基于1993—2014年高度计数据的西北太平洋中尺度涡识别和特征分析

崔伟，王伟，马毅，杨俊钢*

(1. 中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266003；2. 国家海洋局第一海洋研究所， 山东 青岛 266061)

基于1993—2014年高度计数据的西北太平洋中尺度涡识别和特征分析

崔伟1,2，王伟1，马毅2，杨俊钢2*

(1. 中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266003；2. 国家海洋局第一海洋研究所， 山东 青岛 266061)

本文利用22年的AVISO卫星高度计融合数据，基于WA涡旋自动识别方法对西北太平洋的中尺度涡进行了识别追踪，并统计分析了研究区域中尺度涡的空间分布特征、运动属性以及季节和年际变化。研究结果表明：22年间共追踪到生命周期超过30 d的气旋涡3 841个，反气旋涡2 836个，气旋涡数量多于反气旋涡。涡旋大部分向西移动，西向传播的涡旋分布在整个研究区域，而东向传播的涡旋则集中在黑潮及其延伸区。涡旋主要存在15°～30°N的纬度带间；分别而言，气旋涡主要分布在研究区域的北部和南部，而反气旋涡主要分布在副热带逆流区。30°～35°N之间的黑潮延伸区具有明显更高的涡动能和涡振幅，与同纬度区域相比这里的涡旋半径也较高。在季节和年际变化上，春季出现的中尺度涡最多，夏季最少；对涡旋的月生成数目与ENSO指数MEI比较发现，西北太平洋涡旋活动变化并不直接与ENSO现象相关。

中尺度涡；西北太平洋；高度计；特征分析；年际变化

1 引言

海洋中尺度涡是指时间尺度在几十到几百天，空间尺度在几十到几百千米的海洋涡旋，其能量要比背景场流高出一个量级甚至更多[1]。中尺度涡是上层海洋中一个显著的中尺度现象，在海洋动力过程中扮演着重要的角色。海洋中尺度涡就像一个巨大漏水的水桶携带着不同于周围环境的海水在海洋中移动[2]，对海洋的动能输运、热盐输运、化学物质输运以及营养物质输运起到重要作用[3]。在北半球，逆时针旋转的气旋涡在科式力的作用下，海表面处的水体向外辐散，海表面高度为负异常，并在涡旋中心形成垂直而上的水体运动，使得其内部水体降温；对于顺时针旋转的反气旋涡，则相反，海表面高度为正异常，内部水体增温。所以，在北半球，气旋涡也称之为冷涡，反气旋涡也称之为暖涡。

自1992年TP卫星发射以来，卫星高度计已经提供了时间序列超过20年、全球覆盖、高精度的海面高度场和海洋环流数据。在现代海洋研究中，高度计常与其他卫星任务、现场测量或者数值模式进行联合，其已为海洋现象观测做出了重大贡献[4—6]。多源海面高度融合产品可以有效提高海洋中尺度现象的观测，基于多源高度计数据融合的AVISO海面高度产品研究显示中尺度涡在全球海洋中盛行[7—8]，而西北太平洋是中尺度涡全球高频发生区域之一。

西北太平洋具有复杂的环流结构。向西流动的北赤道流(NEC)抵达菲律宾海岸后受地形影响分叉，形成向赤道流动的棉兰老流和向极地方向的黑潮(Kuroshio)。黑潮携带热而咸的赤道水在沿着西边界流动的过程中逐渐增强，这条极具能量的西边界流最终在日本沿岸35°N形成黑潮延伸区(Kuroshio Extension)。研究显示在黑潮及其延伸区经常伴随产生海洋涡旋[9—11]，并且在18°～25°N之间的北太平洋副热带逆流区(STCC)也具有显著的中尺度涡活动[12—13]。李熙泰等[14]使用6年的高度计数据对马里亚纳海沟东西两侧海域的中尺度涡进行了相关研究，发现大部分涡旋具有西向移动的特征，且传播速度与第一斜压模式的Rossby长波的传播速度基本一致。林宏阳等[15]对西北太平洋中尺度涡研究发现春季中尺度涡最多，秋季最少，中尺度涡活动具有明显的季节变化；并且低纬区域中尺度涡数量明显少于高纬区域。西北太平洋是海洋环流系统最复杂的区域之一，该区域的中尺度涡现象相当活跃，掌握该区域中尺度涡的分布和运动特征对于了解该区域的能量变化和海气相互作用具有重要的意义。

本文利用22年的AVISO卫星高度计融合数据，针对0°～46°N、122°～160°E的研究区域，识别追踪1993—2014年西北太平洋中尺度涡的运动轨迹，量化涡旋的生命周期和传播距离，分析涡旋的地理分布特征，分析涡旋的传播方向和运动特性，描述涡旋活动的季节和年际变化特征。

