基于WA方法的2013年夏秋越南東南外海暖渦初步分析

燕丹晨，仉天宇，李云，王延強(qiáng)，盧勇奪

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

基于WA方法的2013年夏秋越南東南外海暖渦初步分析

燕丹晨，仉天宇，李云，王延強(qiáng)，盧勇奪

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

使用WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法對(duì)2013年夏秋兩季越南東南外海暖渦進(jìn)行識(shí)別和追蹤，同時(shí)利用同期CTD資料對(duì)該暖渦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：該暖渦于2013年夏初初步形成、呈單核結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在躍層之下、100m以深處，受暖渦影響的水體呈高溫、低鹽、低密特性，溫鹽等值線明顯下凹。經(jīng)過(guò)整個(gè)夏季的發(fā)展壯大，該暖渦在8—9月達(dá)到強(qiáng)盛且演化為雙核結(jié)構(gòu)，其西側(cè)渦核強(qiáng)于東側(cè)渦核，東側(cè)渦核發(fā)育更快。發(fā)育最充分時(shí)渦旋緯向直徑可達(dá)427 km，中心海平面高度異常達(dá)28.75 cm，最大振幅達(dá)6.04 cm，最大渦動(dòng)能為384 cm2/s2，而渦旋強(qiáng)度則在渦旋形成之初達(dá)到最大值1.59×10-2cm2/s2km2。與夏初相比，秋季該暖渦的垂向上界提升到40m，且在90—100m最為顯著。在100m以淺，雙核結(jié)構(gòu)中西側(cè)渦核更加強(qiáng)大、發(fā)育更加充分；從110m層開(kāi)始，西側(cè)渦核中心北移且強(qiáng)度開(kāi)始減弱，東側(cè)渦核有所加強(qiáng)；在140m層以下海域，西側(cè)渦核基本消失，但東側(cè)渦核仍然繼續(xù)存在，其對(duì)鹽度的影響持續(xù)到190m層，對(duì)溫度和密度的影響在200m層仍可見(jiàn)。

WA方法；海平面高度異常（SLA)；越南東南外海暖渦

1引言

南海南部、尤其是越南東南外海是中尺度渦的頻發(fā)區(qū)，中尺度渦的存在不僅改變了該海域的動(dòng)力特征，而且在極大程度上影響了海水的熱、鹽和物質(zhì)輸送。以往的研究表明，在越南東南外海常年存在一季節(jié)性暖渦，我們稱(chēng)之為“越南東南外海暖渦”，該暖渦常于夏初出現(xiàn)、秋末消失，并與北面的冷渦構(gòu)成偶極子結(jié)構(gòu)。楊海軍等[1]、管秉賢等[2]、Wang等[3]、Gan等[4]均曾指出該暖渦的存在。Chen等[5]認(rèn)為該暖渦為季節(jié)性渦旋，常于6月下旬或7月初出現(xiàn)于越南外海，8—9月發(fā)展壯大，10月減弱并消失，發(fā)育最充分時(shí)范圍可達(dá)7°—10.5°N，109°—114°E。對(duì)于該暖渦的成因，西南季風(fēng)期間在越南沿岸存在較強(qiáng)的西邊界流和東向離岸流，海流之間的相互作用加之與地形的作用可能是越南東南外海暖渦產(chǎn)生和發(fā)展的重要原因[5-7]。Xie等[8]認(rèn)為夏季越南沿岸的強(qiáng)東向射流是驅(qū)動(dòng)該暖渦形成的原因。

