进入中国南海的黑潮脱落中尺度涡的特征——基于OFES模式数据

王鼎琦,方国洪,徐腾飞,邱 婷

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛266100;2.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266061;4.国家海洋局 东海预报中心,上海200136)

中尺度涡以持续性封闭环流为主要特征,其水平空间尺度和时间尺度通常为50～500 km、几天到上百天,垂向影响深度可达水深上千米,并对海洋的物质和能量起着输运作用[1]。吕宋海峡是中国南海与西北太平洋相互作用的唯一深水通道,平均每年有4.2～5.0 Sv净输运从西北太平洋穿过吕宋海峡进入南海[2-3]。黑潮是北太平洋的强西边界流之一,起源于菲律宾群岛东侧的北赤道流,具有高温、高盐、流速强、流量大、流幅狭窄等特性[2,4]。在吕宋海峡附近,黑潮由于没有西侧陆地的支撑或与太平洋西传波/涡碰撞时会发生摆动或形变,脱落形成的气旋式涡(冷涡)或反气旋式涡(暖涡)是黑潮入侵南海的主要形态之一,对于南海-西北太平洋水体交换具有重要影响[5-10]。

1994年南海北部秋季海洋调查中李立等[11]在东沙岛附近观测到一个水平尺度约150 km、垂向影响深度达1 000 m的暖涡,具有次表层高盐核、中层低盐核的海水特性,说明该涡旋可能脱落自黑潮。李燕初等[12]利用Topex/Posedient(T/P)卫星高度计资料绘制出1996年10月—1997年1月台湾岛西南海域的位势高度变化过程,分析了一个反气旋式涡旋从黑潮流套路径中脱落、发展和消亡的过程。后来Jia等[13]结合卫星高度计资料和POCM模式(Parallel Ocean Climate Model)结果,发现季风盛行期间黑潮在119°30′～120°00′E的海域常常脱落暖涡。Yuan等[14]分析卫星遥感水色、海表温度和高度计资料发现黑潮一年四季都能以脱落暖涡的形式进入南海。曾丽丽等[15]利用WOCE-OUT的温度资料、T/P-ERS卫星高度计资料和POCM模式结果等,分析了4个暖涡脱落时对南海北部的海温影响,发现其垂向影响深度为130～180 m。Wang等[16]利用多卫星遥感资料、卫星跟踪漂流浮标数据和2004年冬季实测水文数据等,在南海北部观测到1个黑潮脱落暖涡,并且该暖涡以10.5 cm/s的平均速度向西南传播。Liu等[17]结合卫星高度计资料,通过三架水下滑翔机追踪一个由台湾西南侧黑潮流套形成并随后向西南方向迁移的暖涡,从而获得了该暖涡和周围水体的高分辨率温盐垂向结构,认为出现于水深50～175 m处的高盐度核在一定程度上限制了垂直混合,从而有利于该暖涡保持黑潮水的特性。王鼎琦等[18]结合卫星高度计等多种海洋数据集,研究了黑潮脱落并由吕宋海峡进入中国南海的中尺度涡(简称脱落涡旋)的空间分布、季节变化及半径、振幅、生命时长、迁移距离和迁移速度等参数的统计特征。针对黑潮脱落涡旋的特征研究多集中于个例分析,未见对脱落涡旋三维结构的统计研究。

黑潮入侵南海的重要方式之一就是脱落涡旋,分析黑潮脱落涡旋的统计特征及其三维结构,有利于深入研究吕宋海峡的水交换和动力学作用。与卫星高度计资料相比,模式资料除了给出海面高度,还包含了流场和温盐场数据,有利于更深入了解涡旋的结构。我们对比OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式数据产品和卫星观测结果,分析1993—2013年黑潮脱落并由吕宋海峡进入中国南海的中尺度涡的统计特征,并研究其流场、温度和盐度的三维结构及水团特性等。

