI-IPOVAI-04 )

National Natural Science Foundation of China (41621064, 41476022 )

National Key Research Program of China

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

The site southwest of Taiwan Island is one of the places where warm core eddies originate. Extensive studies on warm eddies have been conducted; however, a majority of these studies focused on eddy characteristics, such as radius, generation area and lifetime. Some discussed generation mechanisms while the investigation of transport by warm eddies remains scarce. We observed a warm eddy during autumn 2003 to spring 2004 using both AVISO (Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data) altimetry data and the Regional Ocean Modeling System (ROMS) output data. A total of 10, 000 particles were released inside the warm eddy at 10, 50 and 100 m, respectively. The lifespan of the warm eddy was 121 days, with a mean radius of 50.4 km; and it traveled 1437.5 km at a mean speed of 13.5 cm·s-1. Most of the tracers were trapped inside the eddy and were carried southwestward along 1000-2000 m isobaths. Because of the terrain and its interaction with the flow, the eddy was more unstable during its terminal stage. Many of the tracers were expelled from the eddy, and the number of remaining tracers dropped to only 18.6%-35.6%. Although this ratio may seem small, the accumulative effects of transport were considerable. The number of tracers in the warm eddy had a strong positive correlation with potential vorticity (PV) with a correlation coefficient of 0.63. The tracers were trapped by the outmost PV contour The tracers inside the eddy sank in a spiral. Within the first 5 days, only 3.9% of the particles sank deeper than 15 m. The mean depth of tracer particles inside the eddy was observed to to 48.7, 88.7 and 130.6 m for those released at 10, 50 and 100 m, respectively.

Key words： northern South China Sea; southwest of Taiwan Island; warm eddy; particle transport; potential vorticity

Cite this article

LIN Xiayan , DONG Changming , CHEN Dake . Cross-basin particle transport by a warm eddy southwest of Taiwan Island[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(3) : 9 -18 . DOI: 10.11978/2017077

南海北部常年存在着气旋式环流并伴随多涡结构(Wang et al, 2003), 台湾岛西南海域为涡旋多发的3个区域之一(Hwang et al, 2000; Wang et al, 2008; 李燕初 等, 2003; Jia et al, 2004;林鹏飞 等, 2007)。早在20世纪80年代初期, 黄企洲(1983)根据“黑潮及邻近海域联合调查”(简称CSK)资料指出, 1968年5月在119°—121°E、21°00′—22°30′N范围内存在一个顺时针涡旋, 该涡旋中心具有典型的暖涡特征: 高温、高盐、低密, 深度大约为200m。李燕初等(2003)基于7年(1993—2007)T/P卫星高度计资料分析了台湾岛西南部中尺度涡的生成、发展和消衰过程, 他们认为暖涡在秋冬季节更易于产生, 强涡的半径约为200~400km, 寿命往往超过100d。郭景松 等(2007)在统计吕宋海峡两侧中尺度涡时发现, 台湾岛西南的暖涡平均半径为200~250km, 寿命约为4个月, 平均西传速度为5cm·s-1, 并且大部分该区域的涡旋在20°6′N 以北和 118°30′E以东海域形成并加强, 少量涡旋沿陆架坡向西南方向移动。
台湾岛西南暖涡的生成机制, 起初认为是季风驱动下的黑潮暖水堆积所致。李立等(1989)提出“黑潮南海流套”的设想, 认为黑潮呈套状入侵南海, 并且通过断面调查结果(Li et al, 1998)进一步阐明, 黑潮流套入侵南海之后, 有暖涡间歇性地从流套脱落。Jia等(2004, 2005)通过高度计资料分析和数值模拟, 认为暖涡从黑潮弯曲中脱落与黑潮通过吕宋海峡时的流量有关, 并且脱落具有60~120d的周期性, 位置主要集中在119°E—120°30′E之间。杨昆等(2000)利用普林斯顿海洋模式(POM)在季风强迫和黑潮入侵的作用下再现了冬季南海东北部的中尺度涡, 印证了季风强迫和黑潮入侵是冬季南海东北部涡旋的主要生成机制。Nan等(2011a, 2011b)提出黑潮流径变化(黑潮南海分支、黑潮流套和黑潮跨越吕宋海峡)是台湾西南部中尺度涡产生的主要机制。冬季, 黑潮以流套形式为主, 暖涡容易在黑潮流套中脱离。同时他们认为, 背景流的作用是涡旋产生的主要机制, 但风应力旋度可以改变背景流场, 所以季风的间接作用也不可忽视。
尽管人们对于中尺度涡在热量传输、水团输运、生物地球化学特性、示踪物、沉积物输运方面的贡献已有共识(Dong et al, 2014; Zhang et al, 2014a, b), 随着海表高度资料、Argo浮标数据的完善和模式的发展, 人们对台湾西南部暖涡的生成位置、存活时间等统计特性以及局地生成机制有了很多的探讨, 但是关于该地区涡旋导致的物质输运以及相关输运机制却鲜有报道。Zhang等(2014a)在台湾西南部陆坡区布放了一个从表层至2100m的锚系浮标系统, 得到从2011年9月至2013年5月近2年的观测数据。通过该资料分析了分别出现在2012年1—3月和2012年11月—2013年1月的2个暖涡, 2个中尺度涡引起的总的西南方向沉积物净输送量为 10.5×108kg, 约占全年总沉积物输送量的2%。该研究成果充分说明了台湾西南部暖涡的输运能力。然而锚系浮标资料仅能得到相应站位的信息, 不能对涡致输运进行详细追踪, 而且关于涡致输运的机制也并无涉及。本文以2003年秋季生成的一个台湾西南部暖涡为例, 采用AVISO (Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)卫星高度数据和区域海洋环流模式(ROMS)结合的方式进行涡旋判定和验证, 然后在涡旋内布放示踪粒子, 对涡旋的三维物质输运进行模拟和探讨。

