西北太平洋副热带海区一个气旋涡的三维结构、运动学及其亚中尺度特征

方思敏,林宏阳,2,胡致远,孙振宇,2,杨龙奇,胡建宇,2*

(1.厦门大学海洋与地球学院,近海海洋环境科学国家重点实验室,福建 厦门 361102;2.南方海洋科学与工程广东省实验室,广东 珠海 519082)

由于存在较强的斜压不稳定性,北太平洋副热带逆流(STCC)区存在活跃的中尺度涡活动[1].在整个北太平洋,STCC区的涡动能仅次于黑潮延伸体区,也是赤道太平洋与中纬度太平洋之间进行物质、热量以及盐量交换的主要区域[2],在局部乃至全球气候演变中都具有重要作用.

中尺度涡的三维结构、生消演变机制及其与平均流的相互作用等一直是涡旋研究的热点和难点问题.对于STCC区,Kang等[3]利用TOPEX/POSEIDON测高数据来研究该区域的涡旋场,通过对1992—2007年的数据研究发现速度切变对涡旋的产生以及涡旋的季节性演变有很大的影响;Hwang等[4]也使用TOPEX/POSEIDON测高数据来研究该区域的中尺度涡旋,统计了涡旋的半径、中心、涡度、剪切变形率、拉伸变形率、散度和中心速度,并对其中一个气旋涡和一个反气旋涡的传播过程进行了个例分析;Yang等[5]利用1992—2002年的卫星海面高度计资料研究了西北亚热带太平洋的中尺度涡特性;Cheng等[6]进一步应用卫星高度计资料统计分析了西北太平洋中尺度涡旋的传播特征.

海洋中的亚中尺度现象是近年来海洋研究中的一个热点话题,其多出现在海洋表层,伴随亚中尺度过程生成的次级环流诱导混合层内发生再层化,能有效地释放中尺度过程中的势能[7-8].基于副热带太平洋现场观测数据,Callies等[9]发现亚中尺度范围内动能谱斜率不符合经典的准地转(QG)理论,而冀承振等[10]和Yang等[11]则利用数模和实测数据研究发现中尺度涡旋边缘处动能谱斜率更趋近k-2(k表示水平波数的量级[9]),可用表层QG理论解释;而涡旋中心处动能谱斜率更趋近k-3,符合QG理论,表明涡旋边缘的亚中尺度过程活跃.

厦门大学于2019年3—4月用“嘉庚”号科考船在西北太平洋STCC区[图1(a)]开展了KK1902航次调查,主要观测若干中尺度涡,并综合利用多种观测平台与设备进行拖曳、走航、大面等手段的全方位精细观测.本研究利用该航次实测数据,结合卫星高度计资料,对航次重点观测的一个气旋涡(编号CE2)的三维结构、运动学及其亚中尺度特征进行分析,以期增进对该区域中尺度涡旋及其亚中尺度特征的认识.

(a)西北太平洋STCC区主要流系,根据Cheng等[6]修改;(b)CE2涡旋的观测断面,底图为2019年3月30日的海面高度异常(SLA),红线表示SLA为0 cm的等值线.图1 研究区域和所观测的气旋涡Fig.1 Research region and the observed eddy

1 数据与方法

KK1902航次于2019年3月17日至4月18日进行观测作业,全程共经过7个涡旋,其中气旋涡CE2涡旋的观测资料最为充分,观测时间为2019年3月27日至4月1日,包含①～⑤5个纬向断面,观测期间另有一个反气旋涡伴生于CE2涡旋的西侧[图1(b)].

温度、盐度、深度取自型号为M12000的拖曳式海洋多参数剖面测量仪(MVP,AML公司),仪器电导率准确度达±0.001 S/m,温度传感器的准确度达±0.005 ℃.实际采集数据深度为0.99～504.33 m,相邻采样点之间的平均距离为4.5 km,平均垂向采样间隔为0.5 m,本研究的数据深度插值为1～450 m,深度间隔为0.5 m.

