吕宋海峡黑潮脱落涡旋的特征分析

涡旋脱落在西太平洋和南海的海水属性交换中起到重要作用。为研究吕宋海峡附近海域由黑潮脱落并进入南海的涡旋特征,本文采用1993—2014年法国空间局(AVISO)多卫星融合海面高度距平(SLA)和绝对动力地形(ADT)全球网格化延时数据,美国国家海洋数据中心(NODC)的WOA13年平均温盐剖面气候数据,以及1993—2010年SODA2.2.4月平均海洋同化数据集,并分析了黑潮脱落涡旋与大尺度环流的关系。结果表明:(1)暖涡脱落数量远多于冷涡数量,且脱落的冷涡绝大部分在黑潮西侧边缘生成,而脱落的暖涡则大部分在黑潮控制区生成。(2)冷涡、暖涡脱落时的平均半径、平均振幅相近,但是冷涡的平均生命、平均迁移距离约为暖涡的一半。(3)冷涡不是每年都有脱落,主要在冬季脱落;暖涡则每年均有脱落,主要发生在秋季。(4)脱落涡旋数量与脱落时的黑潮路径类型相关。(5)脱落涡旋的平均西行速度为5.8cm/s,与斜压第一模态长Rossby波波速及大尺度环流的西向平流流速之和相近。     

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。     

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。     

冬季台湾西南海域一对冷、暖中尺度涡的同化模拟研究

基于改进的1/30°分辨率的南海业务化预报系统,利用集合最优插值(En OI)同化方法对南海北部中尺度涡进行了同化模拟研究。模拟结果准确再现了2013年冬季发生在台湾岛西南海域的一对冷、暖中尺度涡的生成及传播过程。分析暖涡和冷涡成熟时期的垂向结构发现:暖涡中心温跃层深度超过200 m,而冷涡中心温跃层深度小于150 m;暖涡和冷涡经向和纬向流速均存在不对称性,相邻一侧流场强度明显偏强,对应较强的水平流速切变。上述特征与同时期南海中尺度涡观测实验结果基本一致。对暖涡和冷涡生成机制的分析印证了暖涡是由黑潮流套脱离生成的观点,同时指出冷涡是暖涡北侧较强的气旋式流速切变及西南向海流产生的离岸输运共同作用产生的。     

琉球群岛附近海域中尺度涡的初步研究

采用1977年1月至2006年12月高分辨率全球大洋环流模型OFES输出结果对琉球群岛附近海域的中尺度涡进行了研究分析。结果表明:(1)尺度较大的涡旋的分布密集区主要有台湾以东海域、琉球海沟上层海域和四国以南海域。(2)琉球海流流经海域的反气旋涡旋占优势,有利于琉球海流的发展。(3)琉球海流受中尺度涡的影响十分显著,纬度越低,其受中尺度涡的影响越明显,而黑潮相对比较稳定,受中尺度涡的影响并不显著。(4)四国以南海域暖涡从黑潮脱落之后向西南移动,该涡旋的移动对琉球海流和黑潮产生特别显著的影响。文章的最后还讨论了中尺度涡与黑潮弯曲以及琉球海流可能存在的联系。     

挟带黑潮高盐水的中尺度涡在南海北部的时空特征

吕宋海峡处涡致输运显著影响南海北部的热盐平衡。本文利用1993—2018年间的AVISO卫星数据,识别和筛选了南海北部76个黑潮脱落反气旋涡、46个黑潮伴生气旋涡、29个南海局地反气旋涡和40个南海局地气旋涡。分析发现,四类涡旋的平均非线性系数均远大于1,证实了筛选涡旋具有黑潮高盐水输运能力。涡旋传播路径受南海北部地形影响,在西向传播过程中向西南向偏移。相较于气旋涡,反气旋涡形成之后向南海北部移动了更远的距离。涡旋多形成于吕宋海峡中部,而随着纬度的升高或降低,形成概率逐渐减小。脱落(伴生)涡旋多形成于秋冬两季而夏季最少,以反气旋涡居多,平均每月反气旋涡要比气旋涡多2.5个;年平均脱落(伴生)涡旋数目约为4.6,且气旋涡并不是每年都形成。整体上,El Ni?o事件通过影响黑潮路径而使得黑潮脱落或伴生的涡旋数目增多。     

