2013年呂宋暖渦的生消過程及特征研究

楊真真，陳學(xué)恩

（中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東青島266100）

2013年呂宋暖渦的生消過程及特征研究

楊真真，陳學(xué)恩

（中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東青島266100）

基于HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）海洋模式，采用全球到西北太平洋，西北太平洋到南海兩層嵌套的數(shù)值模擬方法，以2013年為例，獲得了高精度（1/25°×1/25°×cosθ）的南海海洋動(dòng)力數(shù)據(jù)資料。詳細(xì)刻畫了呂宋暖渦的演變過程及三維結(jié)構(gòu)，并對(duì)呂宋暖渦演化過程中伴隨的能量變化進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，2013年6月中旬呂宋暖渦生成于呂宋島西北側(cè)，該渦先向西移動(dòng)，8月底滯留約一個(gè)月，隨后沿200 m等深線向西南移動(dòng)，最終于12月中旬消亡。以2013年8月4日為例，呂宋暖渦的影響深度可從海表面到達(dá)海底，渦的形狀類似于圓柱狀，渦中心存在傾斜，從海表面至海底渦的中心可傾斜約110 km；呂宋暖渦最大流速可達(dá)0.5 m/s。呂宋暖渦所在區(qū)域的溫度高于周圍區(qū)域2~6℃，鹽度低于周圍區(qū)域約0.1~0.3‰，最大溫度異常值為6.5℃，鹽度異常值可達(dá)-1‰，都出現(xiàn)在深度150 m左右的海域。呂宋暖渦的總能量可達(dá)左右，渦勢(shì)能約是渦動(dòng)能的6倍；正壓能量轉(zhuǎn)化與斜壓能量轉(zhuǎn)化之和占渦總能量變化的76%，對(duì)渦能量變化起決定性作用。

呂宋暖渦；三維結(jié)構(gòu)；渦能量分析；數(shù)值模擬；HYCOM

南海中尺度渦活動(dòng)十分活躍，渦的高發(fā)區(qū)域?yàn)樵侥贤夂Ｅc臺(tái)灣西部海域（Wang et al，2003；Chen et al，2011）。前人對(duì)南海中尺度渦的三維結(jié)構(gòu)刻畫與生成機(jī)制展開了一些工作，Zhang等（2013）通過浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了臺(tái)灣西南暖渦的三維結(jié)構(gòu)并分析了中尺度渦對(duì)深海環(huán)流的影響。Chen等（2010）利用Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)描述了呂宋暖渦垂向溫鹽特征并分析了其與菲律賓海的水交換過程。Lin等（2015）利用POM模式結(jié)果統(tǒng)計(jì)了南海中尺度渦的特征及三維結(jié)構(gòu)，但只分析了中尺度渦水深小于700m部分的特征，對(duì)于水深大于700m的部分未進(jìn)行分析。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率以及模式空間分辨率較低等局限性，至今對(duì)于南海中尺度渦的三維結(jié)構(gòu)刻畫與能量機(jī)制研究的工作仍然需展開更多研究工作。