海流数据取自OS38K船载相控阵宽带走航式声学多普勒海流剖面仪与TRDI WHMariner300K船载走航式声学多普勒海流剖面仪(ADCP),两台仪器的数据采集频率分别为38与300 kHz,下文中分别将两者简称为ADCP38k与ADCP300k.ADCP38k观测流速准确度达±0.5 cm/s,实际采集数据深度为45.4～429.4 m,数据垂向采样间隔为24 m,空间平均后沿轨水平间隔为2 km;ADCP300k观测流速准确度达±0.5 cm/s,实际采集数据深度为9.7～69.7 m,数据垂向采样间隔为2 m,空间平均后沿轨水平间隔为500 m.ADCP38k数据主要用于研究涡旋区海流分布,ADCP300k数据主要用于表层动能谱计算.

卫星高度计数据取自哥白尼海洋环境监测中心(CMEMS)提供的L4级网格化产品,标识符SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047,该产品包含SLA数据及地转流流速等变量,时间分辨率为1 d,空间分辨率为0.25°×0.25°.

KK1902航次在研究区域投放了12个基于中国北斗卫星定位和通讯的SUCE V2.1型卫星跟踪表层漂流浮标,这些漂流浮标的GPS定位精度为10 m,采样间隔标配30 min,续航能力标配6个月,可观测的要素包括位置追踪、表层海流流速、流向等[12].

2 温盐结构

2.1 水团特征

许建平等[13]曾利用2002—2005年的Argo浮标资料对西北太平洋水团性质进行分析,得出部分水团的性质,如表1所示.基于MVP观测数据(深度范围0～450 m),绘制CE2涡旋的温-盐图并进行水团分析(图2),所观测到的水团包含NPSSW和NPSTW,并包含小部分NPIW的性质.

表1 西北太平洋部分水团性质[13]

图2 基于MVP拖曳观测的CE2涡旋温-盐图Fig.2 Temperature-salinity diagram of the eddy CE2 based on MVP towed measurement

2.2 三维结构

利用MVP观测数据分析CE2涡旋的三维结构.航次期间共对CE2涡旋进行5个纬向断面的拖曳观测,从南到北分别标记为断面①～⑤.

CE2涡旋的温度与盐度大面分布在各深度均能较好对应.在表层,观测数据符合气旋涡低温高盐的特征;由表及深,涡旋范围内的温度持续降低,盐度先升高后降低,最高盐度分布在150～250 m深度范围内,大致为NPSSW控制区.根据各水层的温度与盐度值可计算出CE2涡旋在各深度的密度大面分布,据此绘制CE2涡旋的温度、盐度、密度三维结构示意图(图3).CE2涡旋形状在表层呈长轴方向为西北—东南的椭圆,在各深度能将温度、盐度、密度变化梯度较大的范围包裹住,且与海表SLA为0 m的等值线形状范围较相似的等值线用白色标注.从等值线的范围变化来看,随着深度增大,涡旋影响的范围显著减小;到300 m层,等值线不能保持与表层相似的形状和范围,朝涡旋偏北侧收缩;到400 m层,等值线围成的封闭区域范围很小,因此判断CE2涡旋最大影响深度应在400 m左右.

图中白色等值线(除海表为SLA分布外)对应的数值标注在对应深度下方的括号中.图3 CE2涡旋温度(a)、盐度(b)和密度(c)的三维结构Fig.3 Three-dimensional structure of temperature (a),salinity (b) and density (c) of the eddy CE2

3 涡旋的运动学特征

3.1 涡旋的演变

航次观测仅能捕捉到CE2涡旋短暂的一个发展阶段,借助卫星高度计资料则可以追踪CE2涡旋完整的传播轨迹与演变过程(图4).以涡旋内SLA最低点作为涡旋中心,得到3月3日CE2涡旋形成于131° E,18.9° N附近,随后一路向西传播,6月6日最终消散于黑潮流轴附近(124° E,18.9° N).

