卫星跟踪浮标和卫星遥感海面高度中的南海涡旋结构

选择4个南海卫星跟踪Argos漂流浮标及同期的TOPEX／Poseidon卫星遥感海面高度资料，研究了南海海域涡旋的活动及空间结构。这4个Argos漂流浮标的轨迹除了基本符合各季节海盆尺度环流趋势外，分别在菲律 宾以西、越南外海、南海中部等海域呈现出中尺度旋转轨迹。这些尺度涡旋现象在同期的TOPEX卫星遥感海面高度异常（SSHA）分布中得到了准确印证，并在诊断得到的地转流场中对应了一系列瞬变的中尺度涡旋运动。     

梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量，但时空分辨率较低，对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率，增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力，本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验，对海平面高度进行沿轨采样，经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外，本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明，梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好，与成像高度计探测结果相近。     

南海中尺度涡旋海表温度特征统计研究

中尺度涡旋在海洋中无处不在,研究中尺度涡旋的海表温度(SST)对于研究中尺度涡旋上的海气相互作用具有重要意义。本文使用南海2000—2015年的SST和海面高度异常(SSHA)卫星观测数据,分析了南海不同振幅范围中尺度涡内SST的特征。研究表明,不是所有的反气旋涡(气旋涡)内的SST异常(SSTA)都是正(负)的,大约35%(29%)的反气旋涡(气旋涡)与SSTA呈正相关,且在不同振幅范围下表现出不同的空间和季节变化。中尺度涡旋内合成SSTA与SSHA表现出位相不一致,反气旋涡(气旋涡)内的SSTA的最大值(最小值)相对于涡心偏向于赤道(两极)方向。涡旋内SSTA与SSHA呈线性相关,反气旋涡(气旋涡)振幅每增加1 cm,涡旋内平均SSTA则增加(降低)0.02(0.01)℃。     

南海中尺度涡上海面热通量异常的季节变化

利用1999—2009年基于卫星观测反演的湍流热通量数据,并结合最新的涡旋数据集,通过合成分析的方法研究了南海涡旋导致的湍流热通量异常的季节差异及形成机理。结果表明,涡旋引起的热通量异常的水平分布表现出明显的季节差异,与涡旋导致的海表温度(SST)异常的分布特征相一致:在冬季表现为非中心对称(类似于偶极子)分布特征,而夏季则为中心对称(类似于单极子)分布特征。在涡旋内部旋转流场的作用下,因南海在不同季节其背景SST的分布不同,使得涡旋导致的热平流异常也显著不同,进而使得伴随涡旋的SST异常分布表现为单极型和偶极型。在SST异常的作用下,海面热通量异常分布也表现出相似的分布特征和季节差异。进一步分析发现,涡旋引起的热通量异常与SST异常呈线性关系,且两者的线性拟合斜率也表现出显著的季节变化:冬季的拟合斜率大于夏季。通过分析背景场的季节特征发现,背景风速和海气温差的季节差异是造成拟合斜率季节变化的主要原因。     

基于2005~2019年卫星遥感观测的南大洋印度洋扇区中部涡旋特征分布研究

在南大洋印度洋扇区中部海域,除了地形控制(凯尔盖朗高台),南极绕极流和厄加勒斯回流的汇合流进一步加强了下游的斜压剪切强度,导致涡旋能量显著增强,因此,对该海域涡旋的研究有助于了解该海域的涡旋特征以及地形与涡旋的分布关系。基于2005~2019年卫星遥感数据,对该海域涡旋特征进行统计,并对涡旋产生地分布、跨锋面涡旋的移动状况进行分析,同时结合Argo剖面数据,进一步剖析涡旋内部水文分布特征。结果表明:该海域涡旋生命周期多在20 d以内(64.25%),平均半径多在30~100 km(96.13%);平均半径与平均振幅呈正相关关系(相关系数R=0.55);生命周期越大的涡旋平均传播距离也越大。2014年开始涡旋数量明显增加,主要由短寿命涡旋(<30 d)数量增加所贡献。反之, 21世纪10年代后期年平均涡动能异常呈减小趋势。涡旋产生地随着寿命增长,逐渐从亚南极锋与南极绕极流南部边界之间的锋面区域向亚南极锋以北移动。跨锋面涡旋中,暖涡向高纬,冷涡向低纬移动,大部分具有携带水团移动的能力。由涡旋内部水文特征分析结果可知,不同极性的涡旋能够实现完全不同来源水团的远距离输送,对同一来源水团,气旋涡具有抬升作用,而反气旋涡具有压沉作用。该研究工作有助于提升对南大洋涡旋特征及变动的认识,为进一步的涡旋动力研究提供支撑。     