呂宋暖渦為生成于呂宋島西北側(cè)的反氣旋渦，Yuan等（2007）通過統(tǒng)計(jì)17年的AVISO衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，呂宋暖渦于每年8月份左右生成，該渦先向西南方向移動(dòng)，移動(dòng)至200 m等深線后滯留一段時(shí)間，然后繼續(xù)沿200 m等深線向西北移動(dòng)，最終于次年1、2月份消失。Li等（1998）通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1994年9月在呂宋島西北海域生成了一個(gè)反氣旋渦，即呂宋暖渦，通過分析其溫鹽性質(zhì)，指出該渦可能為黑潮脫落形成。Metzger等（2001）分析NLOM模式結(jié)果，提出呂宋暖渦為黑潮脫落形成，但該模式數(shù)據(jù)由于未過濾掉黑潮信號(hào)，因此并不能準(zhǔn)確觀察呂宋暖渦的演變過程。此外，還有其他研究人員同樣表示呂宋暖渦為黑潮脫落生成（Li et al，2002；Jia et al，2004）。Yuan等（2007）認(rèn)為呂宋暖渦的演變過程為季節(jié)性現(xiàn)象，通過分析呂宋暖渦2002年的統(tǒng)計(jì)特征與1993-2007年的移動(dòng)路徑，發(fā)現(xiàn)呂宋暖渦于夏季在呂宋西北側(cè)生成，秋季跨越東北部南海至南海陸架，秋冬季沿著陸架向西南傳播；其空間尺度為233~269 km；呂宋暖渦和經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力有較高的相關(guān)性，其強(qiáng)度與前2個(gè)月經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.67，表明西南季風(fēng)與經(jīng)向最小風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)呂宋暖渦的生成有著重要影響。Chen等（2010）利用Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)描述了呂宋暖渦垂向溫鹽特征，分析了其與菲律賓海的水交換，刻畫了其演變過程，但只分析了呂宋暖渦水深小于500 m海域部分的溫鹽特征，對(duì)水深大于500 m海域部分的特征未進(jìn)行描述。中尺度渦的能量分析對(duì)于中尺度渦機(jī)制分析有著很重要的作用，Zhang等（2013）利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了臺(tái)灣西南側(cè)兩個(gè)渦的能量變化，但由于缺少呂宋暖渦的實(shí)測(cè)資料，并未有人對(duì)呂宋暖渦進(jìn)行能量分析。本文基于HYCOM海洋模式進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了南海高精度（1/25°×1/25°× cosθ）的海洋動(dòng)力數(shù)據(jù)資料，彌補(bǔ)了觀測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不足，詳細(xì)刻畫了呂宋暖渦的演變過程，分析了其所在區(qū)域從海表面到海底的三維結(jié)構(gòu)，并對(duì)該過程伴隨的能量變化進(jìn)行了分析。本文以2013年為例對(duì)呂宋暖渦進(jìn)行分析，呂宋暖渦的演變過程為季節(jié)性現(xiàn)象，每年的生成消亡日期、移動(dòng)路徑、強(qiáng)度、位置等相似，所以本文對(duì)呂宋暖渦的研究具有代表性，本文結(jié)論可以反映呂宋暖渦的一般性質(zhì)。

1 模式介紹

1.1 模式說明

本文進(jìn)行數(shù)值模擬所基于的HYCOM海洋模式采用的是混合垂向坐標(biāo)，在開闊分層的大洋采用等密度面坐標(biāo)，在較淺的沿岸海區(qū)通過分層連續(xù)方程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)平滑轉(zhuǎn)換到σ坐標(biāo)，在混合層或者沒有明顯分層的海域采用z坐標(biāo)。模式輸入數(shù)據(jù)包括：（1）南海地形數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來自于美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，簡(jiǎn)寫NOAA）提供的ETOPO5數(shù)據(jù)集，經(jīng)緯度范圍為100°E-125°E，6°S-30°N，空間分辨率為1/6°×1/6°。（2）COADS風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫和熱力學(xué)強(qiáng)迫場(chǎng)數(shù)據(jù)。COADS（the Comprehensive Ocean-Atmosphere Data set）為氣候態(tài)數(shù)據(jù)，風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫包括月平均的經(jīng)向和緯向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)速，熱力學(xué)強(qiáng)迫包括表層氣溫、表層大氣的比濕、凈短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、降水等。（3）NOGAPS風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫和熱力學(xué)強(qiáng)迫場(chǎng)數(shù)據(jù)。NOGAPS（Navy Operational Global Atmospheric Prediction System）為高時(shí)間頻率大氣強(qiáng)迫場(chǎng)，已有研究利用NOGAPS數(shù)據(jù)作為模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)取得了很好的模擬效果（Hurlburt et al，2011）。該數(shù)據(jù)從2003年開始每周一次連續(xù)更新，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為3 h。本文利用了NOGAPS高斯網(wǎng)格2003-2013年共11年的風(fēng)速、風(fēng)應(yīng)力、海表面溫度、降水以及熱量強(qiáng)迫場(chǎng)。（4）模式的溫鹽初始場(chǎng)數(shù)據(jù)。本文采用的是海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory，簡(jiǎn)寫NRL）的Levitus94多年月平均數(shù)據(jù)的6月份溫鹽場(chǎng)。

