呂宋海峽黑潮西側(cè)3個(gè)氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)與演變特征*

趙偉喬 南 峰 趙秋蘭 于 非

呂宋海峽黑潮西側(cè)3個(gè)氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)與演變特征*

趙偉喬1, 2南 峰2, 3, 4, 5①趙秋蘭1于 非2, 3, 4, 5

(1. 山東科技大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院 山東青島 266590; 2. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071; 3. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 山東青島 266071; 4. 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 北京 100049; 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266237)

黑潮入侵南海會(huì)誘生中尺度渦, 對(duì)南海與西太平洋物質(zhì)能量交換起著重要作用。前人對(duì)黑潮誘生反氣旋渦研究較多, 而對(duì)氣旋渦研究較少, 對(duì)其三維結(jié)構(gòu)和生消過程也不清楚。利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù), 選取2018～2019年間南海東北部的3個(gè)氣旋渦(cyclonic eddy, CE) CE1、CE2和CE3, 研究了其三維結(jié)構(gòu)與演變特征, 并初步討論了其生成機(jī)制。研究結(jié)果表明: 3個(gè)氣旋渦生成于呂宋海峽西南部黑潮主軸左側(cè), 半徑約為47～87 km, 生成后都向西移動(dòng), 最長距離可達(dá)255 km, 遠(yuǎn)小于該區(qū)域中尺度渦平均移動(dòng)距離。氣旋渦的最大旋轉(zhuǎn)速度約為0.4～0.6 m/s, 垂向深度可達(dá)1 200～1 600 m。3個(gè)氣旋渦中心水體上涌, 溫度異常均為負(fù)值, 在垂向上呈單核結(jié)構(gòu), 冷核的位置在50～600 m處, 冷異常最大可達(dá)-2 °C; 中心鹽度異常垂向上呈現(xiàn)“正-負(fù)-正”的三核結(jié)構(gòu), 分別位于0～100 m、200～400 m和500 m以下深度, 低鹽異常最大可達(dá)-0.26。黑潮鋒面的正壓不穩(wěn)定性是氣旋渦生成的主要因素, 能量從黑潮動(dòng)能向渦動(dòng)能轉(zhuǎn)移, 是氣旋渦生成所需能量的主要來源。

黑潮; 呂宋海峽; 氣旋渦; 三維結(jié)構(gòu); 能量收支

黑潮作為最強(qiáng)勁的西邊界流之一, 是連接西太平洋和中國近海物質(zhì)能量交換的重要紐帶, 對(duì)周邊海域氣候變化有著重要調(diào)制作用。呂宋海峽黑潮兩側(cè)都是中尺度渦高發(fā)區(qū)。西太平洋的中尺度渦對(duì)呂宋海峽黑潮流量和流軸都有重要的調(diào)制作用, 可以影響黑潮入侵的路徑(Yang, 2020; Shi, 2021; Yan, 2022), 而黑潮入侵南海又會(huì)誘生新的中尺度渦(Zhang, 2017)。中尺度渦在南海和西太平洋的水交換中起到了重要作用, 其可以輸運(yùn)熱量和鹽量, 并影響浮游生物的分布(Chelton, 2011; Hu, 2014; Yang, 2020; Sun, 2022)。研究黑潮-中尺度渦相互作用對(duì)研究西邊界流變化的動(dòng)力機(jī)制、中尺度渦生消過程、海洋中不同尺度能量串級(jí)和海洋漁業(yè)資源分布等都具有重要意義。