2 数据与方法

2.1 数据

本文使用的卫星高度计资料是AVISO分发的最新版本的多源高度计海面高度异常(sea level anomaly, SLA)融合数据(ftp.aviso.altimetry.fr)，其空间分辨率为0.25°，时间分辨率为1 d，时间序列从1993年1月1日到2014年12月27日，长达22年。值得注意的是，由于AVISO最新版本SLA数据的时间分辨率达到1 d，这使得本文中涡旋生命周期首次以天来描述，相比先前研究中涡旋的生命周期以周计，这确实极大提高了涡旋持续时间的精度。

2.2 中尺度涡探测方法

中尺度涡旋普遍存在于世界海洋之中，其最直观的表现为闭合的海面高度异常的等值线。Chaigneau等[16]强调从海洋湍流中提取中尺度涡旋必须遵照合适的涡旋识别方法。基于这点，科学家们已经提出了多种中尺度涡旋识别和追踪算法，大致可分为两类：一类是基于速度场的涡旋旋转特性的识别算法，包括OW参数法[17]、小波分析方法[18]、矢量几何法[19]；二是基于海面高度异常的闭合等值线的几何算法，包括Winding-Angle(WA)方法[16,20]和自由等值线算法[7]。自由等值线方法可以看做是对Chaigneau等[16]WA方法的一个补充。多种研究结果表明[13, 16, 21]，与其他涡旋识别方法相比，WA方法具有更高的涡旋识别准确率(将海洋中的涡旋识别出来的能力)和更低的误判率(把气旋涡识别为反气旋涡或把反气旋涡识别成气旋涡)，其涡旋识别能力最好；而且就探测到的涡旋数量、生命周期以及移动速度等方面，WA方法得到的探测结果最好并且更加可信。因此，本文选择WA方法开展研究区域的中尺度涡研究。

WA方法首先在一个1°×1°经纬度移动窗口内通过寻找内部SLA最小(大)值来判断可能的气旋涡(反气旋涡)中心。之后对于每一个可能的气旋涡(反气旋涡)中心，从其内部以1 cm的增幅(减幅)向外寻找SLA闭合的等值线。最外面包含涡旋中心的等值线即为涡旋的外边界。基于以上理论，参考Chelton等[7]识别标准，同时考虑到高度计的观测误差和AVISO融合产品的分辨率[4, 22]，涡旋的具体识别条件如下：

(1)气旋涡(反气旋涡)内所有网格点的SLA值都比边界SLA值要小(大)；

(2)组成涡旋的网格点不少于8个网格点，最多不超过1 000个网格点；

(3)在气旋涡(反气旋涡)区域内有一个SLA局地最小(大)值；

(4)涡振幅不小于3 cm；

(5)涡内任意网格点距离要小于600 km。

图1给出了WA方法涡旋探测的一个实例。

图1 2014年6月17日研究区域SLA分布(颜色表示SLA值)和通过WA方法识别出的气旋涡(蓝色线)和反气旋涡(红色线)Fig.1 The SLA map of Northwestern Pacific Ocean in 17 June, 2014 (the color represents the SLA value) and the detected cyclonic eddies (blue lines) and anticyclonic eddies (red lines) using WA method

2.3 涡旋属性

为了更好地描述和分析中尺度涡的特征，下面对涡旋的一些属性进行了定义。本文使用和Nencioli 等[19]一样的方法去定义涡旋的尺度和强度。首先涡旋的面积A表示的是包含在涡旋边界内的面积，半径R为具有相同面积的圆的半径:

(1)

涡旋的幅度(振幅，AM)定义为涡旋中心和涡边界SLA差值的绝对值：

AM=|SLA中心-SLA边界|.

(2)

一般而言，中尺度涡变化的强弱可以采用涡动能的大小及空间分布来表示：

(3)

式中，u′和v′分量分别表示地转流异常的水平和垂直分量：

(4)

式中，g是重力加速度，f是科氏参数，∂x和∂y分别是水平和垂直方向的距离。

涡度ξ，即数学中的旋度，计算如下：

(5)

涡旋的移动速度V被定义为涡旋移动路径的总距离与涡旋持续时间的比值。

2.4 涡旋追踪方法

在大洋中，海洋涡旋一旦形成，这种稳定的中尺度结构便可以维持相当长的时间，因此涡旋识别出来之后，可以在时间上连续的海面高度场图像中对其进行追踪。在时刻n对于每一个海面高度场中的涡旋，在下一个时间步n+1的海面高度场中寻找与其距离最近且属性最相似的涡旋[16]：

(6)

式中，Dn,n+1描述的是时间步n和n+1涡旋之间的相似度(其值越小表示相似度越高)，ΔD、ΔR、Δξ和ΔEKE分别为涡旋在时刻n和n+1的空间距离、半径、涡度以及 EKE的变化。D0、R0、ξ0和EKE0分别为标准距离(D0=100 km)、标准半径(R0=50 km)、标准涡度(ξ0=10-6s-1)和标准EKE(EKE0=100 cm2/s2)。选择Dn,n+1的最小值即认为时间步n和n+1的涡旋是同一个涡。考虑到涡旋的典型移动速度(纬向速度为每秒几个厘米)[7, 12]，并为了避免错误的追踪，寻找范围ΔD被限定为50 km。