1 数据和方法

1.1 数据

1.1.1 区域海洋模式(ROMS)数据介绍
区域海洋模式(ROMS)采用静力平衡方程, 水平方向上为曲线正交网格, 垂向上非等比例分层σ坐标, 平流项为三阶迎风格式, 垂向涡黏性参数化使用KPP混合方案(Large et al, 1994)。模式的海表大气动力强迫场来自融合QuikSCAT逐日混合风场(http://www.ncdc.noaa.gov/oa/rsad/air-sea/seawinds.html)。热力强迫场则由大气再分析数据集(NCEP/ NCAR Reanalysis1)提供并通过块体公式进行计算(http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surfaceflux.html)。模式的边界条件包括海表面和海底边界、水平的固边界(岸界)和开边界(水界)。侧边界的海表高度、温度、盐度、斜压水平流速场等来自全球简单海洋资料同化分析系统(SODA)的2.0.2-4版本产品(http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.CARTON-GIESE/SODA/.v2p0p2-4/)。开边界采用混合开边界方法, 即边界出流时采用辐射边界条件, 入流时采用松弛方案。模式水深数据采用美国国家地球物理数据中心提供的分辨率为2'的ETOPO2地形资料, 为降低陡峭地形在σ坐标系中造成的压力梯度力的计算误差, 采用Shapiro滤波器取系数为0.2对地形做平滑处理。模式利用1958年1月的温、盐、流场和海表面高度场为初始场, 采取热启动模式。自1958年1月开始积分, 采用当年1—12月的表面强迫和侧边界强迫场循环驱动模式10年, 并达到稳定。继而利用NCEP/NCAR再分析数据集作强迫场, 积分至1999年7月, 换用混合风场继续向前积分至2008年12月结束。
模式的原始区域为99°—145°45′E、9°S—41° N, 水平空间分辨率为(1/12)°, 垂向共32层。本文选取暖涡活动频繁的南海北部作为研究区域(105°—122°E, 14°—25°N)。该模式资料已经应用于东沙冷涡的模拟(林夏艳 等, 2013)以及南海中尺度涡旋的三维结构的统计研究(Lin et al, 2015)。在前期工作中已对气候态背景的温盐场和流场进行了评估论证, 具有较好的可信度。而2000—2008年模式模拟的中尺度涡的出现频次、半径等的统计特性与AVISO资料的结果也较为一致, 因此认为模式的结果是可信的, 可用于相关研究。
1.1.2 卫星高度计数据
本文使用的卫星高度计资料由法国采集定位卫星中心(Collect Localisation Satellites, CLS) AVISO-提供(http://www.aviso.oceanobs.com/), 该资料融合了TOPEX/Poseidon、Jason 1/2以及ERS-1/2的卫星数据。数据的空间分辨率为0.25°× 0.25°, 时间分辨率为1d。数据经过潮汐和海面大气压力等修正。

