黑潮延伸體鄰近海區中尺度渦三維合成結構分析

胡冬 陳希 宋海波 毛科峰 余丹丹 陳飛

摘要：文章基于衛星高度計資料和A r g o浮標資料，采用合成方法，構建了黑潮延伸體鄰近海區中尺度渦的溫鹽三維結構。合成結果表明，表層至1×1 07P a，合成氣旋渦（反氣旋渦）呈現較為一致的位溫負（正）異常，氣旋（反氣旋）渦內呈現較為一致的位溫負（正）異常，混合層至約7×1 06P a深度，氣旋（反氣旋）渦存在位溫負（正）異常的冷核（暖）核結構。氣旋（反氣旋）渦的平均鹽度在垂向上呈現“負—正”（“正—負”）上下相反的異常結構。

關鍵詞：黑潮延伸體；中尺度渦；三維結構；合成分析； A r g o浮標

中圖分類號： P 7 3 1 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 4 2-0 7

基金項目：國家自然科學基金項目（ 1 1 1 0 2 2 3 2） ；江蘇省自然科學基金（ B K 2 0 1 5 0 7 1 1）.

T h r e eD i m e n s i o n a l S t r u c t u r e so fC o m p o s e dM e s o s c a l eE d d i e s n e a r t h eK u r o s h i oE x t e n s i o nR e g i o n

HUD o n g1， CHE NX i2， S ON G H a i b o3，MAOK e f e n g2， YUD a n d a n1， CHE NF e i1

（ 1 .T h e 3 1 0 1 0A r m yo fP L A， B e i j i n g1 0 0 0 8 1， C h i n a； 2 . C o l l e g eo fM e t e o r o l o g ya n dO c e a n o g r a p h y， N a t i o n a lU n i v e r -s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y， N a n j i n g2 1 1 1 0 1， C h i n a； 3 .T h e9 2 7 2 1A r m yo fP L A， Z h o u s h a n3 1 6 0 0 0， C h i n a）

A b s t r a c t： T h r e ed i m e n s i o n a l s t r u c t u r e so f t e m p e r a t u r e， s a l i n i t y， v e l o c i t yo fm e s o s c a l ee d d i e sn e a r t h eK u r o s h i oE x t e n s i o nR e g i o nw e r e c o n s t r u c t e db ya c o m p o s i n gm e t h o db a s e do ns a t e l l i t e a l t i m -e t r yd a t aa n dA r g op r o f i l ed a t a . T h er e s u l t so f t h es t r u c t u r e ss h o w e dt h a t， f r o ms u r f a c et o1 0 0 0 d b a rd e p t h， c o m p o s e dc y c l o n i c（ a n t i c y c l o n i c）e d d yr e p r e s e n tc o n s i s t e n tt e m p e r a t u r en e g a t i v e（ p o s i t i v e）a n o m a l y， f r o mt h em i x e dl a y e rt oa b o u t7 0 0d b a rd e p t h， t h e r ee x i s t sac o l d（ w a r m） c o r ew i t hn e g a t i v e（ p o s i t i v e）t e m p e r a t u r ea n o m a l y . T h es t r u c t u r eo f t h es a l i n i t yo fc y c l o n i ce d d y p r e s e n t e da s“n e g a t i v e - p o s i t i v e”s a l i n i t ya n o m a l ys t r u c t u r ei nu p p e ra n dl o w e rl a y e r， w h i l ei t i s o p p o s i t e f o ra n t i c y c l o n i ce d d y .