东海黑潮周边中尺度涡的分布、运动规律以及生成机制

为了探究东海黑潮周边涡旋分布、形成机理及运动规律,基于法国国家空间研究中心(CNES)卫星海洋学存档数据中心(AVISO)的中尺度涡旋数据集展开了研究。首先,统计了近27年东海黑潮周边的涡旋分布,发现在黑潮弯曲海域产生了650个涡旋,在黑潮中段海域产生了271个涡旋,其中直径100~150 km之间的涡旋数量最多,涡旋振幅主要集中在2~6 cm。其次,分析了东海黑潮的运动路径和涡运动过程,结果表明,黑潮气旋式弯曲海域内侧易产生气旋涡,且移动路径较长,如台湾东北海域黑潮流轴气旋式弯曲处产生的涡旋,其平均位移达到了87.6 km;当反气旋式弯曲海域内侧产生反气旋涡时,涡旋往往做徘徊运动。黑潮中段海域的涡旋呈现出气旋涡在黑潮主轴西侧、反气旋涡在黑潮主轴东侧的极性对称分布特征,两类涡都沿黑潮主轴向东北方向移动。最后,结合再分析的流场、海面高度数据,讨论了涡旋运动规律和生成机制。黑潮弯曲处涡旋的生成与黑潮流体边界层分离有关,奄美大岛南部到冲绳岛西侧的黑潮逆流对黑潮中段海域涡的极性对称分布起到了关键作用,涡旋在运动过程中通常经历生长、成熟和衰变三个阶段。     

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。     

黑潮延伸体海域典型涡旋的次中尺度特征分析*

本文基于卫星遥感资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模拟结果, 对黑潮延伸体海域典型中尺度涡旋的次中尺度特征进行了探讨。卫星观测和模拟结果显示, 黑潮延伸体涡旋海域伴随着活跃的次中尺度现象。涡旋演变与多尺度能量分析结果表明, 涡旋海域次中尺度动能的强弱与涡旋海域地转流动能有着密切联系, 锋生可能是涡旋边缘次中尺度动能增强的重要机制。次中尺度现象在中尺度涡旋海域具有沿地转流方向的复杂涡丝状结构特征, 意味着涡旋边缘较强的水平浮力梯度和地转流侧向剪切为次中尺度过程形成与发展提供了有利条件。此外, 垂向结构分析表明, 次中尺度过程能引起较大的垂向速度, 最大可达100m·day^-1, 该垂向速度可以影响至混合层下200m深度处, 对海洋内部的垂向物质能量交换、海—气相互作用等有着重要的影响。     

卫星高度计资料揭示的冬季南海吕宋冷涡的双涡结构

吕宋冷涡是南海海洋环流系中最重要的涡旋之一。利用卫星高度计资料时空较高分辨率的优势,发现冬季吕宋冷涡有可能是由2个气旋式涡旋所组成的,一个气旋式涡旋位于吕宋岛的西侧(LCE1),另一个位于吕宋岛的西北(LCE2)。利用相关分析、功率谱分析等,估计了局地风应力和黑潮在形成吕宋冷涡过程中各自的贡献。研究结果表明,LCE1只存在于冬季,与吕宋岛西侧局地的风应力旋度有关;LCE2位于进入吕宋海峡的黑潮的西侧,全年存在,可能是由黑潮所诱生的气旋式涡旋,其变化主要周期为季节内振荡。     