但由于卫星轨道的原因，涡旋可能存在于两条卫星轨迹之间或者被网格化数据平滑掉而不能被捕捉到，为了减少这种误差，会在一个涡旋消失一定天数内的海面高度场中继续寻找该涡旋。参考Nencioli等[19]和Souza等[21]使用AVISO周产品选择在两周的时间内进行涡旋追踪，我们这里采用15 d的时间间隔为限去对涡旋的一些追踪结果进行实验分析。图2蓝线给出了涡旋追踪过程中在下一个时间节点发现涡旋的时间间隔(也就是涡旋在多少天之内被重新发现)频率统计，可以看出绝大部分(93.5%)涡旋均是在1 d内被连续发现的，仅有6.5%的涡旋在超过2 d的时间内被重新发现；而且随着时间间隔的增加，这种被重新发现的涡旋比例越来越小。注意，这里的统计是针对每个时间节点独立的涡旋(在任一时刻的海面高度场图像中识别出的涡旋均计入统计)，而不是针对时间上连续的一系列涡旋(时间上连续的一系列涡旋看做是一个涡旋)。因此，针对后者，我们统计了以不同天数的时间间隔对涡旋追踪得到的涡旋数量与15 d时间间隔追踪到的涡旋数量结果的比值(图2红线)。当以时间间隔为1 d进行涡旋追踪时，也就是仅对每天时间上连续的涡旋进行追踪，可以看出其涡旋数量不到15 d时间间隔涡旋数量的10%，也就是说其结果与15 d的结果相比追踪到的涡旋减少了超过90%。尽管93.5%的时间节点独立的涡旋在1 d内被重新发现，但是若采用每天连续追踪的话，其追踪到的涡旋结果会明显减少。可以看出随着时间间隔天数的增加，追踪到的涡旋数量比例近线性增加。考虑到时间节点独立的涡旋在15 d的时间间隔(仅在15 d)被重新发现的比率已经小于0.1%，我们认为采用在15 d内的海面高度场中继续追踪涡旋是合适的，且限定区域ΔD随着时间的增加线性扩大为100 km[19]。

图2 下一个时间节点重新发现涡旋的时间间隔频率分布(蓝线)，及选择不同天数的时间间隔对涡旋追踪得到的涡旋数量与15 d时间间隔追踪到的涡旋数量比值(红线)Fig.2 The frequency of the time interval which one eddy is re-detected at the next time node(blue), and the ratio of eddy number in the tracking procedure used a certain time in-terval to eddy number in the tracking procedure used time interval of 15 days(red)

在本研究中，只分析生命周期不小于30 d的涡旋，并且研究区域限制在水深大于1 000 m的深水海域。

3 涡旋属性分析

本部分对研究区域1993—2014年22年间探测到的中尺度涡进行了统计，结果显示，在西北太平洋共追踪到6 677个生命周期超过30 d的中尺度涡，气旋涡和反气旋涡数量分别为3 841和2 836个(分别对应237 744个时间节点独立的气旋涡和170 919个独立的反气旋涡，若无特殊说明后面的涡旋均指时间上连续的系列涡旋)，气旋涡数量多于反气旋涡的数量。接下来针对这些涡旋的属性进行统计分析。

3.1 涡旋生命周期及其生消位置

图3给出了涡旋生命周期和传播距离的累积数目统计以及气旋涡与反气旋涡数目比例。结果显示随着涡旋生命周期和传播距离的增加，涡旋数目急剧下降。78%的涡旋生命周期小于90 d，74.1%的涡旋传播距离小于500 km；全部涡旋的平均生命周期和传播距离分别为69 d和408 km，与杨光[13]关于西北太平洋副热带逆流区的涡旋平均10周的寿命基本一致。分别而言，气旋涡的平均生命周期和传播距离分别为70 d和408 km，反气旋涡相对应的分别为69 d和407 km，可以看出气旋涡与反气旋涡的平均生命周期与传播距离基本一样。从涡旋生命周期和传播距离的累计数目统计图(图3上图)中可以看出，对于生命周期超过30 d的全部涡旋，气旋涡数量要多于反气旋涡，但随着生命周期和传播距离的增加，气旋涡数量与反气旋涡数量越来越接近。从涡旋比例图中(图3下图)中可以看出，整体上涡旋生命周期和传播距离分布是相似的：对于生命周期小于210 d或者长于310 d的涡旋气旋涡数量多于反气旋涡，生命周期大于210 d且小于310 d的涡旋则是以反气旋涡居多；对于传播距离小于1 300 km的涡旋以气旋涡为主，传播距离大于1 300 km且小于2 700 km的涡旋以反气旋涡为多。