K e y w o r d s： K u r o s h i oe x t e n s i o n，M e s o s c a l ee d d i e s，T h r e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u r e， C o m p o s i n g m e t h o d， A r g op r o f i l e

0 引言

中尺度渦是廣泛存在于世界海洋中的一種中尺度現象，它的能量比平均流的能量要大一個量級以上[ 1]，可引起局地水團的調整[ 2]，造成渦旋內外溫鹽特性的差異[ 3]，并對局地和大尺度環流產生重要影響[ 4]。中尺度渦在世界大洋中的分布極不均勻，如，鄭聰聰等[ 5]和I t o h等[ 6]分別基于統計分析發現黑潮延伸體區域的中尺度渦活動十分活躍。

近2 0余年來，衛星高度計數據在中尺度渦研究領域得到廣泛使用，黑潮延伸體區域中尺度渦的表層特征的研究逐漸開展。如： I t o h等[ 6]利用融合高度計資料，對黑潮延伸體區域中尺度渦的數量分布、渦旋強度、移動等特征進行統計分析，結果表明，黑潮流軸及其南側為氣旋渦的密集區，而黑潮延伸體北側是反氣旋渦的密集區。然而，依托衛星高度計資料僅能得到渦旋的表層信息，無法獲取水下溫鹽三維結構信息，因此，現場水文觀測對于中尺度渦的研究是必不可少的。I t o h等[ 7]綜合利用衛星高度計資料和A r g o剖面資料，對黑潮延伸體西部渦旋的水團性質進行分析，結果表明， 8 5%以上的反氣旋渦具有高鹽暖核結構，這種渦旋在垂向上具有雙核結構，上層為高鹽暖核，下層為低鹽冷核，影響范圍可達2×1 07P a以上，但仍無法得到該區域的渦旋三維結構。本研究將衛星高度計資料與A r g o剖面數據進行結合，參考CHA I GN E AUA等[ 8]和Y a n g等[ 9]的合成分析方法，構建黑潮延伸體鄰近海區（ 2 5°N—4 5°N， 1 3 5°E—1 7 5°W）渦旋的三維溫鹽合成結構，并對其特征進行定量化研究。

1 資料及渦旋識別方法

1 . 1 衛星高度計資料

衛星高度計資料中的地轉流異常數據由法國國家空間研究中心的衛星海洋存檔數據中心（ AV I -S O）提供，這套資料融合了包括C r y o s a t - 2等在內的多顆衛星數據，空間分辨率為0 . 2 5°×0 . 2 5°。本研究選取的數據時間跨度為2 0 0 0年1月至2 0 1 2年1 2月，時間分辨率為7d。

1 . 2 中尺度渦自動識別方法

本研究采用由N e n c i o l i等[ 1 0]提出的基于流場幾何形態方法對中尺度渦進行自動識別和跟蹤，該方法在許多海域的中尺度渦研究中得到運用。該方法分為以下3個步驟。

（ 1）通過4個約束條件判斷存在渦旋中心：①沿東西向穿過渦中心時，其兩側的v（速度的經向分量）方向須相反，且離渦中心越遠v的值越大；②沿南北向穿過渦中心時，其兩側的u（速度的緯向分量）方向須相反，且離渦中心越遠u的值越大；③存在局部速度最小值，最小值位置即為渦中心；④渦中心附近，速度向量須沿同一方向旋轉，且相鄰兩個速度向量位于同一象限或相鄰象限。

（ 2）計算流函數，以距渦中心最遠的閉合流函數等值線作為渦的邊界。

（ 3）對不同時次的渦旋軌跡進行跟蹤：①搜索t時次的所有渦中心；②在t+1時次，分別以t時次各渦旋的中心為原點，以某個設定值為半徑，在其范圍內搜索到的同類型渦旋與t時次的渦旋屬于同一渦旋軌跡，如未找到同類型渦旋，則在t+2時次將搜索半徑擴大為1 . 5倍再次搜索，若仍未搜索到同類型渦旋，則認為該渦旋已經消亡。

1 . 3 A r g o浮標資料

本研究所采用的A r g o浮標資料由中國A r g o實時資料中心提供，時間跨度為2 0 0 0年1月至2 0 1 2年1 2月。所有數據都經過了A r g o數據中心的實時和延時質量控制[ 1 1]，且本研究只使用延遲模式且質量標識符為“1”（表示質量為優）的A r g o剖面數據。在此基礎上，為提高合成結果的精度，參考YANG等[ 9]和CHA I GN E AUA等[ 8]的工作，同時滿足以下條件的剖面數據才能被利用。

