海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究*

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。     

Rhines效应对高度计观测的海洋中尺度涡空间分布特征的影响

Rhines效应是指Rossby波和大湍流（中尺度涡）相互作用,将涡动能量以波的形式传播出去,从而使中尺度涡发生形变,最终消亡的一种动力学机制。本文通过比较海洋里涡特征速度和Rossby长波波速的方法,研究了一种广义的Rhines效应对高度计观测的海洋中尺度涡空间分布特征的影响。结果显示,广义Rhines效应比只考虑行星涡度梯度的传统形式对中尺度涡的分布具有更显著的影响。大部分中尺度涡分布在涡特征速度（U_e）大于由广义Beta值计算的Rossby长波波速（U_cg）的区域。这些涡可以由动能反向串级过程获取能量,成长为振幅和空间尺度较大的涡。热带海域以外的“涡旋沙漠”区域,中尺度涡的数量稀少,强度很弱,大都分布于U_ecg的海域。广义Rhines效应可能是这些海域中尺度涡难以成长的动力学机制。     

南海中尺度海洋现象研究概述

南海是一个地形复杂的半封闭海盆，受季风，黑潮等因素的作用南海呈现独特的中尺度变异特征，一些中尺度信号的强度可以和南海定常环流的强度相比拟，甚至更强，本文回顾了近20a来南海中尺度海洋现象研究的进展，并就南海的黑潮入侵，黑潮涡环，次海盆尺度多涡环流，浅海亚潮波动，近岸陷波，海洋锋等中尺度现象做若干探讨。     

日本海中尺度涡旋时空变化特征研究

本文利用1993–2019年基于海表面高度异常的涡旋数据集和高度计数据统计分析了日本海区域中尺度涡旋的大小、极性、生命周期、振幅、传播等表面特征的时空变化规律。27年间,共探测到1 429个涡旋,气旋和反气旋数量基本相当,其中气旋675个,反气旋754个。两种极性涡旋均具有较强的季节变化：秋季较多,冬季次之,春季最少。郁陵盆地、大和盆地等为涡旋多发区域呈现西南–东北向带状分布。其中,南部海域反气旋占优,靠近津轻海峡的北部海域气旋占优。西部和南部受东韩暖流和对马暖流的驱动,涡旋移动方向与流场基本一致,北部涡旋与黎曼寒流以及副极地锋流有关。研究表明,动力学不稳定是涡旋在秋冬季大量产生的重要原因。此外,半封闭盆地、局地流场以及复杂的海气相互作用等都可能会对涡旋的产生和消亡造成一定影响。     

基于传输函数的中尺度涡旋时空连续可视化

本文结合二维流线可视化技术和中尺度涡旋识别技术,提出了3种中尺度涡旋时空连续可视化的方法：基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法,这3种方法分别基于Okubo-Weiss算法、Faghmous的算法和Liu的算法来进行涡旋识别,同时将流场可视化的结果填充到涡旋内部,以获得更好的可视化效果。在可视化过程中本文引入了传输函数来对涡旋中的流线颜色和透明度进行实时交互,能够在控制界面上通过设置Key值点的颜色和位置来控制速度、涡度和OW参数等信息的显示效果。本文在性能和显示效果方面比较了3种方法的优劣。从性能上来讲,性能由高到低依次为：基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法。从显示效果上来讲,基于OW参数的涡旋可视化方法在三者中最差,效果中有较多的杂乱的短线,同时涡旋边界较小,局限于涡旋核心区;基于栅格模板的涡旋可视化方法较第一种方法的显示效果有所提升,杂乱的短线较少,涡旋相对完整,但由于数据分辨率不够高的原因,在放大多倍后涡旋边界呈现锯齿状;基于矢量模板的涡旋可视化方法显示效果最好,涡旋完整、饱满。同时,因为首先进行了涡旋边界的重构,将涡旋边界矢量化,涡旋边界更加平滑。相对于传统长时间序列的涡旋可视化的方法而言,这3种方法提供了一个美观、动态和更富信息性的可视化方法,同时由于传输函数的加入,其可以成为科研人员研究涡旋的一个实用的工具。     