涡旋生命周期给出的同时，也确定了涡旋的生消位置。为了观测涡旋生消的地理分布，将研究区域划分成经纬度1°×1°的网格矩阵，在1°×1°内统计了生命周期超过30 d的中尺度涡产生和消失的数目，并给出了相应的频率分布(图4)。可以看出，除了低纬度区域，涡旋几乎可以在研究区域的任何位置产生和消失。就图4a而言，一个明显的特征是研究区域东部具有高频的涡旋产生，那意味着出现在西北太平洋的涡旋部分是由北太平洋东部海域传播过来的。一般而言，这些从东部传播过来的涡旋具有更长的生命周期和传播距离[10—11]。一旦涡旋形成，一些涡旋可以传播的非常远，其距离可达上千千米。相比之下，涡旋主要消失在西北太平洋的西部，尤其集中在台湾和吕宋海峡东部海域(图4b)。这也从某种程度上说明涡旋具有西向移动的特征。

3.2 涡旋移动轨迹和传播方向

图5分别给出了西北太平洋西向移动和东向移动的涡旋轨迹分布，图5a显示有3 268个气旋涡(占全部气旋涡的85.1%)和2 535个反气旋涡(占全部反气旋涡的89.4%)向西移动，对比而言，仅仅有573个气旋涡和301个反气旋涡东向移动(图5b)。同时可以看出西向移动的涡旋几乎分布在整个研究区域；而东向移动的涡旋主要分布在黑潮及其延伸区以及3°～6°N的北赤道逆流区。这些东向移动的涡旋，很可能伴随着这些东向海流逐渐向东移动。

图5 生命周期超过30 d的西向移动的气旋涡(蓝色线)和反气旋涡(红色线)移动轨迹(a)和生命周期超过30 d的东向移动的气旋涡和反气旋涡移动轨迹(b)，对应的涡旋数目标注在图中Fig.5 The westward propagation (a) and eastward propagation (b) trajectories of cyclonic (blue lines) and anticyclonic (red lines) eddies with lifetime longer than 30 days, the numbers of cyclonic and anticyclonic eddies are labeled in the bottom of each panel

为了进一步观测气旋涡和反气旋涡在研究区域的移动方向，涡旋的初始产生位置被移动到相同的(0°N，0°E)位置处，得到生命周期超过30 d的气旋涡和反气旋涡相对移动轨迹(图6)。可以非常直观的看出，大部分涡旋向西移动并且传播距离较远，较少的涡旋向东移动并且其一般不会传播太远。统计显示，西向移动涡旋的平均周期和传播距离分别为71 d和435 km，东向移动涡旋对应的分别为60 d和229 km，可以看出后者的平均周期和传播距离要明显小于前者；而且较少有东向移动的涡旋传播距离会超过300 km。该结论与Chelton等[7]全球东向移动涡旋的结论相似。对气旋涡和反气旋涡相对路径分析显示50.7%气旋涡和51.3%的反气旋涡向赤道移动，随着生命周期变为60 d、90 d、180 d、270 d、360 d，这个数字分别变为51.4%和55.1%、54.7%和62.4%、55.3%和64.4%、42.4%和62.5%、41.7%和62.5%。说明对于长生命周期的反气旋涡有一个轻微向赤道运动的偏向；而对于长生命周期的气旋涡而言则稍微会有一个向极运动的偏向。Chelton等[7]对全球海洋涡旋的运动特性分析发现对于长生命周期的涡旋而言，气旋涡具有向极地运动的偏向，而反气旋具有明显向赤道运动的偏向。西北太平洋中尺度涡的南北运动偏向与全球结果基本一致。

图6 生命周期超过30 d的气旋涡(a)和反气旋涡(b)相对移动轨迹Fig.6 The relative propagation trajectories of all cyclonic (a) and anticyclonic (b) eddies with lifetime longer than 30 days

为了更好的理解研究区域涡旋的传播特性，生命周期超过90 d、180 d、270 d和360 d的涡旋轨迹依次显示在图7中。可以清晰的看出长生命周期的中尺度涡多分布在研究区域中部；与图5对比发现，在32°～35°N的纬度带之间，多集中生命周期较短而且传播距离较近的涡旋，这很可能是由于这里的涡旋受黑潮的影响，其海面高度变化频繁导致这里不能形成稳定的涡旋。分别而言，长生命周期的气旋涡主要分布在黑潮延伸区，而长生命周期的反气旋涡主要分布在20°～30°N的副热带逆流区。

图7 生命周期超过90 d(a)、180 d(b)、270 d(c)、360 d(d)的气旋涡(蓝线)和反气旋涡(红线)移动轨迹，涡旋数目标注在图中Fig.7 The trajectories of all cyclonic (blue lines) and anticyclonic (red lines) eddies with lifetime longer than 90(a), 180(b), 270(c), 360(d) days, the numbers of cyclonic and anticyclonic eddies are labeled in the bottom of each panel