越南東南外海暖渦的存在在一定程度上影響了海水的溫鹽屬性。Liu等[9]指出，南海季節(jié)內(nèi)尺度的溫躍層升降與兩方面因素有關(guān)，一是表面凈熱通量，二是中尺度渦的存在。Wang等[3]通過(guò)分析南海中部和北部的3個(gè)ATLAS浮標(biāo)，發(fā)現(xiàn)溫躍層深度和海表面高度異常（Sea Surface Height Anomaly，SSHA）存在相關(guān)性，當(dāng)SSHA最高時(shí)溫躍層深度最低，即暖渦的存在會(huì)導(dǎo)致溫躍層的下沉。Chen等[5]指出，1997年8月越南偶極子的存在導(dǎo)致上380m層的海水溫度異常和上150m層的海水鹽度異常，氣旋渦使等溫線上移且溫躍層深度變淺，而反氣旋渦使等溫線下移且溫躍層深度加深。

盡管許多學(xué)者已對(duì)越南東南外海暖渦展開(kāi)相關(guān)研究，但從研究手段來(lái)看往往基于數(shù)值模式、浮

標(biāo)和直觀的SSHA比對(duì)，未見(jiàn)采用渦旋自動(dòng)識(shí)別方法（如WA方法）研究該暖渦的演化；從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，人們對(duì)該暖渦演化過(guò)程的整體特征已有一定了解，但該暖渦在演化過(guò)程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了哪些變化、內(nèi)部溫鹽屬性有何差異卻極少提及。針對(duì)以上兩點(diǎn)，本文采用WA（Winding-angle）渦旋自動(dòng)識(shí)別方法，對(duì)2013年夏秋越南東南外海暖渦的演化特征做了初步分析，并結(jié)合CTD實(shí)測(cè)資料，對(duì)比驗(yàn)證WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法的可靠性，并分析該暖渦內(nèi)部性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化及差異。

2 資料與方法

2.1 衛(wèi)星高度計(jì)資料

本文所使用的衛(wèi)星高度計(jì)資料為AVISO提供的最新版（DUACS2014）格網(wǎng)化延時(shí)MSLA（Delay Time，Maps of Sea LevelAnomaly）產(chǎn)品。該產(chǎn)品融合了TOPEX/Poseidon、Jason-1、ERS-1/2等多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間的相互校準(zhǔn)不僅保證了融合產(chǎn)品的精度和一致性，也使長(zhǎng)時(shí)間序列的海平面高度異常數(shù)據(jù)（Sea LevelAnomaly，SLA）成為可能。與之前版本不同的是，該版本使用1993—2012年共20 a的平均海平面高度來(lái)計(jì)算SLA，延時(shí)產(chǎn)品的時(shí)間分辨率提高到1 d，空間分辨率為1/4°，投影方式為Cartesian投影并采用新的格點(diǎn)公約。而之前的版本僅使用1993—1999年共7a的平均海平面高度來(lái)計(jì)算SLA，延時(shí)產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為7 d，空間分辨率為1/3°，投影方式為墨卡托（Mercator）投影。DUACS2014版MSLA數(shù)據(jù)擁有更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度，并且經(jīng)過(guò)了潮汐、逆氣壓等地球物理參數(shù)訂正，是現(xiàn)階段研究中尺度渦的最有效手段之一。

2.2 WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法

WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法是Sadarjoen等[10]于2000年首次提出的基于流線幾何特性自動(dòng)識(shí)別渦旋的一種方法，該方法主要通過(guò)挑選閉合流線并將它們聚類(lèi)而達(dá)到探測(cè)渦旋的目的。該方法的優(yōu)勢(shì)在于即使流線形狀不規(guī)則，但只要整體旋轉(zhuǎn)方向保持一致并且閉合便可自動(dòng)識(shí)別渦旋，因此對(duì)渦旋邊緣的識(shí)別精度較其他自動(dòng)識(shí)別方法更高，對(duì)于尺度較小、較弱或形狀不規(guī)則的渦更是如此。但此方法的缺點(diǎn)在于計(jì)算量大，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。