南海北部中尺度反气旋涡的湍流混合空间分布特征

文章利用GHP细结构参数化方法和Thorpe-scale方法,分析水下滑翔机于2015年5月在南海北部采集的数据,估算了南海北部中尺度反气旋涡的湍流混合空间分布特征。结果显示该反气旋涡的混合具有明显的空间非对称性,混合率在其运动方向的后侧边缘明显增强达到O(10^-3 m²/s)量级;而在其运动方向的前侧边缘,平均混合率要小一个量级。这一混合非对称特征与中尺度的涡动能密切相关性。中尺度涡后侧边缘处存在高流速剪切,容易引起垂向剪切不稳定,可能是引起该处混合增强的主要因素。另外,中尺度涡后侧边缘发展的次中尺度过程同样导致了该处强混合。本研究结果有助于人们进一步认识南海北部的混合过程。     

短生命周期海洋涡旋的时空分布特征

中尺度涡旋在海洋中分布广泛,是海洋动力、营养物质等混合和输运的重要途径。统计发现海洋中超过80%的涡旋生命周期不超过1个月,属于本文定义的短生命周期涡旋。本研究采用统计、对比等方法,对全球尺度,较短生命周期涡旋的时空分布特征进行了分析。研究表明,短生命周期涡旋与大洋中环流系统密切相关,其最易发生在暖流和寒流的交汇处以及运动方向相反的两种环流的交汇处,且在除30°S～30°N的热带地区外均表现为气旋式略多于反气旋式。低纬地区,短生命周期涡旋在每年的冷季数量较多,而高纬地区与之相反。除存在大规模东向环流的海域,短生命周期涡旋一般向西迁移,同时气旋式涡旋略倾向于赤道偏转,反气旋式略倾向于极地偏转。短生命周期涡旋的平均位移和平均迁移速率呈相似的赤道对称分布规律。     

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.     

基于卫星高度计观测的全球中尺度涡的分布和传播特征

利用将近12 a的融合高度计资料获得了全球海洋中尺度涡的空间分布和传播特征。结果表明,中尺度涡在副热带海域呈明显的带状分布,反气旋涡和气旋涡的数目相当,但在某些海域它们的数目有很大不同;在40°S-60°N间,大多数涡的运动方向向西,然而在40°-60°S间约有70%的涡向东传播;对于西向传播的涡而言,纬向平均速度随纬度有明显的变化,在赤道附近的西向传播速度为13 cm/s,而在高纬度递减到不足1 cm/s,中尺度涡的传播表现出类似于Rossby波的传播特征。     

孟加拉湾及其毗邻海域中尺度涡旋活动的冬、夏季差异

基于1993—2017年从卫星高度计资料中识别出来的中尺度涡轨迹数据集,对冬、夏季孟加拉湾涡旋的源地和性质进行了研究。研究表明孟加拉湾西部、安达曼海和孟加拉湾通往赤道的出口处的中尺度涡旋活动呈现显著的季节性差异。安达曼海在冬、夏季从北往南中尺度涡旋分别以"反气旋涡-气旋涡-反气旋涡"和"气旋涡-反气旋涡-气旋涡"的格局分布。不同源区涡旋的季节性生长过程有明显差异。孟加拉湾西部的涡旋在夏季生长迅速但消散缓慢,斯里兰卡冷涡生长缓慢但消散迅速。不同源区涡旋半径和振幅大小有不同的特征。孟加拉湾西部,无论冬、夏季,反气旋涡的振幅、半径都比气旋涡大;夏季季风漂流区,气旋涡半径比反气旋涡小但是振幅比反气旋涡大;安达曼海内无论冬、夏季都是最北侧聚集区涡旋的半径和振幅最大。孟加拉湾内生命史为30～40 d的涡旋数量最多,生命史在100 d以上的涡旋主要分布在孟加拉湾西部。     

