海洋次表層SCVs的特征與成因機(jī)制:問(wèn)題與進(jìn)展

戈玉宇,廖光洪

(河海大學(xué) 海洋學(xué)院,江蘇 南京 210013)

0 引言

1958年,英國(guó)海洋學(xué)家SWALLOW et al[1]研制了能在大洋一定水深中自由漂浮的“中性浮子”,并利用其在大西洋灣流區(qū)開(kāi)展海流觀測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)海流不僅比預(yù)想的快了十幾倍,還出現(xiàn)反向流動(dòng)。這種“反?！钡默F(xiàn)象激發(fā)了人們的探索熱情,最終發(fā)現(xiàn)了大洋中尺度渦。自20世紀(jì)90年代衛(wèi)星高度計(jì)應(yīng)用以來(lái),大量中尺度渦旋(水平尺度與羅斯貝變形半徑相當(dāng)) 被觀測(cè)發(fā)現(xiàn)[2],從而掀起了海洋中尺度渦研究的熱潮。

海洋中渦旋包括流速最大值出現(xiàn)在表層的渦旋和流速最大值出現(xiàn)在次表層的渦旋。由于衛(wèi)星高度計(jì)的廣泛應(yīng)用,對(duì)表層渦旋的研究已取得極大進(jìn)展,但對(duì)海洋次表層渦旋的發(fā)現(xiàn)基本是偶然的。隨著漂流浮標(biāo)、自主水下滑翔機(jī)、地震圖像等技術(shù)的成熟和應(yīng)用,在全球許多海域才陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了次表層渦旋。如在地中海、加利福尼亞海域、亞丁灣海域、黑潮延伸體等全球大洋的許多區(qū)域都觀測(cè)到了次表層渦旋[3-6]。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,海洋觀測(cè)采樣的時(shí)空分辨率越來(lái)越高,人們還發(fā)現(xiàn)了大量 1 km 尺度的渦旋結(jié)構(gòu)和細(xì)絲狀流場(chǎng)廣泛活躍于海洋表層和次表層。1985年,MCWILLIAMS[7]首次發(fā)現(xiàn)和命名了次中尺度相干渦旋(submesoscale coherent vortices,SCVs),這類渦旋水平尺度小于中尺度渦旋,即小于羅斯貝變形半徑,結(jié)構(gòu)緊致(能移動(dòng)很長(zhǎng)的距離而保持結(jié)構(gòu)不變)。相干渦旋壽命長(zhǎng),可攜帶生成地的水團(tuán)到遙遠(yuǎn)的海域,這使得其對(duì)全球海洋環(huán)流、上層海洋熱量、鹽分和生物地球化學(xué)示蹤劑通量的傳輸都有著不可忽視的作用。

本文綜述了自20世紀(jì)80年代以來(lái)海洋次表層SCVs(次表層強(qiáng)化且具有相干性的中尺度和次中尺度渦旋)的觀測(cè)研究進(jìn)展,包括次表層SCVs的結(jié)構(gòu)特征、分布特征、生成機(jī)制以及它們對(duì)一些海洋過(guò)程的影響,最后提出了尚未解決的問(wèn)題和未來(lái)的研究方向。

1 次表層SCVs的特征

1.1 水文特征

早期研究次表層SCVs主要基于現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)資料。次表層SCVs往往遠(yuǎn)離生成區(qū)域,并且保留了其生成區(qū)域的水團(tuán)屬性,與周圍水體相比較,具有混合良好的熱鹽異常性質(zhì),等密度線呈透鏡狀,流場(chǎng)呈現(xiàn)渦旋狀結(jié)構(gòu)[8],因此,可以根據(jù)溫鹽和動(dòng)力高度異常描述次表層SCVs的垂直結(jié)構(gòu)。當(dāng)前報(bào)道的次表層SCVs主要以反氣旋式渦旋為主,表現(xiàn)為弱層結(jié),中心為低位渦異常的均勻水體,流場(chǎng)主要是水平的,且在次表層內(nèi)部有一個(gè)流速最大值[7]。次表層SCVs的壽命可達(dá)幾個(gè)月至數(shù)年,這是因?yàn)榇伪韺覵CVs在其生命期內(nèi)與周圍水體的混合過(guò)程相對(duì)較弱,可以減緩其衰亡。

1.2 動(dòng)力學(xué)特征

渦旋的相干性用旋轉(zhuǎn)速度與平移速度之比進(jìn)行度量,表征了渦旋水團(tuán)的孤立性。如果渦旋的旋轉(zhuǎn)速度與平移速度的比值大于1,表示該渦旋具有強(qiáng)烈非線性,也表明該渦旋沿其路徑能保持其相干結(jié)構(gòu)[9-10]。次表層SCVs屬于強(qiáng)烈非線性結(jié)構(gòu)的SCVs。SCVs的垂直結(jié)構(gòu)特征比中尺度渦旋更容易受到局地海洋情況的影響,通?？梢杂烧龎汉偷谝恍眽耗B(tài)很好地表示[11]。MCWILLIAMS[7]提出,可根據(jù)羅斯貝變形半徑(R)和伯格數(shù)(B)兩個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別SCVs,參數(shù)定義為

R=N/(fl)

(1)

B=[NH/(fL)]2

(2)