1 数据和方法

OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式数据产品是日本地球模拟器计算得到的一种长时间序列的高分辨率海洋模式资料。水平方向上范围为75°S～75°N,分辨率为0.1°×0.1°,基本上覆盖了除南北极之外的全部海域。垂直方向上将深度2.5～5 900 m分为54层,参考真实海洋中温跃层厚度的垂向变化,每层间隔随着水深的增加而逐渐增大,从表层的约5 m到最底层的近330 m水深间隔[19]。Masumoto等[20]通过对比高度计资料,发现该模式数据适用于研究大尺度环流的特征及中小尺度现象。我们为了研究黑潮脱落涡旋的统计特征和三维结构,选用夏威夷大学的亚太数据研究中心(Asia-Pacific Data Research Center)提供的1993—2013年OFES的海表面高度(SSH,Sea Surface Height)、经向和纬向流速剖面以及温盐剖面资料,时间分辨率为3 d[21]。

Chaigneau等[22]提出的变型Winding-Angle(WA)自动识别算法,用SSH等值线代替了流线,计算速度较快且在西北太平洋海域应用较广[18,23]。我们首先寻找在一个0.5°×0.5°经纬度移动窗口内SSH极值来确定中尺度涡的中心位置。再从每个可能的冷涡(暖涡)中心出发,以1 cm的增幅(减幅)向外寻找闭合的SSH等值线,最外围的等值线即是涡旋的边界。最后挑选出振幅超过3 cm,包含网格点不少于12个但不超过2 000个的单核中尺度涡。

再通过距离法[24]利用连续时间的SSH场分析涡旋的迁移路径,对识别的涡旋进行追踪,即寻找下一时刻距离最近且极性相同(同为冷涡或暖涡)的涡旋。由于涡旋的平均迁移速度小于0.1 m/s(图3),而OFES提供的SSH数据的时间分辨率为3 d,那么3 d迁移的平均距离小于30 km,故采用本方法能够较为准确地追踪各个涡旋并判定其路径。

根据SSH数据绘制出每3天的等值线图(图略),识别与追踪黑潮脱落的涡旋,得到黑潮脱落并由吕宋海峡进入中国南海的中尺度涡(简称脱落涡旋)的中心位置等参数,再结合流速、温度和盐度的剖面数据,分析黑潮在脱落涡旋时的水文要素的三维结构。

2 统计结果

利用OFES的SSH数据识别和追踪吕宋海峡附近海域的中尺度涡,可以发现1993—2013年黑潮由吕宋海峡进入中国南海的中尺度冷涡和暖涡分别有10个和29个。暖涡个数远大于冷涡个数,这与之前的卫星观测结果[18]一致。但涡旋个数均明显减少,特别是暖涡数量比卫星观测结果少一半以上,这可能是由于OFES模式对于黑潮不稳定现象的模拟和卫星观测结果还存在一定差异。其中冷涡只有2个在黑潮控制区(包括黑潮流套区)生成,其余8个则是在黑潮西侧边缘生成;大部分暖涡均在黑潮控制区生成,仅6个暖涡是在黑潮西侧边缘生成。涡旋脱落的空间位置和迁移轨迹如图1所示,图中蓝色(红色)圆圈分别代表冷涡(暖涡)的脱落位置。涡旋的脱落均发生在118°～121°E,19°～22°N海域,位置较为集中,且更偏向于海峡的北部。迁移轨迹显示,模式得到的脱落涡旋以自东向西迁移为主,在西行过程中具有明显的向南偏移的趋势。与卫星观测结果不同的是,模式识别的涡旋迁移路径更长,这可能是由于模式的分辨率较高,可以较好地反映中尺度涡的活动过程。

图1 黑潮脱落冷涡、暖涡的空间分布及其迁移轨迹Fig.1 Spatial distribution and migration tracks of the cold and warm eddies shed from the Kuroshio

涡旋特征主要参数有涡旋的半径、振幅、生存时长和迁移距离等,这些参数的定义及计算方法详见文献[18]。我们分别取10 km,1 cm,10 d和50 km为间隔,统计了脱落冷涡、脱落暖涡这些参数的出现频率(即出现次数除以总数)分布,绘制成图2。

