北太平洋中尺度涡时空特征分析

利用1993~2011年19 a的AVISO卫星高度计资料研究了北太平洋(10°~60°N,120°E~100°W)中尺度涡的时空分布特征,结果表明:北太平洋每年约产生1 800余个涡旋,其中气旋涡稍多。北太平洋东部沿岸、西北沿岸、黑潮延伸体北侧、副热带逆流区是中尺度涡的高发区,春、冬季是涡旋的高发季节。涡极性分布以35°N为界,北部多反气旋涡,南部多气旋涡。涡旋半径以100 km左右为主,并且基本随纬度升高而减小,涡旋数量随着周期增长而急剧下降。反气旋涡的平均半径和周期均大于气旋涡。利用Argo浮标剖面资料分析的6个个例涡旋的垂直结构显示,每个涡旋都有其独特的冷暖核结构,深度不同。研究结果对于分析北太平洋涡动能分布及传输具有一定的参考价值。     

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。     

北太平洋中尺度涡季节和年际变化的统计分析

依据1993-01-2014-10由卫星高度计资料导出的地转流异常场数据,用几何方法探测识别并追踪了北太平洋的中尺度涡,统计了涡旋的半径、移动距离和移动速率,发现它们近似服从对数正态分布。进一步的分析发现,北太平洋涡旋生成数量存在着显著的季节变化:在冬季涡旋生成的数量最多而夏季生成的数量最少;夏季与冬季相比,涡旋生成数量减少的区域主要集中在15°~35°N。此外,北太平洋涡旋生成数量还存在着显著的年际变化;各个季节对全年变化的方差贡献量值相当。不论是季节变化还是年际变化,涡旋生成数量的变化与SST的变化均是反相,这是因为SST变化改变了上层海洋的层结强度进而影响了涡旋的生成,但该物理机制还需要进一步的分析和验证。     

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。     

西北太平洋不同寿命中尺度涡统计特征

本研究通过OW(Okubo-Weiss)参数和闭合等值线相结合的方法自动识别西北太平洋(0°—45°N,120°—180°E)中尺度涡并跟踪后续中尺度涡,分析了不同寿命中尺度涡的季节变化、年际变化、数量特征以及动力学参数等。研究发现,不同寿命中尺度涡的数量高峰时间在不同程度上晚于气象上最冷月份约1～3个月。与其他寿命中尺度涡不同,中等寿命中尺度涡的气旋涡(33.9 cm/s)比中等寿命中尺度涡的反气旋涡(16.9 cm/s)旋转得更快,季节变化最为显著。冬季更适于西北太平洋中尺度涡的发生与发展,并且在寿命上,更易发展为中等寿命涡旋。不同寿命中尺度涡的月数量变化都存在3个明显的周期性变化(第一主周期、第二主周期、第三主周期),根据不同主周期的时间尺度长短,它们的影响因子分别可能是太阳辐射、ENSO现象、季节变化。从地理分布看,不同寿命中尺度涡高频区分布并不完全一致。从涡旋平均振幅地理分布看,中等寿命中尺度涡在高频区拥有最大的涡旋平均振幅(15～25 cm),短寿命中尺度涡次之(15～20 cm),长寿命中尺度涡的平均振幅最小(10～16 cm)。从涡旋半径地理分布看,长寿命中尺度涡仅在副...     

西北太平洋中尺度涡合成结构及其对声传播的影响

中尺度涡普遍存在于大洋中并会对声传播产生影响。利用2000—2018年AVISO卫星高度计资料和Argo浮标资料,通过涡旋合成方法构建了西北太平洋黑潮延伸体和亲潮延伸体海域中尺度涡的多年平均三维结构,对其垂直温、盐异常和声速特征进行分析,并采用Bellhop射线声学模型对中尺度涡背景下的声传播进行了模拟仿真。结果表明：1)冷涡背景下,温度异常为负,盐度异常在上层为负,在下层为正,声速等值线抬升;暖涡背景下,温度异常为正,盐度异常在上层为正,在下层为负,声速等值线下沉。2)冷涡背景下,声传播会聚区向声源方向偏移,会聚区宽度缩小;暖涡背景下,会聚区远离声源,会聚区宽度增大。声会聚区宽度在黑潮延伸体海域较在亲潮延伸体海域更大,距离声源也更远。3)冷涡背景下,声传播的反转深度变浅,暖涡背景下,反转深度加深;在黑潮延伸体海域,反转深度总体随经度增大而变浅,在亲潮延伸体海域则相反,反转深度随经度增大而变深。     

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。     

印度洋–太平洋暖池区中尺度涡特征研究

本文利用1993年2月至2016年1月共23年的中尺度涡数据,对印度洋–太平洋暖池区（即印–太暖池区,15°S～15°N,60°E～170°W）中尺度涡的生命周期、振幅和半径等属性特征以及生命周期内各参数的演变特征进行了统计分析,并研究了印–太暖池区中尺度涡生成个数的季节变化规律及与厄尔尼诺循环的关系。结果表明：印–太暖池区大部分中尺度涡存在生命周期短、非线性、向西移动的特征;气旋涡与反气旋涡各参数的统计特征及其在生命周期内的变化趋势较为相似;印–太暖池区中尺度涡生成个数不具有明显的季节变化,并且会受到厄尔尼诺–南方涛动事件的影响。     