3.3 涡旋地理分布特征

为了观测涡旋的地理分布特征，对22年间6 677个生命周期超过30 d的中尺度涡移动经过每个1°×1°网格区域的涡旋个数进行统计(这里共涉及到237 744个时间节点独立的气旋涡和170 919个独立的反气旋涡)，并做出涡旋的地理频率分布，结果如图8a所示。可以看出，中尺度涡多集中在15°～30°N的纬度带之间，尤其是集中在黑潮主轴附近，说明伴着黑潮主轴常有中尺度涡出现；值得注意的一点是30°～35°N纬度带之间的黑潮延伸区，其涡旋分布并没有中部区域明显。相比而言，研究区域的北部和南部涡旋出现频率较低，说明该两个区域不是中尺度涡的高发地带。一个明显的特点是在赤道低纬度区域中尺度涡分布很少，Chelton等[7]认为由于Rossby变形半径的影响低纬地区的中尺度涡尺度更大并且振幅更小(如图9半径和涡振幅的分布所示)，这导致这类涡旋不能被探测到。

涡旋极性表示的是涡旋内某一点处于气旋涡 (P<0)或是反气旋涡内 (P>0)[16]。计算方法如下：

P=(FAE-FCE)/(FAE+FCE)，

(7)

式中，FAE和FCE分别表示反气旋涡和气旋涡的发生频率。同样以1°×1°的网格计算了涡旋的极性结果如图8b所示。整个区域倾向于气旋涡，很大程度上是因为气旋涡的数量要明显多于反气旋涡。气旋涡更倾向于出现在研究区域的北部和南部，尤其是在30°～35°N之间的黑潮延伸区；而在研究区域中部20°～30°N的副热带逆流区则倾向于出现反气旋涡。

图8 生命周期超过30 d的中尺度涡频率(a)和涡旋极性(b)地理分布Fig.8 Geographical frequency (a) and polarity distribution (b) of observed eddies with lifetime longer 30 days

类似地，我们统计了每个1°×1°网格区域出现过中尺度涡的涡动能、涡振幅和涡半径属性，图9给出了这些涡旋属性的地理分布和纬向平均变化。明显的可以看出来30°～35°N之间的黑潮延伸区中尺度涡具有更高的涡动能和涡振幅，这说明这里的中尺度涡活动变化强烈，而且涡强度一般较强(振幅高)。这种涡旋强烈的变化很可能导致涡旋存在的时间较短，使得其生命周期难以超过30 d，最终导致我们在涡旋识别追踪过程中捕捉不到这种变化较快的涡旋；这也就使得这里的涡旋频率分布并没有那么高(图8a)。同时也正是因为这里的海面高度变化剧烈，一旦出现稳定的中尺度涡，就会形成这种高振幅强度的涡旋。

就图9a的EKE分布而言，在低纬度区域也具有较高的EKE分布，这很可能是东向流动的北赤道逆流扰动造成的。在中纬度10°～30°N纬度带间和黑潮延伸区以北区域具有较小的涡动能，说明这里的涡活动并不是很强烈；但与同纬度区域相比，黑潮主轴具有更高的涡动能，说明伴随着黑潮主轴常有较强的中尺度涡活动。涡旋振幅分布(图9b)显示除了黑潮延伸区涡振幅较高外，其他区域分布一般较低；而且随着纬度的降低，涡振幅也在减小，尤其对于20°N以南的区域涡振幅一般小于10 cm。涡旋半径分布(图9c)呈现明显的随纬度降低而增大的特点，尤其是在15°N以南，涡旋半径基本超过110 km；涡旋半径的这种变化与第一斜压模态下Rossby波变形半径随纬度减小而不断变大的趋势基本一致。同时也可以发现在黑潮延伸区涡旋的半径也倾向于更大，这与涡振幅分布基本一致。

图9 生命周期超过30 d的涡旋EKE(a)、振幅(b)和半径(c)的地理分布以及其纬向平均的变化Fig.9 Geographical distribution of EKE(a), amplitudes(b) and radius(c) of observed eddies with lifetime longer than 30 days and the corresponding zonal-averaged variations

3.4 涡旋的运动特性

该部分就22年间追踪到的生命周期超过30 d涡旋的振幅、半径和移动速度进行统计分析(图10)。

生命周期大于30 d的气旋涡平均振幅为13.5 cm，反气旋涡平均振幅为10.8 cm，可见气旋涡的平均振幅比反气旋涡的稍大。图10d显示，气旋涡与反气旋涡的振幅分布基本一致，集中在3～15 cm这个范围内(约占全部涡旋的80.2%)，尤其是3～7 cm。从涡旋振幅的气旋涡与反气旋涡比值图中(图10h)可以看出，研究区域对于所有振幅大小的涡旋都是以气旋涡居多，这种趋势随着涡旋振幅的增加更加明显。

