基于HYCOM数据对中尺度涡统一三维结构的研究

通过分析HYCOM模式数据,利用基于物理特性的Okubo-Weiss参数化涡旋探测方法,对西北太平洋副热带逆流区中尺度涡进行探测识别,应用归一化和坐标变换方法得到了中尺度涡的统一三维结构。其中,中尺度涡的统一水平结构可以用解析函数R(r_n)=(1-r_n~2/4)·exp(-r_n~2/4)表示,与利用卫星观测资料和Argo剖面浮标得到的全球范围内统一水平结构R(r_n)=(1-r_n~2/2)·exp(-r_n~2/2)存在差异,产生这种差异的原因可能是由于模式数据分辨率高,导致在涡旋识别过程中将小尺度、次中尺度信号引进,还可能是对压强异常场进行处理时存在季节信号带来的影响。此外,2倍标准化半径范围外涡旋的压强异常分布具有明显的区域差异性,这也可能是导致统一水平结构存在差异的原因。在拉伸坐标系下中尺度涡的统一垂直结构可以表示为H_n=sin(z_n)正弦函数形式,与全球范围内观测资料得到的统一垂直结构一致。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构,海洋中尺度涡旋的演变(时间上的生消和空间上的迁移)是南海环流季节调整的可能方式。文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实,采用一个改进了涡分辨(eddy-resolving)普林斯顿海洋模式(POM),对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究,初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史。计算结果表明,在实际的气候冬季风应力驱动下,具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋。文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构。由此可以得知,在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段,上述动力学因子的重要性是相对的。不同的敏感性试验表明,斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子;边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素。     

南海中尺度涡对深层流调控作用的个例研究

南海深层环流作为印太海域热盐环流的重要组成部分,研究其时间变异特征对于深入认识印太海域大洋环流具有重要意义。中尺度涡作为南海极为活跃的动力过程,有观测显示其影响深度可超过2000m。结合海表面高度计资料与潜标观测资料,识别南海区域中尺度涡,并分析了中尺度涡对深层流场以及温度场的影响。针对三个中尺度涡的潜标实测结果表明:在涡旋经过时,海洋深层流动有明显的变异,表现在速度、温度方面,速度增加量能达到5.5cm/s,温度变异可达到0.02℃。涡旋经过时,海洋上层、深层流向呈相反态势,第一斜压模动能显著增强。     

南印度洋中尺度涡统计特征及三维合成结构研究

南印度洋是海洋中尺度涡的多发区域。本文利用卫星高度计资料及Argo浮标资料,对南印度洋（10°~35°S, 50°~120°E）区域中尺度涡的分布、表观特征等进行了统计分析,采用合成方法,构建了该区域中尺度涡的三维温盐结构。结果表明,涡旋频率呈明显的纬向带状分布,在18°~30°S存在一个明显的涡旋频率带状高值区;涡旋半径具有由南至北逐渐增大的趋势;长周期涡旋在其生命周期内,半径、涡动能、涡能量密度、涡度等性质均经历了先增大而后减小的过程;涡旋以西向运动为主,在经向上移动距离较小,长周期气旋（反气旋）涡具有明显的偏向极地（赤道）移动的倾向;涡旋平均移动速度为5.9 cm/s,速度大小大致沿纬向呈带状分布。在混合层以下,气旋涡（反气旋涡）内部分别呈现明显的温度负（正）异常,且分别存在两个位温负（正）异常的冷（暖）核结构;气旋涡（反气旋涡）整体上呈现"正-负"（"负-正"）上下层相反的盐度异常结构。中尺度涡对温盐的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

基于Voxler平台的太平洋中尺度涡合成三维结构

为深入研究太平洋中尺度涡的三维结构特征,解决常规一维剖面和二维平面图对温盐空间分布规律分析不足的弊端,文章在三维结构合成分析的基础上首次引入Voxler平台,建立太平洋中尺度涡温盐要素的三维数据模型,实现太平洋中尺度涡三维结构的可视化表达,利用历史观测数据合成的太平洋中尺度涡三维结构,对温盐结构特征进行直观的全空间三维分析。研究结果表明:太平洋反气旋涡温度异常的主体结构深度约200m,呈鹅卵石状,涡旋结构可维持到1 000m;盐度异常的主体结构深度约300m,呈水平扁平水滴状,涡旋结构仅维持约800m;与盐度异常的三维结构相比,温度异常结构较复杂,且涡旋结构更明显,到达深度也更深,即温度受中尺度涡的影响更显著。     

