理想台风驱动的涡旋对吕宋海峡黑潮影响的数值研究*

吕宋海峡以东即北太平洋热带地区常年存在着大量的涡旋,这些涡旋在向西运动的过程中遇到吕宋海峡黑潮后是否会穿越黑潮进入南海值得研究。文章用数值模式来模拟吕宋海峡的黑潮以及吕宋海峡以东的众多涡旋,结果表明没有一个涡旋可以穿越吕宋海峡进入南海。在此基础上引入了一个理想台风风场,通过风应力旋度的形式驱动出强劲的气旋式和反气旋式涡旋,这两个涡旋分别添加在源区黑潮附近,也是在源区黑潮流量最小的8月。以往研究表明,黑潮流量小而涡旋强劲的时候涡旋容易穿越吕宋海峡进入南海,但由何种原因产生的涡旋可以穿越吕宋海峡难以确定;而文章的数值计算结果表明,即使在黑潮较弱的夏季8月,由风应力旋度产生的中尺度涡,无论是气旋式还是反气旋式,都受到了吕宋海峡的阻挡而难以穿越。     

南海上层水温分布的季节特征

为对南海上层水温分布特征有一总体认识,利用气候平均的1°×1°网格的Levitus资料,分析了南海0－200m层共10个等深面上的季平均温度分布状况。结果表明,南海上层水温分布的季节变化明显,季风和太阳辐射对水温分布有显著影响,四季平均水温分布与平均环流状况对应较好。冬、春两季在吕宋岛西北海域有一冷涡（即吕宋冷涡）,夏、秋季在越南沿岸出现另一冷涡（即越南冷涡）。这两个冷涡均对应着本海区尺度较小的气旋式环流和正的风应力旋度。吕宋冷涡还与黑潮在吕宋海峡的形变有关,越南冷涡则与局地强上升流有联系。     

吕宋冷涡的年际变化及影响机制分析

基于吕宋岛附近海域1985-2020年的海表温度、风应力和海面高度等卫星资料,分析吕宋冷涡(Luzon Cold Eddy,LCE)强度及中心位置的年际及长期变化趋势,探讨风场和黑潮入侵在LCE变化过程中的作用.结果 表明:35 a来,LCE整体呈现减弱趋势,其中心位置最大概率出现在(117°54′E,18°06′N)...     

进入中国南海的黑潮脱落中尺度涡的特征——基于OFES模式数据

自黑潮脱落并由吕宋海峡进入中国南海的中尺度涡(简称脱落涡旋)对黑潮与南海的水体交换、热量及物质输送等过程均有十分重要的作用。基于1993—2013年OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式数据产品,分析研究了脱落涡旋的统计特征及其温盐流三维结构,并与卫星观测结果进行对比分析。OFES模式的海表面高度数据和卫星高度计数据的统计结果都表明气旋式脱落涡旋(脱落冷涡)绝大部分在黑潮西侧边缘生成,反气旋式脱落涡旋(脱落暖涡)则大部分在黑潮控制区(包括黑潮流套区)生成,脱落暖涡的数量远多于脱落冷涡的。OFES模式数据得到的脱落涡旋个数和出现频率较卫星观测结果要明显偏低。此外,由OFES模式数据得到的脱落涡旋三维结构表明,黑潮控制区和黑潮西侧边缘生成的脱落冷涡的流场垂向影响深度差异较大,而脱落暖涡的流场垂向影响深度一般达水深1000 m以深,脱落涡旋的位势温度的垂向影响深度与该涡的流场垂向影响深度相当,其盐度的垂向影响深度则较浅;脱落涡旋的温盐结构受黑潮的影响较大。     

