黑潮延伸体邻近区域中尺度涡特征统计分析

本文利用20年的卫星高度计资料,对黑潮延伸体邻近海区(25°—45°N,135°E—175°W)中尺度涡的统计特征以及季节变化进行了统计研究。基于涡旋自动识别方法,共识别出本区域3006个气旋涡轨迹和2887个反气旋涡轨迹,其平均周期分别为9.99周和11.00周,平均半径分别为69.5km和71.8km。长生命周期涡旋的平均半径、涡度、涡动能(EKE)和涡旋能量密度(EI)在生命周期内大致都经历了增大-基本保持不变-减小这三个阶段。绝大多数涡旋沿纬线向西移动,经向移动距离较小,气旋涡和反气旋涡在西向传播过程中都具有明显的向南(赤道)偏离趋势。涡旋的生成数量与总数量均在春夏季达到最多,且这一时期涡旋的平均涡度、EKE、EI处于较高水平。     

黑潮延伸体区域叶绿素季节变化以及中尺度涡对其影响机制研究

中尺度涡是影响西北太黑潮延伸体南北海域叶绿素分布的重要因子。通过对2012—2018年NOAA遥感水色卫星数据和法国COPERNICUS流场资料的统计分析,发现中尺度涡对表层叶绿素浓度的影响具有明显的季节性特征。在春季有17%的气旋涡导致中心叶绿素高值结构且多数向西传播,而其余季节对叶绿素浓度影响较弱。反气旋涡导致环状叶绿素高值结构,在春、秋两季常有发生,在冬夏出现频次少。中尺度涡影响叶绿素能力的季节差异可能与营养盐背景场、光限制、等密线等季节性变化有关,不能只考虑风和流场的垂向输运机制。叶绿素浓度在一定程度上反映浮游植物生物量,对黑潮延伸体海域有重要生态意义。因此,该区域服务渔业的中尺度涡研究应该考虑这种季节特征。     

黑潮延伸体邻近海区中尺度涡三维合成结构分析

文章基于卫星高度计资料和Argo浮标资料,采用合成方法,构建了黑潮延伸体邻近海区中尺度涡的温盐三维结构。合成结果表明,表层至1×107 Pa,合成气旋涡（反气旋涡）呈现较为一致的位温负（正）异常,气旋（反气旋）涡内呈现较为一致的位温负（正）异常,混合层至约7×106 Pa深度,气旋（反气旋）涡存在位温负（正）异常的冷核（暖）核结构。气旋（反气旋）涡的平均盐度在垂向上呈现“负—正”（“正—负”）上下相反的异常结构。     

黑潮延伸体区海平面异常和中尺度涡的时空特征分析

利用1993-2010年间的卫星高度计资料,用EOF方法及小波分析研究了黑潮延伸体区域的海平面异常和中尺度涡的时空变化特征.研究结果表明:海平面EOF第一模态是季节模态,与该海域风应力旋度第一模态类似,相关系数达0.65.EOF第二模态主要反映了黑潮南部次级环流的变化情况,显著性周期是8-10年.通过相关分析发现黑潮延伸体南部次级环流的年代际变化与PDO有关,同时它又与风应力旋度第二模态有关;该海域的海面高度受到北太平洋东部SSH信号西传的影响,信号的传播需要大约3-4年时间.EOF第三模态是黑潮弯曲模态.日本南部的气旋涡和反气旋涡可以表征黑潮弯曲的形成,而且弯曲强度和涡的持续时间、强度和位置有关.     

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。     

两个西边界流延伸体区域中尺度涡统计特征分析

黑潮和湾流是世界大洋中最典型的两支西边界流,黑潮延伸体（Kuroshio Extention,KE）和湾流延伸体（Gulf Stream Extention,GSE）区域中尺度涡活动十分活跃。本文综合利用卫星高度计资料和Argo浮标资料,对KE和GSE区域中尺度涡的表层特征及其对温盐影响进行了统计研究和对比分析。结果表明:黑潮和湾流主轴附近为涡旋频率的高值区,主轴南北两侧分别以气旋涡和反气旋涡数量占多,主轴附近的涡旋强度明显大于其他区域;两个区域的涡旋以西向移动为主,气旋涡和反气旋涡都具有向南（赤道）偏离的趋势;两个区域的涡旋数量都以夏、秋季较多,涡旋强度都在春、夏季较大,且GSE区域涡旋强度明显大于KE区域;气旋涡（反气旋涡）引起内部明显的温度负（正）异常,KE区域气旋涡（反气旋涡）内部呈"负-正"（"正-负"）上下层相反的盐度异常分布,GSE区域气旋涡（反气旋涡）在各层呈现较为一致的盐度负（正）异常;两个区域中尺度涡对温盐场的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