式中:N為浮力頻率,f為科氏參數(shù),l為垂直波數(shù),L為水平尺度,H為垂直尺度。滿足渦旋半徑

2 次表層SCVs識(shí)別方法

通常海表中尺度渦旋是從海面高度異常特征中識(shí)別出來(lái)的。由于次表層海洋渦旋在海洋的表層特征信號(hào)較弱,無(wú)法通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,通常根據(jù)水文特征和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行診斷識(shí)別。圖1給出了當(dāng)前識(shí)別次表層SCVs的幾種常用觀測(cè)方法。這些觀測(cè)方法直接獲取的是水文或生化要素資料,需要根據(jù)次表層SCVs的特征,利用識(shí)別技術(shù)和方法從這些資料中識(shí)別出次表層SCVs。在 圖1a 中,通過(guò)走航觀測(cè)的高分辨率溫度、鹽度、溶解氧和熒光劑剖面揭示了次表層的水團(tuán)異常,即呈現(xiàn)明顯的高鹽、高溫、低氧和高熒光,符合次表層SCVs的特征,渦旋半徑為15 km[14]。圖1b中的觀測(cè)資料是Argo浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果,其中顯示出一個(gè)高鹽透鏡體結(jié)構(gòu)[15],結(jié)果在溫度剖面圖中同樣表現(xiàn)出透鏡體結(jié)構(gòu),符合典型的SCVs結(jié)構(gòu)特征。圖1c為通過(guò)滑翔機(jī)觀測(cè)到的一個(gè)次表層反氣旋渦[4],這個(gè)渦旋具有異常澀度、弱分層的透鏡狀水團(tuán)結(jié)構(gòu),水團(tuán)核心流向相反。圖1d是地震反射率剖面,在600～1 400 m深度之間明顯存在一個(gè)透鏡體[16],直徑約為50 km,根據(jù)它的深度范圍和尺度大小推測(cè)它是一個(gè)次表層SCVs。目前,由于缺乏大范圍水平和垂直分辨率的原始觀測(cè)資料,僅能采用高分辨率模式數(shù)據(jù)來(lái)研究海洋次表層SCVs的三維結(jié)構(gòu)。

圖1 當(dāng)前幾種常用觀測(cè)手段所識(shí)別出的次表層SCVs

2.1 OKUBO-WEISS參數(shù)識(shí)別法

OKUBO-WEISS參數(shù)識(shí)別法[17-18]在中尺度渦旋自動(dòng)探測(cè)中應(yīng)用最為廣泛,可以應(yīng)用到海洋次表層SCVs的識(shí)別中。OKUBO-WEISS參數(shù)識(shí)別法是利用速度場(chǎng)資料,通過(guò)識(shí)別旋轉(zhuǎn)特征量(W)來(lái)表征渦旋的存在,W定義為

(3)

2.2 最小位渦識(shí)別法

利用觀測(cè)的剖面水文數(shù)據(jù),例如由大量Argo浮標(biāo)測(cè)量的垂直溫鹽剖面計(jì)算厄特爾位渦(或稱為廣義位渦)q的極小值為渦旋中心,q的計(jì)算公式如下:

(4)

由于海洋中通常滿足f?ξ,在缺乏速度場(chǎng)數(shù)據(jù)的情形下,可以忽略相對(duì)渦度的計(jì)算,公式(4)簡(jiǎn)化成尋找垂向均勻水團(tuán)來(lái)識(shí)別次表層SCVs,但這種方法缺乏水平方向信息,無(wú)法獲知水平尺度,難以捕捉次表層SCVs的完整生命過(guò)程,因此該方法多用于合成分析。最小位渦識(shí)別法也可以使用浮標(biāo)陣列、走航、滑翔機(jī)等具有較高水平分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算相對(duì)渦度,但通常也僅能捕捉到個(gè)別渦旋,且觀測(cè)的成本非常高。

2.3 流速特征識(shí)別法

次表層SCVs的流場(chǎng)內(nèi)部有一個(gè)流速最大值。在已獲知水團(tuán)異常、低位渦的前提下,在缺少直接的測(cè)流資料時(shí),可以采用溫度和鹽度剖面資料計(jì)算兩個(gè)相鄰剖面之間的動(dòng)力高度差,從而獲取地轉(zhuǎn)流速的估計(jì)值。局地的水平速度異常,可以通過(guò)計(jì)算次表層SCVs剖面和氣候態(tài)剖面資料的動(dòng)力高度異常H′(z)獲得,計(jì)算公式如下:

(5)

式中:z為深度,p為壓強(qiáng),pz表示深度為z處的壓強(qiáng),pref為參考?jí)簭?qiáng),ρcast為觀測(cè)密度值,ρclim為氣候態(tài)密度值。首先根據(jù)次表層SCVs的特性,從溫、鹽觀測(cè)資料中確定次表層SCVs垂直范圍,再尋找是否存在動(dòng)力高度異?；虻剞D(zhuǎn)流函數(shù)最大值,則可確定次表層SCVs是否存在[19]。