图2 黑潮脱落涡旋的半径、振幅、生存时长和迁移距离的出现频率分布Fig.2 Occurrence frequency of the radius,amplitude,lifetime and migration distance of the eddies shed from the Kuroshio

脱落涡旋半径主要分布在40～140 km,冷涡和暖涡的平均半径分别为74.9 km和89.1 km;振幅均分布在3～20 cm,冷涡和暖涡的平均振幅分别为11.4 cm和10.5 cm;生存时长则主要分布在0～220 d,冷涡和暖涡的平均生存时长分别为101.4 d和122.0 d;迁移距离在0～1 500 km的涡旋较多,个别暖涡最远可以迁移1 700 km以上,冷涡和暖涡的平均迁移距离分别为672.7 km和854.4 km。与卫星观测数据的统计结果[18]对比,基于模式数据得到的脱落涡旋平均半径和平均振幅基本一致,但是生存时长和迁移距离则明显较大,尤其是冷涡,其平均生存时长和平均迁移距离差不多大了5倍。

图3 黑潮脱落涡旋迁移速度的出现频率分布Fig.3 Occurrence frequency of the migration speed of the eddies shed from the Kuroshio

我们依据各个脱落涡旋在迁移过程中每个时刻涡旋中心所在的地理位置,计算相应的迁移速度。同样取2 cm/s作为间隔,统计出迁移速度的出现频率(图3)。脱落冷涡、脱落暖涡迁移速度在0～10 cm/s分别为80.3%和82.6%,速度大于20 cm/s的分别为1.0%和1.6%。统计得到的脱落冷涡和暖涡的平均迁移速度分别为7.4 cm/s和7.9 cm/s,略小于卫星观测结果(分别为8.4和8.3 cm/s)。

脱落涡旋个数的季节和年际变化(图4)显示,冷涡和暖涡均不是每个月都脱落。按通常的季节划分(即12月至翌年2月为冬季;3—5月为春季;6—8月为夏季;9—11月为秋季)后发现夏季的脱落涡旋数量较少;冷涡主要在春季脱落;暖涡脱落则是在秋季最频繁,冬季其次。冬季风时期脱落的暖涡、冷涡个数分别为14和7个,夏季风时期脱落的暖涡、冷涡个数分别为15和3个。因此我们认为季风对暖涡的脱落影响不大,但是冬季风作用下黑潮更容易脱落冷涡。冷涡和暖涡均不是每年都有脱落,平均每年脱落0.5个冷涡和1.4个暖涡(图4b)。

图4 黑潮脱落涡旋个数的逐月和逐年变化Fig.4 Monthly and yearly variations of the number of eddies shed from the Kuroshio

3 脱落涡旋的三维结构

我们利用OFES模式得出的脱落涡旋经向和纬向速度及相应的位势温度和盐度剖面数据,绘制出所有脱落涡旋相应脱落日期的三维结构分布进行对比,分析表1中4个典型脱落涡旋(脱落位置见图1)各自的流场、温度、盐度三维结构。

表1 4个典型脱落涡旋的多种参数Table 1 Parameters of the four typical eddies shed from the Kuroshio

3.1 流场结构

4个典型脱落涡旋CE1,CE2,AE1和AE2于脱落时刻在水深2.5,100,500,1 000 m处的流场分布见图5(图中蓝色、红色曲线分别表示脱落冷涡、脱落暖涡的边界)。由黑潮控制区脱落的冷涡区域(图5a的蓝色闭合曲线)的流场呈气旋式流动,且在涡旋边缘处的流速值较大,涡旋内部的速度值较小。随着深度逐渐加深,涡旋边缘的流速值逐渐减小。水深500 m处流速高值区与低值区的差异已经不明显,且外圈流线开始不再闭合。因此我们认为这个冷涡的垂向影响深度约为500 m,接近黑潮影响深度。

图5 脱落涡旋CE1,CE2,AE1和AE2的流场三维分布(据脱落日期的OFES数据)Fig.5 Three-dimensional structure of the geostrophic current of CE1,CE2,AE1 and AE2 when the eddies shed from the Kuroshio(based on the OFES data)