1.2 方法

1.2.1 涡旋判定方法
本文采用Nencioli等(2010)基于涡旋流场几何学特性的自动判别方法。
1) 在选定区域内找到速度最小值的点, 假设该点为涡旋的中心, 若周边流场速度随距中心点的距离有先线性增加后减小的趋势, 并且速度旋转方向一致, 则判定假设成立, 找到涡旋的中心。
2) 将围绕涡旋中心最大的闭合流函数线作为涡旋边界。
3) 基于平均流场大小和数据的分辨率定义追踪范围, 在该范围内的下一时刻寻找同类型(冷涡/暖涡)涡旋, 以此作为该涡旋的下一个时刻的位置和大小。需要指出的是, 如果下一个时刻没有找到相应类型的涡旋, 为避免遗漏, 会在t+2时刻将搜索半径扩大1.5倍进行搜索; 若仍未找到, 则认为该涡旋消亡。如果在范围内找到2个及以上的同类型涡旋, 则以距离上个时刻涡旋的中心点最近的同类型涡作为它的下一个时刻位置。
1.2.2 示踪粒子的布放
为了研究粒子在涡旋内的轨迹, 本文采用的是区域海洋环流模式(ROMS)的离线粒子追踪模块, 即拉格朗日示踪粒子在空间上可以沿任意方向运动, 时间上则是每小时向前推进。我们首先通过1.2.1的涡旋判定方法找到台湾西南部的一个暖涡, 然后找出涡旋较稳定时期, 即相邻时刻的涡旋大小不存在剧变, 移动路径也比较平稳; 再在稳定时期(2003年12月1日)释放示踪粒子。具体地, 分别在涡旋内的表层(10m)、叶绿素浓度最大值所在深度(50m)和涡旋外围混合层底部(100m)处(Zhong et al, 2017)各布放10000个粒子, 并对它们进行轨迹追踪。

2 结果

2.1 暖涡的空间位置

台湾岛西南是暖涡活动频繁的区域(Nan et al, 2011 a, b)。我们同时用卫星高度计资料和模式数据观测到生成于2003年10月的一个暖涡(图1)。在模式结果中, 该暖涡初始位置位于119°6′E、20°12′N (图中绿色实心三角形), 水深约为3000m。在121天的生命周期内, 涡旋绝大部分时间保持着与1000~2000m等深线平行并向西南方向运动, 但在最后5天内, 该涡旋受地形阻隔, 渐渐爬坡至500m等深线以浅, 最后消失于西沙群岛西南部海域(110°E, 15°12′N, 绿色实心圆点)。涡旋的平均半径50.4km, 移动路程1437.5km, 平均移动速度 13.5cm·s-1。高度计资料的结果显示该涡旋一共存活155天, 平均半径63.1km, 移动路程1255.6km, 平均移动速度 10.4cm·s-1。尽管两种资料观测到的涡旋的生成和消亡时间存在1个多月的误差, 但它们的轨迹比较一致, 这可能是因为起始和消亡阶段暖涡的信号较弱。Wang等 (2008)利用卫星遥感资料、浮标数据以及现场水文资料观测到2003/2004年冬季台湾岛西南的两个暖涡, 暖涡的移动速度分别为9.7cm·s-1和10.5cm·s-1, White(2000)估算的北太平洋18°N和22°N的西传罗斯贝波速度分别为9±3cm·s-1和10±3cm·s-1, 与我们估算的涡旋移动速度相当。由于东沙群岛附近水深较浅, 等深线弯曲大, 大部分夏季形成的暖涡顺流西行, 在东沙群岛附近消亡(柴扉 等, 2001; 郭景松 等, 2007), 只有少数较强的涡旋可以穿越东沙群岛的屏障, 继续沿等深线运动, 本文探测的涡旋即从东沙群岛以南经过并一直向西南方向运动了相当长的距离, 因此我们认为在该暖涡内释放示踪粒子, 探讨涡旋的跨海盆物质输运是合理的。
Fig. 1 Topography of the northern South China Sea, where black solid lines, thick dotted lines and fine dotted lines represent 300, 1000 and 3000 m, respectively.
The magenta dashed line shows the boundary of warm eddy during its lifetime, and the red line is its trajectory simulated by the model, where green triangle, star and circle represent the generation site, the time when the tracers were released and the decay site of the eddy, respectively. Similarly, the blue solid line shows the trajectory of the warm eddy during its lifetime from the AVISO data, where blue triangle and circle are the generation and decay sites of the eddy, respectively