在次表層SCVs識(shí)別分析中,通常是綜合應(yīng)用上述三種方法進(jìn)行相互驗(yàn)證。由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料在空間分布和時(shí)間連續(xù)性方面都存在不足,對(duì)于全面認(rèn)識(shí)次表層SCVs的三維結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程是困難的。隨著海洋數(shù)值模擬水平的提高,特別是同化技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的學(xué)者采用模式再分析數(shù)據(jù)來(lái)研究和認(rèn)識(shí)次表層SCVs。再分析數(shù)據(jù)具有完整的、長(zhǎng)時(shí)間序列的三維物理場(chǎng),可聯(lián)合上述三種方法對(duì)次表層SCVs進(jìn)行識(shí)別,且能在渦旋的整個(gè)生命期進(jìn)行追蹤,也可以捕捉一定區(qū)域內(nèi)的大量渦旋,還可深入開(kāi)展機(jī)制研究。但當(dāng)前模式數(shù)據(jù)只能分辨較大的渦旋,模式數(shù)據(jù)是否能真實(shí)再現(xiàn)海洋狀態(tài)也是需要考慮的問(wèn)題。筆者使用Bluelink再分析(BRAN2020)數(shù)據(jù),在黑潮延伸體區(qū)域探測(cè)次表層SCVs,結(jié)果顯示2013年2月11日,在157.0°—159.5°E,37.0°—39.5°N,300～600 m深度范圍存在一個(gè)低鹽且?guī)缀蹙鶆虻乃畧F(tuán),在該水團(tuán)位置深度,位勢(shì)溫度和位勢(shì)密度圖上都展現(xiàn)出透鏡狀結(jié)構(gòu)(圖2)。進(jìn)一步從三維位勢(shì)溫度和鹽度結(jié)構(gòu)(圖3)可以看出,在表層(10 m水深處)無(wú)渦旋結(jié)構(gòu)出現(xiàn),200 m水深處能看到明顯的渦旋結(jié)構(gòu),隨著水深增大渦旋有加強(qiáng)的趨勢(shì),到了500 m水深,渦旋的直徑超過(guò)165 km。渦旋垂直影響深度超過(guò)900 m。

圖2 再分析數(shù)據(jù)探測(cè)到的黑潮延伸體區(qū)域次表層SCVs結(jié)構(gòu)

圖3 應(yīng)用再分析數(shù)據(jù)探測(cè)到的黑潮延伸體區(qū)次表層SCVs的三維結(jié)構(gòu)

3 次表層SCVs的分類及分布

3.1 次表層SCVs的分類

在某些特定區(qū)域,海洋學(xué)家對(duì)海洋次表層SCVs賦予了特殊的名稱,例如溫躍層內(nèi)渦旋(intrathermocline eddies,ITEs)[20]、溫躍層下渦旋(subthermocline eddies,STEs)[6],模態(tài)水渦旋[21]等。表1列出了當(dāng)前一些特殊海域發(fā)現(xiàn)的具有獨(dú)特名稱的次表層SCVs。

表1 在全球觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的典型次表層SCVs

3.1.1 溫躍層內(nèi)渦旋

溫躍層內(nèi)渦旋(ITEs)由DUGAN et al[20]1982年首先觀測(cè)提出,后來(lái)被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于世界大洋中。它由溫躍層內(nèi)的均勻水團(tuán)構(gòu)成,呈透鏡狀,直徑為10～100 km;熱鹽性質(zhì)與周圍環(huán)境差異很大,通常是反氣旋結(jié)構(gòu),速度場(chǎng)呈現(xiàn)圓周對(duì)稱性且最大流速出現(xiàn)在渦旋內(nèi)部[22]。ITEs通過(guò)平流遠(yuǎn)離其生成區(qū)域,它的壽命較長(zhǎng),且在整個(gè)生命期保留生成區(qū)域的水文特性。ITEs通常具有相當(dāng)或大于內(nèi)部羅斯貝變形半徑的水平范圍[21]。ITEs通常是孤立渦旋,偶見(jiàn)它們嵌入或被困在較大尺度的渦旋內(nèi)部,THOMAS[22]在墨西哥灣觀測(cè)到這一現(xiàn)象(圖4)。

圖4 在墨西哥灣海域發(fā)現(xiàn)的3個(gè)溫躍層內(nèi)渦旋(ITE01、ITE02、ITE03)[27]

3.1.2 溫躍層下渦旋

溫躍層下渦旋是位于永久溫躍層之下,具有均勻水體屬性,呈反氣旋透鏡結(jié)構(gòu)的另一類特殊海洋渦旋,它的反氣旋性渦度和弱層結(jié)的特點(diǎn)使其核心的位渦呈現(xiàn)為低值。STEs的水平尺度通常在10 km量級(jí),小于第一斜壓變形半徑,其信號(hào)在海洋表面基本不可見(jiàn)。在全球的許多海域都觀測(cè)到了溫躍層下渦旋,根據(jù)不同的生成區(qū)域和水團(tuán)特征,STEs又可以分為地中海渦旋(Mediterranean eddies,Meddies)[29],加利福尼亞潛流渦旋(California undercurrenteddies,Cuddies)[37],黑潮延伸體渦旋(Kuroshio extension intermediate-layer eddies, Kiddies)[6]等。

3.1.2.1 地中海渦旋

1978年MCDOWELL et al[29]在西北大西洋巴哈馬海域的溫躍層下觀測(cè)到水體結(jié)構(gòu)具有地中海中層水特性的透鏡體,他們命名這種特殊透鏡體為“Meddies”。Meddies的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們極大的興趣。Meddies早期出現(xiàn)在北大西洋,為密集的、高鹽、弱分層的地中海海水斑片,并呈反氣旋式旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)30 cm/s。隨后從源地移動(dòng)超過(guò)6 000 km進(jìn)入東大西洋,并依然保持水體性質(zhì)不變。在東大西洋因其顯著的溫度、鹽度和速度異常而被觀測(cè)到,Meddies的溫度異常可達(dá)到1.4 ℃[30]。Meddies的生成和西向傳播對(duì)大西洋的熱鹽通量分布有重要影響。