在海域上层(水深100 m及以浅),由黑潮西侧边缘海区脱落的冷涡CE2其边缘的流速高值区分布呈不对称,主要分布在冷涡的东北区域(图5b)。水深100 m处涡旋CE2边缘的流速达到最大值,这可能是因为冷涡次表层水受到黑潮的影响更大。水深1 000 m处CE2边缘的流速高值区已不明显,但是其气旋式流动特征依旧存在。因此我们认为这个冷涡的垂向影响深度可以达水深1 000 m以深,大于源自黑潮控制区的冷涡的垂向影响深度,可能是由于黑潮西侧边缘的脱落涡旋受黑潮影响较小。

黑潮控制区、西侧边缘海区脱落的暖涡AE1和AE2的流场三维结构分布(图5c和5d)显示,暖涡区域的流场呈反气旋式流动,除涡旋中心区域外,流速均较大,且这一特征一直维持到水深1 000 m处,因此我们认为这2个暖涡的垂向影响深度均可达水深1 000 m以深。与脱落冷涡CE2的特征相似,源自黑潮西侧边缘的暖涡AE2的流场在上层海域也呈不对称分布,AE2的南部区域流速更大。

3.2 温度结构

4个典型脱落涡旋脱落时刻的位势温度纬向-深度断面见图6a～6d、经向-深度断面见图6e～6h。图中红色的经纬度表示涡旋中心的地理位置。经度差的正值或负值,分别表示在涡旋中心的东部或西部;纬度差的正值或负值,分别表示在涡旋中心的北部或南部,图7同。

图6 脱落涡旋CE1,CE2,AE1和AE2的位势温度垂向断面(据脱落日期的OFES数据)Fig.6 Vertical structure of the potential temperature of CE1,CE2,AE1 and AE2 when the eddies shed from the Kuroshio(based on the OFES data)

脱落冷涡CE1的位势温度分布与东侧的黑潮存在较大差异(图6a),其结构似倒扣的碗,东西较为对称,且这一特征可维持到水深500 m附近,与流场得到的垂向影响深度相符。经向的位势温度和纬向的结构形状相似,但是仅维持到水深200 m处。由于受到地形影响,等温线的高峰偏向于水陆边界(图6e)。

脱落冷涡CE2附近的温度结构约水深100 m才出现较为对称的倒扣碗状,此深度与CE2边缘流速最大值的深度对应。该位温特征能维持到1 000 m附近,与流场得到的结果一致(图6b和6f)。AE1的位势温度结构似碗状,经向和纬向(图6c和6g)都较为对称,且这一特征可维持到水深1 000 m及以深,与流场三维分布(图5c)得到的垂向影响深度相符。AE2位势温度的东西向垂直分布(图6d)与CE2的(图6b)相似,在400 m以浅海域温度呈东高西低的趋势,这是由于受到东侧黑潮的影响。其位势温度的经向碗状结构比纬向更为明显(图6h),且这一特征可维持达1 000 m,与流场得到的结果相符。

3.3 盐度结构

4个典型脱落涡旋脱落时刻的盐度垂向断面的绘制方法与位势温度垂直断面相同(图7中黑色的经纬度表示涡旋中心的地理位置)。这些脱落涡旋的高盐度核均位于水深50～200 m,这与Liu等的观测结果[20]一致。在水深50 m以浅海域,CE1涡旋中心的盐度低于涡旋边缘的,即呈碗状结构;水深50 m以深,其纬向分布似倒扣的碗,东西较为对称,且这一特征可维持到水深300 m附近,略小于流场和位势温度的垂向影响深度;其经向结构和相应的经向温度结构相似,其北部次表层水盐度较高,使得倒扣碗状结构仅维持到水深150 m附近。

图7 脱落涡旋CE1,CE2,AE1和AE2的盐度垂向断面(据脱落日期的OFES数据)Fig.7 Vertical structure of the salinity of CE1,CE2,AE1 and AE2 when the eddies shed from the Kuroshio(based on the OFES data)