南海西边界流区域涡旋特征及两类冬季环流对涡致热输运的调制

本文基于观测数据和模式产品,探讨了南海西边界流(South China Sea western boundary current, SCSwbc)区域海洋涡旋的统计特征、涡致热输运并重点探讨了两类冬季环流形态及其风场分布对它们的影响。结果表明研究区域的涡旋气候态上存在旋转速度很强,半径较大,振幅略高于平均值的涡旋统计特征,其中气旋式涡旋(cyclonic eddy, CE)的占比约为56.8%。并且涡旋的生成和消亡主要发生在冬/春季,而涡旋的振幅、半径和旋转速度在夏/秋季发展到顶峰。年际时间尺度上,年平均经向风应力与反气旋式涡旋(anticyclonic eddy,AE)的振幅、半径、旋转速度和消亡均有较好的相关性,但与CE特征的相关性并不好。“O”型冬季环流模态下,风场和南海西边界流显著减弱,冬季环流在越南沿岸发生向东分支。涡旋在“O”模态下吸收平均流能量迅速发展,在越南沿岸东部地区产生了强的涡致热输运(eddy-induced heat transport, EHT)。同时,涡旋内部旋转速度减小且反气旋式涡旋个数减少;“U”型冬季环流模态下,情况则相反。     

北太平洋副热带逆流区中尺度涡旋的统计特征及其分布规律

本文基于卫星高度计得到的全球非线性中尺度涡旋数据集,分析了北太平洋副热带逆流(Subtropical Countercurrent.STCC)区域中尺度涡旋的统计特征,包括其基本特征、空间分布、传播特征、季节和年际变化;给出了该区域涡旋振幅、半径、旋转速度和罗斯贝数的分布直方图,并利用瑞利分布和对数正态分布对其进行了拟合。结果显示,涡旋振幅、半径、旋转速度和罗斯贝数的直方图很好地服从于对数正态分布。此外,通过与北太平洋中涡旋的对比研究,我们发现在STCC区中对数正态分布的拟合效果更好。本研究提高了对STCC区域中尺度涡旋统计特征的认识,明确了其与大洋中涡旋的区别;通过对数正态分布对涡旋特征的拟合,清晰地体现出了其分布规律,这在很大程度上降低了对观测数据的依赖,从而帮助我们更加有效地判断和预测涡旋特征的变化,同时为数值模式中涡旋的参数化提供了依据。     

冬季黑潮延伸体区域涡旋尺度海面温度季节内变化特征

利用ERA_interim再分析资料以及OISST高分辨率海面温度(Sea surface temperature,SST)卫星观测数据,通过小波分析、二维模态相关(Pattern correlation)等方法系统地分析了黑潮延伸体区域涡旋尺度SST信号的季节内变化特征。发现涡旋尺度SST季节内变化信号在冬季最强、夏季最弱。该信号主要分布在黑潮-亲潮海洋锋面区域,在日本沿岸振幅最强、并沿黑潮、亲潮锋面向东延伸,其标准差高达1℃,是该海域冬季SST的重要变化信号。涡旋尺度SST的季节内变化周期以40～100 d周期为主,会引起大气边界层的响应,激发海气界面湍流热通量、海面气温、边界层高度等同位相的季节内变化。在该区域涡旋信号较强个数较多的时间段SST异常的季节内变化信号更明显,边界层大气与涡旋尺度SST季节内变化信号的相关程度更大。     

黑潮延伸体区域50~100 km涡旋分布特征

本文使用基于热成风速度的涡旋识别拓展方法,通过海表面温度数据对黑潮延伸体区域50~100 km涡旋进行研究,发现50~100 km涡旋主要分布在黑潮延伸体流轴两侧,气旋涡和反气旋涡的寿命、半径分布具有一致性。气旋涡多出现在35°N以北,反气旋涡在35°N以南比较集中,与尺度较小的中尺度涡旋分布特征较为相似。冬夏两季涡旋地理分布存在一定差异,主要与不同季节该区域海表温度梯度及风应力旋度的变化有关。35°N以南50~100 km涡旋数量的季节性变化与风速大小的季节性变化存在明显的正相关性。35°N以南50~100 km涡旋三倍半径内风速异常和风应力旋度归一化表明,气旋涡对应风速负异常而反气旋涡对应风速正异常,反气旋涡的产生依赖于风应力负旋度,气旋涡的生成与风应力正旋度有关。     