1994—1995年在地中海西北部,1997—1998年在阿爾及利亞海盆(地中海南部海盆)開(kāi)展了兩個(gè)大型漂流浮標(biāo)觀測(cè)實(shí)驗(yàn),分別揭示了SCVs在西地中海北部和南部的存在,半徑均約為5 km,壽命均超過(guò)1年。RICHARDSON et al[30]用浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出90%的Meddies的平均壽命約為1.7年,最終與海山相互作用而消亡。實(shí)驗(yàn)首次揭示了在利翁港海灣(Gulf of Lion)內(nèi)生成的深對(duì)流水可以通過(guò)Meddies傳播到遠(yuǎn)離生成區(qū)數(shù)百公里的區(qū)域[20],表明Meddies對(duì)地中海西部大范圍的熱鹽環(huán)流和深層通風(fēng)過(guò)程有重要作用[21]。DRILLET et al[51]使用模式實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了Meddies的主要特征。BARBOSA et al[31]分析了長(zhǎng)達(dá)20年的高分辨率模擬地中海的模型輸出結(jié)果,并跟蹤了大量Meddies的生命史。2006年首次在地中海西北部部署了滑翔機(jī)[3],BOSSE et al[3]從滑翔機(jī)的連續(xù)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了利古里亞海小尺度次表層SCVs的存在(圖5)。他們觀測(cè)到異常暖而咸的溫躍層下渦旋的生命史遠(yuǎn)大于兩個(gè)月,揭示了特殊的次表層SCVs運(yùn)輸對(duì)該海域的物理性質(zhì)有顯著的影響,它們可能對(duì)地中海中層水的擴(kuò)散和利翁港的深對(duì)流有重要作用,從而有利于冬季垂直混合。2016年BOSSE et al[32]揭示了西北地中海深對(duì)流產(chǎn)生的氣旋式SCVs可以存活到下一個(gè)冬季,對(duì)混合層的加深產(chǎn)生重大影響,通過(guò)擴(kuò)散作用,對(duì)深層水生成的貢獻(xiàn)達(dá)30%。BOSSEet al[33]描述了冬季地中海西北部發(fā)生對(duì)流事件后生成的SCVs,由于強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)設(shè)置了渦旋內(nèi)外水交換的屏障,渦旋內(nèi)初級(jí)生產(chǎn)力高于渦旋外,證明了SCVs對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽分布和浮游植物群落的重要影響。

圖5 水下滑翔機(jī)觀測(cè)在地中海海域發(fā)現(xiàn)的溫躍層下渦旋[3]

3.1.2.2 加利福尼亞潛流渦旋

在北太平洋東部也發(fā)現(xiàn)了位于溫躍層之下的溫暖、高鹽、呈透鏡狀的反氣旋式低位渦水團(tuán),因?yàn)樗鼈兤鹪从诩永Ｄ醽喼?存在于加利福尼亞潛流內(nèi),因此被稱為“Cuddies”[37]。北美西海岸的近海和夏威夷海都觀測(cè)到過(guò)Cuddies。Cuddies與Meddies相似,只是位置相對(duì)較淺,也不如Meddies強(qiáng)大。

3.1.2.3 黑潮延伸體渦旋

2014年,ZHANG et al[42]在副熱帶西北太平洋上利用Argo浮標(biāo)觀測(cè)到冷核和暖核兩種結(jié)構(gòu)的STEs,LI et al[6]利用Argo溫鹽資料對(duì)黑潮延伸體區(qū)域的冷核STEs進(jìn)行了特征和時(shí)空變化分析,并建議將黑潮延伸體附近的STEs命名為“Kiddies”。

其他出現(xiàn)在次表層的SCVs,包括北冰洋的拉布拉多海流渦旋[50]、波弗特海渦旋[48]、紅海的溢出水產(chǎn)生的渦旋[5]、秘魯-智利潛流渦旋[10]、在南太平洋副熱帶發(fā)現(xiàn)的赤道13 ℃渦旋[15]都與STEs非常相似,此處不再贅述。

3.1.3 模態(tài)水渦旋

還有一部分次表層SCVs與模態(tài)水有關(guān),稱作模態(tài)水渦旋。ZHANG et al[21]提出了模態(tài)水渦旋的垂直結(jié)構(gòu)類似“三明治”(圖6),模態(tài)水被夾在兩層明顯不同性質(zhì)的水團(tuán)中間。MCGILLICUDDY et al[34]在大西洋西北部觀測(cè)到模態(tài)水渦旋,其特殊的次表層等密度面的透鏡狀結(jié)構(gòu),有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向真光層輸送,極大地促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)力和深海碳源輸送。WEN et al[38]研究了冬季渦旋對(duì)北太平洋次表層低位渦水團(tuán)的影響,發(fā)現(xiàn)冬季渦旋通過(guò)改變湍流熱通量影響低位渦水體的生成,是模態(tài)水渦旋的生成機(jī)制。許麗曉 等[52]系統(tǒng)總結(jié)分析了有關(guān)模態(tài)水潛沉和輸運(yùn)的主要研究成果,認(rèn)為海洋次中尺度過(guò)程對(duì)模態(tài)水的生成和耗散具有重要影響。

圖6 次表層模態(tài)水渦旋捕獲流體的示意圖[21]

3.2 次表層SCVs的分布

在全球多個(gè)海域均有次表層SCVs的相關(guān)報(bào)道。MCCOY et al[19]基于全球Argo浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)次表層SCVs進(jìn)行了識(shí)別,并分區(qū)域?qū)Υ伪韺覵CVs進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果揭示了東邊界上升流系統(tǒng)、邊緣海溢流和外海鋒面模態(tài)水生成區(qū)是次表層SCVs生成的重要位置(圖7)。本文將以MCCOY et al[19]的工作為基礎(chǔ),按照各大洋分別闡述已發(fā)現(xiàn)的次表層SCVs的分布情況。

圖7 1997年8月—2020年1月基于Argo浮標(biāo)識(shí)別出的所有次表層SCVs的分布[19]

