南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

一种使用卫星高度计数据且基于密度聚类的新型海洋中尺度涡自动探测算法

中尺度涡旋是海洋中典型的中尺度现象，是海洋中能量传递的运输者，中尺度涡识别与提取是物理海洋学研究的重要内容之一，而中尺度涡自动发现算法是最基础的用于寻找与分析中尺度涡的工具。中尺度涡旋探测工作的数据来源主要为卫星高度计数据融合出的SLA数据，该数据可以客观的描述海洋表层高度状态。中尺度涡表示为SLA闭合等值线所包围的局部等值区域，涡旋识别需要从SLA数据中提取出稳定的闭合等值线结构。针对基于SLA数据中的中尺度涡探测的特点，本文提出了一种新的基于聚类方法的中尺度涡自动识别算法，通过对SLA数据集的分割与筛选将中尺度涡区域与背景区域分离，后建立区域内联系并将其映射到SLA地图上来提取中尺度涡结构。本文算法解决了传统探测算法中参数设定的敏感性问题，不需要进行稳定性测试，算法适应性增强。算法中加入了涡旋筛选机制，保证了结果的涡旋结构的稳定性，提高了识别准确率。在此基础上，本文选取了西北太平洋及中国南海地区进行了中尺度涡探测实验，实验结果展示出了本文算法在较传统算法提高算法效率的同时，也保持着较高的算法稳定性，可以在稳定识别各个单涡结构的同时识别稳定的多涡结构。     

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。     

北太平洋中尺度涡温度垂直结构区域差别分析

利用在北太平洋海域(120°E~100°W,10°~60°N;)19a间(1993—2011年)识别追踪出的中尺度涡,结合该区域内的Argo浮标资料,初步探索了北太平洋不同区域之间涡旋垂直温度结构的差异性。通过对比北太平洋4个小区域(副热带逆流区域、黑潮延伸体区域、亲潮区域、东部加利福尼亚沿岸区域)内的涡旋发现:每个区域内气旋涡和反气旋涡的垂直温度结构具有很大的相似性,但不同区域之间则略有差异。其中黑潮延伸体区域跟其它区域的中尺度涡垂直温度结构有较大差别,该区域内中尺度涡温度异常值明显大于其它区域,冷暖核的深度比其它区域要深,并且从100~600 m的深度上都有较大的温度异常。     

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YOLO算法的海洋中尺度涡三维结构构建

海洋中尺度涡是一种常见的中尺度海洋现象,研究海洋中尺度涡的分布及运动特性对航运、气候、军事等具有重要作用,海洋中尺度涡的识别是海洋学和计算机科学领域的一个热门研究课题。运用深度学习的方法和框架,对中尺度涡的二维识别和三维结构构建展开研究分析。首先,获取全球海洋再分析数据并进行流线可视化,构建涡旋流线数据集;其次,利用YOLO v5s卷积神经网络对涡旋流线数据集进行训练,并对南海区域中尺度涡进行有效检测。实验结果表明,YOLO v5s训练后得到最优模型经过测试,平均检测精度均值达到了86.10%;最后,根据涡旋检测结果,对检测出的同时刻不同深度的涡旋判断是否属于同一涡旋,确定后进行该涡旋的三维结构构建。     

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。     

基于OceanDataView的中尺度涡分析研究

以西太平洋海域 2 个中尺度涡为例,利用 AVISO 卫星高度计观测的海平面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)数据、HYCOM 模式的温度、盐度数据及水下滑翔机实测数据,分析了 Ocean Data View 软件(ODV)在实现该区域中尺度涡运动特征规律研究的实用性,探讨了中尺度涡分析处理的关键技术和方法。 结果表明：利用 ODV 软件能够快速绘制海平面高度异常值和海表面流速的平面图,进而准确判别中尺度涡类型、追踪中尺度涡在海表面的水平空间尺度及演化特征;也可绘制任意航迹温、盐深断面图用于分析中尺度涡的垂直结构和判别涡结构类型;同时 ODV 软件也提供了垂直涡结构实测数据与模式数据对比分析模式,为中尺度涡研究提供强有力的分析工具和技术支撑方法。     

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。     

基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析

本文基于Chelton提供的涡旋数据集和浮标漂流轨迹提取的涡旋结果,对1993—2015年的全球涡旋进行特征信息对比分析。结果表明,在全球范围内高度计涡旋数据集中的欧拉涡旋和浮标漂流轨迹提取的拉格朗日涡旋的配对成功率在空间分布上并不均衡,在中纬度(20°—60°S,20°—60°N)配对成功率最高可达25%,而在20°S—20°N区域内配对成功率不到10%。由于低纬度地转效应并不显著,卫星高度计无法有效观测到涡旋,但通过浮标漂流轨迹识别出的拉格朗日涡旋却大量存在,这说明在低纬度区域内,采用漂流浮标手段对涡旋进行观测,能够有效地弥补卫星高度计识别涡旋的区域限制。进一步分析表明,总体而言,提取的欧拉涡旋半径要大于拉格朗日涡旋闭合回路半径。两种识别方法获得的涡旋(闭合回路)在20°—50°S, 20°—50°N的副热带和中纬度海区半径大致相当; 20°S—20°N度以内(特别是近赤道区域)、高纬度区域以及西边界流区域,欧拉涡旋半径是同期拉格朗日涡旋闭合回路半径的3倍或更多。此外,对配对涡旋的Rossby数分析结果显示,拉格朗日涡旋较小的闭合回路对应较大的平均相对涡度,这表明浮标在被中尺度涡俘获后,更容易在相对涡度较大的地方(如中尺度涡中心、中尺度涡边缘等)形成闭合回路。     

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。     

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。     

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。     

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.     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现,其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前,对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而系统地认识中尺度涡带来的物质和能量输送。     

中国“海洋一号”卫星图像上的冯·卡门大气涡街现象与动力分析

利用中国"海洋一号(HY-1B)"卫星海洋水色水温扫描仪(COCTS)和美国Terra卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)等观测数据对2011年3月2日济州岛东南海域的冯·卡门(von Kármán)大气涡街现象进行了观测和动力分析。COCTS和MODIS观测得到大气涡街涡列距离和涡旋间距比(h/a)均值分别为0.32和0.35;在大气涡街发生海域存在低风速海面风涡旋和海面温度暖舌;济州岛的大气垂直结构存在一逆温层。利用COCTS和MODIS伪彩色合成图观测时间差异,计算得到涡旋移动速率为12.2 m/s,而分别利用它们各自的几何观测参数(h/a),结合涡街动力模型计算得到涡旋移动速率分别为12.8 m/s和12.3 m/s。利用上述观测结果计算得到大气涡街个例的脱落频率为1.24×10-4 s-1,脱落周期为134 min,其中雷诺数范围为60~75,涡街运动学黏性系数范围为2 200~2 750,弗劳德数为0.10,罗斯比数为0.43。分析结果表明中国"海洋一号"卫星数据可用于冯·卡门大气涡街等海洋大气现象的定量化研究。     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要的作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而可对中尺度涡带来的物质和能量输送进行系统认识。     

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。     

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。