圖1 模式模擬區(qū)域（較大黑色方框?yàn)榈谝粚忧短孜鞅碧窖蠛Ｓ虻姆秶?，較小黑色方框?yàn)榈诙忧短啄虾：Ｓ虻姆秶?/p>

為保證數(shù)值模擬的可實(shí)現(xiàn)性與節(jié)省計(jì)算資源的同時(shí)，獲得高分辨率的南海數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，本文采用二層嵌套的方法，全球與西太洋海域采用較粗分辨率進(jìn)行模擬，來獲得南海模擬的邊界與初始條件，南海采用較高分辨率，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的高分辨率。如圖1所示，本文數(shù)值模擬工作由全球（1°×1°×cosθ）向西北太平洋（1/5°× 1/5°×cosθ），西北太平洋向南海，進(jìn)行空間分辨率1∶5嵌套，模式分辨率逐步提高，獲得了高精度（1/25°×1/25°×cosθ）的南海海洋動(dòng)力數(shù)據(jù)資料。嵌套過程中，全球區(qū)域?qū)嶒?yàn)?zāi)M結(jié)果為西北太平洋區(qū)域?qū)嶒?yàn)提供初始場(chǎng)與邊界場(chǎng)條件，西北太平洋區(qū)域?qū)嶒?yàn)?zāi)M結(jié)果為南海區(qū)域?qū)嶒?yàn)提供初始場(chǎng)與邊界場(chǎng)條件。全球區(qū)域模擬范圍為180°E-180°W，60°S-53°N，西北太平洋區(qū)域模擬范圍為95.00°E-146.00°E，6°S-48.09°N，南海區(qū)域模擬范圍為98.4°E-124.4°E，4°N-24.7°N。模式在垂向上采用混合坐標(biāo)，分為33層，深度分別為：0m，10m，20 m，30 m，50 m，75m，100m，125 m，150 m，180 m，200 m，250 m，300 m，400 m，500 m，600 m，700 m，800 m，900 m，1 000m，1 100 m，1 200 m，1 300 m，1 400 m，1 500 m，1 750 m，2 000 m，2 500 m，3 000 m，4 000 m，4 500 m，5 000 m，5 500 m。本文采用了COADS和NOGAPS兩個(gè)強(qiáng)迫場(chǎng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；COADS強(qiáng)迫場(chǎng)為氣候態(tài)，模擬實(shí)驗(yàn)首先采用氣候態(tài)強(qiáng)迫場(chǎng)COADS進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)30年的積分，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；NOGAPS強(qiáng)迫場(chǎng)每3 h更新一次，模式穩(wěn)定狀態(tài)后采用該強(qiáng)迫場(chǎng)來刻畫南海實(shí)時(shí)的海洋物理狀態(tài)。本文分析了COADS強(qiáng)迫場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的西北太平洋海域（COADS-NWP）與NOGAPS強(qiáng)迫場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的南海海域（NOGAPS-SCS）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其中COADS-NWP實(shí)驗(yàn)為NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)提供邊界與初始條件，NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)2013年的數(shù)據(jù)用來對(duì)呂宋暖渦進(jìn)行分析。

本文用來進(jìn)行模式驗(yàn)證的WOA（World Ocean Atlas）數(shù)據(jù)集為Nation Centers for Environment Information提供，該數(shù)據(jù)集包括溫度、鹽度、溶解氧等數(shù)據(jù)。本文采用的為WOA13數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°。

1.2 模式驗(yàn)證

本文在分析呂宋暖渦的模擬和觀測(cè)特征之前，先對(duì)西北太平洋COADS-NWP實(shí)驗(yàn)和南海NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。首先，本文分析了西北太平洋海域COADS-NWP實(shí)驗(yàn)?zāi)M所得到的南海流場(chǎng)情況。

COADS-NWP實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果顯示，黑潮由北赤道流延伸而來，沿呂宋島向北運(yùn)動(dòng)。黑潮途經(jīng)巴士海峽時(shí)，有時(shí)會(huì)入侵南海，成為南海環(huán)流的重要影響因素，其余部分沿臺(tái)灣島東岸向北流動(dòng)，在25°N附近出現(xiàn)反氣旋式彎曲轉(zhuǎn)向東北，基本沿等深線流動(dòng)，在九州島以南海域轉(zhuǎn)向東，沿日本的南岸和東岸流動(dòng)，直至本州島，最終成為黑潮延續(xù)體。本模擬結(jié)果與前人研究結(jié)果（李杰等，2005）相吻合。實(shí)驗(yàn)?zāi)M所得黑潮最大流速為1.97 m/s，與實(shí)際觀測(cè)的2 m/s接近，黑潮的影響深度可以達(dá)到475 m，同樣與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符。

