利用drifter资料分析南海北部涡旋特征

利用卫星跟踪的drifter表面漂流浮标轨迹资料,对南海北部的涡旋特征进行了时空分布统计分析,特别是卫星高度计资料无法分辨出的次级中尺度涡旋的特征,并初步分析了其动力机理。研究发现南海北部半径小于10km的次级涡旋要占所有涡旋的绝大部分,涡旋平均半径可达11.7km,反气旋涡数量与气旋涡数量之比约为2.6∶1。研究结果可为未来在南海布放drifter浮标提供技术参考。     

西北太平洋中尺度涡半径与涡动能的统计关系

中尺度涡的半径与涡动能之间的关系及其内在机制的研究,对我们理解中尺度涡旋的三维结构特征及其变异规律有很大的帮助。本文利用AVISO卫星高度计融合数据,基于流场几何特征的识别方法对西北太平洋(10°～52°N, 120°～180°E)的中尺度涡进行了识别追踪,并由此分析了该区域内中尺度涡的半径与涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)的统计关系。结果表明该区域中尺度涡的半径与EKE之间存在类似翻转高斯函数的递增关系,特别是在涡旋半径达到一定程度后,EKE将不随半径的变大而继续增强。而且该关系与纬度密切相关,相同半径条件下,涡旋的EKE近似与其所在纬度的第一斜压Rossby变形半径的平方呈反比。进一步分析表明该统计关系与中尺度涡所处的发展阶段没有明显的联系。该结果为建立一个实用性的参数化、归一化的中尺度涡模型提供了一定的理论基础。     

从2010年1月的1个反气旋涡探讨南海中尺度涡的输运能力

应用漂流浮标,结合卫星高度计资料和示踪粒子法,研究了中国南海中尺度涡的输运能力。从浮标漂流轨迹和对应的流场分布可知在真实海洋中存在涡对物质的输运,陷入反气旋涡的漂流浮标跟随涡旋顺时针打转4圈,以圆弧形轨迹运动至海南岛以东。进一步通过示踪粒子法进行长期模拟得出涡内物质会以和涡相同的旋转方向旋转前进,在忽略水平方向上的混合对示踪粒子轨迹影响的情况下,在第55天,93%的质点(153个)将跟随涡旋运动,7%的质点(11个)会在中途与涡旋分离,运动中涡会不断把内部物质甩向涡的外缘,质点会从涡最边缘速度由大转小处脱离涡旋,但是大多数质点会跟随涡旋在其边缘以圆弧形轨迹向前运动,并最终稳定在涡旋的最边缘。     

黑潮延伸体邻近区域中尺度涡特征统计分析

本文利用20年的卫星高度计资料,对黑潮延伸体邻近海区(25°—45°N,135°E—175°W)中尺度涡的统计特征以及季节变化进行了统计研究。基于涡旋自动识别方法,共识别出本区域3006个气旋涡轨迹和2887个反气旋涡轨迹,其平均周期分别为9.99周和11.00周,平均半径分别为69.5km和71.8km。长生命周期涡旋的平均半径、涡度、涡动能(EKE)和涡旋能量密度(EI)在生命周期内大致都经历了增大-基本保持不变-减小这三个阶段。绝大多数涡旋沿纬线向西移动,经向移动距离较小,气旋涡和反气旋涡在西向传播过程中都具有明显的向南(赤道)偏离趋势。涡旋的生成数量与总数量均在春夏季达到最多,且这一时期涡旋的平均涡度、EKE、EI处于较高水平。     

西北太平洋反气旋涡的Argos浮标观测结果分析

结合卫星高度计异常资料和2003年10月上旬投放在西北太平洋的25个Argos表层漂流浮标资料,分析观测海域的中尺度涡特征及浮标漂移路径上的温度和流速变化,结果表明:(1)7个浮标受强劲的黑潮流影响直接进入台湾岛以东黑潮表层的主流轴;(2)16个浮标在反气旋涡内旋转,并随中尺度涡向西运动,到达黑潮的东边界,由于中尺度涡旋的消亡,浮标脱离其影响后由黑潮带动向东海运动,浮标的移动轨迹呈螺线型;(3)仅有2个浮标在(123°E、20°N)附近通过吕宋海峡进入南海,且41490号浮标受台湾岛西南外海反气旋涡的影响作了2周旋转后再进入南海。比较分析表明,黑潮在冬季应该存在入侵南海的分支,但浮标能否顺利进入南海受多种随机因素控制,如风生流、潮流和波浪等。另外,西北太平洋向西传播的中尺度涡难以越过强劲的黑潮流屏障继续向西传播通过吕宋海峡进入南海。     