基于船载和遥感的黑潮延伸体海域典型强中尺度冷涡演变及结构分析

海洋涡旋携带着极大的能量,然而缺乏足够的现场观测数据,对于中尺度涡的认识还很不完整.本文基于船舶观测和卫星遥感数据研究了 2019年上半年西北太平洋黑潮延伸体区域(25°～40°N,130°～160°E)唯一一个存活天数超过150 d的典型强中尺度冷涡的涡旋特征:其平均半径58.37 km,平均涡能量密度达4.7×10...     

北太平洋黑潮延伸体区域和副热带逆流区域中尺度涡能量特征研究

不同科研工作者对黑潮延伸体区域和北太平洋副热带逆流区域的中尺度现象进行过不同的研究,但对两区域中尺度涡进行统一比较分析的工作较少。因此,本文利用11年的卫星高度计海表面高度异常资料分别对这两个区域的中尺度现象特征及其能量变化过程进行系统的分析和对比。研究发现,两区域的气旋涡与反气旋涡在分布、振幅、能量和寿命上均存在差异;进一步的动能谱分析和能量串级讨论发现:两区域的动能谱密度虽均集中在2×10–3～4×10–3 周/km的波数域上,但黑潮延伸体区域大部分涡旋信号分布在经向上,而北太平洋副热带逆流区域主要分布在纬向上,这可能与两区域中尺度涡能量来源的不同有关。由于两区域在2×10–3～3×10–3 周/km的波数域上动能转移项以负值为主,这说明两区域在此波数域上均存在能量源,并且发生能量逆向串级。     

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km, 时间尺度约为1天, 里查森数和罗斯贝数为0(1), 能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级, 并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果, 采用方差椭圆方法, 评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征, 并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明, 黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域, 主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域, 各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系, 表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制, 较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。     

黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化研究

近年来的现场观测和理论研究发现, 次中尺度现象广泛存在于上层海洋, 其产生与锋生作用及混合层斜压不稳定存在密切联系。本文利用高分辨率的数值模拟结果并结合动力学及能量诊断分析, 对黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化进行了探讨。探讨结果表明, 黑潮延伸体海域次中尺度过程具有冬季最强, 春季和秋季次之, 夏季最弱的显著季节变化特征。基于冬、夏季次中尺度能量源的诊断可以看到, 这些季节变化特征主要与上层海洋的斜压不稳定和锋生作用有关。冬季, 黑潮延伸体海域的中尺度能量较弱, 但次中尺度过程在季节尺度上表现最为活跃, 这主要与混合层斜压不稳定的作用有关; 夏季, 黑潮延伸体海域的混合层较浅, 次中尺度过程较弱, 但中尺度涡旋活跃, 中尺度流场变形引起的锋生作用对夏季次中尺度现象的产生具有重要影响。在次中尺度能量的季节变化方面, 冬季次中尺度过程从中尺度过程汲取能量的速率远高于夏季, 这是冬季次中尺度过程比夏季更为活跃的主要原因。本文研究结果有助于加深对黑潮延伸体海域次中尺度过程季节性变化及其动力机制的理解。     

Multisatellite observations of smaller mesoscale eddy generation in the Kuroshio Extension

Smaller mesoscale eddies (SMEs) have an important effect on the transmission of ocean temperatures, salinity, energy, and marine biochemical processes. However, traditional altimeters, the dominant sensors used to identify and track eddies, have made it challenging to observe SMEs accurately due to resolution limitations. Eddies drive local upwelling or downwelling, leaving signatures on sea surface temperatures (SSTs) and chlorophyll concentrations (Chls). SST can be observed by spaceborne infrared sensors, and Chl can be measured by ocean color remote sensing. Therefore, multisatellite observations provide an opportunity to obtain information to characterize SMEs. In this paper, an eddy detection algorithm based on SST and Chl images is proposed, which identifies eddies by characterizing the spatial and temporal distribution of SST and Chl data. The algorithm is applied to characterize and analyze SMEs in the Kuroshio Extension. Statistical results on their distribution and seasonal variability are shown, and the formation processes are preliminarily discussed. SMEs generation may be contributed by horizontal strain instability, the interaction of topographic obstacles and currents, and wind stress curl.     