另外，COADS-NWP實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的PN斷面（124.5°E，30°N-128.25°E，27.5°N）的黑潮流量Kuroshio volume transport（KVT）為23.98 Sv，該結(jié)果與前人研究結(jié)果相吻合（袁耀初，1997；趙健，2009；Lu et al，2013；魏艷州，2013）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果顯示，冬季南海貫穿流呈現(xiàn)為一個(gè)較大的逆時(shí)針環(huán)流結(jié)構(gòu)，在越南東岸流速較大，其內(nèi)部還存在兩個(gè)較小的逆時(shí)針環(huán)流結(jié)構(gòu)；在夏季，南海貫穿流為東南向。這與李立等（2000）通過數(shù)值計(jì)算得到的南海貫穿流的結(jié)構(gòu)能較好地吻合。

在南海海盆區(qū)域截取一個(gè)斷面（18°N），斷面深度為1 500 m。將NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)結(jié)果與WOA（World Ocean Atlas）數(shù)據(jù)在該斷面進(jìn)行對(duì)比。觀察1月份WOA數(shù)據(jù)的溫度場(chǎng)（圖2a），最高溫度達(dá)30℃，出現(xiàn)在122.4°E海表面位置處，模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最高溫度值以及出現(xiàn)位置與之相吻合。WOA與模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示，12℃、9℃、6℃等溫線分別出現(xiàn)在225 m、490 m、785 m深度的海域附近。由此可見，模式結(jié)果準(zhǔn)確地刻畫出了南海1月份的溫度場(chǎng)。7月份溫度場(chǎng)對(duì)比中（圖2b），同樣可以發(fā)現(xiàn)模式與WOA數(shù)據(jù)高度一致。

圖2 NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)結(jié)果與WOA數(shù)據(jù)在南海18°N斷面斷面的溫鹽對(duì)比（a-d）中左圖為WOA數(shù)據(jù)，右圖為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（a）（c）為1月溫度鹽度對(duì)比，（b）（d）為7月溫度鹽度對(duì)比

模式1月份與7月份鹽度結(jié)果與WOA數(shù)據(jù)較為一致，1月份（圖2c）最高鹽度值為34.9‰，出現(xiàn)在121.8°E位置附近。500~750 m深度海域中，模式的鹽度值高出WOA值2.95%左右，誤差在可接受范圍內(nèi)。7月份（圖2d）模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果在200 m以上海域的鹽度值有偏差，原因可能是該季節(jié)中尺度渦活動(dòng)頻繁，對(duì)鹽度擾動(dòng)較大。

綜上所述，模式模擬結(jié)果能準(zhǔn)確地刻畫南海的溫鹽場(chǎng)，說明所用數(shù)值模式能很好地模擬南海海域的水文特征。

2 呂宋暖渦的演變與能量變化

2.1 呂宋暖渦的演變過程

本文分析了NOGAPS強(qiáng)迫下南海NOGAPSSCS實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，刻畫了呂宋暖渦的生成消亡位置、移動(dòng)路徑、生存周期、強(qiáng)度等物理特征。

通過逐天對(duì)比2013年AVISO衛(wèi)星數(shù)據(jù)和NOGASP-SCS模式計(jì)算結(jié)果（圖3），本文發(fā)現(xiàn)兩者在描述呂宋暖渦的生成消亡日期，生命周期，位置，半徑，強(qiáng)度等方面能夠較好地吻合。根據(jù)模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2013年份6月中旬呂宋暖渦生成于呂宋島西北側(cè)（118.8°E，18.4°N），該渦先向西移動(dòng)，平均速率為6.0 km/d，最大速率出現(xiàn)在8月25號(hào)，達(dá)到18.0 km/d；8月底移動(dòng)至200 m等深線處（116.6°E，17.6°N），在該位置附近滯留30天；隨后呂宋暖渦沿200 m等深線向西南移動(dòng)，移動(dòng)速率為4.5~13 km/d；最后該渦于12月中旬在海南島東南側(cè)（111.2°E，17.5°N）消亡。該渦的移動(dòng)速率和演變過程與Yuan等（2007）的研究結(jié)果相一致，進(jìn)一步證實(shí)了模式的準(zhǔn)確性。

2.2 呂宋暖渦的能量分析

渦的總能量（TEE）包含渦動(dòng)能（EKE）和渦勢(shì)能兩部分（EPE）。

渦動(dòng)能公式為：

其中，u′，v′表示緯向和經(jīng)向速度異常，由u，v分別減去所在月份的背景流場(chǎng)所得，該背景流場(chǎng)為模式COADS氣候態(tài)強(qiáng)迫場(chǎng)下積分20年達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的流場(chǎng)。