南海的中尺度渦非?；钴S, 統(tǒng)計(jì)分析表明南海東北部海域是中尺度渦的高發(fā)區(qū)(程旭華等, 2005; 郭景松等, 2007; 林宏陽等, 2012)。該海域同時(shí)存在反氣旋渦和氣旋渦, 反氣旋渦的振幅、半徑和存在時(shí)間通常大于氣旋渦, 但其數(shù)量卻比氣旋渦要少(Nan, 2011c; 王萌等, 2019)。黑潮入侵南海是南海東部海域中尺度渦活躍的一個(gè)重要因素(李燕初等, 2003; 管秉賢等, 2006; 王鼎琦等, 2017)。黑潮在流經(jīng)呂宋海峽時(shí), 常常會(huì)在南海東北部誘發(fā)中尺度渦(陳春濤等, 2010; Jia, 2013)。冬季, 黑潮入侵南海后, 部分黑潮水在臺(tái)灣島西南部流出回到西太平洋, 形成黑潮流套(Looping), 反氣旋渦從流套中甩出, 之后向西移動(dòng), 反氣旋渦的東側(cè)又容易誘生氣旋渦, 形成“渦旋偶極子”現(xiàn)象。夏季, 黑潮入侵南海的強(qiáng)度較弱, 在菲律賓東北部海域一支流會(huì)從南海流出匯入黑潮, 在其左側(cè)容易誘生氣旋渦(Nan, 2011b; Zhang, 2017)。

很多學(xué)者都對(duì)南海東北部的渦旋進(jìn)行了研究。Chen等(2010)研究了呂宋島東北部一個(gè)反氣旋渦的垂直結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)該渦的溫鹽高于本地水域, 原因是該反氣旋渦攜帶了高溫高鹽的黑潮水。黑潮入侵南海形成的黑潮流套中渦旋容易脫落, 且脫落的渦旋位置大多都在119.5°～ 120°E之間(Jia, 2004)。Zu等(2019)利用渦旋數(shù)據(jù)集和再分析數(shù)據(jù)集研究了南海中尺度渦熱鹽結(jié)構(gòu)的季節(jié)特征和形成機(jī)制, 發(fā)現(xiàn)冬季渦旋溫度異常在50 m以上為偶極子型, 50 m以下為中心對(duì)稱型, 在夏季則整個(gè)都為中心對(duì)稱型, 鹽度異常的特征與之相似, 但不對(duì)稱性較弱。Zhao等(2023)利用潛標(biāo)觀測陣列在呂宋海峽北部捕獲了兩個(gè)攜帶黑潮水向西北方向移動(dòng)的反氣旋渦, 并分析了其生成機(jī)制, 認(rèn)為局地負(fù)風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致了反氣旋渦的產(chǎn)生。為了更好地了解渦旋的結(jié)構(gòu)和演變特征, 很多學(xué)者開始研究渦旋的三維結(jié)構(gòu), 一些學(xué)者利用合成方法構(gòu)造復(fù)合渦的模型來研究其溫鹽特征, 如He等(2018)和謝旭丹等(2018)利用插值的方法合成得到南海不同區(qū)域中尺度渦的三維結(jié)構(gòu), 研究了其溫鹽的三維結(jié)構(gòu)特征及其區(qū)域性差異。另一些學(xué)者通過現(xiàn)場觀測的溫鹽數(shù)據(jù)分析渦旋的三維結(jié)構(gòu)和生消過程(Lin, 2015; Zhang, 2016; Liu, 2019)。Sun等(2021)利用9 a (2000～2008年)的模式數(shù)據(jù)資料, 對(duì)呂宋海峽西北部的氣旋型暖核渦和反氣旋型冷核渦的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析, 認(rèn)為黑潮入侵是南海東北部一些異常渦旋形成的關(guān)鍵機(jī)制。

綜上, 前人對(duì)南海東北部黑潮流套甩出的反氣旋渦以及臺(tái)灣島西南部氣旋渦研究較多, 但對(duì)于黑潮在呂宋海峽西南部直接誘生的氣旋渦研究較少, 對(duì)這些氣旋渦的垂直結(jié)構(gòu)和演變特征尚不清楚。本文利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), 結(jié)合哥白尼中心再分析數(shù)據(jù), 在呂宋海峽西側(cè)選取了2018～2019年間的3個(gè)氣旋渦(CE1、CE2、CE3), 研究了這3個(gè)氣旋渦溫度、鹽度和流速的三維結(jié)構(gòu)和演變特征, 初步探討了其生成機(jī)制。本研究豐富了對(duì)于黑潮誘生中尺度渦的認(rèn)識(shí), 有助于進(jìn)一步研究黑潮-中尺度渦相互作用過程和機(jī)理。