图1 南海北部的地形结构
黑色实线、粗虚线以及淡虚线分别代表300m、1000m和3000m等值线。玫红色环状虚线为本文利用模式模拟研究的台湾岛西南暖涡的整个生命期的形状变化; 红色线为模式模拟的暖涡运动轨迹, 绿色三角形、五角星和圆形分别代表涡旋产生、粒子释放的时间以及消亡时刻。类似地, 蓝色实线是用AVISO卫星资料探测到的相应暖涡的轨迹, 蓝色三角形和圆形是暖涡的起始和消亡时间

2.2 暖涡内示踪粒子的水平分布特征

图2是在10m处释放的粒子的空间分布情况, 可以看到, 涡旋内的粒子在开始的7天里, 基本上依旧集中在涡旋内部, 14天之后, 开始有粒子不断被甩出涡旋, 但是大部分粒子依旧随着涡旋向西南方向移动。在涡旋生命阶段的后2周, 由于涡旋存在的不稳定性以及地形的作用, 越来越多粒子离开涡旋。由此可见, 暖涡具有相对较好的保守性, 能够携带粒子进行跨海盆输运。
从定量的角度来看, 暖涡内粒子的数量随时间呈现波动, 总的趋势是逐渐减少(图3)。在10m、50m、100m释放的粒子在涡旋内数量的变化趋势基本保持一致, 其中黑色实线代表的10m层的粒子数量具有较大的波动, 黑色虚线代表的50m层的粒子次之, 100m(灰色虚线)的粒子数量相对变化更小。从具体数值来看, 粒子释放后第二天, 10m、50m和100m层的粒子数量分别由10000个降至8336、8203和8269, 耗散率约为16.7%~18.0%。在第7、8天时, 暖涡内粒子数量减少了48.1%~58.4%, 从图4a可以看到, 相应的涡旋半径也较小, 但此时粒子依旧聚集在涡旋边缘(图2b)。同样的, 在第13、14天也因为半径的缩小, 使得涡旋内的粒子数目减小。从图2a—c来看, 粒子基本还集中在涡旋内, 耗散较小, 但统计具体数目时, 却发现数量骤降(图3), 造成两者不一致的原因或许是基于几何学原理的涡旋判定条件较为严格, 致使涡旋判定的半径比实际的偏小。12月26日以后, 粒子越来越多被甩出, 并被周边平均流带走(图2d)。在涡旋生命期的倒数第8天, 粒子的数量锐减至仅剩18.6%~35.6%。
涡旋内粒子的数量与涡旋的半径的相关性显而易见, 但到底是何特性决定暖涡可以携带粒子进行跨陆架输运仍未可知。于是计算了示踪粒子释放之后对应时刻的暖涡半径、涡度、涡动能、位涡、非线性以及剪切形变率、拉伸形变率、散度的大小,并对各个变量进行归一化处理,即除以相应各个变量的最大值(图4)。相应计算公式(Chelton et al, 2011; 林夏艳 等, 2013; Zhang et al, 2014b; Sun et al, 2017)如下, 所有公式中的 u ⃗ , v ⃗ 分别代表纬向和经向速度。
涡度: ξ = ∂ v ⃗ ∂ x - ∂ u ⃗ / ∂ y
从图4b看出, 涡度在12月25日之后较大, 涡旋较稳定, 相应地有更多的粒子被裹挟在涡旋内(图2d—g)。我们计算涡度的大小与暖涡内示踪粒子的数量, 两者有一定的负相关, 相关系数为-0.44。证明涡度越大, 旋转越强, 有更多的粒子被裹挟于涡内。
Fig. 2 A total of 10000 tracer particles were released at 10 m on the 57th day of the eddy lifespan.
The figures show the changes in spatial distribution of the tracers with time. The red dots represent locations of the tracers, and the magenta line is eddy trajectory. Black arrows show the current field. To see the flow field inside this anticyclone clearly, we randomly selected 1000 particles for making this figure