30 d以上生命周期气旋涡平均半径为96.6 km，反气旋涡平均半径为99.3 km，要略大于气旋涡的平均半径。图10e显示，在30～70 km之间，气旋涡比反气旋涡稍微更集中在这个区域；而在大于半径70 km之后，反气旋涡的分布要比气旋涡稍微更集中。涡旋半径分布(图10b)接近于一个以70 km为中心的正偏态分布，平均半径为97.7 km，约84.6%的涡旋半径集中分布在40～130 km之间。涡旋半径的反气旋涡与气旋涡比值(图10i)显示，小尺度的涡旋(半径小于70 km)气旋涡优势非常明显，随着涡旋半径的增大，气旋涡和反气旋涡数目分布趋于均衡；当半径超过230 km时，再次气旋涡数量占优势。

气旋涡的平均移动速度为7.30 cm/s，反气旋涡则为7.36 cm/s；二者平均移动速度相差不大。图10f显示二者的速度分布大体一致：速度都集中在1～13 cm/s之间(约占全部涡旋的92.6%)，但反气旋涡比气旋涡更集中分布在5～10 cm/s这个范围内。与涡振幅相似，涡移动速度的反气旋涡与气旋涡比值分布显示不论什么移动速度的涡旋都是以气旋涡为主。

图10 生命周期超过30 d的中尺度涡振幅、半径、速度频率统计。第一行是全部涡旋属性的频率分布；第二行是气旋涡和反气旋涡分别的属性频率分布，并且对应的属性的平均值标注在图中；第三行是气旋涡与反气旋涡的数量比例分布Fig.10 The distributions of the amplitudes, radius scales and propagation velocities of observed eddies with lifetime longer than 30 days. Histograms of all eddies are shown in the first row of panels. Histograms of cyclonic and anticyclonic eddies are shown in the second row of panels, the average values of kinetic properties of each polarity are la-beled in the panels. The ratio of anticyclonic to cyclonic eddies are shown in the bottom row of panels

4 季节和年际变化

在这一部分，对中尺度涡的出现时间进行统计来研究西北太平洋涡旋的季节和年际变化，图11分别给出了中尺度涡季节和年际变化统计结果。从1993年1月到2014年12月，共追踪到928、1 029、957、927个生命周期超过30 d的气旋涡和699、759、653、725个反气旋涡分别在冬季、春季、夏季、秋季产生。可以看出春季产生的涡旋最多，夏季最少。对于不同的涡旋而言，春季的气旋涡数量最多，秋冬季节最少；而反气旋涡同样在春季较多，但在夏季最少。每年产生的中尺度涡数目在270(2014年)～327(1996年)之间，并没有太明显的年际变化，尤其是在1998—2013年间每年产生的涡旋数目偏差小于7%。对于反气旋涡而言其数目年际变化更加稳定，在115～136之间，每年产生的反气旋涡数目偏差小于10%；气旋涡数目年际变化在154～201之间，可以看出，气旋涡数量的变化基本对应于全部涡旋数量的年际变化。

虽然中尺度涡数目年际变化并不明显，但是涡旋数目22年间的逐月变化呈明显的震荡分布(图12)。下面比较了涡旋的月生成数量与多变量ENSO指数MEI(Multivariate ENSO Index)的关系，分析发现，全部涡旋的月数量变化与MEI相关系数为0.002，气旋涡月数量变化与MEI相关系数为0.025，反气旋涡月数量变化与MEI相关系数为-0.026。可以看出，西北太平洋中尺度涡数目变化与ENSO指数MEI没有明显的相关性，或者说西北太平洋涡旋数目的变化并不直接与ENSO现象相关。同时我们研究了气旋涡月数量变化与全部涡旋月数量变化的相关性，发现其相关系数为0.792；同样得到反气旋涡月数量变化与全部涡旋的相关系数为0.659。可以发现西北太平洋的气旋涡的数目变化与全部涡旋的数目变化更相关。

图11 22年间生命周期超过30 d的中尺度涡季节和年际变化，各季节产生的气旋涡和反气旋涡旋数目分别标注在图中Fig.11 Seasonal and interannual statistical graphs of the eddies with lifetime longer than 30 days, the seasonal numbers of cyclonic and anticyclonic eddies are shown in columns

图12 生命周期超过30 d的中尺度涡数目22年间的逐月变化Fig.12 The monthly variations of the numbers of eddies with lifetime longer than 30 days over the 22 years

5 总结和结论

本文使用长达22年的AVISO高度计融合数据基于WA涡旋自动识别方法对西北太平洋的中尺度涡进行了识别追踪，全面分析了整个研究区域的中尺度涡分布特征，中尺度涡运动属性以及季节和年际变化。由于AVISO最新版本SLA数据的时间分辨率达到1 d，这使得本文中对涡旋的生命周期首次以天来描述。本研究主要结论如下：

(1)22年间在西北太平洋共追踪到生命周期超过30 d的气旋涡3 841个，反气旋涡2 836个，气旋涡要多于反气旋涡。全部涡旋的平均生命周期和传播距离分别为69 d和408 km，气旋涡和反气旋涡之间的生命周期和传播距离没有明显差异。