Living coccolithophores in the western Pacific Ocean with mesoscale eddies

Living coccolithophores(LCs) are regarded as a group of calcifiers and play important roles in global carbon cycle.This study used microscopic observations of LCs in the western Pacific Ocean to investigate their community structure and biodiversity,especially to test whether local physical traits(mesoscale eddies) could explain their biogeographic distributions during autumn of 2017.The coccolithophore calcite inventory based on carbon-volume transformation was estimated in this study.A total of 28 taxa of coccospheres and 19 types of coccoliths were identified from 161 samples.Gephyrocapsa oceanica was the most predominant species in all the coccolithophore community,followed by Florisphaera profunda,Emiliania huxleyi,Umbilicosphaera sibogae,Gladiolithusflabellatus and Umbellosphaera tenuis.The abundance of coccospheres and coccoliths ranged from 0 to 26.8×10~3 cells/L and from 0 to 138.5×10~3 coccoliths/L,averaged at 4.2×10~3 cells/L and 10.9×10~3 coccoliths/L,respectively.This study indicated that coccolithophore community in the survey area can be clustered into four groups.Three ecological niches of coccolithophores were characterized by their vertical profiles and multivariate statistical analysis.Coccolithophore abundance and species composition were remarkably different among warm-eddy region,G.oceanica dominated warm-eddy region,while F.profunda dominated warm-eddy and none-eddy region.The average values of estimated particulate inorganic carbon,particulate organic carbon were0.197 μg/L and 0.140 μg/L,respectively.The current field study widened the dataset of coccolithophores in western Pacific Ocean.     

基于CMIP5模式与Argo观测数据的海洋有效重力势能分析

有效重力势能作为重力势能中活跃的部分,能够参与海洋能量循环。本文计算和评估了CMIP5中9个模式的全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能和200～500 m深度范围内的中尺度有效重力势能,并与由BOA_Argo观测数据计算的结果进行比较。分析表明,就全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能而言,多数模式的计算结果均大于由Argo观测数据计算的结果。通过比较有效重力势能的空间分布特征,发现在强动力活跃区（特别是黑潮、湾流、南极绕极流区）,模式与观测相差较大,其差别主要来源于观测与模式中扰动密度的差异。此外,在黑潮和南大洋区域,涡动能和有效重力势能具有较高的时间相关性,而在北大西洋湾流区域,两者的相关性较低;功率谱分析显示中尺度有效重力势能与涡动能都存在显著的半年和年变化周期。     

Statistical characteristics and mechanisms of mesoscale eddies in the North Indian Ocean

The statistical characteristics and mechanisms of mesoscale eddies in the North Indian Ocean are investigated by adopting multi-sensor satellite data from 1993 to 2019. In the Arabian Sea(AS), seasonal variation of eddy characteristics is remarkable, while the intraseasonal variability caused by planetary waves is crucial in the Bay of Bengal(BOB). Seasonal variation of the eddy kinetic energy(EKE) is distinct along the west boundary of AS,especially in the Somali Current region. In the BOB, lar...     

Three-dimensional properties of mesoscale cyclonic warm-core and anticyclonic cold-core eddies in the South China Sea

In general, a mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy has a colder (warmer) core, and it is considered as a cold (warm) eddy. However, recently research found that there are a number of “abnormal” mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddies associated with warm (cold) cores in the South China Sea (SCS). These “abnormal” eddies pose a challenge to previous works on eddy detection, characteristic analysis, eddy-induced heat and salt transports, and even on mesoscale eddy dynamics. Based on a 9-year (2000–2008) numerical modelling data, the cyclonic warm-core eddies (CWEs) and anticyclonic cold-core eddies (ACEs) in the SCS are analyzed. This study found that the highest incidence area of the “abnormal” eddies is the northwest of Luzon Strait. In terms of the eddy snapshot counting method, 8 620 CWEs and 9 879 ACEs are detected, accounting for 14.6% and 15.8% of the total eddy number, respectively. The size of the “abnormal” eddies is usually smaller than that of the “normal” eddies, with the radius only around 50 km. In the generation time aspect, they usually appear within the 0.1–0.3 interval in the normalized eddy lifespan. The survival time of CWEs (ACEs) occupies 16.3% (17.1%) of the total eddy lifespan. Based on two case studies, the intrusion of Kuroshio warm water is considered as a key mechanism for the generation of these “abnormal” eddies near the northeastern SCS.     

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。     

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CORA2再分析数据的南海中尺度涡时空分布特征初步研究

利用南海20 a逐日海流再分析资料对南海海域中尺度涡进行时空特征分析。经过数据处理、涡漩识别、统计分析等方法,对南海海域中尺度涡空间分布、时间分布、生命周期、空间尺度、移动路径、移动速度、影响频率等特征进行分析,对南海中尺度涡进行全面详细的解读。研究发现:涡旋出现位置跟南海200 m等深线较一致。大部分涡旋周期都集中在30 d以内,直径大都在100~300 km,主要向西南方向移动,速率在15~20 cm/s的涡旋比例最高。反气旋式中尺度涡影响频率要大于气旋式中尺度涡的影响频率,主要影响区域大致在200 m等深线以内海域。     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。