影响吕宋海峡水体输运量年代际变化的局地因子

一般认为,吕宋海峡北南两端压力梯度或深度积分的动力高度差是太平洋水通过吕宋海峡西侵南海最直接的动力学。这一动力高度差与吕宋岛西部外海气旋式中尺度涡(即吕宋冷涡,Luzon cold eddy,LCE)的季节性出现有关,而LCE活跃区上空正的风应力旋度(wind stress curl,WSC)在LCE的产生中起主要作用。基于上述思路,利用涡分辨力海洋环流模式OFES[oceanic general circulation model(OGCM)for the Earth Simulator]的62年(1950—2011)后报结果首先得出吕宋海峡水体输运量(Luzon Strait transport,LST)不仅有约3年和7年显著的年际振荡,而且有约14年显著的年代际变化。然后分析LCE活跃区上空WSC异常场主要模态低频振荡特征以寻找影响LST年际和年代际变化的局地因子。结果表明,对LCE活跃区上空WSC去除季节性信号的异常场做经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分析取得了典型的年际以上尺度的主要模态特征,其第一模态时空变化表现为约14年显著的年代际振荡和WSC异常场正位相区年代际尺度上的南移,而第二模态表现为约3年显著的年际振荡和WSC异常场正位相区年际尺度上的北移。另一方面,LST约7年的变化特征可视为源区黑潮水体输运量低频变化在该尺度上的印记。     

斯里兰卡冷涡及其成因分析

利用卫星遥感资料结合历史水文资料分析了斯里兰卡冷涡的季节演变及其形成机制.分析表明,斯里兰卡冷涡发生于每年的6-10月之间,其中心位于8°N、83°E,垂直深度可至250m.西南季风受斯里兰卡岛地形的阻挡而在其东侧海域形成气旋式风应力旋度引起的向上Ekman抽吸是冷涡产生的主要原因.冷涡随季节的发展先朝东北、后朝西北方向移动,造成冷涡的季节平均位置比气旋式风应力旋度偏北1-2个纬度.西南季风漂流的平流作用以及基于β平面的简单涡旋传播理论可分别用于解释涡旋的东北向和西北向运动.     

涡分辨率海洋模式及其海气耦合模式中吕宋海峡处的黑潮入侵

比较了准全球涡分辨率海洋模式（简记为LICOMH）及其海气耦合模式（简记为LICOMHC）中的黑潮入侵南海与观测中黑潮入侵的差异。我们发现在单独海洋模式中黑潮入侵与观测相比过强，而在其海气耦合模式中这一差异得到了改善。冬季的吕宋海峡输送（LST）在LICOMH中为-8.8×10⁶ m³s^-1，而在LICOMHC中则下降到-6.0×10⁶ m³s^-1 。进一步的研究表明是大尺度风场，局地风应力和吕宋海峡以东中尺度涡旋的共同作用导致了黑潮入侵在两个模式中的不同。LICOMH中吕宋岛东北部相对较强的气旋导致了较弱的黑潮输送及吕宋海峡处较强的黑潮入侵。以上三者共同作用造成的LST差异大约是2.0×10⁶ m³s^-1，与两个模式间的LST差异大小基本相当。进一步对LICOMH与LICOMHC中的EKE收支进行分析表明，LICOMH中更强的EKE输送及斜压转换项导致了黑潮以东存在更强的气旋，而海表风场对两个模式中的涡旋差异贡献极小。     

台湾以东中尺度涡对黑潮入侵东海路径的影响

利用AVISO数据集的卫星高度计资料,分析了中国台湾以东中尺度涡的时空特征,通过具体的中尺度涡实例探讨了其对台湾以东黑潮路径的影响。研究表明气旋式中尺度涡在春夏季节的数目要少于反气旋式中尺度涡,在秋冬季节气旋式涡旋个数则多于反气旋涡;并且台东以东区域涡旋传播存在多种路径,涡旋的存在对台湾东北部黑潮入侵东海的路径具有重大影响,特别是2004年夏季台湾以东区域存在多个涡旋,相应的吕宋海峡黑潮主轴向东偏移明显,台湾东北黑潮入侵东海的路径发生了显著变化。     