（ 1）最淺和最深的數據須分別位于1×1 05P a以淺和1×1 07P a以深；

（ 2）垂向上兩個連續數據點之間的深度間隔不得超出給定范圍；

（ 3）每個剖面在1×1 07P a以淺至少有3 0個有效的數據點。

1 . 4 C A R S 2 0 0 9氣候態資料

氣候態溫鹽數據采用C A R S 2 0 0 9資料，空間分辨率為0 . 5°×0 . 5°。相對于其他氣候態資料而言， C A R S 2 0 0 9資料更適用于西邊界海域[ 7]。

2 渦旋合成方法

2 . 1 搜索中尺度渦

基于衛星高度計資料和1 . 2節的中尺度渦自動識別方法，共搜索到37 6 3個渦旋軌跡，其中氣旋渦和反氣旋渦軌跡分別為19 2 7個和18 3 6個，若將各時次內所有搜索到的渦旋相加，則共包含1 84 2 1個氣旋渦和1 92 3 8個反氣旋渦。如圖1所示為2 0 1 1年9月2 8日搜索到的渦旋分布示意。其中：圖1（ a）為2 0 1 1年9月2 8日渦旋探測結果，箭頭為表層地轉流，星號為渦旋中心，閉合曲線為渦旋邊界，實心點為A r g o浮標的位置；圖1（ b）位于渦旋外部的一個浮標（M 1）與其對應渦旋中心C 1的位置關系，ΔxE和Δy E分別為M 1到C 1的緯向距離和經向距離；圖1（ c）位于渦旋內部的一個浮標（M 2）與其對應渦旋中心C 2的位置關系，ΔxE和Δy E分別為M 2到C 2的緯向距離和經向距離。

2 . 2 A r g o數據與渦旋的匹配

基于1 . 3節的條件，共篩選出3 95 6 9條A r g o剖面數據。對于每一條剖面數據，找出與其觀測時次最近的一個渦旋搜索時次（二者的時間差不大于3天） ，若浮標位置滿足以下其中一個條件則被用來進行渦旋合成。①A r g o浮標位于渦旋內部，如圖1（ c）中的浮標C 2；②A r g o浮標位于渦旋外部，但距其最近的一個渦旋中心小于1 . 5倍渦旋半徑，如圖1（ b）中的浮標C 1。

2 . 3 確定分區方案

本研究區域范圍較大，黑潮和渦旋之間存在復雜的相互作用，渦旋在西傳過程中不可避免地會發生結構的變化[ 1 2]?？紤]到這些因素，參考Y A N G等[ 9]的方案，將研究區域分為5個較小的子區域：區域I、I I、I I I的經度范圍分別為1 7 5°E—1 7 5°W， 1 6 5°E—1 7 5°E， 1 5 5°E—1 6 5°E，區域I V和區域V以過（ 1 4 0°E， 2 5°N）和（ 1 5 0°E， 4 5°N）兩點的直線為界，并可認為區域V為西邊界流區。

2 . 4 構建渦旋坐標系

對于所有用于合成渦旋結構的A r g o剖面，它們分別有一個與之對應的渦旋（即可使A r g o剖面滿足2 . 2節中條件的渦旋） ，參考CHA I GN E AUA等[ 8]的方法，計算出浮標M相對于對應渦旋中心C的坐標ΔxE和Δy E，如圖1（ c） ，再分別將ΔxE和Δy E除以對應的渦旋半徑R得到相對坐標（ΔX，ΔY） ，以消除渦旋半徑對合成結果的影響。最后，將該剖面包含的溫鹽等要素按相對坐標（ΔX，ΔY）轉換到一個統一的“渦旋坐標系”中。

