北欧海中尺度涡旋特征分析*

张春玲,夏燕军,高郭平

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306;2.大洋渔业资源可持续利用省部共建教育部重点实验室，上海 201306)



北欧海中尺度涡旋特征分析*

张春玲1,2,夏燕军1,高郭平1,2

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306;2.大洋渔业资源可持续利用省部共建教育部重点实验室，上海 201306)

摘要:基于Nencioli等的涡旋判定方法，借助于高分辨率卫星高度计反演的地转流异常数据和海平面异常数据，对北欧海域2012年的中尺度涡旋进行了识别和对比验证，并系统分析了该海域中尺度涡旋的空间分布、生命周期、半径范围和运移路径及速度等基本特征。结果显示，在北欧海域，选取网格间距a=3,b=2进行涡旋识别所得到的位置与海表高度的正负异常几乎一一对应，表明结果是可信、可靠的。北欧海域存在生命周期2周以上的气旋涡280个，反气旋涡316个，其中生命周期大于4周的涡旋数量约有20%。该海域中尺度涡旋主要集中分布在寒暖流交汇区和挪威沿岸海域，受大尺度环流影响，0°经线以东海域的涡旋呈向南移动的趋势，约有40%的涡旋移动速度为10 cm·s-1，最大可达20 cm·s-1，而沿岸海域的涡旋受地形影响，呈原地旋转的运动状态。

关键词：中尺度涡；生命周期；半径范围；移动速度；北欧海

北欧海是由西部的格陵兰岛、南部的冰岛和东部的挪威沿岸围成的半开放海域，也是由不同海脊分隔的格陵兰海、冰岛海和挪威海三个海区的统称。北欧海作为北大西洋和北冰洋之间的过渡区域，是驱动全球海洋热盐环流的重要海区之一，也是北大西洋深层水的重要形成区域之一，在全球气候变化研究中一直处于重要的地位[1]。

北欧海环流[2]主要由来自北大西洋的暖流和源自北冰洋的寒流组成，这两支海流在该海域交汇，并形成较强的海洋锋面和流剪切，在地形的影响下，引起斜压不稳定，从而形成众多中尺度涡旋[3]。这种中尺度涡旋具有较快地旋转运动速度，伴有巨大能量[4-6]，可引起海水的垂直运动并加速涡旋区的混合搅拌，进而导致影响海域的热量、盐量、物质及能量交换发生变化，对大尺度海洋环流的动力和热力平衡具有重要的影响。

近年来，前人基于观测、模型等手段，开展了北欧海的环流、锋面特征和深层水形成及输运等方面的研究[7-12]，揭示了该海域环流分布状况、基本特征和锋面的变化过程。观测手段的不断进步，特别是卫星遥感技术的发展，大大提升了人们对海洋中中尺度涡旋的观测能力，北欧海域中尺度涡的研究也逐渐被得到关注。Johannessen等[13]利用1986-02-03在挪威沿岸海域获得的为期10 d的声学多普勒海流剖面仪(ADCP)和船载CTD仪观测资料，揭示了挪威沿岸海域中尺度涡旋的三维结构特征，并结合卫星遥感数据验证了该海域中尺度涡旋的形态特征。Ikeda等[14]借助准地转双层模型，分析了涡旋的形成与演变过程，提出挪威沿岸海域中尺度涡旋产生的主要原因是斜压不稳定，类似正压的涡扰动在涡旋的初始形成阶段起了重要的作用。Bondevik[15]则利用2008和2009年间东格陵兰岛区域的合成孔径雷达(SAR)数据，研究了海冰区的涡旋特征，并认为弱风场有利于涡旋的生存，而且涡旋通过与海冰的相互作用可加速海冰的融化。以上这些调查研究结果，在较大程度上提高了人们对北欧海涡旋的认识，对涡旋的形成机制也有了初步了解，但目前人们对整个北欧海中尺度涡的空间分布和时间变化特征的系统认识仍然比较缺乏。

为此，本文拟参考目前较为成熟的涡旋探测方法原理，结合北欧海地理环境特征，设定涡旋判断标准，并借助于卫星高度计海平面异常与地转流矢量场数据，进行该海域的中尺度涡旋的特征识别和分析，在对识别结果加以验证的基础上，分析北欧海中尺度涡的分布与运动规律，以期了解该海域中尺度涡旋的类型、数量、时间变化、空间分布和运动路径等特征，从而为深入研究北欧海域的环流和涡旋及其对全球气候变化的影响奠定基础。