基于海洋模式数据的吕宋海峡输运量和菲律宾黑潮流量关系的分析

利用全球涡分辨率海洋环流模式OFES的60年(1950—2009)输出资料,用流速资料计算了吕宋岛东侧18°N断面黑潮上游流量(Kuroshio Transport,KT)和120.5°E断面吕宋海峡输运量(Luzon Strait Transport,LST)。研究表明,KT和LST存在四种情况,即:(1)KT大LST小、(2)KT大LST大、(3)KT小LST小和(4)KT小LST大,分别占其总数的34%、11%、13%、42%。合成分析证实:一般情况下,KT大对应黑潮跨越吕宋海峡流态,此时LST较小;KT小时,地转β效应迫使黑潮向西入侵吕宋海峡,此时LST大。然而,吕宋岛东侧和台湾东南沿岸的涡旋常削弱黑潮在吕宋海峡处流量,造成KT大时黑潮亦入侵吕宋海峡,从而出现KT大LST大的情形;太平洋一侧的异常高海表高度诱发吕宋海峡处强地转流,造成KT虽小而黑潮在吕宋海峡处仍是跨越流态,因而LST小。结果表明,LST不仅受KT影响,亦受局地涡旋和海表高度的重要控制。     

南海东北部及台湾海峡环流机制的数值研究

利用1个正压的数值模式研究风应力、黑潮对南海东北部及台湾海峡环流的影响，结果为：（1）以风应力为驱动机制时其流态特别是在台湾海峡的流动具有季节性，但未反映南海黑潮分支的存在；在冬季也未见有南海暖流出现，但在东沙群岛附近海域终年存在着1个气旋涡；（2）以黑潮为驱动机制时，黑潮通过巴士海峡侵入南海海域，并导致东沙群岛附近气旋性涡旋的形成。另外，模式体现黑潮南海分支、南海暖流及台湾暖流的存在，并表明广东沿岸大陆架坡折区底形效应的重要性；（3）以风应力及黑潮入流作为联合驱动机制时，模式的结果似为第1，2种情形结果的叠加。     

Forced Rossby wave in the northern South China Sea

Time-longitude diagrams of monthly anomalies of TOPEX/Poseidon sea surface height (SSH), Levitus steric height, COADS wind stress curl, as well as meridional surface wind averaged over the northern South China Sea (SCS) from 18° to 22°N, exhibit a coherent westward phase propagation, with a westward propagation speed of about 5 cm s⁻¹. The consistency between oceanic and atmospheric variables indicates that there is a forced Rossby wave in the northern SCS. The horizontal patterns of monthly SSH anomalies from observations and model sensitivity experiments show that the forced Rossby wave, originating to the northwest off Luzon Island, actually propagates west-northwestward towards the Guangdong coast because of zonal migration of the meridional surface wind. The winter Luzon Cold Eddy (LCE), which has been found from field observations, can be identified as a forced Rossby wave with a negative SSH anomaly in winter. It corresponds to strong upwelling and a negative temperature anomaly. Sensitivity experiments show that the wind forcing controls the generation of the LCE, while the Kuroshio is of minor importance.     

吕宋暖涡的三维观测特征及其数值模拟分析

基于2011年春季南海北部CTD观测数据,结合高度计资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System,ROMS)模式对1993-2003年的模拟结果,研究了吕宋暖涡(Luzon Warm Eddy)的空间结构和生成规律。结果表明:观测中吕宋岛西北海域存在一对冷暖涡旋,其中暖涡信号是一次典型的吕宋暖涡事件,水团中携带了部分的黑潮水;该吕宋暖涡对温盐、流场结构的影响能够达到中层以下,在垂向上呈现出西北向倾斜的特征,自表层至1000 m深度范围,倾斜距离超过70 km。受到5月来自黑潮区的高水位信号影响,吕宋暖涡生成于吕宋西北局地并逐渐发展增强,持续时间达30天以上,之后向西移动,同时其后缘常伴随生成一个冷涡。在10年的数值结果中,吕宋暖涡的生成、演变过程,及其三维结构的西北向倾斜特征均与观测较为一致,模式初步证明了吕宋暖涡的演变过程是一种季节性现象。     

南海东部中尺度涡生成机制

利用高度计海面高度异常数据和非线性1½层约化重力模式研究了南海东部中尺度涡的生成机制。模式结果表明，南海内区风场是南海东部中尺度涡生成的主要驱动力，且南海内区高频风场能解释约54%的南海东部中尺度涡。从西太平洋传来的信号同样有十分重要的作用，由西太区域高频风场大致能解释南海东部40%的中尺度涡。风驱动的赤道附近的海面异常信号能经过锡布图通道和民都洛海峡传播到吕宋岛西海岸，其中有部分能量会以罗斯贝波的形式往西传播。这种信号在西传的过程中会发生不稳定，可能形成孤立的涡旋。     

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.     