參考B?ning等（1992）和Brown等（2010）文章，渦勢(shì)能公式為：

圖3 海表高度異常（SLA）（單位：m）上方為AVISO衛(wèi)星數(shù)據(jù)，下方為模式NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，黑色實(shí)線為渦的軌跡，黑色三角為渦所在位置。日期標(biāo)注于左上角。

分析2013年呂宋暖渦伴隨的能量隨時(shí)間的變化（圖4），整體而言，渦勢(shì)能的值約是渦動(dòng)能的6倍。渦動(dòng)能與渦勢(shì)能的變化趨勢(shì)一致，都有兩個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在8月中旬和10月上旬。6月1日至8月1日，能量緩速增長(zhǎng)，8月份能量快速增長(zhǎng)達(dá)到峰值后又快速下降，9、10月份能量較穩(wěn)定，10月中上旬能量增長(zhǎng)達(dá)到最高值，然后能量值出現(xiàn)輕微抖動(dòng)，繼而快速衰減接近于0值。能量的變化趨勢(shì)說明，呂宋暖渦在渦生命周期的前期，其他能量轉(zhuǎn)化為渦動(dòng)能和渦勢(shì)能，后期，渦能量轉(zhuǎn)化為其他能量，并且8月初與10月初有其他較大的能量轉(zhuǎn)化為渦能量，造成呂宋暖渦的渦能量變大。下面將詳細(xì)分析呂宋暖渦的能量轉(zhuǎn)化過程。

圖4 呂宋暖渦的渦動(dòng)能（EKE）與渦勢(shì)能（EPE）隨時(shí)間變化（單位：m2s-2）（2013年）

渦能量主要受正壓能量轉(zhuǎn)化、斜壓能量轉(zhuǎn)化、擾動(dòng)壓力和Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定等因素影響。斜壓能量轉(zhuǎn)化的物理意義是表示通過斜壓不穩(wěn)定機(jī)制從平均流動(dòng)能或者勢(shì)能轉(zhuǎn)化為渦能量的程度，是指平均流的垂直剪切或者平均流的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為渦動(dòng)能，表示平均位能到擾動(dòng)位能的轉(zhuǎn)化率。同樣參考Lorenz等（1955）和B?ning等（1992）的文章，經(jīng)過簡(jiǎn)化公式ρ=ρ0（1-αT）轉(zhuǎn)化后，斜壓能量轉(zhuǎn)化率公式為：

正壓能量轉(zhuǎn)化的物理意義是表示從平均流的水平剪切及平均流的動(dòng)能中獲得能量，表示平均動(dòng)能到擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化率。參考Lorenz等（1955）和B?ning等（1992）的文章，正壓能量轉(zhuǎn)化率公式為：

圖5 呂宋暖渦總能量變化率（?TEE/?tTEE）、斜壓轉(zhuǎn)化率（BCI）、正壓轉(zhuǎn)化率（BTI）隨時(shí)間變化（單位：m2s-3）（2013年）

圖5展示了呂宋暖的總能量隨時(shí)間變化率?TEE/?t、斜壓轉(zhuǎn)化率BCI、正壓轉(zhuǎn)化率BTI隨時(shí)間的變化曲線。在呂宋暖渦的整個(gè)生存周期內(nèi)，能量有2次較大波動(dòng)，分別出現(xiàn)在8月初至8月20號(hào)和9月底至10月25號(hào)。在兩次能量波動(dòng)中，正壓轉(zhuǎn)化率和斜壓轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律與總能量的變化規(guī)律相一致。8月1日至8月12日，?TEE/?t值大于0，且達(dá)到了較大的值2.25×107m2s-3，說明這段時(shí)間呂宋暖渦的能量快速增加，相應(yīng)的BCI、BTI值也是增大的，且增速較快；8月13日后，值下降至小于0，最低值可達(dá)-3.24×107m2s-3，該時(shí)間段內(nèi)呂宋暖渦能量快速減少，同樣相應(yīng)的BCI、BTI值也快速下降。10月份的能量波動(dòng)中也出現(xiàn)了相同的情況，BCI、BTI的變化趨勢(shì)總是保持著與?TEE/?t的變化相一致，且在能量波動(dòng)中BCI與BTI值之和占?TEE/?t的比重大于76%。這表明正壓能量轉(zhuǎn)化和斜壓能量轉(zhuǎn)化對(duì)于呂宋暖渦的生長(zhǎng)和消亡起著決定性作用。