1 數(shù)據(jù)及方法

為研究氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)和演變特征, 本文使用的數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和哥白尼中心再分析數(shù)據(jù)。

1.1 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)

本文使用了衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(網(wǎng)址為: https:// resources.marine.copernicus.eu/product-detail/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047/), 包含海面絕對(duì)動(dòng)力高度(Absolute Dynamic Topography, ADT)、海面高度異常(sea level anomaly, SLA)、地轉(zhuǎn)流速(,)和地轉(zhuǎn)流速異常(,)等要素, 空間分辨率為0.25°× 0.25°, 時(shí)間分辨率為1 d。利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), 可以統(tǒng)計(jì)分析中尺度渦的時(shí)空分布和運(yùn)動(dòng)特征, 也可以研究中尺度渦對(duì)黑潮的影響(秦麗娟等, 2015; 程建婷等, 2017; 王萌等, 2019)。本文利用衛(wèi)星高度計(jì)資料主要研究氣旋渦運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

1.2 哥白尼中心再分析數(shù)據(jù)

為研究氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)和演變特征, 本文使用歐洲哥白尼中心再分析數(shù)據(jù)(Global Ocean Multi- Observation Products)(網(wǎng)址為: https://data.marine. copernicus.eu/product/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047), 數(shù)據(jù)深度范圍0～5 500 m, 共50層, 包括溫度、鹽度和流速(,)以及海面動(dòng)力高度數(shù)據(jù), 空間分辨率為0.25°×0.25°, 時(shí)間分辨率為7 d。再分析數(shù)據(jù)同化了衛(wèi)星高度計(jì)資料和歷史溫鹽剖面觀測數(shù)據(jù), 其絕對(duì)動(dòng)力高度和流速分布圖與衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)基本一致(圖1)。再分析數(shù)據(jù)選取的時(shí)間跨度和研究區(qū)域與衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)相同, 用于研究渦旋的三維結(jié)構(gòu)特征和能量收支分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 3個(gè)氣旋渦的運(yùn)動(dòng)學(xué)及演變特征

呂宋海峽兩側(cè)是中尺度渦的高發(fā)區(qū), 利用1993～ 2020年的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)繪制了呂宋海峽兩側(cè)平均的渦動(dòng)能(eddy kinetic energy, EKE)分布(圖2), 渦動(dòng)能的計(jì)算公式如下:

其中, EEK表示渦動(dòng)能EKE, u'和v'分別表示流速異常東西分量和南北分量。流速異常是每個(gè)時(shí)刻的流速減去1993～2020年中當(dāng)月流速數(shù)據(jù)的平均值得到的。由圖2可以看出, 渦動(dòng)能高值區(qū)基本上都集中在呂宋海峽兩側(cè), 這一現(xiàn)象和黑潮流經(jīng)呂宋海峽以及入侵南海誘生中尺度渦有關(guān)(陳春濤等, 2010; Jia et al, 2013)。由于再分析數(shù)據(jù)同化了衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), 因此呂宋海峽兩側(cè)的平均流場特征與渦動(dòng)能的空間分布基本一致(圖1和圖2)。

注: a: 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), b: 再分析數(shù)據(jù)結(jié)果; 紅色圓點(diǎn)為渦旋起始位置, 三條黑線分別代表3個(gè)渦旋(CE1、CE2、CE3)的運(yùn)動(dòng)軌跡; 陸地周邊的空白是數(shù)據(jù)插值后的正?，F(xiàn)象

圖2 1993～2020年平均渦動(dòng)能(EKE)分布圖

注: a: 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù); b: 再分析數(shù)據(jù)