南海中尺度涡研究进展

根据维基百科的定义(https:∥en.wikipedia.org/wiki/Edd),海洋中水平直径在10~500km、持续时间由数天至数月之间的水平旋转水体通称为中尺度涡。南海中尺度涡最早发现于1956年,60a来的观测与研究表明,南海是中尺度涡多发、频发海区。南海中尺度涡研究大致经历了早期发现、将中尺度涡当作单体运动现象研究、统计分析和当作群体运动现象研究等阶段,本文概要评述南海中尺度涡研究发展史和近年最新研究进展。经过60a的观测与研究,南海中尺度涡的宏观特征,包括三维结构和运动学,已大致清楚。南海中尺度涡全年皆可发生,主要分布在水深大于1 000m的深海盆,其中吕宋海峡以西和海盆西边界最为集中,气旋式冷涡和反气旋式暖涡发生概率大致相同。南海中尺度涡海面半径大多分布在50~150km,半径随水深减小,平均水平尺度比太平洋的涡旋要小。涡旋个数逐月变化,但季节规律不明显;年际变化幅度约20%,但与ENSO无明显对应关系;年平均个数的统计结果不一,最少11个·a~(-1),最多49个·a~(-1)。南海中尺度涡旋转流场从表层一直延伸到海底,流矢量表层(100m)最大(可达40cm·s~(-1)),随水深减小,2 000m仍可达3.5~5.0cm·s~(-1),但相对涡旋中心不对称,涡轴线向西倾斜。南海中尺度涡以2.0~9.0cm·s~(-1)的速度向西传播,低速区分布在深海盆东边界和西南部分海域。海面涡度平均值在5.4×10~(-6)~20×10~(-6) s~(-1)区间,高于太平洋平均值。近期研究把南海中尺度涡视为群体运动现象,先后提出长寿涡列、驻波模态和罗斯贝标准模等新概念。关于南海中尺度涡的发生机制,前人多认为黑潮和南海局地为起源。最新观点认为以罗斯贝波和中尺度涡为表现形式的太平洋中尺度扰动直接进入南海,并与海盆固有振荡模态发生共振,从而构成太平洋起源。而南海中尺度涡耗散过程、中尺度涡与其他海洋过程的相互作用有待进一步研究。     

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。     

基于深度学习的中尺度涡检测技术及其在声场中的应用

针对海洋中尺度涡的检测与参数提取问题,本文使用中尺度涡SAR图像数据集,提出基于深度学习的EddyYolo目标检测模型进行中尺度涡的涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,并且提取涡心位置和涡旋水平半径等参数.实验结果表明:本文提出的EddyYolo模型实现了涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,检测准确率达到94%.在此基础上,结合二维高斯涡模型和三维中尺度涡模型,本文提出了基于卫星遥感与声学对中尺度涡的联合建模方法.     

基于CORA2再分析数据的南海中尺度涡时空分布特征初步研究

利用南海20 a逐日海流再分析资料对南海海域中尺度涡进行时空特征分析。经过数据处理、涡漩识别、统计分析等方法,对南海海域中尺度涡空间分布、时间分布、生命周期、空间尺度、移动路径、移动速度、影响频率等特征进行分析,对南海中尺度涡进行全面详细的解读。研究发现:涡旋出现位置跟南海200 m等深线较一致。大部分涡旋周期都集中在30 d以内,直径大都在100~300 km,主要向西南方向移动,速率在15~20 cm/s的涡旋比例最高。反气旋式中尺度涡影响频率要大于气旋式中尺度涡的影响频率,主要影响区域大致在200 m等深线以内海域。     

南海及西北太平洋卫星高度计资料分析:海洋中尺度涡统计特征

采用AVISO提供的卫星高度计融合数据,对南海及西北太平洋(5°～35°N,105°～150°E)1993～2009年17a间的中尺度涡活动进行统计分析.结果表明南海中尺度涡活动具有明显的年际变化,每年观测到产生的中尺度涡个数平均为21～22个,标准差约为4个,占年平均值的20%;而西北太平洋中尺度涡个数的年际差异不大,平均每年观测到150～151个中尺度涡产生,标准差约为14个,仅占年平均值的9%.中尺度涡的逐月统计结果表明南海和西北太平洋的中尺度涡活动均有明显季节变化,1993～2009年间的各月南海和西北太平洋分别观测到30～31个和213～214个中尺度涡产生,标准差分别约为6个和41个,均占各自月平均值的19%.中尺度涡主要集中分布在南海东北部、越南东部和黑潮流轴附近海域.涡动能、海面高度距平均方根以及涡度均方根的空间分布大致与涡旋个数分布一致,但在西北太平洋的低纬海区和黑潮延伸体区域则不甚吻合.在相同的涡旋判别标准下,西北太平洋低纬海区(5°～15°N)观测到的中尺度涡个数比中高纬海区要少得多.     