2 . 5 要素插值

對每條A r g o剖面上的位溫（θ）和鹽度（ S）分別進行A k i m a線性插值[ 1 3]，以1×1 05P a為間隔從海表至1×1 07P a分為1 0 1層，再將插值后的位溫（θ）和鹽度（ S）數據減去對應位置和時次的C A R S 2 0 0 9氣候態數據，分別得到位溫異常（θ’）、鹽度異常（ S ’）。

基于2 . 4節的方法將位溫、鹽度轉換到渦旋坐標中后，在插值后的1 0 1個深度層內，分別利用四分位檢測法將各層可能的不合理值剔除，再將剩余的離散點利用客觀分析法[ 1 4]插值到渦旋坐標系中0 . 1×0 . 1的規則網格上，構建各層的二維要素場。對每一層采用相同的方法分別對溫鹽要素進行插值，即可得到三維渦旋結構[ 8， 1 5]，包括渦旋的位溫異常、鹽度異常。

3 渦旋三維合成結構特征

基于第2節的合成方法，得到了合成渦旋的三維結構，本節主要分析合成渦的位溫異常、鹽度異常的三維結構，并在此基礎上估算由渦旋引起的水體和溫鹽輸運。

3 . 1 水團

由于中尺度渦引起的溫鹽異常結構與當地水團分布有著很大關系，因此，在分析合成渦旋三維結構之前，首先對存在于該區域的主要水團進行簡要描述。

基于A r g o剖面數據，分別計算出5個子區域內平均位溫和鹽度的垂向分布，并做出θ—S廓線（圖2）。圖2表明， 5個子區域的θ—S曲線存在明顯差異，但整體上均呈反“S”形狀分布：表層為高溫低鹽水；次表層為北太平洋亞熱帶水（ N o r t hP a c i f i cS u b -T r o p i c a lW a t e r， N P S TW） ，鹽度出現極大值；中層為北太平洋中層水（N o r t hP a c i f i cI n t e r m e d i a t e W a t e r， N P I W） ，鹽度最低；σθ>2 7 . 1k g/m3的深度中存在的是北太平洋底層水（N o r t h P a c i f i c D e e p W a t e r， N P DW） ，鹽度逐漸增大。此外，在次表層和中層水之間，存在著低位渦的北太平洋副熱帶模態水（ N o r t h P a c i f i cS u b t r o p i c a lM o d eW a t e r， N P S TMW）[ 1 6]，它的范圍為1 6℃≤θ≤1 9 . 5℃， 2 5 . 0k g/m3≤σθ≤2 5 . 6k g/m3[ 1 7]，在2 . 5×1 06P a附近平均位勢渦度出現極小值，存在于主溫躍層內[ 1 8-1 9]，并將主溫躍層分為上下兩個部分。

3 . 2 溫度結構

圖3和圖4為區域I至區域V中合成氣旋渦和反氣旋渦在ΔY=0斷面上的位溫異常（θ’）分布，圖3和圖4表明，不同區域內渦旋的位溫異常具有相似的分布特征，氣旋（反氣旋）渦內呈現較為一致的位溫負（正）異常，表層及次表層內，位溫異常較小，而在混合層以深至約7×1 06P a深度，氣旋渦（反氣旋渦）存在位溫負（正）異常的冷（暖）核結構，但冷（暖）核的位置及強度在不同區域內存在明顯差異，從西向東：氣旋渦的冷核中心逐漸變深，中心最大位溫負異常分別為-1 . 5℃，-2 . 1℃，-3 . 3℃，-3 . 0℃，-1 . 3℃，冷核強度以區域I I、I I I、I V較大；反氣旋的暖核中心的深度差異不大，中心最大位溫正異常值分別為1 . 1℃，2 . 1℃，2 . 8℃，2 . 2℃， 2 . 6℃，暖核強度以區域I I ～V較強。