本文使用的WA方法為Chaigneau等[11]提出的改進(jìn)版WA方法，具體流程如圖1。該方法主要分為以下四部分：（1）渦旋中心的提取。采用1°×1°的移動(dòng)窗口（該移動(dòng)窗口大小可視具體情況而調(diào)整）尋找局地SLA最小值（最大值），從而確定可能的氣旋渦（反氣旋渦）中心。依據(jù)中尺度渦的常見(jiàn)半徑范圍（30—250 km），可將距離小于0.5°的同性可能中心點(diǎn)再次歸并；（2）從每0.25°×0.25°格網(wǎng)點(diǎn)釋放虛擬質(zhì)點(diǎn)計(jì)算流線，并利用WA準(zhǔn)則和距離準(zhǔn)則挑選閉合的流線；（3）流線聚類(lèi)。將屬于同一個(gè)渦旋中心的流線簇聚類(lèi)；（4）辨認(rèn)渦旋的邊緣。

值得關(guān)注的是，計(jì)算流線時(shí)所使用的步長(zhǎng)和步數(shù)是WA方法識(shí)別渦旋的關(guān)鍵。步長(zhǎng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降，甚至不能準(zhǔn)確計(jì)算閉合的流線，而步長(zhǎng)過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。而步數(shù)也要根據(jù)步長(zhǎng)的大小而調(diào)整，以保證足夠的流線長(zhǎng)度。

圖1 WA渦旋識(shí)別算法流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 WA方法渦旋識(shí)別結(jié)果

利用WA方法，我們對(duì)2013年夏（6、7、8月）、秋（9、10、11月）兩季越南東南外海暖渦進(jìn)行了識(shí)別和追蹤（見(jiàn)圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（見(jiàn)表1），該暖渦于夏初（6月15日—7月12日）已初步形成，呈單渦結(jié)構(gòu)，中心位于（10.7°N，110.7°E），渦動(dòng)能（Eddy Kinetic Energy，EKE）相對(duì)較大（333 cm2/s2），而直徑和面積較小，因此能量較為集中、渦旋強(qiáng)度（Eddy Intensity，EI）大；到了7月中下旬，該暖渦的緯向直徑已明顯擴(kuò)大（約76 km），中心位置向東移動(dòng)了約1°，中心SLA和振幅均有所增加，但EKE下降，EI也隨之降低。需要注意的是，EKE的變化是多種因素疊加的結(jié)果[12]，暖渦的存在與發(fā)展在一定程度上會(huì)影響EKE，但其他因素如越南西邊界流、東向離岸流、風(fēng)應(yīng)力旋度等亦會(huì)引起EKE的改變；8月，該暖渦演化為雙核結(jié)構(gòu)，兩個(gè)渦核中心分別位于（9.4°N，110.4°E）和（10.6°N，112.9°E），從中心SLA和振幅來(lái)看，西側(cè)渦核要明顯強(qiáng)于東側(cè)渦核，渦旋的整體EKE達(dá)到最大（384 cm2/s2），徑向和緯向范圍也均達(dá)到最大，渦旋整體向東南方向移動(dòng)；進(jìn)入秋季（9月），該暖渦依然為雙核結(jié)構(gòu)，兩個(gè)渦核的中心SLA均明顯增加（西側(cè)渦核增加8 cm，東側(cè)渦核增加10.5 cm），振幅卻增減不一（西側(cè)渦核減小1.2 cm，東側(cè)渦核增加2.6 cm），這說(shuō)明西側(cè)渦核的整體強(qiáng)度雖然仍大于東側(cè)渦核，但其發(fā)育和增長(zhǎng)速度卻不及東側(cè)渦核。從圖2也可以看出，東側(cè)渦核位置和范圍基本不變，西側(cè)渦核范圍減小且向東北方向移動(dòng)。渦旋整體位置基本保持不變，但徑向和緯向范圍較8月有所減小（徑向減小約110 km，緯向減小約87 km）；10月，該暖渦的雙核結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失而演化為單核結(jié)構(gòu)，渦旋中心向東南移動(dòng)至（10.1°N，113.1°E），中心SLA和振幅均減弱，EKE也顯著下降，渦旋緯向直徑達(dá)到最小（153 km），EI也隨直徑減小而增大，說(shuō)明渦旋的能量密度又重新增強(qiáng)；到了11月，該暖渦在平均SLA圖上已基本消失。