黑潮延续体区域多源观测资料的海洋涡旋的统计对比分析

本文首次利用海面温度、海面高度异常和表面漂流浮标数据等多元观测资料定量比较了获取的涡旋特征要素。结果表明：虽然不同数据源得出的涡旋统计特征具有一定的差异,但具有相似的分布特征。在此基础上,还发现该研究区域存在异常涡旋（逆时针旋转的暖涡和顺时针旋转的冷涡）。     

Quasiperiodic small meanders of the Kuroshio off Cape Ashizuri and their inter-annual modulation caused by quasiperiodic arrivals of mesoscale eddies

A quasiperiodic variation of 100–110 days in the Kuroshio path off Cape Ashizuri, resulting from the passage of small meanders, was detected by observation with moored current meters during 1993–1995. TOPEX/POSEIDON altimeter data covering 9 years showed that the quasiperiodic variation period was not persistent and modulated twice, with a ∼110-day period from mid-1993 to late 1996, a ∼150-day period from late 1996 to mid-1999, and a ∼110-day period from mid-1999 to late 2001. The quasiperiodic variations of the Kuroshio path migration were contemporaneous with the quasiperiodic arrivals of mesoscale eddies from the east along 27–32°N over the same ∼110- and ∼150-day period quasiperiodic variations. The periodic arrivals of the eddies configure the periodic variations of the Kuroshio path and its inter-annual modulation.     

Monitoring the Kuroshio Extension with Dynamically Constrained Synthesis of the Acoustic Tomography, Satellite Altimeter and in situ Data

A finite-difference quasigeostrophic (QG) model of an open ocean region has been employed to produce a dynamically constrained synthesis of acoustic tomography and satellite altimetry data with in situ observations. The assimilation algorithm is based upon the 4D variational data interpolation scheme controlled by the model's initial and boundary conditions. The data sets analyzed include direct and differential travel times measured at the array of five acoustic transceivers deployed by JAMSTEC in the region of the Kuroshio Extension in 1997, Topex/Poseidon altimetry, CTD soundings, and ADCP velocity profiles. The region monitored is located within the area 27.5°–36.5°N, 143°–155°. The results of assimilation show that mesoscale variability can be effectively reconstructed by five transceivers measuring direct and reciprocal travel times supported by relatively sparse in situ measurements. The misfits between model and data lie within the observational error bars for all the data types used in assimilation. We have compared the results of assimilation with the statistical inversion of travel time data and analyzed energy balances of the optimized model solution. Energy exchange between the depth-averaged and shear components of the observed currents reveals a weak decay of the barotropic mode at the rate of 0.2 ± 0.7⋅10⁻⁵ cm²/s³ due to topographic interaction. Mean currents in the region are unstable with an estimate of the available potential energy flux from the mean current to the eddies of 4.7 ± 2.3⋅10⁻⁵ cm²/s³. Kinetic energy transition has the same sign and is estimated as 2.8 ± 2.5⋅10⁻⁵ cm²/s³. Potential enstrophy is transferred to the mesoscale at a rate of 5.5 ± 2.7⋅10⁻¹⁸ s⁻³. These figures provide observational evidence of the properties of free geostrophic turbulence which were predicted by theory and observed in numerical experiments. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Mean circulation induced over bottom topography by mesoscale variabilities in the Kuroshio Extension

Circulation could be generated over bottom topography by vertical shrinking or stretching of a water parcel, in which potential vorticity is conserved. The water parcel moves up or down over the bottom topography yielding shrinking or stretching. In addition to a prevailing current which advects the water parcel in one direction, an oscillatory motion can also induce shrinking and stretching, and circulation is consequently generated over the bottom topography, once it is averaged in time. A two-layer quasi-geostrophic model has been used to reproduce mesoscale variabilities both in and under the Kuroshio Extension around the Shatsky Rise. A combination of TOPEX and ERS altimeters provided information on an eddy field near the sea surface, while a data assimilation method was used to reconstruct the flow field below the main thermocline. Among various mesoscale processes associated with the Kuroshio, it is remarkable that topographic Rossby waves trapped over the Shatsky Rise are generated by the upper-layer mesoscale variability. A persistent anticyclonic circulation is produced on the Shatsky Rise through a water parcel moving up and down over the bottom slope, and is consistent with the observed density anomaly in the WOA94.     

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。     

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。