在大西洋中最著名的次表層SCVs是生成于地中海出?？诘腗eddies,它們將高鹽的地中海海水傳輸?shù)礁睙釒Т笪餮蟆?013年,BARBOSA et al[31]利用20多年的高分辨率數(shù)值模擬數(shù)據(jù),分析了地中海Meddies的生成、傳播,并跟蹤、記錄了渦旋的生命史。研究發(fā)現(xiàn)Meddies的生成是循環(huán)往復(fù)的,寬廣的生成區(qū)域使它們的結(jié)構(gòu)可以自由演化。大量研究結(jié)果表明最長(zhǎng)壽的Meddies向西北方向傳播,但大部分反氣旋在一段時(shí)間后轉(zhuǎn)向西南,其半徑隨著遠(yuǎn)離生成地有逐漸增大的趨勢(shì)。在北大西洋東部,PIETRI et al[12]通過(guò)系泊和滑翔機(jī)兩種觀測(cè)平臺(tái)在東邊界上升流區(qū)的潛流中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有極低位勢(shì)渦度和均勻溫鹽性質(zhì)的孤立水團(tuán),從而揭示了渦旋的結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)渦旋內(nèi)部和周圍的生產(chǎn)力均很高。2018年,MEUNIER et al[27]在墨西哥灣用自主水下滑翔機(jī)觀測(cè)到了尺度較小的溫躍層內(nèi)渦旋,這些小渦旋位于一個(gè)大的反氣旋渦下面,溫躍層內(nèi)渦旋的核心和周圍渦旋的溫鹽性質(zhì)相似,表明這些溫躍層內(nèi)渦旋可能生成于強(qiáng)烈混合事件后的羅斯貝調(diào)整過(guò)程。2019年,GULA et al[28]利用地震反射數(shù)據(jù)和滑翔機(jī)剖面數(shù)據(jù)在美國(guó)東海岸墨西哥灣流鋒面附近捕捉到次表層SCVs,并利用海洋區(qū)域模式對(duì)墨西哥灣流區(qū)域進(jìn)行高分辨模擬,再現(xiàn)了與觀測(cè)結(jié)果相一致的次表層SCVs,其產(chǎn)生機(jī)制為墨西哥灣流與查爾斯頓隆起地形的相互作用。

在太平洋加利福尼亞流系統(tǒng)中,加利福尼亞潛流內(nèi)部產(chǎn)生的次表層SCVs是加利福尼亞溫暖、高鹽水水平輸送的重要?jiǎng)恿C(jī)制之一,在近海加利福尼亞潛流水的輸運(yùn)中占相當(dāng)大的比例。在南太平洋副熱帶回流的東北部發(fā)現(xiàn)了具有弱分層的反氣旋次表層SCVs,水體屬性與赤道海域的低溫、高鹽水體相似,它們很可能來(lái)自于東邊界的向極地流動(dòng)的潛流[30]。赤道西太平洋棉蘭老流區(qū)域也多次觀測(cè)到次表層SCVs[43,46-47],該區(qū)域內(nèi)的大部分次表層SCVs可能起源于赤道南太平洋以西[44-45]。在黑潮延伸體區(qū)域也多次觀測(cè)到次表層SCVs[40-42],渦核內(nèi)部的溫鹽性質(zhì)表明它們可能起源于日本南部的亞北極鋒和黑潮上游[53]。GORDON et al[36]在日本海中觀測(cè)到存在直徑約100 km,深度約 100 m 的溫躍層內(nèi)渦旋。HOGAN et al[39]利用 HYCOM 模擬數(shù)據(jù)研究了日本海的溫躍層內(nèi)渦旋和生成機(jī)制。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的次表層SCVs,大都是反氣旋結(jié)構(gòu), 也存在少量的氣旋結(jié)構(gòu)。MAREZ et al[26]在阿拉伯海觀測(cè)到具有大羅斯貝數(shù)的強(qiáng)氣旋性次表層SCVs,它們生成于亞丁灣口,裹挾高鹽的紅海海水向阿拉伯海輸送。2001年,在馬達(dá)加斯加?xùn)|南部200 m水深處觀測(cè)到兩個(gè)高鹽、高氧中心的溫躍層內(nèi)渦旋,它們的水文性質(zhì)與周圍溫躍層水有明顯的區(qū)別,生成于遙遠(yuǎn)的亞熱帶南印度洋區(qū)域[24]。2015年,VIC et al[25]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,分析了波斯灣水團(tuán)平流到阿曼灣海域的機(jī)制,揭示了流-地形相互作用導(dǎo)致的次表層SCVs是輸運(yùn)波斯灣水體到阿曼灣的主要原因。

格陵蘭海是早期在高緯度觀測(cè)到次表層SCVs的地區(qū)之一,在永久性密躍層下方可以明顯看到核心水團(tuán)的異常,化學(xué)示蹤劑確定了渦旋的水體來(lái)源[54]。格陵蘭海次表層SCVs的一個(gè)顯著特征是它們的垂直延伸范圍很大,能達(dá)到2 500 m,研究者認(rèn)為它與深對(duì)流相關(guān),可以向深海輸送表層水。2001年,LILLY et al[50]從長(zhǎng)期錨碇陣列數(shù)據(jù)觀測(cè)到拉布拉多海的次表層SCVs,其溫鹽特性表明它們是拉布拉多海內(nèi)部冬季深對(duì)流的產(chǎn)物。