1资料来源与研究方法

1.1资料来源

本文利用的是全球海洋卫星高度计AVISO(Archiving, Validation, and Interpretation of Satellite Oceanography)融合数据产品，包括网格化地转流场(U—东分量和V—北分量)数据和海平面异常(Sea Level Anomaly, SLA)数据，该数据由法国国家空间研究中心提供，并通过网站(ftp:∥ftp.aviso.altimetry.fr/global/delayed-time/grids/)下载，其中，流场数据空间分辨率为1/4o×1/4o、时间分辨率为逐日，数据容量较大。为此，我们仅选取了2012-01-01—12-31期间共计366 d的U、V和SLA数据，对北欧海域(25°W～20°E，65°～80°N)中尺度涡旋的特征进行识别和研究。

1.2涡旋判定方法

海洋中的中尺度涡旋由于其与地形和背景环流的相互作用而呈不规则形状，且结构复杂多变，人们对其进行识别的最简易方法是直接由卫星遥感图像进行定性描述，这种判定方法简便粗略，判定结果因人而异，精确度不高。随着卫星高度计资料的不断积累及其在涡旋研究中的广泛应用，一些快速、有效的自动识别涡旋的方法应运而生，并得到不断发展。目前，应用较为广泛的是利用卫星高度计观测获得的海平面异常与地转流矢量场结合的涡旋探测与识别方法[16-19]。该方法是一种基于中尺度涡旋流场几何特征的物理参数法，以水平截面上中尺度涡旋的涡流速度场的特征为基本假设[20-21]：涡旋中心(也称“涡心”)附近的局地速度值最小，远离涡心的切向速度基本呈线性增加至最大值后再减小到低值。为此，本研究参照Nencioli等[16]的涡旋判定方法，首先根据涡流速度场的特征，并结合北欧海域的独特地理环境特征，设定涡心判定标准：1)沿涡心经向，速度V分量在中心点两侧的数值符号相反，大小随距中心点的远离而增加；2)沿涡心纬向，速度U分量在中心点两侧的数值符号相反，大小随距中心点的远离而增加；考虑U和V的变化方向一致；3)在涡心局地区域内速度的大小为最小值；4)围绕涡心的速度矢量变化的旋转性一致；相邻两个速度矢量方向必须在一个或两个相邻的象限内。此外，利用涡心局地区域内流函数的最外层闭合流线来识别涡边界，并通过比较不同时刻涡心的位置分布来追踪涡旋的轨迹。

在判别涡旋的实际计算中，需根据所选用的网格化流场数据，结合研究海域的中尺度涡旋特征，选取涡心的判定参数，这取决于两个关键参数，一是涡心的有效半径，其与流场的空间格局有关，按照涡旋内经向和纬向速度分量满足1)和2)的条件选定周围格点(以网格间距a界定)，并设定涡心周围a-1个网格间距范围内，围绕涡心的速度矢量的旋转方向保持一致；第二个参数确定涡心局地速度最小值的有效半径(网格间距b)，对应于判据3)，在此基础上，进一步开展判据4)的检验，从而完成涡旋的识别。

由于不同海域的涡旋特征各异，故在使用速度场提取涡旋信息时，需要结合涡旋表观特征的直接观察与上述自动识别判据进行校验，从而确定识别参数。针对北欧海域的环境条件，为了准确识别涡旋，首先将流场数据进一步线性插值到1/8o×1/8o的网格内，以免遗漏那些半径小于30 km的涡旋；在此基础上，选取1o×1o网格范围内经空间平均后的流场数据，探讨研究北欧海域流场与涡旋分布的关系。为此，首先选取研究期间第10 天(2012-01-10)的高度计地转流异常数据，在任意选定的区域(5°W～5°E，65°～75°N)中进行参数组合敏感性试验，得到的不同参数组合下的涡旋探测结果(涡旋数量)如表1所示；而由背景流场直接检测到的涡旋数量为23个(图1)，与表1中a=3与b=2所对应的涡旋数量(23个)一致。为此，我们确定的北欧海域涡旋识别参数为a=3，b=2。

表1　不同涡旋识别参数a和b组合得到的涡旋数量

图1 2012-01-10背景流场异常与人工识别的涡旋位置Fig.1　Currents and locations of identified eddies for Jan 10, 2012

2结果与分析

2.1涡旋识别结果检验

为验证北欧海域中尺度涡旋的识别效果，本文以2012-01-10的识别结果为例，利用该海域相同时间段内的流场和海平面异常(SLA)数据进行检验(图2)。由图可见，利用上述涡旋识别方法自动识别到的涡旋总数为97个，其中气旋涡和反气旋涡分别为49个和48个，且涡旋相对多地集中在0°经线东侧海域(靠近挪威沿岸)，这与速度场直接表现出来的涡旋特征极为相似。由于研究海域恰好处于北半球，逆时针旋转的气旋涡在科氏力作用下，会造成局地海水向外辐散，使得涡心处较周围的高度低，即表现为海表面高度的负异常，反气旋涡则表现出与气旋涡相反的特点。图2中所呈现的，反气旋涡和气旋涡与海面高度的正负异常位置几乎一一对应的分布趋势，充分表明了由本文改进的涡旋识别方法是有效的，其识别结果也是正确、可信的。