結(jié)合呂宋暖渦的能量分析與前人對(duì)中尺度渦的生成機(jī)制分析，同時(shí)結(jié)合呂宋海峽附近渦度場(chǎng)的特征（王璐華等，2014），本文推測(cè)呂宋暖渦的生成機(jī)制主要受以下兩個(gè)因素影響。第一個(gè)是黑潮影響，Wang等（2000）通過分析十幾年平均的XBT資料，發(fā)現(xiàn)巴士海峽兩岸的黑潮是不穩(wěn)定的（抖壓不穩(wěn)定），并推測(cè)這種不穩(wěn)定可能導(dǎo)致南海中尺度渦的產(chǎn)生。第二個(gè)是斜壓效應(yīng)，李東輝等（2003）曾指出南海北部的氣旋式渦旋是在黑潮、海底地形和斜壓效應(yīng)等因素共同作用下形成的。

3 呂宋暖渦三維結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析

2013年呂宋暖渦生成于6月下旬，于次年1月消亡。2013年8月4日是呂宋暖渦生命周期中較穩(wěn)定的日期，并且該日的流場(chǎng)、溫鹽場(chǎng)、渦強(qiáng)度等能夠體現(xiàn)呂宋暖渦在其整個(gè)生命周期中的一般特征，因此本文以該日的日平均數(shù)據(jù)為例分析了呂宋暖渦的三維結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

取2013年8月4日的日平均數(shù)據(jù)對(duì)呂宋暖渦的渦動(dòng)能和渦勢(shì)能進(jìn)行分析。根據(jù)公式（1）、（3）計(jì)算呂宋暖渦的渦動(dòng)能和渦勢(shì)能，并在體積上進(jìn)行積分，水平積分范圍為根據(jù)渦流速異常所確定的渦邊緣所包含的區(qū)域，垂向積分深度為全深度。呂宋暖渦的渦動(dòng)能為，其中100 m以淺海域的渦動(dòng)能為，占全部渦動(dòng)能的65.9%，200 m以淺海域的渦動(dòng)能為，占全部渦動(dòng)能的78.9%。2013年8月4日呂宋暖渦的渦勢(shì)能為，勢(shì)能的大小沿深度下降較平緩，200 m以淺海域的渦勢(shì)能為，占全部渦勢(shì)能的48%。通過分析呂宋暖渦勢(shì)能的垂向分布，發(fā)現(xiàn)勢(shì)能的最大值出現(xiàn)在深度150 m的海域，這與前文提到的呂宋暖渦溫度異常最大值的深度相吻合。

3.1 三維結(jié)構(gòu)

本文利用模式NOGAPS-SCS實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析呂宋暖渦的三維結(jié)構(gòu)（圖6），發(fā)現(xiàn)呂宋暖渦的影響深度可到2 000 m深或更深的海域。如圖6中的流場(chǎng)所示，在深度小于50 m的海域，受表層流場(chǎng)影響較大，渦形并不十分明顯；在150 m海域中，渦形接近標(biāo)準(zhǔn)圓形，最大流速出現(xiàn)在渦的西側(cè)邊緣處，可達(dá)0.35 m/s，平均流速為0.15 m/s；在400m以下，隨著深度加深，渦沿大陸坡方向半徑變大，垂直于大陸坡方向半徑變小，渦的形狀由圓形變?yōu)榍瘦^大的橢圓形；在2 000 m深的海域中，流速變小，平均流速為0.035 m/s；在3 000 m深的海域中，由于地形影響，流速非常小，但仍可觀察到流場(chǎng)中存在渦形結(jié)構(gòu)。圖中黑線為呂宋暖渦的邊緣，根據(jù)最大流速求出。

3.2 垂向流場(chǎng)

圖6 呂宋暖渦三維結(jié)構(gòu)（箭頭表示流場(chǎng)，填色表示溫度異常，黑色曲線為渦邊緣，直線為下文中提到的18.94°N斷面，日期為2013年8月4日）