图2 粒子的空间分布随时间的变化
红色点是粒子的位置, 玫红色线是涡旋的运动轨迹。黑色箭头代表流场速度。为了看清涡旋内部的流场结构, 我们对粒子进行随机选取, 图中只画了1000个粒子

Fig. 3 Time series showing the variation of the number of tracers inside the eddy.
Black solid line, black dashed line and gray dashed line represent the tracers released at 10, 50 and 100 m, respectively

图3 暖涡内部粒子数量随时间的变化
黑色实线、黑色虚线和灰色虚线分别代表粒子的释放深度分别为10m、50m、100m

涡动能: EKE=( u ⃗ ‘ 2 + v ⃗ ‘ 2 )/2
涡动能的大小与粒子数量的相关性为0.39(图4c), 说明EKE的高值对应涡旋的强度较大, 利于涡旋携带粒子。
位涡: $q=(f+ξ)/ρ_{0} \times \partial \rho / \partial z$
其中, f是科氏参数; ξ是涡度; ρ0是密度参量。从动力学的角度来看, 旋转流体的移动可以用位涡这个保守量来进行描述, 等位涡线可以用于识别粒子的运动轨迹, 因为粒子往往被等位涡线裹挟着前行(Zhang et al, 2014b)。位涡的大小与粒子的数目相关系数达到了0.63(图4d), 为所有变量中除了涡旋半径之外相关性次好的。
非线性项: $U/c$
其中, c为涡旋的移动速度; U是涡旋内部的平均地转流速: $U=\frac{1}{2}\sqrt{u^2+v^2}$, u和v是地转流速, $u=-\frac{g}{f} \frac{\partial \eta}{\partial y}$, $v=-\frac{g}{f} \frac{\partial \eta}{\partial x}$,$\eta$是海表高度异常。
Fig. 4 Time series showing (a) radius, (b) vorticity, (c) eddy kinetic energy, (d) potential vorticity, (e) nonlinearity, (f) shearing deformation rate, stretching deformation rate of the warm eddy after releasing the tracers. The orange line is the time series of tracer number. All of the variations are normalized by their maximum values respectively

图4 暖涡的半径(a)、涡度(b)、涡动能(c)、位势涡度(d)、非线性(e)以及剪切形变率、拉伸形变率(f)在释放粒子之后的时间序列图(橙色线为粒子的数目)各个变
量已进行归一化处理, 即除以相应各个变量的最大值

当U/c>1时, 代表涡旋能够将流体或其他物质裹挟在涡旋内(Chelton et al, 2011)。Chelton等(2011)计算发现约90%的全球中尺度涡旋具有非线性, 其中热带外区域的涡旋非线性很强, 有48%的涡旋U/c>5, 甚至U/c>10的也占了21%。从图4e可以看到该暖涡的U/c也基本大于1, 因此对示踪粒子的输运有较好的作用, 尤其在示踪粒子释放的前半段生命期。
剪切形变: $\gamma_{1}=\partial \vec{v}/ \partial x +\partial \vec{u}/ \partial y$
拉伸形变率: $\gamma_{2}=\partial \vec{u}/ \partial x +\partial \vec{v}/ \partial y$
散度: $v=\partial \vec{u}/ \partial x +\partial \vec{v}/ \partial y$
从剪切、拉伸形变及散度可以看到, 在粒子释放后的中间时间段, 对应的剪切形变和拉伸形变较大, 这和涡度的分布有较好的对应, 同样表征了与涡旋内粒子数量的相关性。
暖涡内的粒子数目在消亡阶段(2004年1月25日—2004年2月4日)经历了一个减小—增大—减小的过程(图3), 但总体而言在减小。为了进一步研究涡输运机制, 将对应11天的涡动能、涡度、散度以及总形变以涡旋中心为原点, 在±1.5°的范围内进行合成平均, 得到消亡阶段各变量的空间分布(图5)。其中总形变的计算公式为$\gamma=\sqrt{\gamma^2_1+\gamma^2_2}$。暖涡中心的涡动能较小, 边缘处较大, 且具有一定的不对称性, 涡动能极大值位于暖涡西部。涡度的空间分布具有对称性。暖涡南北方向的涡度为负, 东西方向为正。
散度值的正和负分别代表辐散和辐聚, 散度的分布呈现西南和东北不同的格局, 涡旋的西南方向主要是辐聚, 而东北方向则是辐散。暖涡的形变主要集中于边缘, 因此涡旋在边缘处容易不稳定, 从而将粒子甩出涡旋。