东海黑潮活跃区表层流场的半年内时间尺度变化研究

利用高时空分辨率的资料,对东海黑潮表层海流的半年内时间尺度变化特征进行了分析研究,得到主要以下结论:(1)东海黑潮表层海流在台湾东北海区和吐噶喇海峡附近海区存在着最为显著的变化;(2)那里的表层海流都存在半年内时间尺度的变化,其谱峰主要在50~70d及90~140d两个频段内,两个准周期变化的基本特征都是异常气旋涡和反气旋涡的准周期转换;(3)异常气旋涡和反气旋涡的活动都与东海黑潮在两个海区的流轴变化相联系,气旋涡与黑潮流轴在该海区的向东南退缩相伴,而反气旋涡与黑潮流轴在该海区的向西北推进相伴;(4)初步分析表明,在台湾东北海域导致50~70d变化的异常涡旋主要源于黑潮自身存在的中尺度过程,而90~140d的变化则主要受从台湾以东传来的中尺度涡影响。类似地,吐噶喇海峡附近的黑潮海流同样在50~70d及90~140d两个频段内存在显著的准周期变化,回归分析表明,导致50~70d变化主要源于上游黑潮海流的中尺度过程,而90~140d的变化则主要受琉球群岛以东传来的中尺度涡影响。     

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。     

南海环流动力机制研究综述

南海的环流复杂,但通过近20 a来的研究工作,国内外学者对此已取得了不少的成果.本文就南海环流框架性的问题,综述了有关的文献,认为对南海上层海洋三方面的环流分量的驱动机制已有了初步的认识.这三方面分别是:(1)准季节性风场;(2)黑潮向南海的净输运;(3)黑潮向南海的涡度平流输送.但是对这些驱动的时空变化仍相当不清楚.三者皆增强了南海北部的海盆尺度气旋式环流,其强化的西南向西边界流靠近东沙群岛,建议称为“东沙海流”.没有水文证据显示黑潮水是以分支形式进入南海,其向南海的输运也不可能主要通过中尺度涡过程,具体机制有待研究.每年在南海生成的中尺度涡平均约有10个,风场与沿岸地形所生成的强风应力旋度可能是其主要的驱动机制.作为框架性的认识,也有三方面的工作进行得较少,即:(1)吕宋海峡的上层水交换;(2)南海的中尺度涡生成机制,虽然强风应力旋度及前述的第三种环流驱动机制也有中尺度涡伴生;(3)自吕宋海峡进入的深层水对南海上层海洋环流的影响.     

A Review on the Currents in the South China Sea: Seasonal Circulation, South China Sea Warm Current and Kuroshio Intrusion

Researches on the currents in the South China Sea (SCS) and the interaction between the SCS and its adjacent seas are reviewed. Overall seasonal circulation in the SCS is cyclonic in winter and anticyclonic in summer with a few stable eddies. The seasonal circulation is mostly driven by monsoon winds, and is related to water exchange between the SCS and the East China Sea through the Taiwan Strait, and between the SCS and the Kuroshio through the Luzon Strait. Seasonal characteristics of the South China Sea Warm Current in the northern SCS and the Kuroshio intrusion to the SCS are summarized in terms of the interaction between the SCS and its adjacent seas.     

Trajectory of Mesoscale Eddies in the Kuroshio Recirculation Region

Trajectories of mesoscale eddies in the Kuroshio recirculation region were investigated by using sea surface height (SSH) anomaly observed by the TOPEX/POSEIDON and ERS altimeters. Cyclonic and anticyclonic eddies have been traced on maps of the filtered SSH anomaly fields composed from the altimeter observations every ten days. Both the cyclonic and anticyclonic eddies propagate westward in the Kuroshio recirculation region from a region south of the Kuroshio Extension. The propagation speed of these eddies has been estimated as about 7 cm s⁻¹, which is much faster than the phase speed theoretically estimated for the baroclinic first-mode Rossby wave in the study area. It was also found that in the Izu-Ogasawara Ridge region, most of eddies pass through the gap between the Hachijojima Island and Ogasawara (Bonin) Islands, and some of the eddies decay around the Izu-Ogasawara Ridge. It seems that the trajectory of the eddies is crucially affected by the bottom topography. In the region south of Shikoku and east of Kyushu, some of the eddies coalesce with the Kuroshio. It is also suggested that this coalescence may trigger the path variation of the Kuroshio in the sea south of Japan. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Surface current field and seasonal variability in the Kuroshio and adjacent regions derived from satellite-tracked drifter data