利用2018～2019年數(shù)據(jù), 在呂宋海峽西側(cè)選取了較為明顯的3個(gè)氣旋渦, 為了分析這3個(gè)渦旋的演化過程, 根據(jù)-0.05 m的海面高度異常等值線(Wang, 2003), 氣旋渦開始有明顯的閉合等高線時(shí)刻定為生成時(shí)刻, 閉合等高線消失時(shí)刻定為消亡時(shí)刻, 中間時(shí)刻即為生成時(shí)刻和消亡時(shí)刻的中間值(圖3), 表1統(tǒng)計(jì)了它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。結(jié)果顯示: 黑潮流經(jīng)呂宋海峽時(shí)以西北向入侵南海, 3個(gè)氣旋渦都是在呂宋海峽黑潮主軸[位置判定參考了丁睿彬等(2013)]西南側(cè)生成, 生成后自東向西移動(dòng), 西傳一段距離后逐漸消亡。氣旋渦的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。CE1在2018年8月23日生成, 2018年9月15日消亡, 生命周期有24 d; CE2在2018年11月21日生成, 2018年12月8日消亡, 生命周期有18 d; CE3在2019年2月13日生成, 在2019年3月25日消亡, 其生命周期達(dá)42 d, 存在時(shí)間最長。CE2存在時(shí)間最短, 其強(qiáng)度也最弱, 其平均半徑只有47 km, 平均海表流速和最大海表流速均小于另外兩個(gè)渦旋, 西傳距離最短, 僅在呂宋海峽西側(cè)向西北方向移動(dòng)了57 km就消亡了。CE1的平均半徑有51 km, 其強(qiáng)度比CE2略強(qiáng), 相對(duì)于CE3較弱, 西傳距離和軌跡與CE3相似, CE1向西移動(dòng)距離有177 km。CE3的平均半徑有87 km, 生命周期有42 d, 其強(qiáng)度最強(qiáng), 海表流速和海面高度異常都是3個(gè)渦旋中最大的, 西傳的距離也最遠(yuǎn), 可達(dá)255 km。這可能和CE3的生命周期在冬末春初有一定關(guān)系, 這個(gè)時(shí)期呂宋海峽風(fēng)向由東向西, 有利于渦旋向西移動(dòng)(杜天時(shí), 2019)?？傮w來說3個(gè)氣旋渦存在時(shí)間、半徑和移動(dòng)距離都遠(yuǎn)小于這個(gè)區(qū)域氣旋渦的平均存在時(shí)間、半徑和移動(dòng)距離, 跟這個(gè)區(qū)域反氣旋渦相比差異更大(Nan, 2011c), 說明這些由黑潮誘生的氣旋渦可能具有相對(duì)較短的生命周期。CE1、CE2、CE3的平均海面高度異常和最大海面高度異常依次遞增(表1), CE1和CE2的海面高度異常也要小于這個(gè)區(qū)域氣旋渦的平均海面高度異常, CE3的海面高度異常與這個(gè)區(qū)域氣旋渦平均海面高度異常相差不大(Nan, 2011c)。

圖3 3個(gè)氣旋渦存在期間的海面動(dòng)力高度和流場

注: a～c為CE1, d～f為CE2, g～i為CE3; a, d和g為生成時(shí)刻, b, e和h為中間時(shí)刻, c, f和i為消亡時(shí)刻; a, d和g中的黑色加粗曲線為黑潮流軸, 紅色橫線為圖4和圖5所選取的緯向斷面; 數(shù)據(jù)來自再分析數(shù)據(jù)