以包围涡旋中心的SLA最外圈闭合等值线表示涡旋影响的水平范围,可以看到涡旋面积的变化:3月3日至3月22日涡旋面积明显增大;3月22日、4月10日、4月29日3个时间点的涡旋面积接近;5月18日的涡旋面积明显大于其余时间点;发展到6月6日,涡旋面积基本归零.

以涡旋中心的SLA大小指征涡旋强度,得到涡旋在整个演变过程的强度变化(图5),即SLA绝对值越大涡旋越强,反之涡旋越弱.CE2涡旋在传播过程中经历了增强(3月3日至3月21日)、稳定(3月21日至4月6日)、衰退(4月6日至4月19日)、再增强(4月19日至5月5日)、最终衰退至消散(SLA趋于0)的阶段,SLA较大的时间与其涡旋面积较大的时间基本对应.在航次观测数据覆盖的时间段(3月27日至4月1日),CE2涡旋处于第一次增强后较稳定的阶段,涡旋中心SLA的值约-0.12 m.传播过程中CE2涡旋经历了二次增强与减弱等较复杂的演变过程,这很可能是STCC区活跃的涡旋活动导致CE2涡旋在传播过程中受到明显的涡-涡相互作用.

图5 CE2涡旋中心SLA随时间的变化Fig.5 Time variation of SLA at the center of the eddy CE2

3.2 流速分布

根据ADCP38k的数据对CE2涡旋的实测流速分布进行分析:在深度≤200 m的水层,CE2涡旋各断面的实测速度矢量呈现清晰的逆时针分布,沿涡旋边缘的切向流速随着深度的增加有所减少,由50 m层的0.6 m/s减少到200 m层的0.4 m/s(图6).在深度≤100 m的水层,断面②东侧海流呈偏东北方向;到200 m层,断面②东侧海流变为偏西北方向,且断面①东侧的北向流已不明显,可以看出由流速矢量构成的椭圆半径随着深度的增大而不断收缩.在深度>200 m的水层,断面④和⑤仍如浅层类似存在速度的南、北流向分界,但其他几个断面的流速矢量已难以看出明确的南、北流向分界点,流速矢量椭圆的中心向涡旋北侧偏移.

图6 CE2涡旋不同深度实测流速矢量的平面分布Fig.6 Distributions of observed velocity vectors around the eddy CE2 at different depths

4 涡旋的亚中尺度特征

4.1 热成风关系的尺度依赖性

选取穿过涡旋中心的断面③进行研究.数据的垂向间隔均插值为0.5 m,首先计算ADCP测得的经向流速垂向剪切,再由MVP测得的纬向温盐断面根据热成风关系诊断得到经向流速垂向剪切,比较二者在不同空间尺度下的结果.图7中黑色虚线表示流速严格遵循热成风关系,随着尺度增大,灰色散点逐渐向中心黑色虚线集中,基于散点线性拟合得到的红色虚线与黑色虚线之间的角度(以下表示为∠α)逐渐减小.原始数据的结果与10 km低通滤波后的结果相比,∠α变化不大,而低通滤波的截断波长从10 km增大到50 km,再增大到100 km后,∠α变化较明显;随着低通滤波尺度增大,∠α几乎每次减小为前一滤波尺度的50%.实测流速满足热成风关系的程度具有明显的尺度依赖性,即大、中尺度的实际流速更符合热成风关系,与预期相符.

(a)原始流速;(b)10 km低通滤波;(c)50 km低通滤波;(d)100 km低通滤波.灰点表示所有样本,按横坐标从小到大排序;每5 000个点求平均用红色圆点表示,对红色圆点进行线性拟合呈现为红色虚线;黑色虚线表示横、纵坐标对角线.图7 不同尺度下CE2涡旋断面③实测流速满足热成风关系的程度Fig.7 Validity of thermal wind relation for observed velocities across section ③ of the eddy CE2 at different scales

4.2 水平动能波数谱分析

水平动能波数谱通常被用于分析海水运动在不同尺度范围内的活跃程度.基于ADCP300k实测数据对涡旋边缘与涡旋中心的动能谱进行比较,研究过程中将10 km及以上尺度视为中尺度,10 km以下视为亚中尺度.

