基于卫星高度计数据的南海海平面时空变化特征分析

本文利用卫星高度计数据,采用多种方法对1993—2017年中国南海海平面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)的空间分布和时间变化进行分析,主要采取的方法有线性回归、Winters指数平滑法、经验模态分解(Empirical Modal Decomposition,EMD)和经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)。通过研究发现,南海大部分海域的多年平均SLA为正值,只有很少一部分海域出现负值(菲律宾群岛中部海域),并且南海的平均SLA有明显的季节性变化。利用线性回归的方法,发现1993—2017年的南海海平面总体呈现上升趋势。利用EMD分析法发现南海有明显的年际和年代际变化。研究结果表明:中国南海海平面高度呈不断上升的趋势,具有明显的季节和年际变化周期,且ENSO对中国南海海平面的作用不可忽视。     

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。     

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.     

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。     

涡分辨率模式模拟的南海中尺度涡旋

Mesoscale eddies(MEs) in the South China Sea(SCS) simulated by a quasi-global eddy-resolving ocean general circulation model are evaluated against satellite data during 1993–2007. The modeled ocean data show more activity than shown by the satellite data and reproduces more eddies in the SCS. A total of 345(428) cyclonic eddies(CEs) and 330(371) anti-cyclonic eddies(AEs) generated for satellite(model) data are identified during the study period, showing increase of ~24% and ~12% for the model data, respectively. Compared with eddies in satellite, the simulated eddies tend to have smaller radii, larger amplitudes, a slightly longer lifetime, faster movement and rotation speed, a slightly larger nonlinear properties(U/c) in the model. However, the spatial distribution of generated eddies appears to be inhomogeneous, with more CEs in the northern part of SCS and fewer AEs in the southern part. This is attributed to the exaggerated Kuroshio intrusion in the model because the small islands in the Luzon Strait are still not well resolved although the horizontal resolution reaches(1/10)°. The seasonal variability in the number and the amplitude of eddies generated is also investigated.     

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。     

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。     

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。     

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...     

基于粗糙集的南海中尺度涡旋时空关系抽取研究

南海中尺度涡旋形成机制复杂,影响因素众多,数值模拟、定量统计等方法在分析涡旋时空关系上尚存在一定局限性。采用了粗糙集理论,在不添加任何先验信息的基础上,进行南海中尺度涡旋时空关系的表达,并以2003年11月至2009年6月遥感反演图像中提取的涡旋数据为例,分别以海区、产生时间、涡旋类型为决策属性,抽取南海中尺度涡旋的时空关系规则。通过对时空关系规则的分析,分别从时间、空间以及类型上描述了南海中尺度涡旋的具体特征。研究结果表明,南海暖涡多发生于南海东南部以及中部,多发生于冬季,强度涡度都较低,中心区域温度较高,多发生于水深较浅的区域,并且移动距离较小。冷涡则多发生于南海西南部以及南海东北部,多发生于春、秋两季,强度涡度都较高,中心温度偏低,多发生于水深较大区域,移动距离也较大。     

南海海盆中尺度涡移动速度统计分析

基于1993-2017年卫星高度计数据得到的中尺度涡追踪产品,分析了1000 m以深南海海盆中尺度涡移动速度C的时空分布特征。结果表明,南海海盆气候态平均的中尺度涡纬向移动速度c_x均为西向,经向移动速度c_y在海盆西北侧为南向,东南侧为北向。c_y随经度的变化与背景经向流的变化一致,相关系数达0.96,而c_x的变化与背景纬向流和β效应有关。c_x和C存在明显季节变化,夏季最慢,冬季最快。年际变化上,c_x和c_y的大值多发生在太平洋年代际涛动（PDO）负位相期的La Nina年。中尺度涡在其生命周期的开始和结束阶段（即生成和耗散阶段）移速较快,而在稳定的“中期”阶段移动缓慢。该趋势与涡旋转速呈反相关,相关系数为-0.93。以移速小于1.5 cm/s和大于15.4 cm/s定义的极慢和极快涡旋,分别占总涡旋数量的1.5%和1.9%。移速极慢的涡多出现在海盆的中部,且主要发生在夏季;移速极快的涡多出现在海盆的边缘,且主要发生在冬季。机制分析显示,南海海盆中尺度涡移动速度的时空分布受到大尺度背景流场调制。     