表1 3個(gè)渦旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征統(tǒng)計(jì)表

Tab.1 Statistics of kinematic properties of the three eddies

為研究3個(gè)氣旋渦的垂向結(jié)構(gòu)和演變特征, 利用再分析數(shù)據(jù)繪制了橫穿渦旋斷面的流場以及溫度異常(圖4)和鹽度異常(圖5)。溫度異常的計(jì)算方法是將選定區(qū)域某一層深度上的所有溫度值取平均值, 然后所有溫度值都減去這個(gè)平均值得到的即為選定區(qū)域某一層深度上的溫度異常, 鹽度異常同理。由于渦旋從生成到消亡的過程中不斷移動(dòng), 因此根據(jù)圖3中渦旋3個(gè)時(shí)刻所在的位置選取了不同的緯度, 用紅色橫線標(biāo)記。氣旋渦在生成時(shí)刻和消亡時(shí)刻較弱, 主要用于對(duì)氣旋渦演變特征的研究, 關(guān)于影響深度最大值及溫鹽負(fù)異常的研究以中間時(shí)刻為主。結(jié)果顯示: 3個(gè)渦旋最大旋轉(zhuǎn)速度基本都在表層, 旋轉(zhuǎn)速度隨深度遞減?；?.1 m/s流速等值線可以看到, CE1的垂直深度可以延伸到1 400 m, 旋轉(zhuǎn)流速最大可達(dá)0.5 m/s; CE3的垂直深度最大, 可達(dá)1 600 m, 旋轉(zhuǎn)流速最大可達(dá)0.6 m/s; CE2的垂直深度最小, 只到1 200 m, 旋轉(zhuǎn)流速最大為0.4 m/s。3個(gè)氣旋渦中CE3旋轉(zhuǎn)速度最大, 是對(duì)溫鹽特性影響最大的渦旋, CE1次之, CE2最小。

圖4 氣旋渦溫度異常(°C)和南北向流速(m/s)的斷面分布圖

注: a～c為CE1, d～f為CE2, g～i為CE3; a, d和g為生成時(shí)刻, b, e和h為中間時(shí)刻, c, f和i為消亡時(shí)刻; 0 m處的黑色加粗橫線和圖3中的紅色加粗橫線表達(dá)含義一致, 黑色等值線為流速; 數(shù)據(jù)來自再分析數(shù)據(jù)

圖5 氣旋渦鹽度異常和南北向流速(m/s)的斷面分布圖

3個(gè)氣旋渦溫度異常的中心均為負(fù)異常, 這是由于氣旋渦造成水體輻散涌升所致。氣旋渦的溫度異常在垂向上是單核結(jié)構(gòu), 冷核大約在50～600 m。CE1、CE2和CE3的冷異常在200～300 m左右達(dá)到最大值, 冷異常峰值分別為-1.7、-1.5和-2 °C。渦旋的冷核都是從生成時(shí)刻到中間時(shí)刻逐漸增強(qiáng), 之后又逐漸減弱。雖然3個(gè)渦旋的影響深度差不多, 但CE3的影響范圍明顯更大一些, 冷異常的峰值也大于另外兩個(gè)渦旋。

氣旋渦中心鹽度異常在垂向上似有三核結(jié)構(gòu)(圖5), 0～100 m為正異常, 200～400 m為負(fù)異常, 500 m以下鹽度又為正異常。這是由于南海背景鹽度場垂向分布為反”S”型(南峰, 2012), 氣旋渦中心海水上升, 造成鹽度異常為“正-負(fù)-正”三核結(jié)構(gòu)(謝旭丹等, 2018)。500 m以下的鹽度異常不大, 因此500 m以下的正鹽度異常區(qū)域相較于另外兩個(gè)核不是很明顯。渦旋引起的鹽度負(fù)異常峰值深度在200～400 m, CE1、CE2和CE3的低鹽度異常峰值分別為-0.23、-0.21和-0.26。選取斷面東側(cè)的溫度和鹽度正異?？赡芘c黑潮水入侵南海有關(guān)。

2.2 3個(gè)氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)