图8(a)中黑线所示的中尺度动能在128.4°,128.9°,129.7°,130.1° E附近存在峰值,说明中尺度运动在这些区域活跃;粉线所示的亚中尺度动能分布在128.7° E附近呈最高峰值,在128.0°与130.1° E附近也存在较高的峰值.在129.4° E附近,中尺度动能分布值较低,甚至趋近于零,亚中尺度动能也同样呈现低值.结合卫星高度计结果[图8(b)],在断面③的动能谱分析中,取129.1°～129.6° E为涡旋中心,128.6°～129.1° E为涡旋西侧边缘,129.6°～130.1° E为涡旋东侧边缘.

(a)垂向平均动能分布其中u为纬向速度,为垂向平均纬向速度,为垂向平均经向速度,E为垂向平均动能);(b)区域划分结果.图中所示动能为9.7～69.7 m的垂向平均;(a)顶部粗线表示涡旋分区.图8 CE2涡旋断面③边缘、中心区的垂向平均动能分布Fig.8 Depth-averaged kinetic energy distributions at periphery and core zones of the eddy CE2 along section ③

由动能波数谱结果(图9)可见,在大于10 km尺度范围,涡旋中心动能波数谱斜率接近k-2,而涡旋边缘动能波数谱斜率则接近k-3;在1～10 km尺度范围内,随着尺度的减小,涡旋中心动能波数谱偏离k-2向上偏移,而涡旋边缘谱逐渐靠近k-2,在较小的尺度范围内同样位于k-2上方,边缘的谱斜率比中心的谱斜率更平缓;在约1 km尺度范围内,3条动能波数谱斜率相似.

图9 CE2涡旋断面③的水平动能波数谱Fig.9 Wavenumber spectra of horizontal kinetic energy for the eddy CE2 along section ③

前人基于观测数据或模式结果均指出涡旋边缘亚中尺度过程比涡旋中心更活跃,涡旋中心动能波数谱斜率接近k-3,而涡旋边缘动能波数谱斜率接近k-2[8-9].但本研究的动能波数谱分析结果显示涡旋中心的动能谱量值大于涡旋边缘,表明涡旋中心的亚中尺度动能方差比涡旋边缘大,与前人研究结果有所不同.为此针对CE2涡旋尺度为10 km的动能分布结果进行探究,以验证上述研究过程的准确性.

CE2涡旋边缘的原始动能高于涡旋中心[图10(a)],但在10 km尺度上,涡旋中心的动能更大,变化幅度也更大[图10(b)],即CE2涡旋中心的原始总动能比边缘的小,但涡旋中心动能在亚中尺度范围内的活跃程度与涡旋边缘相似甚至更强,与动能谱分析结果一致.这确实与大多数基于高分辨率数值模拟结果得到的结论不同,但对于观测的CE2涡旋来说,基于该航次数据的另一项研究[14]可以证实,有一个涡丝入侵到该涡旋的核心区,造成涡旋中心存在较大的密度梯度(诊断发现涡旋中心锋生函数的量值较大),导致涡旋中心存在活跃的亚中尺度活动.

(a)原始;(b)10 km尺度(8～12 km低通滤波).图10 CE2涡旋断面③的动能分布Fig.10 Distribution of kinetic energy for the eddy CE2 along section ③

上述动能谱结果也表明,描述真实海洋中的中尺度涡及与其相关的亚中尺度过程不能简单地建立“涡中心-涡边缘”的框架进行分析,而应基于更具动力学意义的诊断量(如锋生函数)进行涡旋范围内的中尺度-亚中尺度过程分析.