4 次表層SCVs的影響

4.1 水體運(yùn)輸?shù)闹匾緩?/h3>

次表層SCVs的物理和生物化學(xué)示蹤物特征(例如鹽度和溶解氧)與周圍水體存在顯著差異,表明它們起源于外來(lái)水團(tuán),對(duì)水團(tuán)起到了輸運(yùn)作用。次表層SCVs自身的旋轉(zhuǎn)特性建立起與外界的輸運(yùn)壁壘,大大減少了其核心和周圍水體之間的側(cè)向交換[55]。次表層SCVs的生命期可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年,能有效地輸運(yùn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他水體屬性到距離其生成海域數(shù)千千米的海域, 這些渦旋在海盆尺度上重新分配水團(tuán),對(duì)于海洋熱、鹽和化學(xué)示蹤物在海洋的分布有非常重要的影響。著名的地中海渦旋,穩(wěn)定地存在于1 000 m左右深度,它向大西洋輸送地中海高鹽水,可以占地中海出流輸運(yùn)量的40%左右[7]。PELLAND et al[4]估算出加州潛流中高達(dá)44%的熱量和鹽分損失是次表層SCVs造成的。西北太平洋廣泛存在的次表層SCVs具有很強(qiáng)的非線性,能夠裹挾源地的水體運(yùn)動(dòng),從而影響中層水的物質(zhì)、能量交換[56]。顯然,與連續(xù)運(yùn)動(dòng)的海流相比,次表層SCVs這種水體輸運(yùn)具有更加離散化的特征,水團(tuán)性質(zhì)在生成和運(yùn)輸過(guò)程中基本上保持在次表層SCVs內(nèi),僅與周圍環(huán)境發(fā)生微弱的交換。

4.2 對(duì)海洋環(huán)流的影響

20世紀(jì)90年代,科學(xué)家通過(guò)拉格朗日浮標(biāo)揭示了次表層SCVs在深層水生成過(guò)程中扮演了重要的角色[49-50,57-58]。在格陵蘭海[49]、拉布拉多海[50]和地中海西部[57-58]長(zhǎng)期存在次表層SCVs。GASCARD et al[49]認(rèn)為格陵蘭海次表層SCVs可能是另一種深對(duì)流模式。在北冰洋西部的波弗特海,次表層SCVs的分布覆蓋了20%～30%的海域[48],這意味著從太平洋到北極的水體輸運(yùn)主要是通過(guò)次表層SCVs進(jìn)行的。從加利福尼亞潛流流出的次表層Cuddies[59]或從秘魯-智利潛流[13,15]流出的溫躍層內(nèi)渦旋均將異常咸、暖、貧氧和富營(yíng)養(yǎng)鹽的水從海岸裹挾走,輸運(yùn)至副熱帶環(huán)流內(nèi)部,從而改變其性質(zhì)。2016年,BOSSE et al[32]通過(guò)滑翔機(jī)等手段在地中海西北部進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),揭示了次表層SCVs對(duì)于大量新生成的深層水的擴(kuò)散發(fā)揮著重要作用,此處的次表層SCVs可以存活到下一個(gè)冬季,因此它們可能是加深混合層的重要機(jī)制。

4.3 對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

次表層SCVs與周圍水域的隔離為其提供了一種不同于當(dāng)?shù)厮臈l件的生物化學(xué)環(huán)境,渦旋內(nèi)的生態(tài)過(guò)程及特征與當(dāng)?shù)仫@著不同。東邊界上升流區(qū)的低氧次表層SCVs已被證明是固態(tài)氮損失[60]和生成一氧化二氮[12,61]的熱點(diǎn)區(qū)域。LUKAS et al[14]在夏威夷群島北部探測(cè)到一種半徑至少為15 km的次表層SCVs,整個(gè)渦旋核心的溶解氧幾乎全被耗盡。LEHAHN et al[62]發(fā)現(xiàn)次表層SCVs會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、浮游植物和浮游動(dòng)物幼蟲(chóng)的側(cè)向和垂向運(yùn)輸。SCHüTTE et al[35]發(fā)現(xiàn)存在于熱帶北大西洋東部外海的低氧“死亡區(qū)”與次表層SCVs的動(dòng)力過(guò)程有關(guān)?！八劳鰠^(qū)”范圍從東邊界大陸架延伸到38°W,南北跨度為4°N—22°N,在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)數(shù)量驚人的低氧、低鹽次表層SCVs。由流向北極方向的東邊界潛流的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的這些SCVs,向西傳播至副熱帶環(huán)流內(nèi)部,形成了罕見(jiàn)的極端低氧事件。缺氧條件有利于反硝化作用和厭氧代謝生物群落的繁衍。

4.4 對(duì)聲傳播的影響

海洋鋒、中尺度渦、內(nèi)波等中尺度海洋現(xiàn)象會(huì)造成海洋水文環(huán)境在時(shí)空上顯著非均勻分布,使海下聲場(chǎng)特性復(fù)雜多變,難以預(yù)測(cè)[63-64]。特別是次表層SCVs,它的表層信號(hào)很弱甚至幾乎沒(méi)有,但它的出現(xiàn)會(huì)造成海洋內(nèi)部水文特性的改變,擾動(dòng)水下聲場(chǎng),這將對(duì)聲吶探測(cè)、潛艇作戰(zhàn)等產(chǎn)生巨大影響。鑒于不同類型、不同季節(jié)次表層SCVs的不規(guī)則性和多樣性,目前很難將不同海區(qū)、不同類型次表層SCVs影響下的聲傳播效應(yīng)進(jìn)行歸納和分類。隨著多種海洋觀測(cè)資料的不斷發(fā)展,對(duì)次表層SCVs生成機(jī)制研究探索,將進(jìn)一步加深我們對(duì)次表層SCVs對(duì)聲傳播影響的理解。