為更直觀展示3個(gè)渦的結(jié)構(gòu), 進(jìn)一步繪制了這3個(gè)渦旋中間時(shí)刻溫度異常和鹽度異常的三維結(jié)構(gòu)(圖6和圖7)。根據(jù)渦旋的斷面垂直結(jié)構(gòu)選取了6個(gè)深度, 分別是0、200、400、600、800和1 000 m。渦旋的溫度異常(圖6)結(jié)果顯示: 渦旋的冷核在200和400 m處比較明顯, CE3低溫異常的影響范圍最大, 其次是CE1, CE2的影響范圍最小。渦旋溫度負(fù)異常的最大值在200 m左右, 之后負(fù)異常隨著深度的增加逐漸減小。渦旋的鹽度三維異常(圖7)結(jié)果顯示: 低鹽核也是在200～400 m比較明顯, 這一點(diǎn)和冷核一樣, 從600 m開始, 鹽度異常開始出現(xiàn)一些微弱的正異常。200～400 m處, 渦旋鹽度異常結(jié)構(gòu)的中心基本為負(fù)異常。400 m以下, 隨著深度的增加, 渦旋鹽度異常結(jié)構(gòu)的中心反而呈現(xiàn)正異常, 這是氣旋渦引起該區(qū)域海水上升的結(jié)果。從垂直結(jié)構(gòu)上看, 表層流速最大可達(dá)0.6 m/s, 流速隨著深度的增加而急劇減小, 3個(gè)渦旋在0～1 000 m都能清楚地觀察到渦旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同深度溫鹽異常剖面的渦旋結(jié)構(gòu), 可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)氣旋渦的另一個(gè)特征是隨著深度的增加, 渦旋的中心位置沒有發(fā)生明顯的偏移, 這與Zhang等(2016)觀測到的南海北部中尺度渦中心西向傾斜結(jié)構(gòu)不同。

圖6 氣旋渦中間時(shí)刻溫度異常和流場的三維結(jié)構(gòu)

圖7 氣旋渦中間時(shí)刻鹽度異常和流場的三維結(jié)構(gòu)

結(jié)合3個(gè)渦旋溫鹽異常的三維結(jié)構(gòu), 可以發(fā)現(xiàn)CE2和CE3的東北側(cè)有溫鹽異常明顯升高的現(xiàn)象, 這一現(xiàn)象可能與CE2和CE3的中間時(shí)刻所處的時(shí)期是黑潮入侵南海強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)有關(guān)(方國洪等, 2002; 王兆毅等, 2016), 高溫高鹽的黑潮水入侵南海, 可以改變流經(jīng)區(qū)域的背景溫鹽特性。CE1的中間時(shí)刻在夏季末, 這個(gè)時(shí)期是黑潮入侵南海強(qiáng)度比較弱的季節(jié), 渦旋東北側(cè)溫鹽異常升高的現(xiàn)象相對(duì)于另外兩個(gè)渦旋較弱可能也與此有關(guān)。以上分析表明, 不同氣旋渦的溫鹽異常主體結(jié)構(gòu)及影響深度雖然相似, 但還是有一些差異, 可能跟渦旋存在期間風(fēng)場和黑潮入侵等因素有關(guān)。

2.3 渦旋生成時(shí)刻的能量收支分析

海洋中的能量形式主要有渦動(dòng)能(EK)、平均流動(dòng)能(MK)、渦動(dòng)勢能(EP)和平均流勢能(MP)四種(Xie, 2007), 計(jì)算公式分別為

其中,是平均位勢密度的垂向梯度,'是密度異常,和是流速異常,為重力加速度, 上劃線表示時(shí)間平均, 點(diǎn)撇表示和平均值的偏差。

平均動(dòng)能與渦動(dòng)能的相互作用與正壓不穩(wěn)定有關(guān), 正壓不穩(wěn)定過程由水平剪切主導(dǎo)。正壓轉(zhuǎn)換率(BT)為正值時(shí)代表能量從平均流動(dòng)能向渦動(dòng)能轉(zhuǎn)換, 為負(fù)值時(shí)代表渦旋能量衰減。平均勢能與渦勢能的相互作用與斜壓不穩(wěn)定有關(guān), 斜壓不穩(wěn)定過程由水平溫度/密度梯度或者速度垂向剪切主導(dǎo)。斜壓轉(zhuǎn)換率(BC)為正值時(shí)代表能量從平均勢能向渦勢能轉(zhuǎn)換, 最后再轉(zhuǎn)移到渦動(dòng)能,BC為負(fù)值則代表渦旋能量衰減, 能量從渦向平均流動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)化(徐安琪, 2021; Yan, 2022)。正壓轉(zhuǎn)換率BT和斜壓轉(zhuǎn)換率BC的計(jì)算公式如下:

其中,和分別是緯向和經(jīng)向,是垂直流速異常。再分析數(shù)據(jù)中只有水平流速, 垂向流速可由水平流速和深度等數(shù)據(jù)計(jì)算得到(Greene, 2019), 計(jì)算公式如下:

方程兩邊對(duì)深度積分后可得:

基于圖4和圖5, 可以發(fā)現(xiàn)在氣旋渦的生成時(shí)刻, 渦旋的影響深度大致在600 m, 因此在研究渦旋生成機(jī)制時(shí)只選取0～600 m的深度范圍。圖8是3個(gè)氣旋渦生成時(shí)刻0～600 m的深度平均的正壓轉(zhuǎn)換率和斜壓轉(zhuǎn)化率水平分布圖, 從圖8可以看出: 南海東北部正壓轉(zhuǎn)換率和斜壓轉(zhuǎn)換率正負(fù)值交替分布, 說明這個(gè)區(qū)域平均流和渦旋之間動(dòng)能的能量轉(zhuǎn)換非常頻繁。在渦旋生成時(shí)刻, 渦旋位置附近正壓轉(zhuǎn)換率基本都為正值, 表示能量從平均流動(dòng)能向渦動(dòng)能轉(zhuǎn)移; 渦旋位置附近的斜壓轉(zhuǎn)換率基本為負(fù)值, 說明一部分能量從渦勢能轉(zhuǎn)化成平均流勢能。因此, 黑潮鋒面的水平剪切導(dǎo)致的正壓不穩(wěn)定性是這3個(gè)氣旋渦生成所需能量的主要來源。Zhang等(2017)研究發(fā)現(xiàn)黑潮流套北側(cè)的水平剪切導(dǎo)致的正壓不穩(wěn)定性是臺(tái)灣島西南海域氣旋渦的生成所需能量的主要來源。本文研究的3個(gè)氣旋渦在黑潮鋒面左側(cè)生成, 黑潮鋒面不穩(wěn)定性是呂宋海峽西側(cè)氣旋渦生成主要原因, 氣旋渦生成后能量從渦勢能向平均流勢能轉(zhuǎn)化, 可能是這個(gè)區(qū)域氣旋渦存在時(shí)間較短的原因。

3 結(jié)論

本文利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù), 在呂宋海峽西側(cè)選取了2018～2019年間的3個(gè)氣旋渦, 分析統(tǒng)計(jì)了氣旋渦的三維結(jié)構(gòu)和演變特征, 并初步討論了其生成機(jī)制。研究結(jié)果如下:

圖8 3個(gè)氣旋渦生成時(shí)刻0～600 m深度平均的正壓轉(zhuǎn)換率RBT和斜壓轉(zhuǎn)化率RBC水平分布圖

注: 黑色圓點(diǎn)為渦生成時(shí)刻渦核所在位置, a和b為CE1, c和d為CE2, e和f為CE3; a, c和e為正壓轉(zhuǎn)換率BT (單位: W/m3), b, d和f為斜壓轉(zhuǎn)化率BC (單位: W/m3)

(1) 氣旋渦在呂宋海峽西南部黑潮主軸左側(cè)生成, 生成后都向西移動(dòng), 3個(gè)渦存在時(shí)間在半個(gè)月到一個(gè)半月之間, 半徑在47～87 km之間, 西向移動(dòng)距離在57～255 km之間。CE3是3個(gè)渦旋中強(qiáng)度最強(qiáng)的渦, 其生命周期、半徑和西向移動(dòng)距離都要大于另外兩個(gè)渦旋, CE1次之, CE2最弱。3個(gè)氣旋渦具有相對(duì)較短的生命周期, 其存在時(shí)間、半徑和西傳距離都要小于該海域氣旋渦的平均值。