圖2 利用WA方法對(duì)2013年夏秋季越南東南外海暖渦的識(shí)別和追蹤

3.2 2013年夏初越南東南外海暖渦的水文資料驗(yàn)證

關(guān)于WA方法在2013年夏初（6月15日—7月12日）識(shí)別的越南東南外海暖渦，我們?cè)谕诘腃TD大面分布圖中也找到了相對(duì)應(yīng)的暖渦結(jié)構(gòu)，其半徑和位置與WA方法識(shí)別出的暖渦基本一致。該暖渦在100m層以淺的CTD大面圖中并不明顯，但從100m層開(kāi)始（見(jiàn)圖3）該暖渦逐漸顯現(xiàn)，并隨著深

度的增加越來(lái)越顯著，到了200m層該暖渦仍持續(xù)存在，這與Chen等[5]的結(jié)果不甚一致。Chen等[5]曾指出，越南外海暖渦在100m層以上最為強(qiáng)盛，其上界可達(dá)表層。但在我們的研究中發(fā)現(xiàn)，該暖渦于夏初形成時(shí)（6月底7月初）在100m層以淺并沒(méi)有顯著體現(xiàn)，相反其上界是從100m層開(kāi)始，并在100—200m層較為強(qiáng)盛。

圖4為150m層CTD大面圖，由圖4可知受該暖渦影響的海水呈高溫、低鹽、低密性質(zhì)。雖然與鹽度和密度等值線相比，溫度等值線相對(duì)稀疏、梯度變化相對(duì)較小，但內(nèi)側(cè)等值線明顯大于外側(cè)等值線，證明了暖渦的存在。而鹽度等值線則較為密集，梯度較大，等值線大小由外向內(nèi)不斷減小。密度等值線的稀疏程度及梯度大小介于溫度和鹽度之間，在增溫減密和降鹽減密的雙重作用下，密度等值線由外向內(nèi)不斷減小。

表1 2013年夏秋越南東南外海暖渦基本特征

圖3 2013年夏季航次100m層溫、鹽、密大面圖

圖4 2013年夏季航次150m層溫、鹽、密大面圖

圖5 為2013年夏季航次沿10.5°N的溫鹽密緯向斷面圖。從該圖可以看出，鹽躍層深度大約在40—80m，溫躍層和密躍層深度大約在60—90m，而暖渦對(duì)溫鹽密場(chǎng)垂直分布的影響主要體現(xiàn)在躍層以下、100m以深處，這也再次映證了“夏初時(shí)越南外海暖渦體現(xiàn)于100m以深處”的說(shuō)法。在暖渦的影響下，溫度等值線在100—200m之間的暖渦中心處出現(xiàn)了明顯的下凹，拿20℃等溫線來(lái)說(shuō)，其在

渦旋中心及邊緣的深度差可達(dá)28m；鹽度等值線和密度等值線在100—200m之間的渦旋中心處也有明顯的下凹，拿34.25 psu鹽度等值線和24.4 kg/ m3密度等值線來(lái)說(shuō)，它們均下凹了約30m。這一方面再次證實(shí)了暖渦的存在，另一方面也與CTD大面圖所體現(xiàn)的暖渦的性質(zhì)有很好的對(duì)應(yīng)。

圖5 2013年夏季航次沿10.5°N的0—200m層緯向斷面圖

圖6 2013年秋季航次100m層溫、鹽、密大面圖

3.3 2013年秋季越南東南外海暖渦的水文資料驗(yàn)證

由3.1可知，越南東南外海暖渦在秋季演化為雙渦核結(jié)構(gòu)，范圍增大且向東南方向移動(dòng)。我們?cè)谕诘腃TD大面分布圖中也清晰地識(shí)別出了該雙核暖渦結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6），其渦旋中心（西側(cè)渦核中心于100m以淺體現(xiàn)，東側(cè)渦核中心于110m以深體現(xiàn)）、形狀及面積與WA方法識(shí)別的渦旋中心、形狀及面積基本對(duì)應(yīng)。