5 次表層SCVs生成機(jī)制

對(duì)次表層SCVs的生消機(jī)制及其影響的認(rèn)識(shí)還不完整,特別是次表層SCVs產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制及其作用。當(dāng)前有關(guān)次表層SCVs的生成機(jī)制主要有以下幾種:次表層潛流導(dǎo)致的斜壓不穩(wěn)定[56,65]、模態(tài)水的生成[22,52]、底部摩擦或者內(nèi)波破碎導(dǎo)致的跨密度面混合誘導(dǎo)[11-12]、海岬附近的側(cè)向摩擦效應(yīng)等[48,66]。

次表層SCVs的生成必須滿足兩個(gè)條件:一是必須要有低位渦水團(tuán)的來(lái)源;二是低位渦水團(tuán)以間斷的方式生成,這樣可使得低位渦水團(tuán)在空間上與周圍水體隔離。低位渦水團(tuán)的生成是次表層SCVs產(chǎn)生的核心,因此從理論上探討次表層SCVs的生成機(jī)制可以從位渦方程入手。位渦方程如下:

(6)

絕對(duì)渦度方向的浮力梯度強(qiáng)迫將在絕對(duì)渦度方向產(chǎn)生層化,從而改變位渦,等密度面上的摩擦力矩也會(huì)改變位渦。根據(jù)方程(6),海洋中的斑片狀跨密度混合事件通過(guò)地轉(zhuǎn)調(diào)整過(guò)程可生成次表層SCVs[7],在這個(gè)機(jī)制中,非絕熱過(guò)程改變了流體的位渦。作用于海底部邊界流的阻力產(chǎn)生的摩擦力矩可以驅(qū)動(dòng)次表層SCVs的生成,在海洋上層鋒面區(qū),沿鋒方向的風(fēng)所施加的摩擦力降低了鋒面露頭面邊界內(nèi)的位渦,這也為次表層SCVs的低位渦水提供了來(lái)源[22]。低位渦水沿著鋒面露頭俯沖到分層內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生次表層SCVs,在俯沖過(guò)程中,由于位渦守恒和渦旋擠壓,導(dǎo)致生成了反氣旋環(huán)流[67]。

5.1 鋒面區(qū)模態(tài)水的俯沖

當(dāng)水平尺度為數(shù)百千米、水平流速遠(yuǎn)大于平均流速的海洋中尺度渦旋向西運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)混合層深度鋒區(qū)(混合層深度的水平梯度最大值區(qū))時(shí),反氣旋渦的東側(cè)存在自北向南的流可能將深混合層里的水輸運(yùn)到淺混合層下的溫躍層,生成模態(tài)水[52]。在冬季混合層中,溫躍層在洋面上露頭,模態(tài)水俯沖到溫躍層時(shí),并不總是能進(jìn)入內(nèi)部混合,有時(shí)會(huì)生成孤立的透鏡結(jié)構(gòu)(圖8)。這些透鏡體的特征是其水文性質(zhì)在垂向上均勻嵌在溫躍層上層,因此被命名為“溫躍層內(nèi)渦旋”。例如,日本海的溫躍層內(nèi)渦旋[35]表現(xiàn)為反氣旋式旋轉(zhuǎn),位于溫躍層上層200 m處,水平和垂向范圍分別為100 km和150 km,是由冬季混合層水沿副極地鋒南邊緣的鋒面匯聚和俯沖生成的。

圖8 鋒面區(qū)模態(tài)水俯沖生成次表層SCVs示意圖[52]

5.2 海流與地形相互作用

灣流、邊界流遇到海底凸起或大陸斜坡,由于地形尾跡中的摩擦效應(yīng)和強(qiáng)烈混合生成渦流[35],這些次表層SCVs可以遠(yuǎn)距離輸送深混合層底部的水(圖9),它們對(duì)熱量和鹽度分布的凈影響還有待量化。地中海、紅海溢流渦旋產(chǎn)生的機(jī)制是出流水流經(jīng)海峽或岬角時(shí),強(qiáng)烈的渦流從主流中分離出來(lái),并擴(kuò)散到海洋內(nèi)部。例如,地中海出流水在遇到伊比利亞半島沿岸地形時(shí),分離出大量反氣旋渦,這些地中海渦旋向西南方向和正西方向擴(kuò)散然后進(jìn)入北大西洋,保持其高鹽特性長(zhǎng)達(dá)數(shù)年時(shí)間,它們將大量的高鹽水帶入北大西洋[31]。紅海出流水亦是全球高鹽度水的來(lái)源之一,高鹽度、高密度的紅海出流水俯沖流過(guò)海峽時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的混合。波斯灣水團(tuán)的擴(kuò)散與地中海水團(tuán)向外擴(kuò)散的機(jī)制有所不同,阿拉伯?；钴S的中尺度渦旋傳播到阿曼灣,與地形相互作用,產(chǎn)生的次表層SCVs捕獲波斯灣水團(tuán),在阿曼灣進(jìn)行重新分配[25]。最近的高分辨率模擬表明,如果流沿開(kāi)爾文波傳播方向流動(dòng),則位勢(shì)渦度在邊界層減小,觸發(fā)離心失穩(wěn),可能生成反氣旋次表層SCVs;如果流朝著與開(kāi)爾文波相反的方向流動(dòng),產(chǎn)生正位勢(shì)渦度,觸發(fā)水平剪切失穩(wěn),可能生成氣旋式次表層SCVs[66,68-69]。流場(chǎng)與復(fù)雜的地形作用可以直接將能量傳遞給次表層SCVs,或者通過(guò)背風(fēng)波和邊界層陷波產(chǎn)生次表層SCVs[70]。