CE2的纬向和经向盐度断面(图7b和7f)表明其盐度结构与CE1相似,在水深100 m以浅海域,呈碗状结构,在100 m以深海域,则呈倒扣碗状,且维持到水深300 m附近。AE1和AE2的盐度结构相似,在水深50 m以浅海域,盐度分布较为均匀,50 m以深开始呈现碗状结构,分别可以维持到水深400 m和水深200 m左右。故盐度的垂向影响深度都小于流场和位势温度的垂向影响深度。

4 脱落涡旋与黑潮的温盐结构对比

为了更好地研究进入中国南海的黑潮脱落中尺度涡与黑潮的关系,对比分析来自黑潮控制区(图8a)和黑潮西侧边缘(图8b)的脱落涡旋的平均温盐结构,并与黑潮和中国南海的平均温盐结构进行对比。图8中曲线上的点(自上而下)表示水深为25,50,75,100,150,200,300,400,500,600,800,1 000,1 500,2 000 m。

由OFES模式产品得到的黑潮和中国南海水的平均温盐结构在次表层存在明显差异,黑潮水的温度和盐度均高于中国南海水的,而在水深200 m以深海域,黑潮和中国南海具有较为一致的温盐变化趋势(图8a)。从黑潮控制区脱落的暖涡,其平均温盐结构与黑潮的具有高度一致性。虽然冷涡的温盐结构在次表层介于黑潮的和中国南海的之间,但是其盐度最大值与黑潮的较为相近,因此黑潮控制区脱落冷涡的温盐结构也与黑潮的更为接近。从黑潮西侧边缘脱落的冷涡和暖涡的温盐结构在次表层均介于黑潮的和中国南海的温盐结构之间(图8b)。但是由于脱落自黑潮的边缘,受黑潮高温高盐水的影响,冷涡和暖涡的盐度最大值均略高于中国南海水的。

图8 OFES数据得到的黑潮控制区脱落涡旋、黑潮西侧边缘脱落涡旋的平均温盐Fig.8 Mean T-S diagrams of the water mass of the eddies formed in the Kuroshio-controlled areas and the western edge of the Kuroshio based on OFES data

5 结 论

利用1993—2013年OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式数据产品,统计分析了黑潮脱落并由吕宋海峡进入中国南海的中尺度涡(简称脱落涡旋)的特征及其流场、温度、盐度的三维结构和温盐结构,得到5点结论:

1)一共有39个脱落涡旋(10个冷涡和29个暖涡),其中大部分脱落冷涡在黑潮西侧边缘生成,大部分脱落暖涡则在黑潮控制区(包括黑潮流套区)生成。与卫星观测结果不同的是,模式得到的脱落涡旋个数和出现频率明显偏低;涡旋的脱落位置更为集中,且更集中于海峡的北部。

2)利用OFES模式输出的SSH(Sea Surface Height)数据,统计分析得到脱落冷涡和脱落暖涡的平均半径分别为74.9 km和89.1 km,平均振幅分别为11.4 cm和10.5 cm,平均生存时长分别为101.4 d和122.0 d,平均迁移距离分别为672.7 km和854.4 km。前2个参数与卫星观测结果较为接近,但是后2个参数则明显增大。

3)脱落冷涡和脱落暖涡均不是在每月或每年都有出现,平均每年脱落0.5个冷涡和1.4个暖涡。冷涡主要在春季脱落,暖涡脱落则是在秋季最频繁,冬季其次。

4)基于OFES模式输出的经向速度、纬向速度、位势温度和盐度剖面数据,研究脱落涡旋的三维结构分布,发现黑潮控制区或西侧边缘脱落的冷涡的垂向影响深度变化较大,而脱落暖涡的垂向影响深度一般达水深1 000 m以深。温度的垂向影响深度与脱落涡旋的垂向影响深度较为一致,盐度的垂向影响深度则较浅。

5)对比黑潮控制区和黑潮西侧边缘脱落的中尺度涡平均温盐结构和中国南海、黑潮的平均温盐结构,发现脱落涡旋的温盐结构受黑潮的影响较大。