比較夏秋兩個(gè)航次的CTD大面分布圖可以看出，與夏季相比，秋季越南東南外海暖渦整體向東南方向移動(dòng)且范圍增大，這與用WA方法識(shí)別出的渦旋結(jié)果一致。受該雙核暖渦結(jié)構(gòu)影響的水體較周?chē)w呈高溫、低鹽、低密的特性，這與夏初時(shí)該暖渦對(duì)周?chē)w的影響保持一致。但與夏初時(shí)越南東南暖渦僅在100m以深水域有所體現(xiàn)不同，該雙核結(jié)構(gòu)在40—100m層的溫鹽密大面圖中均有很好的體現(xiàn)（圖略），且以90—100m層最為顯著，這也充分說(shuō)明了越南東南外海暖渦不僅在水平方向上發(fā)育充分，在垂直方向上的穿透深度也顯著加強(qiáng)。在100m層以淺，西側(cè)渦核更加強(qiáng)大，發(fā)育也更加充分（見(jiàn)圖6），這與WA渦旋識(shí)別結(jié)果中西側(cè)渦核的中心SLA及振幅更大相吻合。從110m層開(kāi)始，雙核結(jié)構(gòu)中西側(cè)渦核的影響范圍明顯減小，其中心北移且強(qiáng)度開(kāi)始減弱，東側(cè)渦核則有所加強(qiáng)，圖7為130m層的溫度、鹽度、密度大面圖，對(duì)比圖6和圖7我們可以明顯地看出雙核暖渦內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨深度發(fā)生的變化。

在140m層以下的溫鹽密場(chǎng)中，雙核結(jié)構(gòu)中的西側(cè)渦核基本消失，但東側(cè)渦核仍然繼續(xù)存在。東側(cè)渦核對(duì)溫度的影響未隨深度的增加發(fā)生顯著改變，到了200m層，該渦核對(duì)溫度的影響仍然存在。但與西側(cè)渦核相比，東側(cè)渦核對(duì)溫度的影響較弱，溫度等值線梯度變化較小，等溫線也稀疏許多（見(jiàn)圖8a）。對(duì)于鹽度，東側(cè)渦核的影響深度持續(xù)到190m層，且在180m層的鹽度分布圖中仍十分明顯（見(jiàn)圖8b），鹽度等值線密集、梯度變化大。對(duì)于密度，東側(cè)渦核對(duì)密度的影響在200m層仍清晰可見(jiàn)，

從密度等值線的疏密程度和梯度變化來(lái)看，東側(cè)渦核對(duì)密度的影響未隨深度增加而顯著減弱（見(jiàn)圖8d）。值得注意的是，在西側(cè)渦核消失后的180m層鹽度大面圖中，在西側(cè)渦核的位置出現(xiàn)了鹽度高值區(qū)（圖8b）；在東側(cè)渦核對(duì)鹽度影響消失后的200m層鹽度大面圖中（圖8c），在東側(cè)渦核的位置也出現(xiàn)了鹽度高值區(qū)，但對(duì)于產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，還有待于進(jìn)一步研究。

圖7 2013年秋季航次130m層溫、鹽、密大面圖

圖8 2013年秋季航次溫、鹽、密大面圖

4 結(jié)論

本文首次使用WA渦旋自動(dòng)識(shí)別方法對(duì)2013年夏秋兩季越南東南外海暖渦進(jìn)行了識(shí)別和追蹤。該暖渦于2013年夏初（6月底7月初）已初步形成、呈單核結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)整個(gè)夏季的發(fā)展壯大，于8—9月達(dá)到強(qiáng)盛且演化為雙核結(jié)構(gòu)，其西側(cè)渦核