苏门答腊岛西北海域中尺度涡源区特征与形成机制

孟加拉湾内和湾口附近有丰富的中尺度现象,本文利用2.0版可分辨低纬地区中尺度涡的Chelton数据集,通过溯源的方法得到中尺度涡的源地分布。苏门答腊岛西北海域(以5°N,94°E为核心的区域)是中尺度涡重要源区之一。通过拉格朗日方法的涡旋追踪表明,1993—2017年该海域(3°N—6°N、92°E—95°E),分别有57个气旋式和40个反气旋式中尺度涡。频谱分析显示海表面高度异常存在180 d和360 d两个显著周期。地形和风场的共同作用是该海域产生中尺度涡的动力机制：沿5°N西传的罗斯贝波在海岭地形的作用下触发了中尺度涡的生成;赤道风场是源区重要的能量来源,局地风场能诱发中尺度涡的极性。本研究也揭示了以往文献虽刻画了苏门答腊岛西北部海域为高涡动能区,却没有识别出较多中尺度涡的原因。     

北太平洋中尺度涡时空特征分析

利用1993~2011年19 a的AVISO卫星高度计资料研究了北太平洋(10°~60°N,120°E~100°W)中尺度涡的时空分布特征,结果表明:北太平洋每年约产生1 800余个涡旋,其中气旋涡稍多。北太平洋东部沿岸、西北沿岸、黑潮延伸体北侧、副热带逆流区是中尺度涡的高发区,春、冬季是涡旋的高发季节。涡极性分布以35°N为界,北部多反气旋涡,南部多气旋涡。涡旋半径以100 km左右为主,并且基本随纬度升高而减小,涡旋数量随着周期增长而急剧下降。反气旋涡的平均半径和周期均大于气旋涡。利用Argo浮标剖面资料分析的6个个例涡旋的垂直结构显示,每个涡旋都有其独特的冷暖核结构,深度不同。研究结果对于分析北太平洋涡动能分布及传输具有一定的参考价值。     

西北太平洋不同寿命中尺度涡统计特征

本研究通过OW（Okubo Weiss）参数和闭合等值线相结合的方法自动识别西北太平洋（0°—45°N,120°—180°E）中尺度涡并跟踪后续中尺度涡,分析了不同寿命中尺度涡的季节变化、年际变化、数量特征以及动力学参数等。研究发现,不同寿命中尺度涡的数量高峰时间在不同程度上晚于气象上最冷月份约1~3个月。与其他寿命中尺度涡不同,中等寿命中尺度涡的气旋涡（33.9 cm/s）比中等寿命中尺度涡的反气旋涡（16.9 cm/s）旋转得更快,季节变化最为显著。冬季更适于西北太平洋中尺度涡的发生与发展,并且在寿命上,更易发展为中等寿命涡旋。不同寿命中尺度涡的月数量变化都存在3个明显的周期性变化（第一主周期、第二主周期、第三主周期）,根据不同主周期的时间尺度长短,它们的影响因子分别可能是太阳辐射、ENSO现象、季节变化。从地理分布看,不同寿命中尺度涡高频区分布并不完全一致。从涡旋平均振幅地理分布看,中等寿命中尺度涡在高频区拥有最大的涡旋平均振幅（15~25 cm）,短寿命中尺度涡次之（15~20 cm）,长寿命中尺度涡的平均振幅最小（10~16 cm）。从涡旋半径地理分布看,长寿命中尺度涡仅在副热带逆流区有较大的平均半径（20~30 km）,中等、短寿命中尺度涡在研究区域北部均有着较大的平均半径（30~45 km）。从动力学参数看,西北太平洋中尺度涡的动力学参数在寿命中期并非是最高值,约在寿命的前三分之一达到第一个高值,然后小幅下降,保持稳定,直到寿命的后三分之一小幅上升,达到第二个高值,然后迅速下降直至数值为零。     

海洋涡旋自动探测几何方法、涡旋数据库及其应用

近10a来,海洋涡旋的自动探测和分析研究成为物理海洋学研究的前沿热点之一。本研究介绍了作者及其合作者最近几年发展的一系列基于海表面高度异常(Sea Surface Height Anomaly,SSHA)、海表温度(Sea Surface Temperature,SST)的欧拉型以及基于全球漂流浮标数据的拉格朗日型的涡旋自动探测几何方法、从欧拉型涡旋探测方法中发展出来的三维涡旋的自动探测方法和利用上述方法探测得到的结果建立的涡旋数据库。此外,本研究还介绍了涡旋数据库的应用,主要包括:分析黑潮延续体以及南加州湾的涡旋统计特征;以黑潮延伸区冷、暖两个中尺度涡旋为例,采用动态合成、带通滤波等方法,研究中纬度地区中尺度海洋涡旋对大气的强迫特征;在黑潮延续体采用合成分析方法得到了合成气旋和反气旋的三维结构并对涡旋调制下混合层深度进行探究;对涡旋诱导的输运、涡旋诱导的叶绿素变化进行的研究以及对阿拉伯海大涡进行的研究等。     