(2) 氣旋渦垂直深度可達(dá)1 200～1 600 m, CE2、CE1和CE3的垂直深度依次遞增。中心溫度為負(fù)異常, 垂向上呈現(xiàn)單核結(jié)構(gòu), 冷核的位置大約在50～ 600 m處, 200～300 m左右達(dá)到最大值, 峰值在-1.5～ 2 °C之間。氣旋渦鹽度異常的中心也為負(fù)異常, 中心鹽度異常垂向上呈現(xiàn)“正-負(fù)-正”的三核結(jié)構(gòu), 低鹽異常的峰值可達(dá)-0.26。

(3) 氣旋渦最大旋轉(zhuǎn)速度在表層可以達(dá)到0.4～ 0.6 m/s, 隨著深度的增加, 流速逐漸減小, 渦旋中心隨深度沒有出現(xiàn)明顯傾斜。渦旋東北側(cè)海水溫鹽異常與不同渦旋存在期間黑潮入侵南海的強(qiáng)弱有關(guān)。

(4) 呂宋海峽黑潮的水平剪切導(dǎo)致的正壓不穩(wěn)定性是氣旋渦生成的主要因素, 能量從平均流動(dòng)能向渦動(dòng)能轉(zhuǎn)移, 為氣旋渦的生成提供了能量。

本文以2018～2019年黑潮誘生的3個(gè)氣旋渦為例研究了其三維結(jié)構(gòu)特征和生成機(jī)制, 但氣旋渦每年都會(huì)產(chǎn)生, 我們沒有統(tǒng)計(jì)所有年份的氣旋渦, 其季節(jié)和年際變化規(guī)律尚不清楚？因此針對(duì)該區(qū)域更多氣旋渦旋開展研究是我們下一步的工作。

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THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE AND EVOLUTION OF THREE CYCLONIC EDDIES TO THE WEST OF THE KUROSHIO IN THE LUZON STRAIT

ZHAO Wei-Qiao1, 2, NAN Feng2, 3, 4, 5, ZHAO Qiu-Lan1, YU Fei2, 3, 4, 5

(1. School of Mathematics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Center for Ocean Mega-science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 5. Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China)

The Kuroshio intrusion into the South China Sea (SCS) can induce mesoscale eddies, which play an important role in the exchange of matter and energy between the SCS and Western Pacific Ocean. Previous studies focus on anticyclonic eddies induced by Kuroshio and eddy shedding processes. However, cyclonic eddies are less investigated, their three-dimensional structure and evolution remain unclear. Three cyclonic eddies (CE1, CE2, and CE3) in the northeastern SCS formed during 2018～2019 were selected. By using satellite altimeter data and reanalysis data, three-dimensional structure and evolution characteristics of the eddies were studied, and their forming mechanism was discussed. Results show that: cyclonic eddies were generated in the southwest of the Kuroshio in the Luzon Strait, their mean radius were between 47～87 km. They all moved westward in the maximum distance of 255 km, which was far less than the average moving distance of regional mesoscale eddies. The cyclonic eddies rotated counterclockwise in the maximum velocity of 0.4～0.6 m/s, and the vertical depth extended to 1 200～1 600 m. The water in the centers of the cyclonic eddies were uplifted, and the temperature in eddy center showed a negative anomaly with a single core in vertical direction. The cold core was located at 50～600 m, and the maximum cold anomaly reached-2 °C. The central salinity anomaly presented a vertical three-core structure of “positive-negative-positive” located at 0～100 m, 200～400 m, and below 500 m in depth, respectively, and the lowest salinity anomaly reached-0.26. The barotropic instability of the Kuroshio front was the controlling factor on the generation of the cyclonic eddies.

Kuroshio; Luzon Strait; cyclonic eddies; three-dimensional structure; energy budget

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目, 2022YFB3205300號(hào); 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目, 41676005號(hào)。趙偉喬, 碩士研究生, E-mail: qiao20221109@163.com

南 峰, 博士生導(dǎo)師, E-mail: nanfeng0515@qdio.ac.cn

2022-11-11,

2023-01-17

P731

10.11693/hyhz20221100295