2.3 暖涡内示踪粒子的垂直分布

图6为随机选取的40个位于涡旋不同位置的示踪粒子的运动轨迹, 粒子随涡旋呈螺旋状下沉。由图中可以看到, 对于大部分粒子的大部分时刻, 粒子向下运动(蓝色点线), 而在螺旋状盘旋时, 粒子的垂向速度有正有负, 下沉和上升的流速都较小。说明在涡旋的生成和稳定时期, 粒子基本被该暖涡裹挟在内并向西南方向运动。粒子在消亡阶段则逐渐发生沉降。分别计算40个粒子的释放位置和消亡位置的距离, 并求平均, 得到40个粒子的平均水平位移为694.1km。由此可见, 该暖涡具有较好的物质输运能力。
之后我们分别对3层(10、50、100m)的10000个粒子的深度求平均, 并计算标准差得到图7。在10m层的10000个粒子中, 第5天仅3.9%的粒子能够沉降到15m以下, 到第15天, 一半以上(50.1%)的粒子到达15m以下。粒子平均深度最大值为48.7m, 标准差为9.9m。暖涡内的粒子在混合层进行了充分的搅拌混合, 很难沉降。50m和100m层粒子的深度和10m层的粒子水深趋势一致, 但是波动性更大, 因为随着水深的加深, 流场的垂向速度越小, 作为被动的示踪粒子, 其与垂向流速的关系也更加敏感。在第60天, 粒子的平均深度最大, 生命期的最后几天粒子略有抬升, 可能是遇到地形, 水深变浅(图1)。50m和100m层粒子的平均深度最大值分别为88.7m和130.6m, 标准差为9.9m和8.4m。
Fig. 5 Spatial distribution of warm eddy physical properties in decay stage.
(a) EKE, (b) vorticity, (c) divergence, and (d) deformation. There exists high EKE around the edge of the warm eddy. Positive and negative vorticity appear alternatively at the periphery of the eddy. Strong divergence accompanied by convergence is observed southwest of the eddy. The deformation is the strongest at the edge of the eddy. The eddy center is marked with “×”

图5 涡旋消亡阶段(2004年1月24日—2004年2月4日)暖涡的物理特性
a. 涡动能的合成空间分布; b. 涡度的合成空间分布; c. 散度的合成空间分布; d. 形变的合成空间分布。涡动能的高值区域分布在涡旋的边缘, 边缘处的涡度在4个象限分别呈现正负的分布特征。在涡旋的西南部同时出现强的辐聚和辐散。涡旋的形变也是在边缘处最大。黑色的“×”是涡旋的中心位置

Fig. 6 3D trajectories of 40 tracers, which were selected randomly.
The tracers were released on December 03, 2003. During most of their lifetimes, they experienced spiraling downward vertical motion, and travelled southwestward. The cyan dotted lines represent negative vertical velocity and magenta lines are positive vertical velocity. Green stars and triangles are generation and termination locations of the tracers. The red line and dot are eddy shape and center, respectively. The anticyclone has good transportation capability

图6 随机选取位于涡旋内不同位置的40个示踪粒子的三维空间分布
粒子的布放时间为2003年12月03日。大部分的粒子随时间的变化呈螺旋状下沉, 同时向西南方向运动。蓝色点线代表粒子的垂向速度为负, 即向下运动, 玫红色点线则代表垂向速度为正。绿色五角星和三角形分别代表粒子的初始位置和消亡位置, 红色的线和点则代表粒子释放时刻涡旋的形状和涡心。暖涡具有很好的裹挟物质进行输运的能力

Fig. 7 Mean depths of the tracers released at 10 m (red), 50 m (blue) and 100 m (magenta), respectively. The gray parts are the corresponding standard deviation.