2013年8月4日呂宋暖渦的渦中心位于（117.2°E，18.94°N）附近。取18.94°N斷面來分析呂宋暖渦的垂向特征。在圖7a中，紅色虛線表示最大流速，即渦的邊緣，黑線為南北向流速V的零等值線，中間的黑線表示渦中心。從圖7a中可以看到呂宋暖渦的影響深度從海表面一直到海底3 500 m左右，整體來看呂宋暖渦為傾斜的圓柱體，在海表面，渦中心位于117.6°E，渦的影響區(qū)域?yàn)?15.5-119.8°E，半徑約為112 km，隨著深度加深，渦邊緣會(huì)發(fā)生變形，半徑變化范圍為105~183 km。在海表面，呂宋暖渦的南北向流速V最大，值為0.52 m/s；在500 m海域內(nèi)，流速V的值約為0.24 m/s；在1 000 m海域，流速V降為0.1 m/s；在2 000 m以深海域，流速非常小，接近0.01 m/s。從圖7a、7b中可以發(fā)現(xiàn)呂宋暖渦存在著向西扭曲的現(xiàn)象，在表層，渦中心位于118.3°E，隨著深度加深逐漸向西偏移，到達(dá)3 000 m深時(shí)偏移至117°E，渦中心共偏移110.5 km。從圖7b中還可發(fā)現(xiàn)，渦的流場(chǎng)并非東西完全對(duì)稱，渦的西側(cè)部分流速偏大，而渦的東側(cè)部分延伸寬度較大。圖5c中紅點(diǎn)為模式每層深度的渦所在區(qū)域最大流速，黑線為七次高斯函數(shù)對(duì)最大流速的擬合結(jié)果，表明七次高斯函數(shù)可較準(zhǔn)確地刻畫渦的最大流速與深度的關(guān)系。

3.3 垂向溫度與鹽度

與上文相同，取2013年8月4日呂宋暖渦中心所在的18.94°N斷面，分析呂宋暖渦的垂向溫鹽特征。呂宋暖渦所在區(qū)域的溫度明顯高于周圍區(qū)域，如圖8a所示，其中黑色虛線內(nèi)海域?yàn)闇u所在區(qū)域。深度范圍為0~125 m和190~500 m的海域內(nèi)，渦所在區(qū)域溫度高于周圍區(qū)域2℃，125~ 190 m范圍的海域溫度高于周圍海域4~6℃；渦所在區(qū)域的海表面溫度高達(dá)30℃，高于周圍海面2℃。呂宋暖渦造成20℃等溫線所在深度由130 m下降為175 m，10~28℃等溫線所在深度均有所下降，下降范圍在28~60 m之間。呂宋暖渦引起的溫度異常情況如圖8b所示，溫度異常值為模式當(dāng)天平均值減去所在季節(jié)的季節(jié)平均值。

圖7 （a）18.94°N斷面南北向流速V（實(shí)線為零等值線，虛線為渦邊緣）；（b）18.94°N斷面流場(chǎng)；（c）渦最大流速與深度關(guān)系；日期為2013年8月4日

從圖8b中可以看出，溫度異常值高于1℃的區(qū)域經(jīng)度范圍為116-119°E，所在深度為50~300m，與上文提到的呂宋暖渦的影響范圍相一致；其中溫度異常最高值可達(dá)6.5℃，出現(xiàn)在深度150 m左右的海域。圖8c為垂向鹽度圖，黑色虛線框內(nèi)海域?yàn)闇u所在區(qū)域，從圖中可以發(fā)現(xiàn)呂宋暖渦所在區(qū)域的鹽度值低于周圍區(qū)域，較為明顯的區(qū)域是0~200 m范圍的海域內(nèi)：0~100 m范圍的海域內(nèi)，渦所在區(qū)域的鹽度值低于周圍海域約0.1‰，100~200 m范圍的海域內(nèi)，鹽度值低于周圍海域0.2~0.3‰；呂宋暖渦所在區(qū)域的海表面鹽度值最低，可達(dá)33.8‰，130 m深海域的鹽度為34‰，而在其它區(qū)域，34‰等鹽度線深度為100 m。呂宋暖渦所在區(qū)域的鹽度低于周圍區(qū)域，鹽度異常的最低值可達(dá)1‰，出現(xiàn)在深度150 m左右的海域（圖8d），與溫度異常最大值的深度相同。

圖8 呂宋暖渦18.94°N斷面溫鹽特征（日期為2013年8月4日）：（a）溫度值（單位：℃），（b）溫度異常（單位：℃），（c）鹽度值（單位：‰），（d）鹽度異常（單位：‰），圖中黑色虛線為渦的邊緣，與圖7a中虛線對(duì)應(yīng)