图2　涡旋识别结果验证Fig.2　Validation of the identified eddies

2.2涡旋特征分析

根据本文所用的涡旋识别方法，计算并获得了2012-01-01—12-31北欧海域中尺度涡旋的数量和分布，其中生命周期大于两周的中尺度涡旋共计596个，280个为气旋涡(冷涡)，316个为反气旋涡(暖涡)，反气旋涡较气旋涡的数量多约11%。下面将逐一分析该海域中尺度涡旋的空间分布、生命周期、半径范围和运移路径及速度等基本特征。

2.2.1空间分布

2012-01—12北欧海域生命周期在两周以上的中尺度涡旋的空间分布及其对应的背景流场(分辨率为1o×1o)如图3所示。由图可以看出，在0°经线附近海域，来自北冰洋由北向南的寒流与其东侧来自大西洋的北向暖流交汇于此，涡旋出现的数量较多，且频率较高，在图中表现为分布比较集中。在挪威沿岸海域，由于地形与大西洋暖流的相互作用，涡旋出现的数量也较多，靠近格陵兰岛的海域主要受东格陵兰岛寒流和海冰的影响，探测到的涡旋数量较少，分布相对稀疏。

为进一步分析北欧海域两类典型涡旋的分布特征，分别计算了气旋涡、反气旋涡的空间分布密度。图4给出了研究海域1o×1o范围内、生命周期均在2周以上的气旋涡和反气旋涡的统计结果。与图4类似，气旋涡和反气旋涡均密集分布在0°经线以东，其中反气旋涡的分布特征更为明显；在0°经线以西的每个网格内，气涡旋个数最多在3个左右，而反气旋涡约为5个。与气旋涡相比，反气旋涡在数量及密集度上都更有优势，0°经线以东的海域，每个网格中涡旋个数基本在2个以上，最高密度可达7个。

图3　2012年研究海域涡旋空间分布与背景流场Fig.3　Background currents and distribution of eddies in 2012

图4　涡旋空间分布密度Fig.4　Spatial distribution density of eddies

2.2.2生命周期

2012年北欧海域生命周期超过2周(14 d)的中尺度涡旋统计结果如图5所示。由图可知，不论气旋涡、反气旋涡还是整体涡旋的生命周期，均与其个数成反比，即表现出生命周期越长，涡旋数量越少的特点。该海域大部分涡旋(约500个，其中气旋涡个数约为240个、反气旋涡约为260个)的生命周期都小于4周，其中，持续2～3周的涡旋有364个(175个气旋，189个反气旋)。也有较多(73个)中尺度涡旋的持续活动时间在4～7周左右，而持续7～10周的涡旋共有8个。就两类中尺度涡旋相比较，基本上表现出这样的特点：在每段生命周期中，气旋涡较反气旋涡的数量稍少，但差异并不明显。

图5　涡旋生命周期统计Fig.5　Statistics of eddy lifetime

2.2.3半径范围

图6呈现了研究期间北欧海生命周期大于14 d的中尺度涡旋的半径和频率的关系。可以看到，无论是气旋涡(图6a)还是反气旋涡(图6b)，其半径范围在20～40 km的频率较大。相比之下，虽然气旋涡的数量较反气旋涡少，但两者的半径范围多集中在30 km左右(气旋涡约有41%，反气旋涡约有45%)。

图6　涡旋半径统计Fig.6　Statistics of eddy radius

2.2.4运移路径及速度

图7和图8分别给出了存活时间在4周(包括4周)以上的气旋涡和反气旋涡的运动路径及移动速度。就运动方向和路径而言(图7)，无论气旋涡还是反气旋涡，其运动方向大致均表现为：在75°N以北的涡旋基本上自北向南运动；在65°～75°N范围内的涡旋向中间靠拢，即靠近75°N的涡旋自北向南运动，这与南向的寒流运动方向相一致；靠近挪威沿岸海域的涡旋自南向北运动。但两者的运动路径明显有所不同：冰岛海台区域及格陵兰海盆附近的反气旋涡呈显著的南向移动，而气旋涡只有挪威海附近个别涡旋有明显的北向移动路径。除此之外，该海域其他涡旋在其持续活动的生命周期内，向南或向北运动的路径均较短，有些涡旋甚至呈原地旋转运动状态。就移动速度而言(图8)，大部分涡旋的移动速度在10 cm·s-1左右，气旋涡和反气旋涡的最大移动速度均可达20 cm·s-1，涡旋移动速度与其对应的频率大致呈高斯函数关系。