南海中尺度涡年际变化特征及动力机制分析

基于Okubo-Weiss函数方法对20年高度计资料进行涡旋识别,分析了南海中尺度涡的时空分布,初步研究了中尺度涡旋活动的年际变化特征及其可能的动力机制。结果显示,南海中尺度涡旋活动具有较为显著的年际变化特征,通过对涡旋个数、涡区面积、涡动能计算分析表明涡旋活动与ENSO现象遥相关:南海中尺度涡活动在ElNio年较弱,在LaNia年较强。可用风场异常解释南海中尺度涡的年际变化与ENSO现象的负相关关系。ElNio期间南海年平均意义下的东北风场减弱,风应力旋度绝对值减小,从而导致了较弱的涡旋活动,相反LaNia期间强劲的风场导致了涡旋活动增强。     

基于四维变分同化方法的南海中尺度涡后报实验

海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。     

Three-dimensional properties of mesoscale cyclonic warm-core and anticyclonic cold-core eddies in the South China Sea

In general, a mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy has a colder (warmer) core, and it is considered as a cold (warm) eddy. However, recently research found that there are a number of “abnormal” mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddies associated with warm (cold) cores in the South China Sea (SCS). These “abnormal” eddies pose a challenge to previous works on eddy detection, characteristic analysis, eddy-induced heat and salt transports, and even on mesoscale eddy dynamics. Based on a 9-year (2000–2008) numerical modelling data, the cyclonic warm-core eddies (CWEs) and anticyclonic cold-core eddies (ACEs) in the SCS are analyzed. This study found that the highest incidence area of the “abnormal” eddies is the northwest of Luzon Strait. In terms of the eddy snapshot counting method, 8 620 CWEs and 9 879 ACEs are detected, accounting for 14.6% and 15.8% of the total eddy number, respectively. The size of the “abnormal” eddies is usually smaller than that of the “normal” eddies, with the radius only around 50 km. In the generation time aspect, they usually appear within the 0.1–0.3 interval in the normalized eddy lifespan. The survival time of CWEs (ACEs) occupies 16.3% (17.1%) of the total eddy lifespan. Based on two case studies, the intrusion of Kuroshio warm water is considered as a key mechanism for the generation of these “abnormal” eddies near the northeastern SCS.     

吕宋海峡西部深海盆内孤立波潜标观测研究

Mesoscale eddies have been suggested to have an impact on biological carbon fixation in the South China Sea （SCS）. However, their overall contribution to primary production during the spring inter-monsoon pe riod is still unknown. Based on large-scale biological and environmental in situ observations and synchro nous remote sensing data, the distribution patterns of phytoplankton biomass and the primary production, and the role of mesoscale eddies in regulating primary production in different eddy-controlled waters were investigated. The results suggested that the surface chlorophyll a concentrations and water column inte grated primary production （IPP） are significantly higher in cyclonic eddies and lower in the anticyclonic eddies as compared to that in non-eddy waters. Although eddies could affect various environmental factors, such as nutrients, temperature and light availability, nutrient supply is suggested to be the most important one through which mesoscale eddies regulated the distribution patterns of phytoplankton biomass and pri mary production. The estimated IPP in cyclonic and anticyclonic eddies are about 29.5% higher and 16.6% lower than the total average in the whole study area, respectively, indicating that the promotion effect of mesoscale cold eddies on the primary production was much stronger than the inhibition effect of the warm eddies per unit area. Overall, mesoscale eddies are crucial physical processes that affect the biological car bon fixation and the distribution pattern of primary production in the SCS open sea, especially during the spring inter-monsoon period.     