黑潮延伸体区域50-100公里涡旋分布特征

本文使用基于热成风速度的涡旋识别拓展方法,通过海表面温度数据对黑潮延伸体区域50-100公里涡旋进行研究,发现50-100公里涡旋主要分布在黑潮延伸体流轴两侧,气旋涡和反气旋涡的寿命、半径分布具有一致性。气旋涡多出现在35°N以北,反气旋涡在35°N以南比较集中,与尺度较小的中尺度涡旋分布特征较为相似。冬夏两季涡旋地理分布存在一定差异,主要与不同季节该区域海表温度梯度及风应力旋度的变化有关。35°N以南50-100公里涡旋数量的季节性变化与风速大小的季节性变化存在明显的正相关性。35°N以南50-100公里涡旋三倍半径内风速异常和风应力旋度归一化表明,气旋涡对应风速负异常而反气旋涡对应风速正异常,反气旋涡的产生依赖于风应力负旋度,气旋涡的生成与风应力正旋度有关。     

基于追踪数据的全球中尺度涡旋偶极子自动识别方法

海洋中的涡旋在传播过程中相互吸引并以偶极子的形式进行传播是一种常见的海洋现象,这些偶极子在输送海水、养分和其他物质方面发挥着重要作用。本文提出了一种基于海表面高度异常数据得到的涡旋轨迹数据的全球偶极子自动识别方法。通过使用K–D树切割空间的方法,对1993年1月至2016年9月间的涡旋轨迹数据进行计算,共发现了生命周期超过了60 d的86 662对向西运动的偶极子和30 590对向东运动的偶极子。结合提取结果,本文对偶极子在全球范围内的特性进行了统计分析,并结合海表面温度异常、盐度异常数据验证了自动识别算法的可靠性。最后,本文分析了具有伴随时间长、传播速度快、纠缠传播特点的偶极子传输模式和传播特性。     

基于海面高度数据的全球海洋多核涡旋探测和统计

This study produced a statistical analysis of multicore eddy structures based on 23 years' altimetry data in global oceans. Multicore structures were identified using a threshold-free closed-contour algorithm of sea surface height, which was improved for this study in respect of certain technical details. Meanwhile a more accurate definition of eddy boundary was used to estimate eddy scale. Generally, multicore structures, which have two or more closed eddies of the same polarity within their boundaries, represent an important transitional stage in their lives during which the component eddies might experience splitting or merging. In comparison with global eddies, the lifetimes and propagation distances of multicore eddies were found to be much smaller because of their inherent structural instability. However, at the same latitude, the spatial scale of multicore eddies was found larger than that of single-core eddies, i.e., the eddy area could be at least twice as large. Multicore eddies were found to exhibit some features similar to global eddies. For example, multicore eddies tend to occur in the Antarctic Circumpolar Current, some western boundary currents, and mid-latitude regions around 25°N/S, the majority(70%) of eddies propagate westward while only 30% propagate eastward, and large-amplitude eddies are restricted mainly to reasonably confined regions of highly unstable currents.     

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。     

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.     

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。     

南海东北部中尺度涡对海表叶绿素a浓度的影响规律研究

基于南海东北部1998~2019年的多源卫星遥感数据和风场再分析数据, 较系统地分析了南海东北部涡旋内部叶绿素a浓度的分布特征, 通过量化统计和涡心坐标系参数合成等方法探究了中尺度涡对叶绿素a浓度变化的影响规律及潜在机制。结果表明: (1)南海东北部约有60%的中尺度涡旋内部存在叶绿素a浓度增加和减少的现象。(2)南海东北部中尺度涡内部叶绿素a扰动受到涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸机制的共同调控, 其中约有38% (39%)的暖(冷)涡内涡旋抽吸的贡献更大, 21% (24%)的暖(冷)涡内涡致Ekman抽吸的贡献更大。(3)南海东北部中尺度涡生命周期内的海表叶绿素a浓度变化存在显著的阶段性差异, 在冷暖涡的生成期, 涡旋抽吸的作用更为显著, 而在冷暖涡的顶峰和消亡期, 涡致Ekman抽吸的作用更为明显。上述研究结果有助于理解南海东北部初级生产力对中尺度涡的响应过程与机理, 对认识海洋物理-生物耦合过程具有一定的参考价值和研究意义。     

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。     

2000年8月南海中部与南部海洋温、盐与环流特征

根据2000年8—9月份南海中部与南部航次的温、盐资料，采用P—矢量诊断方法，结合ADCP测流资料和同期伪风应力资料以及TOPEX／Poseidon高度计资料，研究了2000年夏季风持续强迫之后南海大尺度环流与中尺度涡旋的空间结构。结果表明，南海夏季温度和盐度水平分布随深度有显著的变化：中层(250—400m左右)温、盐水平分布与其它各层的温度和盐度分布相比有很大的差异。用诊断方法计算得到的环流场与用TOPEX／Poseidon海面高度计资料计算得到的地转流场比较一致，即流场内部有多个中尺度的涡旋，主要有越南东南外海反气旋涡、中沙群岛东南反气旋涡以及南沙群岛东北角的气旋涡等，这说明南海中部与南部盛夏环流具有较强的地转分量和显著的多涡结构，并且这些中尺度涡在垂向上存在速度场的切变。