強(qiáng)于東側(cè)渦核，但東側(cè)渦核發(fā)育更快。到了10月該暖渦開(kāi)始減弱并退化為單核結(jié)構(gòu)，11月基本消失。在整個(gè)演化過(guò)程中，渦旋整體向東南方向移動(dòng)。發(fā)育最充分時(shí)，渦旋的緯向直徑可達(dá)427 km，中心SLA達(dá)28.75 cm，最大振幅6.04 cm，最大EKE為384 cm2/s2，而EI則在渦旋形成之初達(dá)到最大值1.59×10-2cm2/s2km2。

我們?cè)谙某鹾颓锛镜耐贑TD大面、斷面分布圖中也發(fā)現(xiàn)了該暖渦的存在，其渦旋位置、范圍、演化特征等與WA方法的識(shí)別結(jié)果基本吻合。夏初時(shí)，該暖渦主要體現(xiàn)在躍層之下、100m以深處，受暖渦影響的水體呈高溫、低鹽、低密特性，溫鹽等值線明顯下凹；到了秋季，該暖渦已離開(kāi)原先的位置向東南方向移動(dòng)，面積增大且已演化為雙核結(jié)構(gòu)，受雙核暖渦影響的水體仍然呈高溫、低鹽、低密的特性。與夏初相比，該暖渦在垂直方向上的深度已由100 m以深提高到40m以深，且在90—100m層最為顯著。在100m層以淺海域，雙核結(jié)構(gòu)中西側(cè)渦核更加強(qiáng)大、發(fā)育更充分；從110m層開(kāi)始，西側(cè)渦核的影響范圍明顯減小，其中心北移且強(qiáng)度開(kāi)始減弱，東側(cè)渦核則有所加強(qiáng)；在140m層以下海域，西側(cè)渦核基本消失，但東側(cè)渦核仍然繼續(xù)存在，其對(duì)鹽度的影響持續(xù)到190m層，對(duì)溫度和密度的影響在200m層仍可見(jiàn)。

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Prelim inary analysisof the anti-cyclonic eddy off southeast Vietnam byWA method during summer and autumn in 2013

YAN Dan-chen,ZHANGTian-yu,LIYun,WANGYan-qiang，LUYong-duo
(NationalMarine Environmental Forecasting Center,Key Laboratory ofResearch onMarine Hazards Forecasting,Beijing 100081China)

The anti-cyclonic eddy off southeast Vietnam during summer and autumn in 2013 w ith satellite altimeter data and WA automated method is identified and tracked.At the same time,the interior structure and properties of the eddy are analyzed w ith CTD data.The anti-cyclonic eddy had a single core below 100m in the early summer,w ith high temperature,low salinity and density,and deepened the isotherm and isohaline.The anti-cyclonic eddy was developed through summer and evolved into dual-core structure during the strongest period in August and September.The west core of the eddy was stronger than the east,and the east core was developed faster than the west.The largest zonal diameter,central sea level anomaly,amplitude,eddy kinetic energy,and eddy intensity of the eddy were 427 km,28.75 cm,6.04 cm,384 cm2/s2and 1.59×10-2cm2/s2km2, respectively.The upper bound of the eddy was 100m in summerwhile it rose to 40m in autumn.Itwas strongest at90-100m depth in autumn,and thewest corewasmore powerful compared w ith the eastat the upper 100m. However,the west core was weakened and its centermoved northward while the east core strengthened below 110 m.Below 140m,the west core disappeared but the east core still existed.The impact of the east core on salinity remained to 190m andmore deep on temperatureand density.

WAmethod;Sea LevelAnomaly(SLA);theanti-cyclonic eddy offsoutheastVietnam

P731.21

A

1003-0239（2015）05-0053-08

2014-10-30

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA12A406)；中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題（KLOCAW1410）

燕丹晨(1989—)，女，碩士研究生，主要從事中尺度渦識(shí)別和分析研究，E-mail:yan_danchen@163.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.007