4.3 涡旋的边缘“泄漏”现象

前人研究认为中尺度涡由于非线性作用可以携带水体进行长距离运输[15],近年来随着观测和数值模拟分辨率的提高,亚中尺度过程及其效应逐步被解析.有研究发现,中尺度涡在向西移动过程中伴随明显的水体“泄漏”,可能受到涡旋边缘活跃的亚中尺度过程的影响[16];也有研究将此“泄漏”现象归因于中尺度涡的离心率[17],但目前还缺乏明确的观测证据.KK1902航次有12个表层漂流浮标被投放在CE2涡旋范围内,可用于涡旋物质输运与水体携带能力的研究.

如图11所示:在投放初期(约一周内),漂流浮标还能大致跟随着涡旋背景环流围绕CE2涡旋中心移动,但这种准圆周运动并不能维持很久.对于西侧的反气旋涡或是东侧的CE2涡旋,没有一个漂流浮标能绕着涡旋中心完成一个完整的绕圈运动,绝大多数漂流浮标绕涡旋中心移动不到半个圆周便被“甩出”既定的等高线.这些漂流浮标轨迹从观测上证实了中尺度涡在西传过程中,涡旋范围内的水体存在明显的“泄漏”,这可能会影响前人基于涡旋是封闭水体这一假设估算的涡致水体输运结果[15].

(a)3月17日;(b)3月20日;(c)3月23日;(d)3月26日;(e)3月29日;(f)4月1日;(g)4月4日;(h)4月7日;(i)4月10日.底图为对应标示日期的SLA分布,绿点表示漂流浮标初始投放位置,浅灰色线表示历史轨迹,黑线表示对应标示日期近3 d的轨迹.图11 CE2涡旋的内漂流浮标轨迹Fig.11 Trajectories of internal drifters around the eddy CE2

水平拉伸率由卫星高度计地转流计算得到,结果表明CE2涡旋附近的水平拉伸率为负,CE2涡旋与其西侧反气旋涡中间区域的南、北侧水平拉伸率为正且幅值较大(图12).随着涡旋的向西移动,水平拉伸率的幅值大小有所变化,但总体分布无太大变化.大部分漂流浮标的轨迹在CE2涡旋区域内均比较光滑,而在CE2涡旋与西侧反气旋涡之间偏南侧的高拉伸区则呈现部分卷曲状,可能是受该区域活跃的亚中尺度活动影响所致.

5 结论与讨论

本研究使用KK1902航次实测数据与卫星高度计资料重点分析了位于西太平洋STCC区的气旋涡CE2,研究其三维结构、运动学与亚中尺度特征,得到如下结论:CE2涡旋的温盐分布表现出典型的气旋式涡旋结构,涡旋最大影响深度约400 m,航次观测期间CE2涡旋处于第一次增强后的稳定阶段.CE2涡旋的实测流速满足热成风关系的程度具有较明显的尺度依赖性,大、中尺度流速更符合热成风关系,而亚中尺度及更小尺度范围内流速则因受非地转运动的影响更偏离热成风关系.动能波数谱分析结果表明,CE2涡旋中心与边缘的亚中尺度运动均较活跃.漂流浮标的结果表明中尺度涡内表层水体在进行长距离输运的过程中可能会发生“泄漏”,中尺度涡裹挟物质进行输运的能力可能比原估计的更弱.

本研究以大量实测数据为基础进行分析,但也受到实测数据的诸多限制,如在三维结构研究中未能体现涡旋的全水深结构,动能波数谱分析受限于观测断面长度等.前人普遍将20 km尺度作为亚中尺度与中尺度运动的分界,且中尺度运动的定义能达到100 km的量级,因此对亚中尺度动能波数谱斜率的观察还有待完善.实测数据虽具有较大局限性,但在海洋研究中却不可缺少.由于本研究结论基于特定涡旋的实测资料分析而得,其普适性仍有待后续更多观测资料的验证.