南海北部中尺度涡与内波相遇的特征分析

基于2009年12月~2010年4月南海北部大陆坡上东沙岛以西的一套潜标资料,分析一个中尺度涡与内波相遇时海水温度的变化特征。根据潜标上的温压记录,利用功率谱分析,发现潜标布放处存在周期为20~30 min的内孤立波及全日和半日周期的内潮;结合海表面高度异常资料,描述此处一个中尺度涡的经过过程。利用天文潮大潮发生的时间规律,推断出中尺度涡与内波的相遇,从而解释了压力记录的异常变化。根据中尺度涡与内波各自引起的海流流向,分析在本次观测中两者相遇时的共同作用所引起的海水温度的垂向变化,即当两者引起的流向相反时,内波引起的日周期等温线波动由上凸型弧状变为下凹型弧状,短时震荡由向下振荡变化为向上振荡。     

基于GIS 的南海中尺度涡旋典型过程的特征分析

以具有复杂时空演变过程的海洋中尺度涡旋为研究对象,以定量表达和组织涡旋典型过程案例为前提,基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表层海流场,对海洋中尺度涡旋进行综合辨认和动态跟踪。以南海为例,通过提取涡旋典型过程中的典型状态,建立中尺度涡旋典型案例库。然后以库中所有过程案例为对象对涡旋进行GIS(Geographic Information System)时空特征分析。所得结果为:(1)南海中尺度涡旋整体上呈东北-西南向分布,涡旋水平移动速度为3~16 cm/s,平均速度为8.4 cm/s。(2)大部分涡旋向西移动。春夏季涡旋主要向西北方向移动,秋冬季涡旋主要向西南方向移动。(3)南海东北部涡旋主要集中在9~10月以及次年的1~2月发生,涡旋先向西北方向移动,后又转向西南方向移动,大部分中尺度涡旋不能西移太远。南海中部气旋涡主要发生在冬、春两季。一部分涡旋沿陆坡向西南运动,其中一些反气旋涡沿南海海盆向西运动。南海东南部在研究期内只有反气旋涡出现,向西或西北偏西运动,这里的涡旋比较弱,但移动距离较长,也有较长的生命周期。南海西南部夏季出现的涡旋多于冬季,且夏季的绝大部分涡旋以偶极子结构出现,该区域涡旋移动的距离较小。该研究引入GIS技术,基于大量时空数据对具有复杂时空特征的中尺度涡旋的信息进行组织、存储,以期通过对涡旋生消过程的时空分析来揭示其演变规律,为进一步研究海洋涡旋的空间推理预测奠定了坚实的基础。     

南海涡致热输送时空变化特征分析

利用11年高分辨率的(OGCM for the Earth Simulator,OFES)模式数据,计算南海涡致热输运(EHT),分析其时空变化特征。并利用卫星高度计数据验证OFES模式模拟南海涡致热输运的可靠性。研究结果表明,南海涡致热输运高值区主要分布在西边界流区,在南海北部和越南东南条带状区域,沿着中尺度涡运动路径,北部条带为向极输运,南部条带为向赤道输运,最大值达到了180MW/m。两高值区中间输运很小,沿着2500m等深线,为涡中心运动路径。南海中部涡致热输运较小。无论暖涡、冷涡,产生的致热输运均为顺时针方向。南海涡致热输运也存在明显的季节和年际变化。越南东南秋季输运最大,春冬季次之,夏季最小;南海北部则是春冬季最大,夏季最小。而在年际上,越南东南在2003、2007、2011年较大,南海北部则在2004、2007、2010年较大。     

南海中尺度涡的演化过程与行为追踪:一种基于全局最邻近滤波的方法

The eddy tracking approach is developed using the global nearest neighbor filter(GNNF) to investigate the evolution processes and behaviors of mesoscale eddies in the South China Sea(SCS). Combining the Kalman filter and optimal data association technologies, the GNNF algorithm is able to reduce pairing errors to 0.2% in tracking synthetic eddy tracks, outperforming other existing methods. A total of 4 913 eddy tracks that last more than a week are obtained by the GNNF during 1993–2012. The analysis of a growth and a decay based on 3 445 simple eddy tracks show that eddy radius, amplitude, and vorticity smoothly increase during the first half of lifetime and decline during the second half following a parabola opening downwards. The genesis of eddies mainly clusters northwest and southwest of Luzon Island whereas the dissipations concentrate the Xisha Islands where the underwater bay traps and terminates eddies. West of the Luzon Strait, northwest of Luzon Island, and southeast of Vietnam are regions where eddy splits and mergers are frequently observed. Short disappearances mainly distribute in the first two regions. Moreover, eddy splits generally result in a decrease of the radius and the amplitude whereas eddy mergers induce growing up. Eddy intensity and vorticity, on the contrary, are strengthened in the eddy splits and diminished in mergers.     