图7　涡旋运动路径Fig.7　Tracks of eddies

图8　涡旋运动速度Fig.8　Movement speed of eddies

3结论

北欧海域因其北大西洋和北冰洋过渡区域的重要地理位置，以及在全球热盐环流的重要作用，而得到广泛关注。该海域存在的大大小小的中尺度涡旋对局地环流、水文环境要素、以及北极气候变化等都具有重要影响。本文利用覆盖全球海洋的卫星高度计资料，结合涡旋探测与识别方法，对2012-01-12期间北欧海中的涡旋进行了自动识别，并对识别结果进行了现场检查与验证，进而系统分析研究了该海域中尺度涡旋的空间分布、生命周期、半径范围和运移路径及速度等基本特征，获得的主要结论有：

1)经敏感性试验，确定北欧海域涡旋识别参数为a=3，b=2。通过对研究海域识别结果检验，其气旋涡和反气旋涡与海面高度的正负异常位置几乎一一对应，表明本文选用的涡旋识别方法是有效的，其识别结果也是正确、可信的。

2)2012年北欧海域存在280个气旋涡，316个反气旋涡，其生命周期均在2周以上，且4周左右的占20%，最长的生命周期可达10周；大部分涡旋的半径约为30 km。

3)北欧海域涡旋主要分布在寒暖流交汇区和挪威沿岸海域，受大尺度环流影响，0°经线以东海域的涡旋呈向南移动的趋势，多数涡旋的移动速度可达10 cm·s-1，最大可达20 cm·s-1；而沿岸海域涡旋受地形影响，呈原地旋转运动状态。

通过对2012-01-12期间北欧海域的涡旋识别及其分布特征的分析研究，使得我们看到了利用不断增加的覆盖全球海洋的卫星高度计资料，进行中尺度涡旋的自动、快速有效识别，具有广阔的推广应用前景；研究虽已表明，涡旋的生成与大尺度洋流的分布以及局地地形均有很大的关联，但其生成机制受到多种因素的影响，也还有待于进一步分析研究，以便为全面系统的认识和了解北欧海域环流和涡旋及其对全球气候变化的影响提供科学依据。

致谢:所用数据由法国空间站AVISO提供下载，相关涡旋识别程序由南京信息工程大学董昌明教授分享,同时，中国Argo实时资料中心许建平研究员也为本文提出了宝贵意见和建议！

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Received: March 26, 2015

*收稿日期：2015-03-26

作者简介：张春玲(1981-)，女，山东德州人，讲师，博士，主要从事海洋动力学和极地海洋学方面研究.E-mail: clzhang@shou.edu.cn(王燕编辑)

中图分类号：P731.2

文献标识码：A

文章编号：1671-6647(2016)02-0207-09

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.006

Characteristics of Mesoscale Eddies in the Nordic Seas

ZHANG Chun-ling1,2, XIA Yan-jun1, GAO Guo-ping1,2

(1.CollegeofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity, Shanghai 201306, China;2.KeyLaboratoryofSustainableExploitationofOceanicFisheriesResources,MinistryofEducation,

Shanghai 201306, China)

Abstract:Using Nencioli method and geostrophic current and sea level anomaly data extracted from the global ocean high-resolution satellite altimeter database, mesoscale eddies occurred during 2012 in the Nordic Seas have been identified and verified in this paper. Characteristics of the mesoscale eddies, including their spatial distribution, lifetime, radius, moving trend and speed, have been analyzed. The results show that the positions of identified eddies agree well with the SLA when a=2 and b=3. During the study period, totally 280 cyclonic eddies and 316 anti-cyclonic eddies, with lifetime longer than 2 weeks, were identified. About 20% of these eddies lasted for about 4 weeks. And the locations mainly concentrate in the area where cold and warm currents converge and the Norwegian coastal area. Due to the influenced by large-scale circulations, eddies to the east of 0° longitude mostly move southward, and 40% of them have movement speed of 10 cm·s-1, maximum speed is 20 cm·s-1. Meanwhile, eddies close to the coastal zone move relatively slowly, or rotate locally, due to the topographic effects.

Key words:mesoscale eddies; life time; radius range; movement speed; the Nordic Seas

资助项目：全球变化研究国家重大科学研究计划项目——北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应(2015CB9539)；南北极环境综合调查与评估专项——北极海域物理海洋和海洋气象考察(CHINARE2014-03-01)；高校新进教师科研启动基金项目——基于FVCOM的中尺度涡演变机制研究(A1-2035-15-0021-110)