圖5和圖6分別顯示了5個子區域內合成氣旋渦和反氣旋渦在不同壓強深度上的位溫異常（θ’）水平分布，圖中所示壓強從上至下分別為0P a、1×1 06P a、2 . 5×1 06P a、5×1 06P a、7 . 5×1 06P a、1×1 07P a。

從表層至1×1 07P a，合成氣旋渦（反氣旋渦）呈現較為一致的位溫負（正）異常。在渦旋的表層，位溫異常值較小，且區域I至區域V內的氣旋渦，以及區域I I I、區域I V內的反氣旋渦，表層呈現較為清晰的環狀結構，但位溫異常等值線不太規則。隨著深度的增加，各區域內氣旋渦和反氣旋渦的環狀結構逐漸規則、位溫異常值逐漸增大，最大異常值出現在（ 2 . 5～5）×1 06P a深度層之間，分別可達-3 . 5℃和2 . 4℃。5×1 06P a以深，位溫異常值逐漸減小，但直至1×1 07P a深度層，仍保持較好的結構，氣旋渦和反氣旋渦的位溫異常值分別可達-0 . 4℃和0 . 3℃以上。

3 . 3 鹽度結構

圖7和圖8為區域I至區域V中合成氣旋渦和反氣旋渦在ΔY=0斷面上的鹽度異常（ S ’）分布，其顯著特征為：渦旋在斷面的上下兩層分別引起相反的鹽度異常。

具體地，對于氣旋渦而言，斷面整體呈現“負—正”上下層相反的鹽度異常結構。由于渦旋內部存在上升運動，次表層的高鹽N P S TW、中層的低鹽N P I W和深層N P DW被整體抬升，因此N P S TW至N P I W位置之間水體的鹽度降低，產生鹽度負異常，由于N P S TW厚度很小、深度較淺且很靠近海表面的混合層，它與上下兩層水體混合作用減小了它對上層海水鹽度的影響，因此表層和次表層也表現為鹽度的負異常。由于從西向東N P S TW的深度逐漸加深，渦旋中心處鹽度負異常的范圍也隨之加深。中心最大異常值以區域I I ～ I V較大，最大異常值所在深度從西向東也是逐漸加深。在深層，渦旋內部的N P DW向上抬升至原來鹽度較低的深度，引起鹽度的正異常，最大異常值與上層的負異常值相比較小，這是因為渦旋信號在深層受到減弱，且較深層海水的鹽度梯度也有所減小[ 8]。

對于反氣旋渦而言，整體上呈現“正—負”上下層相反的鹽度異常結構。由于渦旋內部存在下沉運動，高鹽的N P S TW深度變深，在次表層及其以下范圍產生鹽度正異常，中心最大異常值以區域I I ～ I V較強，這與氣旋渦的情況類似。位于較深層的低鹽N P I W下沉并引起較弱的鹽度負異常結構，中心最大異常值與氣旋渦相比較小。

綜上分析，氣旋渦引起的鹽度異常大于反氣旋渦，且以區域I I ～ I V的鹽度異常較大。

圖9和圖1 0分別為5個子區域內合成氣旋渦和反氣旋渦在不同壓強深度上的鹽度異常（ S ’）水平分布，圖中所示壓強從上至下分別為0 P a、1×1 06P a、2 . 5×1 06P a、5×1 06P a、7 . 5×1 06P a、1×1 07P a。圖9表明，氣旋渦各水平層上的鹽度異常均呈現較為清晰、規則的環狀結構。與位溫異常的水平分布有所不同，鹽度異常值在表層附近較大，區域I的鹽度異常最大值甚至出現在表層附近；從（ 5～7 . 5）×1 06P a，合成氣旋渦的鹽度異常發生了從負向正的變化。在1×1 07P a深度層上，鹽度異常的結構仍較為明顯。對于反氣旋渦而言，各層的鹽度異常也呈現比較清晰的環狀結構，從（ 5～ 7 . 5）×1 06P a，鹽度異常發生了從正向負的變化，在1×1 07P a深度層上，鹽度異常的結構仍較為明顯。