南海中尺度涡的形转、内转及平移运动研究

中尺度涡旋的运动整体可分为两部分：平移及转动。平移指涡旋在整个生命周期内的水平移动,而转动除了包括内转 （海表地转流引起的涡旋自身水体转动） 外,还包括形转 （涡旋实际边界最佳拟合椭圆的转动）。本文基于 1993—2018 年共计 26 年间的卫星高度计涡旋识别与追踪数据,首次对南海中尺度涡旋的完整运动形式,即形转、内转、平移展开了系统的研究。其中,对内转及平移的分析,可通过涡旋的识别追踪数据集直接进行;为研究涡旋形转,提出了一种基于涡旋识别追踪数据自动提取涡旋形转信息的算法,以此得到涡旋形转方向、每天形转的角度以及形转圈数等信息,获得涡旋形转数据集。通过对涡旋识别追踪数据以及形转数据集的统计分析发现：南海涡旋的平移方向多为西向,且其速率呈偏态分布,主要以南海南部偏高。同样,涡旋的内转速率也呈偏态分布,高速率内转的涡旋主要分布在吕宋海峡附近。涡旋的形转主要以南海南部速率偏高,且与涡旋的寿命及长轴有一定的关系,倾向于随着涡旋寿命的增长、涡旋长轴的增大而变慢。同时南海涡旋的这三种不同运动形式之间也存在一定的相关性。     

区域平均海平面高度异常的统计预测

本研究基于SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的月平均海洋数据,提取出南海区域平均海平面高度异常(SSHA)的时间序列,并基于该时间序列开展了统计预测工作。研究中使用时间序列分解方法,将南海区域平均逐月SSHA时间序列分解为3个部分:年际变化项、季节项和扰动项。根据分解出的这3项时间序列变化特征,分别使用指数平滑法和自回归移动平均法去拟合时间序列中的年际变化项和扰动项,季节项将作为循环变化项叠加到前两项上。由此,建立了适用于该时间序列的预测模型,并且测试了该模型的预测能力。结果显示,研究建立的南海平均海平面高度异常模型的平均有效预报时间约为7个月,预报能力在春季和秋季较其余季节要强一些。另外,该模型在模拟时段内的预报技巧具有显著的十年际变化特征。     

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)℃。     

南海中尺度涡的季节和年际变化特征分析

以11a(1993—2003年)TOPEX/Poseidon、Jason和ERS1/2高度计的融合资料为基础,统计了南海中尺度涡的时空分布,分析了南海中尺度涡的季节和年际变化,并结合QuikSCAT、ERS1/2风场资料初步探讨了南海中尺度涡形成的可能机制。研究结果表明,南海中尺度涡存在明显的季节和年际变化,而季风强迫是这种变化的主要驱动因素。冬季冷涡(气旋涡)主要分布在吕宋岛西北和越南东南海域,而暖涡(反气旋涡)主要在18°N以北出现。春季暖涡在南海中部开始出现并得到充分发展。夏季暖涡明显多于冷涡,暖涡主要分布在越南东南和吕宋岛西北海域,而冷涡分布于越南以东和南海东北部。秋季冷涡主要分布在越南沿岸,暖涡则分布在南海东北部;11a海面高度异常均方根的时空分布变化也显示了南海中尺度涡存在较强的年际变化。     

南海相对涡度的时空变化特征分析

本文使用2014—2017年间逐日平均的法国Mercator中心全球高分辨率海洋数据集PSY4,探讨南海海域相对涡度与海盆尺度环流的时空变化特征。依照涡度的年平均剖面,在垂向上将南海分为:涡度为正的上层、涡度为负的中层和涡度为正的深层,对应了南海海盆尺度的"气旋式-反气旋式-气旋式"垂向环流。最为显著的相对涡度季节变化出现在南海的上层,最大冬、夏季差异达6.3×10~(-7) s~(-1),为该层内年平均相对涡度值1.7×10~(-7) s~(-1)的3.7倍。在该层的内部,依照季节变化的幅度大小可以进一步划分为3个子层,其中季节变化幅度最大的为上200 m层。在中、深层,深度积分的涡度与海盆尺度环流分别具有"冬强夏弱"和"冬弱夏强"的季节变化特征,而涡度的年际差异可以与季节差异同等重要;逐月的涡度时间序列与吕宋海峡不同断面的水通量变化具有统计相关。