黑潮源区次表层的低频季节内变化

根据黑潮源区吕宋岛附近(18°N,122.5°E)投放的ADCP测得的流速,发现次表层流动与海表黑潮(Kuroshio,KC)流动并不一致,除了流动方向不同外,次表层吕宋潜流(Luzon Undercurrent,LUC)在500~1000 m深度存在一个低频季节内周期变化(120 d),这一变化并非由海表黑潮的季节性变化引起。针对这一现象,结合混合坐标海洋模式(Hybrid Coordinate Ocean Model,HYCOM)数据,使用涡动能(Eddy Kinetic Energy,EKE)分析并追踪100~200 d周期温盐和流速变化异常,最终得出结论:吕宋潜流季节内变化存在两个频率的周期,较高频季节内变化(80 d)是由表层黑潮区的中尺度涡传递到次表层产生的,而低频季节内变化(100 d以上)由136°E附近的中尺度涡旋经过6~7个月的运动到达吕宋岛沿岸产生的。     

中国南海区1992-2012年的中尺度涡旋演化过程表达与统计分析

Automated identification and tracking of mesoscale ocean eddies has recently become one research hotspot in physical oceanography. Several methods have been developed and applied to survey the general kinetic and geometric characteristics of the ocean eddies in the South China Sea（SCS）. However, very few studies attempt to examine eddies＇ internal evolution processes. In this study, we reported a hybrid method to trace eddies＇ propagation in the SCS based on their internal structures, which are characterized by eddy centers, footprint borders, and composite borders. Eddy identification and tracking results were represented by a GIS-based spatiotemporal model. Information on instant states, dynamic evolution processes, and events of disappearance, reappearance, split, and mergence is stored in a GIS database. Results were validated by comparing against the ten Dongsha Cyclonic Eddies（DCEs） and the three long-lived anticyclonic eddies（ACEs） in the northern SCS, which were reported in previous literature. Our study confirmed the development of these eddies. Furthermore, we found more DCE-like and ACE-like eddies in these areas from 2005 to 2012 in our database. Spatial distribution analysis of disappearing, reappearing, splitting, and merging activities shows that eddies in the SCS tend to cluster to the northwest of Luzon Island, southwest of Luzon Strait, and around the marginal sea of Vietnam. Kuroshio intrusions and the complex sea floor topography in these areas are the possible factors that lead to these spatial clusters.     

吕宋岛西侧中、深层环流的诊断分析

利用P矢量方法和第3版本的美国海军全球数字环境模式(GDEM)气候态月平均温、盐数据诊断分析了南海吕宋岛西侧中层与深层环流结构。结果显示在南海吕宋岛西侧中层存在一个反气旋涡,与前人在此处深层发现的气旋涡相反,且2个涡旋均与低盐中心位置相对应。诊断结果还表明中层反气旋涡从上到下流速逐渐减弱,深层气旋涡则随深度逐渐加强,在两涡旋之间的过渡层流速非常弱。中层反气旋涡的平均流速大小和低盐中心的平均盐度存在明显的季节变化,5—7月最强,这可能是中层环流在一定程度上受上层环流影响的表现。     

Baroclinic eddies south of Cheju Island in the East China Sea

The detailed structures of baroclinic eddies, that is, an anticlockwise circulation in the upper layer and a clockwise one in the lower layer south of Cheju Island in the East China Sea have been revealed by intensive field observation. Such baroclinic eddies are accompanied by the southward spreading of the Yellow Sea Bottom Cold Water.