(2)西北太平洋涡旋大部分向西移动，这些向西移动的涡旋分布在整个研究区域，而向东移动的涡旋较少且主要分布在黑潮及其延伸区以及3°～6°N的北赤道逆流区。与西移的涡旋相比，东向移动涡旋的生命周期较短并且传播距离较近。长生命周期的气旋涡主要出现在黑潮延伸区，而长生命周期的反气旋涡主要出现在20°～30°N的副热带逆流区。

(3)对于涡旋的地理分布特征研究发现，中尺度涡多集中在15°～30°N的纬度带之间。分别而言，气旋涡倾向于出现在研究区域的北部和南部，尤其是在30°～35°N之间的黑潮延伸区；而在20°～30°N的纬度带之间则倾向于出现反气旋涡。对于涡旋的EKE和振幅分布而言，黑潮延伸区中尺度涡具有更高的涡动能和涡振幅；涡旋半径分布呈现明显的随纬度降低而增大的特点。

(4)对涡旋的振幅、半径以及传播速度的分析结果显示，平均而言气旋涡的振幅比反气旋涡的稍大，反气旋涡的平均半径大于气旋涡，而二者的传播速度差别不大。涡旋振幅基本集中在3～15 cm范围内，尤其是3～7 cm；涡半径分布接近于一个以70 km为中心的正偏态分布，平均半径为97.7 km；而涡传播速度主要集中在1～13 cm/s之间。

(5)研究区域中尺度涡的季节分布显示，春季出现的中尺度涡最多，夏季最少；对于不同的涡旋而言，春季的气旋涡数量最多，秋冬季节最少；而反气旋涡同样在春季较多，但在夏季最少。每年产生的中尺度涡数目在270～327之间，并没有太明显的年际变化。对涡旋的月生成数目与ENSO指数MEI比较发现，研究区域涡旋活动变化并不直接与ENSO现象相关。

下一步将针对西北太平洋中尺度涡的形成机制展开相应的研究。

致谢：感谢AVISO提供多源卫星高度计SLA融合数据。

[1] Richardson P L. Eddy kinetic energy in the North Atlantic from surface drifters[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1983, 88(C7): 4355-4367.

[2] Dong Changming, McWilliams J C, Liu Yu, et al. Global heat and salt transports by eddy movement[J]. Nature Communications, 2014, 5: 3294.

[3] Le Traon P Y, Morrow R. Ocean currents and eddies[J]. International Geophysics, 2001, 69: 171-215.

[4] Ducet N, Le Traon P Y, Reverdin G. Global high-resolution mapping of ocean circulation from TOPEX/Poseidon and ERS-1 and-2[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2000, 105(C8): 19477-19498.

[5] Le Traon P Y, Dibarboure G. Illustration of the contribution of the TOPEX/Poseidon-Jason-1 tandem mission to mesoscale variability studies[J]. Marine Geodesy, 2004, 27(1/2): 3-13.

[6] Luo Hao, Bracco A, Di Lorenzo E. The interannual variability of the surface eddy kinetic energy in the Labrador Sea[J]. Progress in Oceanography, 2011, 91(3): 295-311.

[7] Chelton D B, Schlax M G, Samelson R M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies[J]. Progress in Oceanography, 2011, 91(2): 167-216.

[8] Sangrà P, Pascual A, Rodríguez-Santana, et al. The canary eddy corridor: a major pathway for long-lived eddies in the subtropical North Atlantic[J]. Deep-Sea Research Part Ⅰ: Oceanographic Research Papers, 2009, 56(12): 2100-2114.

[9] 孙湘平. 西北太平洋副热带逆流、北赤道流、北赤道逆流几个特征的比较[J]. 黄渤海海洋, 2000, 18(1): 1-12.

Sun Xiangping. A comparison of characteristics between the Subtropical Countercurrent, the North Equatorial Current and the North Equatorial Countercurrent in the Northwestern Pacific Ocean[J]. Journal of Oceanography of Huanghai & Bohai Seas, 2000, 18(1): 1-12.

[10] 郑聪聪, 杨宇星, 王法明. 北太平洋中尺度涡时空特征分析[J]. 海洋科学, 2014, 38(10): 105-112.

Zheng Congcong, Yang Yuxing, Wang Faming. Spatial-temporal features of eddies in the North Pacific[J]. Marine Sciences, 2014, 38(10): 105-112.

[11] 高理, 刘玉光, 荣增瑞. 黑潮延伸区的海平面异常和中尺度涡的统计分析[J]. 海洋湖沼通报, 2007(1): 14-23.

Gao Li, Liu Yuguang, Rong Zengrui. Sea level anomaly and mesoscale eddies in the Kuroshio Extension region[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2007(1): 14-23.

[12] Qiu Bo, Chen Shuiming. Interannual variability of the North Pacific Subtropical Countercurrent and its associated mesoscale eddy field[J]. Journal of Physical Oceanography, 2010, 40(1): 213-225.

[13] 杨光. 西北太平洋中尺度涡旋研究[D]. 青岛: 中国科学院海洋研究所, 2013.