孟加拉湾中尺度涡的总体特征与季节变化

采用AVISO提供的中尺度涡最新数据集,分析了孟加拉湾1993—2016年中尺度涡的总体特征和季节变化。结果表明:研究期间在孟加拉湾共有822个气旋涡,731个反气旋涡,主要分布在湾北部(15°N以北海域)和安达曼海。涡旋生命周期以28～59 d为主,平均振幅为7. 5 cm,平均半径为119. 6 km。在纬度变化上,涡旋振幅随纬度的增加有两个峰值,分别位于6°～9°N和15°～20°N之间,而涡旋半径随纬度增加而减少。涡旋的振幅、半径在随生命周期演变过程中生长过程较慢,消散过程较快。气旋涡和反气旋涡主要是向西移动,且均以向赤道方向偏移为主。在季节变化上,孟加拉湾较长生命周期(60 d以上)的中尺度涡具有明显的季节变化,春季生成的涡旋数量最多,冬季次之,夏季最少。通过合成分析得出风应力旋度是孟加拉湾中尺度涡季节变化的主要原因,而沿岸Kelvin波激发的西传Rossby波对涡旋的产生也有一定影响。涡动能分析表明,涡动能的高值区主要位于海盆的西边界和斯里兰卡东部海域,同时,在冬季、春季海盆的西边界和夏季、秋季海盆的北部涡旋活动较多的区域对应着较大的涡动能。     

Observed Variability of Thermohaline Fields,Currents and Eddies in the Western Bay of Bengal During BOBMEX-99

Field measurements during the Bay of Bengal Monsoon Experiment (BOBMEX-99), data from a deep sea moored buoy, and satellite altimeter were used to describe variability in the hydrographic and meso-scale features in the Bay of Bengal (BoB) during the summer monsoon of 1999. The thermohaline fields showed two regions of upsloping of isopleths centered at 82°E and 84.75°E, ～110 km and 450 km away from the coast, respectively, followed by downsloping. The upsloping/downsloping of isopleths and the alternating currents was part of cyclonic and anti-cyclonic circulation patterns in the western BoB. In this region, both wind and current were important in the dynamics of coastal upwelling. The observations showed a relationship between the propagating waves and eddy on variability of thermohaline fields. On an annual cycle, four Kelvin waves were observed in the BoB, but only the downwelling Kelvin wave formed during October entered the Arabian Sea. During the monsoon season, four eddies were formed in the western BoB, of which the anticyclonic eddy centered at 15°N, 84°E and the cyclonic eddy centered at 17.5°N, 84.5°E were prominent. The baroclinic instability caused by the opposing currents along the east coast and the wind stress curl favored the formation of eddies. Okhubo-Weiss and Isern-Fontanet parameter confirmed the presence of eddies in the BoB.     

Rhines效应对高度计观测的海洋中尺度涡空间分布特征的影响

Rhines效应是指Rossby波和大湍流（中尺度涡）相互作用,将涡动能量以波的形式传播出去,从而使中尺度涡发生形变,最终消亡的一种动力学机制。本文通过比较海洋里涡特征速度和Rossby长波波速的方法,研究了一种广义的Rhines效应对高度计观测的海洋中尺度涡空间分布特征的影响。结果显示,广义Rhines效应比只考虑行星涡度梯度的传统形式对中尺度涡的分布具有更显著的影响。大部分中尺度涡分布在涡特征速度（U_e）大于由广义Beta值计算的Rossby长波波速（U_cg）的区域。这些涡可以由动能反向串级过程获取能量,成长为振幅和空间尺度较大的涡。热带海域以外的“涡旋沙漠”区域,中尺度涡的数量稀少,强度很弱,大都分布于U_ecg的海域。广义Rhines效应可能是这些海域中尺度涡难以成长的动力学机制。     