南海中尺度涡温盐异常三维结构

基于1994-2015年海面高度异常数据,采用winding-angle中尺度涡旋探测算法识别出南海范围内共5 899个反气旋涡（AE）和3 792个气旋涡（CE）,结合世界海洋数据集（WOD13）及中国科学院南海海洋研究所（SCSIO）温盐观测数据集,采用基于变分法的客观插值方法,合成了南海及南海各区域中尺度涡的温盐异常三维结构。结果表明,本文采取的插值方式能有效地获得涡旋三维结构,垂向尺度上也与前人研究结果较为一致。在平均状态下,南海AE温盐异常强度明显大于CE,AE正位温异常主体结构深度约440 m,而CE仅在320 m以浅维持涡旋结构;两者最大位温异常均出现在次表层约80 m上下,AE达2.02℃,CE达-1.60℃。盐度异常影响深度约150 m,最大盐度异常出现在50 m深附近,AE达-0.24,CE达0.28,同时由于涡旋在不单调变化的背景盐度场中引起海水下沉（上升）,AE盐度异常结构呈"上负下正"而CE呈"上正下负"式结构。南海各区域合成涡旋的温、盐异常的影响程度并不完全相同,可能与各区域涡旋的生成机制及背景温盐场有关。     

安达曼海中尺度涡季节变化分析

利用 AVISO 提供的中尺度涡数据集,对1993–2019年间安达曼海中尺度涡的涡旋特征、运动规律及其季节变化机制进行统计分析。结果显示,27年间安达曼海共出现中尺度涡328个,其中反气旋涡（171个）多于气旋涡（157个）,主要分布在中西部盆地深水区。涡旋平均寿命为46.4 d,平均半径为111.8 km,平均振幅为4.7 cm,平均最大转速为24.8 cm/s,平均移动速度为15.0 cm/s,反气旋涡的平均半径、振幅和转速均大于气旋涡,而移动速度小于气旋涡。涡旋的半径、振幅和最大转速在其生命周期中都经历了先增大后减小的过程,移动速度则先减小后增大。在季节变化方面,反气旋涡和气旋涡性质冬夏对比呈现“跷跷板”现象,即夏季气旋涡比反气旋涡更多更强更大,冬季则反气旋涡更多更强更大;涡旋分布位置,夏季从北向南呈“气旋–反气旋–气旋”的极性反转交替分布,冬季则与之相反。动力机制分析显示,背景流场涡度可能影响安达曼海涡旋极性交替分布,正（负）涡度背景流利于气旋（反气旋）涡存在。涡旋能量变化机制显示,风强迫是安达曼海涡旋主要能量来源,风场能量输入与涡旋动能的季节变化吻合。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

北太平洋晚冬海表温度持续异常现象的机制分析

依据再分析的海洋温度、盐度月平均资料和观测的热通量资料,确定了北太平洋中纬度晚冬海表温度(SST)持续异常现象较明显的海域是位于38°-42°N,158°E-172°W的西部海域和位于35°-42°N,172°W-145°W的东部海域.分析结果表明,西部海域,晚冬SST持续异常现象的主要机制是海洋上混合层的"再现机制";而东部海域晚冬SST的持续异常现象主要是海面净热通量的持续异常所致.由于冬季北太平洋西风异常导致的上混合层深度季节的差异在1976年前后的不同,1976年后晚冬混合层深度深,"再现机制"的作用明显,SST持续异常现象更容易出现.     

多源数据中尺度涡三维结构分析方法研究

作为重要的海洋中尺度现象之一,中尺度涡的研究受到人们的关注和重视。随着数值模式的进一步发展、卫星资料的累积、时间更长以及更多更有效的海上实测数据的取得,使得综合利用实测资料、卫星遥感资料、再分析/数值预报产品等数据源,对中尺度涡进行自动识别与三维结构分析成为中尺度涡研究的主要方向之一。在前期对卫星遥感资料中尺度涡自动检测算法进行研究的基础上,开展多源资料中尺度涡三维结构分析方法研究,以表面漂流浮标运动轨迹为中尺度涡的判定依据,综合利用高度计观测、红外遥感观测、以及再分析/数值预报产品分析中尺度涡三维结构信息,在此基础上,提出中尺度涡研究的发展方向,为全面分析中尺度涡的时空特性提供技术途径,为中尺度涡的动力机制研究奠定基础。     

北太平洋上一个爆发性气旋族的结构分析

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析格点资料和HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模式对2012年1月1—10日发生在北太平洋的一个爆发性气旋族进行了研究,并对气旋族的两个主要成员Parent Low(气旋A)和Child Low(气旋B)的演变过程和时空结构进行了详细分析,发现在气旋A和气旋B的爆发性发展阶段,200hPa高空的辐散区向气旋输送正涡度平流,气旋处于500hPa大槽前部,系统轴线西倾,低层有强冷平流向气旋中心输送并与锋面结合,温度梯度较大。气旋西侧较强北风携带的冷空气与冷锋前来的暖湿空气相遇,为气旋的发展提供有利条件。从形势场上看,气旋B爆发性发展主要是依靠气旋A所提供的环流背景场。气旋A在高空为气旋B提供正涡度平流,在低空通过环流将冷平流输送到气旋B内部,使气旋B低层斜压性增加。在气旋A和气旋B的向东移动和"互旋"过程中,两者之间水汽输送通道逐步建立。东移过程中,气旋A不断向气旋B进行水汽输运,使得气旋B系统内部水汽含量增加,为气旋的发展提供能量。利用后向追踪法对气旋B中心附近的空气进行追踪发现,在1 000m以下,来自气旋A的空气占到总数的一半以上,可以认为气旋A是气旋B低层水汽来源的主要途径之一。     

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。     

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。