吕宋海峡两侧中尺度涡统计

利用1993-2000年间的T/P卫星高度计轨道资料的时间序列和MODAS同化产品中的卫星高度计最优插值资料对南海东北部海区中尺度涡旋进行动态追踪。按照给定的标准从2种资料中提取了涡旋信息并对其特征量进行统计分析。结果表明,南海东北部海区中尺度涡旋十分活跃,平均每年6个,其中暖涡4个,尺度一般为200~250 km,平均地转流速为44 cm/s;冷涡每年平均2个,尺度一般为150~200 km,平均地转流速为-37 cm/s。吕宋海峡两侧涡旋的比较分析表明,南海东北部海区仍属于西北太平洋副热带海区的涡旋带,冷、暖涡旋处于不断的形成—西移—消散过程中。南海东北部中尺度冷涡大多是南海内部产生的,而暖涡与吕宋海峡外侧暖涡有一定的联系又具有相对的独立性。分析认为西北太平洋的西行暖涡在到达吕宋海峡时,受到黑潮东翼东向下倾的等密度面的抑制和岛链的阻碍,涡旋停滞于吕宋海峡外侧并逐渐消弱,被阻挡于吕宋海峡东侧涡旋释放的能量,形成一支横穿吕宋海峡(同时横穿过黑潮)的高速急流,把能量传递给吕宋海峡西侧的涡旋,使其得到强化,这是吕宋海峡两侧涡旋联系的一种重要机制。     

Mesoscale eddies in the South China Sea and their impact on temperature profiles

Some life history statistics of the mesoscale eddies of the South China Sea (SCS) derived from altimetry data will be further discussed according their different formation periods.A total of three ATLAS (autonomous temperature line acquisition system)mooring buoys data will be analyzed to discuss eddies‘ impact on temperature profiles.They identify that the intraseasonal variation of SCS thermocline is partly controlled by mesoscale eddies.     

基于生成对抗网络模型的热带和亚热带海洋中尺度涡预报研究

中尺度涡蕴含海洋超过90%的动能, 显著影响海洋物质能量循环。对中尺度涡的预报是目前物理海洋学研究的热点和难点。文章基于卫星高度计观测的近30年海表面高度异常数据(sea level anomaly, SLA), 采用基于博弈思想的生成对抗网络方法(generative adversarial networks, GAN), 构建了中尺度涡预报模型, 进行了28天预报, 并采用独立样本分析了预报涡旋的空间分布、时间分布、能量强度等特征参数, 探讨影响预报结果准确性和时效性的主要因素。结果表明, 半径为100~200km的涡旋在15天左右的预报时长仍能保持较好的准确性及时效性, 误差在20%以内。该区域的平均涡动能约为0.875m²·s^-2, 其预报的均方根误差(root mean square error, RMSE)普遍介于0.02~0.04m²·s^-2。且涡旋预报结果受异常天气影响较小, 在正常天气条件和台风娜基莉条件下具有相似的预报能力。这些结果对进一步理解并应用生成对抗网络这一新方法预报海洋中尺度涡提供了参考。     

Three-dimensional structure of an observed cyclonic mesoscale eddy in the Northwest Pacific and its assimilation experiment

Mesoscale eddies play an important role in modulating the ocean circulation. Many previous studies on the threedimensional structure of mesoscale eddies were mainly based on composite analysis, and there are few targeted observations for individual eddies. A cyclonic eddy surveyed during an oceanographic cruise in the Northwest Pacific Ocean is investigated in this study. The three-dimensional structure of this cyclonic eddy is revealed by observations and simulated by the four-dimensional variational data assimilation(4 DVAR) system combined with the Regional Ocean Modeling System. The observation and assimilation results together present the characteristics of the cyclonic eddy. The cold eddy has an obvious dual-core structure of temperature anomaly.One core is at 50–150 m and another is at 300–550 m, which both have the average temperature anomaly of approximately-3.5°C. The salinity anomaly core is between 250 m and 500 m, which is approximately-0.3. The horizontal velocity structure is axis-asymmetric and it is enhanced on the eastern side of the cold eddy. In the assimilation experiment, sea level anomaly, sea surface temperature, and in situ measurements are assimilated into the system, and the results of assimilation are close to the observations. Based on the high-resolution assimilation output results, the study also diagnoses the vertical velocity in the mesoscale eddy, which reaches the maximum of approximately 10 m/d. The larger vertical velocity is found to be distributed in the range of 0.5 to 1 time of the normalized radius of the eddy. The validation of the simulation result shows that the 4 DVAR method is effective to reconstruct the three-dimensional structure of mesoscale eddy and the research is an application to study the mesoscale eddy in the Northwest Pacific by combining observation and assimilation methods.     

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.