4 總結

本研究結合中尺度渦的探測結果和A r g o浮標數據，基于渦旋合成分析方法，構建了黑潮延伸體鄰近海區中尺度渦的三維溫度、鹽度結構。主要結論如下。

（ 1）表層至1×1 07P a，合成氣旋渦（反氣旋渦）呈現較為一致的位溫負（正）異常，表層和次表層內的位溫異常較小，混合層至約7×1 06P a深度，氣旋（反氣旋）渦存在位溫負（正）異常的冷（暖）核結構。從平面分布來看，渦旋表層位溫異常值較小，隨著深度增加至5×1 06P a，各區域內合成氣旋渦和反氣旋渦的位溫異常值逐漸增大，直至1×1 07P a深度層，位溫異常的環狀結構仍十分明顯。

（ 2）氣旋（反氣旋）渦的平均鹽度在垂向上呈現“負—正”（“正—負”）上下相反的異常結構，氣旋渦引起的鹽度異常大于反氣旋渦。不同子區域內的渦旋在各水平深度層上的鹽度異常均呈現較清晰、規則的結構。

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[ 1 2] Z HE N GQ， T A ICK， HUJ， e t a l . S a t e l l i t ea l t i m e t e ro b s e r v a -t i o n so fn o n l i n e a rR o s s b ye d d y - K u r o s h i oi n t e r a c t i o na tt h e L u z o nS t r a i t[ J]. J o u r n a lo fO c e a n o g r a p h y， 2 0 1 1， 6 7（ 4） ： 3 6 5-3 7 6.

[ 1 3] A K I MAH. A N e w M e t h o do fI n t e r p o l a t i o na n dS m o o t hC u r v e F i t t i n gB a s e do nL o c a lP r o c e d u r e s[ J]. J o u r n a lo ft h e A c m， 1 9 7 0， 1 7（ 4） ： 5 8 9-6 0 2.

[ 1 4] B A R THA， B E C K E R SJM， T R OU P I NC， e t a l .d i v a n d - 1.0： n - d i m e n s i o n a lv a r i a t i o n a ld a t aa n a l y s i sf o ro c e a no b s e r v a t i o n s[ J]. G e o s c i e n t i f i cM o d e lD e v e l o p m e n t， 2 0 1 4， 7（ 1） ： 2 2 5-2 4 1.

[ 1 5] 胡冬，陳希，毛科峰，等.南印度洋中尺度渦統計特征及三維合成結構研究[ J].海洋學報， 2 0 1 7， 3 9（ 9） ： 1-1 4.

[ 1 6] H I R A T A K，KA R A S H I MA K，T AKAMUKU S， e ta l . T h e S u b t r o p i c a lM o d eW a t e rC i r c u l a t i o ni nt h eN o r t hP a c i f i c[ J]. J o u r n a l o fP h y s i c a lO c e a n o g r a p h y， 1 9 9 5， 2 5（ 5） ： 9 5 8-9 7 0.

[ 1 7] OKA E， S UGA T， S UK I GA R A C， e ta l .“E d d yR e s o l v i n g”O b s e r v a t i o no f t h eN o r t hP a c i f i cS u b t r o p i c a lM o d eW a t e r[ J]. J o u r n a l o fP h y s i c a lO c e a n o g r a p h y， 2 0 1 1， 4 1（ 4） ： 6 6 6-6 8 1.

[ 1 8] MA S U Z A W A J .S u b t r o p i c a lm o d ew a t e r[ J]. D e e pS e aR e s e a r c h& O c e a n o g r a p h i cA b s t r a c t s， 1 9 6 9， 1 6（ 5） ： 4 6 3 - 4 6 8 .

[ 1 9] S UGAT， HANAWAK. S u b t r o p i c a lM o d eW a t e r i n t h e 1 3 7°E S e c t i o n[ J].J . p h y s .o c e a n o g r， 2 0 1 0， 1 9： 1 6 0 5-1 6 1 9.