圖9 海流流過(guò)海底地形通過(guò)摩擦力矩作用生成次表層SCVs示意圖

由于地形阻力在向極流中產(chǎn)生長(zhǎng)壽的反氣旋渦在東邊界流中很常見(jiàn)。東邊界上升流系統(tǒng)中的次表層流通過(guò)海角或海岬附近,流與地形產(chǎn)生側(cè)向摩擦剪切,經(jīng)歷次表層的流動(dòng)分離,隨之產(chǎn)生次中尺度不穩(wěn)定并卷入次表層SCVs[51,66]。

5.3 海洋表層的再層化

HOGAN et al[39]應(yīng)用海洋模式闡明了日本海上層海洋水柱的再分層是溫躍層內(nèi)渦旋的主要生成機(jī)制。3月份,日本海受到冷空氣影響,副極鋒以南的混合層加深,這種深度混合導(dǎo)致渦旋的去層化,使得表層到溫躍層內(nèi)部的渦旋水團(tuán)性質(zhì)均勻。同時(shí),相對(duì)低溫高鹽的水通過(guò)對(duì)馬海峽進(jìn)入日本海,隨著混合等密度線下沉。5月份開(kāi)始,表層熱量增加,次表層SCVs頂部凸起結(jié)構(gòu)初步發(fā)展。7月份,表層高溫低鹽的水流入,熱通量持續(xù)增加,上層水柱重新分層,發(fā)展成凸起的ITEs頂部結(jié)構(gòu)。9—11月層結(jié)性最強(qiáng),溫躍層內(nèi)渦旋的表層被高溫低鹽水覆蓋,高溫高鹽水向溫躍層內(nèi)渦旋內(nèi)部輸送,溫躍層內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)生成。到了1月份,低溫低鹽水輸入,俯沖作用垂向混合破壞了溫躍層內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論與展望

對(duì)海洋次表層SCVs的研究需要精細(xì)的觀測(cè),并增加對(duì)單個(gè)渦旋的高分辨率采樣。但由于觀測(cè)成本高、難度大,很難獲得長(zhǎng)期的連續(xù)高分辨率數(shù)據(jù)集,尤其對(duì)南大洋海區(qū)的次表層SCVs觀測(cè)基本處于空白。2020年,MCCOY et al[19]通過(guò)對(duì)全球海平面異常資料的分析、結(jié)合Argo數(shù)據(jù)資料,尋找次表層SCVs并統(tǒng)計(jì)了它們?cè)谌虻姆植?但鑒于Argo數(shù)據(jù)在時(shí)空上的不均勻性,無(wú)法對(duì)次表層SCVs的發(fā)生進(jìn)行系統(tǒng)性統(tǒng)計(jì)和評(píng)估。除了明顯受限于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的不足,對(duì)海洋次表層SCVs的研究還存在許多難題,建議今后從以下幾個(gè)方面開(kāi)展次表層SCVs的研究。

1)不同極性次表層SCVs在全球大洋的分布。次表層SCVs主要是以反氣旋式結(jié)構(gòu)存在,隨著觀測(cè)增多,也有氣旋式次表層SCVs見(jiàn)諸報(bào)道。不同極性的次表層SCVs對(duì)水體的分布影響并不相同。基于次表層SCVs對(duì)于海洋熱鹽環(huán)流、物質(zhì)輸送、生態(tài)環(huán)境、人類活動(dòng)等的重要影響,有必要對(duì)不同海區(qū)、不同極性的次表層SCVs的分布特征進(jìn)行全面的統(tǒng)計(jì)研究。如對(duì)黑潮延伸體中間層的不同極性渦旋特征以及它們對(duì)于黑潮的影響方面的研究。

2)次表層SCVs在各生命階段的特點(diǎn)和影響。對(duì)于次表層SCVs的生成機(jī)制已有一些研究,但對(duì)于其消亡的機(jī)制研究尚不足。由于次表層SCVs具有保守性、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn),有必要對(duì)其各個(gè)生命階段的特點(diǎn)和影響展開(kāi)詳細(xì)深入的研究,從而加深次表層SCVs對(duì)海洋環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)。

3)學(xué)科交叉研究。研究者經(jīng)常通過(guò)一些生物示蹤物(例如葉綠素)來(lái)研究海洋渦旋。相反,也可以通過(guò)微生物生態(tài)過(guò)程與海洋渦旋動(dòng)力過(guò)程的結(jié)合來(lái)研究海洋生物群落特征及其動(dòng)態(tài)發(fā)展以及次表層SCVs的特征對(duì)于海洋生境的影響。這些微小過(guò)程可以通過(guò)逐級(jí)生物鏈發(fā)展成對(duì)高級(jí)捕食者生存的適應(yīng)影響,直至影響人類生活。渦旋對(duì)于海洋生產(chǎn)力具有重要影響,是否可以發(fā)展物理-生物耦合模型來(lái)模擬和預(yù)測(cè)這些影響,從而實(shí)現(xiàn)漁情的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)?不僅如此,渦旋對(duì)于海洋沉積過(guò)程將產(chǎn)生怎樣的影響?對(duì)于海洋化學(xué)過(guò)程又將產(chǎn)生怎樣的影響?這些科學(xué)問(wèn)題都有待進(jìn)行學(xué)科交叉研究進(jìn)行解決。

隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,高分辨率觀測(cè)資料和高質(zhì)量模式資料的運(yùn)用,上述問(wèn)題會(huì)逐一得到解答,從而加強(qiáng)人們對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)和理解。