The muhiyear averaged surface current field and seasonal variability in the Kuroshio and adjacent regions are studied. The data used are trajectories and （1/4） ° latitude by （1/4） ° longitude mean currents derived from 323 Argos drifters deployed by Chinese institutions and world ocean circulation experiment from 1979 to 2003. The results show that the Kuroshio surface path adapts well to the western boundary topography and exhibits six great turnings. The branching occurs frequently near anticyclonic turnings rather than near cyclonic ones. In the Luzon Strait, the surface water intrusion into the South China Sea occurs only in fall and winter. The Kuroshio surface path east of Taiwan, China appears nearly as straight lines in summer, fall, and winter, when anticyclonic eddies coexist on its right side; while the path may cyclonically turning in spring when no eddy exists. The Kuroshio intrusion northeast of Taiwan often occurs in fall and winter, but not in summer. The running direction, width and velocity of the middle segment of the Kuroshio surface currents in the East China Sea vary seasonally. The northward intrusion of the Kuroshio surface water southwest of Kyushu occurs in spring and fall, but not in summer. The northmost position of the Kuroshio surface path southwest of Kyushu occurs in fall, but never goes beyond 31 °N. The northward surface current east of the Ryukyu Islands exists only along Okinawa-Amami Islands from spring to fall. In particular, it appears as an arm of an anti- cyclonic eddy in fall.     

黑潮延伸体区域脱落涡旋的三维合成结构研究

Using AVISO satellite altimeter observations during 1993–2015 and a manual eddy detection method, a total of 276 anticyclonic rings and 242 cyclonic rings shed from the Kuroshio Extension(KE) were identified, and their three-dimensional(3D) anomaly structures were further reconstructd based on the Argo float data and the Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology(JAMSTEC) cruise and buoy data through an interpolation method. It is found that the cyclonic(anticyclonic) rings presented consistent negative(positive) anomalies of potential temperature;meanwhile the relevant maximum anomaly center became increasingly shallow for the cyclonic rings whereas it went deeper for the anticyclonic rings as the potential temperature anomaly decreased from the west to the east. The above deepening or shoaling trend is associated with the zonal change of the depth of the main thermocline. Moreover, the composite cold ring between 140° and 150°E was found to exhibit a double-core vertical structure due to the existence of mode water with low potential vorticity. Specifically, a relatively large negative(positive) salinity anomaly and a small positive(negative) one appeared for the composite cyclonic(anticyclonic) ring at the depth above and below 600 m, respectively. The underlying driving force for the temperature and salinity anomaly of the composite rings was also attempted, which varies depending on the intensity of the background current and the temperature and salinity fields in different areas of the KE region, and the rings’ influences on the temperature and salinity could reach deeper than 1 000 m on average.     

Mesoscale Eddies Observed by TOLEX-ADCP and TOPEX/POSEIDON Altimeter in the Kuroshio Recirculation Region South of Japan

Mesoscale eddies in the Kuroshio recirculation region south of Japan have been investigated by using surface current data measured by an Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) installed on a regular ferry shuttling between Tokyo and Chichijima, Bonin Islands, and sea surface height anomaly derived from the TOPEX/POSEIDON altimeter. Many cyclonic and anticyclonic eddies were observed in the region. Spatial and temporal scales of the eddies were determined by lag-correlation analyses in space and time. The eddies are circular in shape with a diameter of 500 km and a temporal scale of 80 days. Typical maximum surface velocity and sea surface height anomaly associated with the eddies are 15–20 cm s^–1 and 15 cm, respectively. The frequency of occurrence, temporal and spatial scales, and intensity are all nearly the same for the cyclonic and anticyclonic eddies, which are considered to be successive wave-like disturbances rather than solitary eddies. Phase speed of westward propagation of the eddies is estimated as 6.8 cm s^–1, which is faster than a theoretical estimate based on the baroclinic first-mode Rossby wave with or without a mean current. The spatial distribution of sea surface height variations suggests that these eddies may be generated in the Kuroshio Extension region and propagate westward in the Kuroshio recirculation region, though further studies are needed to clarify the generation processes.