图7 粒子的平均深度以及相应的标准差
红色线代表粒子释放在10m水深处, 蓝色为50m, 玫红色为100m。灰色阴影为对应的标准差

Zhang等(2014b)将等密面上的最大闭合位涡等值线作为涡旋的边界, 认为涡旋内的物质随着裹挟物质进行输送。我们计算了暖涡内粒子数目与各变量之间的相关关系, 发现位涡与粒子数目的相关性最好(图4d)。粒子的三维垂向空间分布与位涡具有较好的一致性(图8)。在开始的1个月左右时间, 粒子裹挟在暖涡内向西南方向运动; 2004年1月涡旋运动到海南岛的南面, 遇到地形, 不断被耗散, 脱离涡旋内的束缚, 此时的位涡也较小。
Fig. 8 3-D variation of tracers and potential vorticity spatial distribution with time. Shading represents potential vorticity, and magenta dots are tracers’ locations

图8 粒子的三维空间分布以及位涡随时间的变化
彩色剖面为位涡的分布, 玫红色点是粒子的位置

3 结论

台湾岛西南是暖涡产生的源地之一。通过卫星高度计资料和模式数据, 我们观测到2003年秋季到2004年春季的一个暖涡生消过程。模式资料得到该暖涡的寿命为121天, 平均半径50.4km, 移动路程1437.5km, 平均移动速度 13.5cm·s-1。分别在涡旋的10m、50m、100m层放入10000个示踪粒子, 可看到粒子在开始的一个月左右时间内基本上被固守在涡旋内部, 并被携带着向西南方向运动; 而在后面的阶段, 大量的粒子被甩出涡旋, 随暖涡周边流场移动; 在最后阶段, 粒子的数量锐减至18.6%~ 35.6%。在计算了暖涡内示踪粒子的数目与对应时刻的暖涡半径、涡度、涡动能、位涡、非线性以及剪切形变、拉伸形变、散度的相关关系之后发现, 尽管这些变量都跟粒子的数目有一定的关系, 但其中位涡的相关性最高, 暖涡内的物质被位涡线裹挟着前行。进一步分析涡旋消亡阶段的涡度、涡动能、散度、形变的空间分布之后发现, 在涡旋消亡阶段, 这几个变量在涡旋的边缘具有大值且存在着不对称和不稳定。
示踪粒子在暖涡内呈螺旋状下沉, 大部分粒子在开始的5天内基本在释放的深度上下浮沉, 仅有3.9%的粒子沉降至15m以下。在10m层释放的粒子平均深度最大值为48.7m。位涡和粒子的位置关系表明, 在开始阶段粒子与位涡变化一致, 运动至海南岛南部突然爬坡, 地形变浅之后暖涡不稳定, 粒子耗散。
通过该暖涡个例可看到, 它最终能将约20%的粒子由起源地输运至终点, 中间的直线位移超过500km, 可见中尺度涡对物质输运起着重要作用。
由于数值模型分辨率的高低决定了一些中尺度及次中尺度动力过程模拟的精细化程度, 而本文模式的水平分辨率为(1/12)°, 垂向为32层, 可能并不能够模拟出次中尺度过程, 因此会对涡致垂向输运的结果造成一些偏差, 尤其是量值上可能会低估。其次, 尽管拉格朗日示踪粒子追踪方法能够较好地反映平流的作用, 但未能计入混合的影响; 因此, 下一步工作是提高模式分辨率, 利用浓度示踪方法, 从而得到更加细致精确的结果。

The authors have declared that no competing interests exist.

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