4 總結(jié)

本文以2013年為例，基于垂向混合坐標(biāo)的HYCOM海洋模式，對(duì)南海進(jìn)行高精度（1/25°× 1/25°×cosθ）數(shù)值模擬。通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，詳細(xì)刻畫了呂宋暖渦周年的演變過程及其伴隨的能量變化。并且本文以具有代表性的2013年8月4日為例，刻畫了呂宋暖渦的三維結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。

主要結(jié)論如下：

（1）呂宋暖渦的生成、演變與消亡是一種季節(jié)性現(xiàn)象，具有一定的規(guī)律性：每年7月份生成于呂宋島西北側(cè)，向西移動(dòng)，滯留一段時(shí)間后，繼續(xù)沿地形向西南移動(dòng)，最終于次年1、2月份消亡。

（2）呂宋暖渦的渦動(dòng)能主要集中在水深200 m以淺的海域，渦勢(shì)能最大值出現(xiàn)在150 m深的海域；呂宋暖渦的能量演變過程中存在兩次較大的能量變化，分別為8月中旬和10月初，在這兩次波動(dòng)過程中，正壓、斜壓能量轉(zhuǎn)化率與渦總能量的變化趨勢(shì)相一致，且正壓能量轉(zhuǎn)化率和斜壓能量轉(zhuǎn)化率之和大于渦總能量變化率的76%，表明正壓能量轉(zhuǎn)化和斜壓能量轉(zhuǎn)化對(duì)于呂宋暖渦的生長(zhǎng)和消亡起著決定性作用。

（3）2013年8月4日，呂宋暖渦的影響深度可到達(dá)海底，垂向呈現(xiàn)為傾斜的圓柱體，渦中心從海表面至海底向西傾斜，傾斜距離約110 km，渦半徑變化范圍為105~183 km。

（4）2013年8月4日，呂宋暖渦最大流速在0.5 m/s左右，深度范圍為2 000~4 000 m的海域內(nèi)，流場(chǎng)仍存在渦形結(jié)構(gòu)，但流速下降為0.01~ 0.03 m/s；渦所在區(qū)域的溫度高于周圍區(qū)域2~6℃，鹽度低于周圍區(qū)域約0.1~0.3‰，最大溫度異常值為6.5℃，鹽度異常值可達(dá)-1‰，都出現(xiàn)在深度150 m左右的海域。

致謝：本研究由“全球大洋中尺度渦旋預(yù)報(bào)和南海內(nèi)孤立波預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)”和“泰山學(xué)者工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助”共同資助。在研究過程中，劉鑫、朱曉婷和鄒斯嘉給予了有益的建議，國家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心提供了千萬億次“神威藍(lán)光”計(jì)算平臺(tái)，在此一并表示感謝。

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（本文編輯：袁澤軼）

Propagation and characteristics of Luzon Warm Eddy in 2013

YANG Zhen-zhen,CHEN Xue-en
(College of Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao266100,China)

HYCOM((HYbrid Coordinate Ocean Model)is used to obtain the high-resolution(1/25°×1/25°×cosθ) data of the South China Sea(SCS),with the two-nesting method.This paper describes the generation,propagation,treedimensional structure and energy analysis of Luzon Warm Eddy(LWE)based on the data of 2013.According to the model results,the LWE was generated at southwest of Taiwan Island in the mid-June of 2013,and it initially moved westward,then moved southwestward along the 200 m isobath after staying in one place for approximately one month and ultimately disappeared in mid-December.On August 4 th,the impact depth of LWE was from surface to seabed in the shape of tilting cylinder and eddy center tilted for 110 km.For that day,the maximum velocity can be as high as 0.5 m/s while the maximum temperature anomaly at 150 meters could achieve 6.5℃.The EPE of LWE could be six times as its EKE;BTI and BCI accounted for 76%of the total eddy energy transform,which were the most important sources of eddy energy.

Luzon Warm Eddy;three-dimensional structure;eddy energy analysis;numerical simulation;HYCOM

Q179

A

1001-6932（2017）04-0399-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.006

2016-03-02；

2016-04-09

楊真真（1990-），碩士研究生，主要從事中尺度渦數(shù)值模擬研究。電子郵箱：sf_young@163.com。

陳學(xué)恩，教授。電子郵箱：xchen@ouc.edu.cn。