Yang Guang. A study on the mesoscale eddies in the Northwestern Pacific Ocean[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, 2013.

[14] 李熙泰, 张钟哲, 王喜风. 马里亚纳海沟东西两侧海域中尺度涡的海面高度计观测研究[J]. 大连海洋学报, 2013, 28(1): 104-109.

Li Xitai, Zhang Zhongzhe, Wang Xifeng. Measurement of meso-scale eddies in both sides of Mariana Trench by satellite altimetry[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2013, 28(1): 104-109.

[15] 林宏阳, 胡建宇, 郑全安. 南海及西北太平洋卫星高度计资料分析:海洋中尺度涡统计特征[J]. 台湾海峡, 2012, 31(1): 105-113.

Lin Hongyang, Hu Jianyu, Zheng Quan’an. Satellite altimeter data analysis of the South China Sea and the northwest Pacific Ocean: statistical features of oceanic mesoscale eddies[J]. Journal of Oceanography in Taiwan Strait, 2012, 31(1): 105-113.

[16] Chaigneau A, Gizolme A, Grados C. Mesoscale eddies off Peru in altimeter records: Identification algorithms and eddy spatio-temporal patterns[J]. Progress in Oceanography, 2008, 79(2/4): 106-119.

[17] McWilliams J C. The vortices of two-dimensional turbulence[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1990, 219: 361-385.

[18] Doglioli A M, Blanke B, Speich S, et al. Tracking coherent structures in a regional ocean model with wavelet analysis: Application to Cape Basin eddies[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2007, 112(C5): C05043.

[19] Nencioli F, Dong Changming, Dickey T, et al. A vector geometry-based eddy detection algorithm and its application to a high-resolution numerical model product and high-frequency radar surface velocities in the Southern California Bight[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2010, 27(3): 564-579.

[20] Sadarjoen I A, Post F H. Detection, quantification, and tracking of vortices using streamline geometry[J]. Computers & Graphics, 2000, 24(3): 333-341.

[21] Souza J M A C, de Boyer Montégut C, Le Traon P Y. Comparison between three implementations of automatic identification algorithms for the quantification and characterization of mesoscale eddies in the South Atlantic Ocean[J]. Ocean Science, 2011, 7(3): 317-334.

[22] Chelton D B, Schlax M G. The accuracies of smoothed sea surface height fields constructed from tandem satellite altimeter datasets[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003, 20(9): 1276-1302.

Identification and analysis of mesoscale eddies in the Northwestern Pacific Ocean from 1993-2014 based on altimetry data

Cui Wei1,2, Wang Wei1, Ma Yi2, Yang Jungang2

(1.KeyLaboratoryofPhysicalOcanography,OceanUniversityofChina,MinistryofEducation,Qingdao266061,China; 2.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)

Eddy properties in the Northwestern Pacific Ocean are studied from 22 years of AVISO altimeter data using a SLA-based eddy identification approach. 3 841 cyclones and 2 836 anticyclones with lifetimes that exceed 30 days are detected during the 22-year period, and there is a preference for cyclones for most of lifetimes and propagation distances. Most mesoscale eddies propagate westward, the westward eddies are distributed everywhere of the area, as well as the eastward eddies occur mainly along Kuroshio Current and in Kuroshio Extension. Eddies exist principally in the latitude band of 15°-30°N, especial in the region near Kuroshio Current. The cyclones prefer to occur in the northern and southern of the area, while anticyclones mainly occur in the Subtropical Countercurrent. There are higher EKE, eddy amplitudes and eddy radii in The Kuroshio Extension of 30°-35°N. Cyclones and anticyclones occur more often in spring than in other seasons. The interannual variability of eddies activities is not obvious, the number of eddies generated every year are distributed in the range of 270-330. The comparison of the monthly variations of the numbers of eddies with Multivariate ENSO Index (MEI) shows that the eddy activities of Northwestern Pacific Ocean do not directly related with the ENSO phenomena.

mesoscale eddy; Northwestern Pacific; altimetry data; eddy characteristic; interannual variability

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.002

2015-12-02；

2016-09-19。

国家自然科学基金(41576176)；国家高技术研究发展计划(863)(2013AA122803)；龙计划项目(10466)。

崔伟(1990—)，男，山东省郓城县人，研究方向海洋中尺度涡。E-mail：cuiwei@fio.org.cn

*通信作者：杨俊钢(1980—)，男，副研究员，从事卫星高度计海洋应用研究。E-mail：yangjg@fio.org.cn

P731.2

A

0253-4193(2017)02-0016-13

崔伟，王伟，马毅，等. 基于1993-2014年高度计数据的西北太平洋中尺度涡识别和特征分析[J].海洋学报，2017，39(2)：16—28,

Cui Wei, Wang Wei, Ma Yi, et al. Identification and analysis of mesoscale eddies in the Northwestern Pacific Ocean from 1993-2014 besed on altimetry data[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(2)：16—28, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.002