南海中尺度涡的演化过程与行为追踪:一种基于全局最邻近滤波的方法

The eddy tracking approach is developed using the global nearest neighbor filter(GNNF) to investigate the evolution processes and behaviors of mesoscale eddies in the South China Sea(SCS). Combining the Kalman filter and optimal data association technologies, the GNNF algorithm is able to reduce pairing errors to 0.2% in tracking synthetic eddy tracks, outperforming other existing methods. A total of 4 913 eddy tracks that last more than a week are obtained by the GNNF during 1993–2012. The analysis of a growth and a decay based on 3 445 simple eddy tracks show that eddy radius, amplitude, and vorticity smoothly increase during the first half of lifetime and decline during the second half following a parabola opening downwards. The genesis of eddies mainly clusters northwest and southwest of Luzon Island whereas the dissipations concentrate the Xisha Islands where the underwater bay traps and terminates eddies. West of the Luzon Strait, northwest of Luzon Island, and southeast of Vietnam are regions where eddy splits and mergers are frequently observed. Short disappearances mainly distribute in the first two regions. Moreover, eddy splits generally result in a decrease of the radius and the amplitude whereas eddy mergers induce growing up. Eddy intensity and vorticity, on the contrary, are strengthened in the eddy splits and diminished in mergers.     

Satellite altimeter observations of nonlinear Rossby eddy–Kuroshio interaction at the Luzon Strait

Satellite altimeter sea level data from 1993 to 2008 are used to analyze the interaction of nonlinear Rossby eddies with the Kuroshio at the Luzon Strait (LS). The sea level anomaly data show that the west Pacific (WP) is a source of nonlinear Rossby eddies, and the South China Sea (SCS) is a sink. The LS serves as a gateway between the two. The scale analysis indicates that eddies with a radius larger than 150 km are strong enough to significantly alter the Kuroshio and are able to modify the local circulation pattern. Statistical analysis indicates that the probability for eddies to penetrate through the Kuroshio may reach at least 60%. A case study of an anticyclonic mesoscale eddy passing through the LS in June–July 2004 indicates that the Kuroshio behaves as an unsteady flow with its stream path frequently modified, in a way of cutting off, meandering and branching during its interaction with the eddy. We therefore suggest that nonlinear Rossby eddies may play a significant role in modification of the local circulation system near the LS and in exchanges of the mass, momentum and energy between the WP and the SCS.     

基于拉格朗日分析法的中尺度涡精细三维结构研究及其误差估计

在前人的工作中，拉格朗日分析法被用来演示大尺度环流，同时拉格朗日拟序结构可以较好的演示中尺度涡两维结构的发展过程。然而，很少研究关注怎么利用拉格朗日分析法针对中尺度涡三维结构进行演示。与以往利用欧拉方法研究中尺度涡三维结构的工作不同，我们利用拉格朗日分析法，从另一个视角来研究涡旋结构。我们在海山上方模拟出一个理想的气旋涡，涡旋内的下沉流和涡旋旁的上升流形成一个闭合的环流。这种结构很难从欧拉角度来演示。然而，粒子的运动轨迹很好地展示了整个循环:流体在涡旋中旋转下沉，汇聚到底层的上升流区，并通过上升流返回到海表面。我们也将拉格朗日分析法应用于真实的模拟结果中。作为中国南海的一个重要现象，靠近越南中部的海域中的偶极子（反气旋涡/气旋涡），关于其结构的研究已经比较成熟了，但这些研究主要关注的是海面过程。通过拉格朗日分析，我们很好的演示了偶极子的三维结构:流体在反气旋涡(气旋涡)内部旋转上升(下沉)。更重要的是，粒子的轨迹表明，这两个涡旋之间不存在水团交换，因为强边界急流将它们彼此分开。以上结论均得到了计算误差估计的可信度支持。尽管在强辐散流和强垂直扩散流中，计算误差逐渐增大，但是在一定的时间步长和积分周期内，计算误差始终保持在一个较小的值。     

基于1993-2014年高度计数据的西北太平洋中尺度涡识别和特征分析

本文利用22年的AVISO卫星高度计融合数据,基于WA涡旋自动识别方法对西北太平洋的中尺度涡进行了识别追踪,并统计分析了研究区域中尺度涡的空间分布特征、运动属性以及季节和年际变化。研究结果表明:22年间共追踪到生命周期超过30 d的气旋涡3 841个,反气旋涡2 836个,气旋涡数量多于反气旋涡。涡旋大部分向西移动,西向传播的涡旋分布在整个研究区域,而东向传播的涡旋则集中在黑潮及其延伸区。涡旋主要存在15°~30°N的纬度带间;分别而言,气旋涡主要分布在研究区域的北部和南部,而反气旋涡主要分布在副热带逆流区。30°~35°N之间的黑潮延伸区具有明显更高的涡动能和涡振幅,与同纬度区域相比这里的涡旋半径也较高。在季节和年际变化上,春季出现的中尺度涡最多,夏季最少;对涡旋的月生成数目与ENSO指数MEI比较发现,西北太平洋涡旋活动变化并不直接与ENSO现象相关。