王鼎琦 方國(guó)洪, 邱 婷

(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266200; 3.河海大學(xué)海洋學(xué)院 南京 210098)

呂宋海峽黑潮脫落渦旋的特征分析*

王鼎琦1方國(guó)洪1,2①邱 婷3

(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266200; 3.河海大學(xué)海洋學(xué)院 南京 210098)

渦旋脫落在西太平洋和南海的海水屬性交換中起到重要作用。為研究呂宋海峽附近海域由黑潮脫落并進(jìn)入南海的渦旋特征, 本文采用 1993—2014年法國(guó)空間局(AVISO)多衛(wèi)星融合海面高度距平(SLA)和絕對(duì)動(dòng)力地形(ADT)全球網(wǎng)格化延時(shí)數(shù)據(jù), 美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心(NODC)的 WOA13年平均溫鹽剖面氣候數(shù)據(jù), 以及1993—2010年SODA2.2.4月平均海洋同化數(shù)據(jù)集, 并分析了黑潮脫落渦旋與大尺度環(huán)流的關(guān)系。結(jié)果表明: (1)暖渦脫落數(shù)量遠(yuǎn)多于冷渦數(shù)量, 且脫落的冷渦絕大部分在黑潮西側(cè)邊緣生成, 而脫落的暖渦則大部分在黑潮控制區(qū)生成。(2)冷渦、暖渦脫落時(shí)的平均半徑、平均振幅相近, 但是冷渦的平均生命、平均遷移距離約為暖渦的一半。(3)冷渦不是每年都有脫落, 主要在冬季脫落; 暖渦則每年均有脫落, 主要發(fā)生在秋季。(4)脫落渦旋數(shù)量與脫落時(shí)的黑潮路徑類(lèi)型相關(guān)。(5)脫落渦旋的平均西行速度為5.8cm/s, 與斜壓第一模態(tài)長(zhǎng)Rossby波波速及大尺度環(huán)流的西向平流流速之和相近。

呂宋海峽; 黑潮; 脫落渦旋; 南海

南海是最大的邊緣海之一, 具有獨(dú)特的水文和海洋環(huán)流特征, 與西北太平洋之間的水體交換只能通過(guò)呂宋海峽進(jìn)行(Yanget al, 2011)。呂宋海峽位于臺(tái)灣島與呂宋島之間(圖 1), 寬約 380km, 平均水深約1400m, 海檻深度在2200—2400m (孫湘平, 2006)。黑潮是西北太平洋的一支強(qiáng)西邊界流, 沿太平洋西岸北上過(guò)程中, 受到呂宋海峽的影響, 失去西側(cè)陸坡的支持而發(fā)生形變, 從而影響南海北部的水文特征、海流結(jié)構(gòu)以及渦旋的生成等(李薇等, 1998; Wanget al,2012; Nanet al, 2015)。

黑潮的脫落渦旋是黑潮入侵南海的一種重要方式。1994年8—9月南海東北部水文調(diào)查首次觀測(cè)到一個(gè)中心位于 21°N、117.5°E, 直徑約 150km, 垂直尺度達(dá)1000m的反氣旋式渦旋(暖渦), 并發(fā)現(xiàn)這個(gè)渦旋可能來(lái)自于黑潮(李立等, 1997; Liet al, 1998)。Pichevin等(1997)通過(guò)基于β平面含非線性項(xiàng)的一層半模式以及動(dòng)量守恒角度分析, 認(rèn)為黑潮能通過(guò)渦旋等不穩(wěn)定過(guò)程流經(jīng)呂宋海峽進(jìn)入南海。楊昆等(2000)改進(jìn)了 POM 數(shù)值模式的渦分辨率, 結(jié)果認(rèn)為黑潮在呂宋海峽也能形成如墨西哥灣似的“流套”并脫落出中尺度渦。Jia等(2004)結(jié)合衛(wèi)星高度計(jì)資料和POCM 模式結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)暖渦在黑潮彎曲區(qū)域活動(dòng)較為活躍, 且在夏季風(fēng)和冬季風(fēng)盛行時(shí)期, 在 119.5°E和120°E之間頻繁脫落。Yuan等(2006)結(jié)合衛(wèi)星遙感水色、海表溫度和高度計(jì)資料, 分析得到, 黑潮在呂宋島西北海域以脫落暖渦形式向西入侵南海, 且這一現(xiàn)象一年四季都存在。郭景松等(2007)通過(guò)統(tǒng)計(jì)1993—2000年間呂宋海峽兩側(cè)渦旋, 分析得到南海東北部中尺度暖渦的形成與黑潮有一定聯(lián)系。Nan等(2011b)研究了中國(guó)臺(tái)灣西南側(cè)海域渦旋的形成和傳播, 發(fā)現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域冷渦多于暖渦, 但暖渦較強(qiáng)且生存時(shí)間較長(zhǎng)。Wang等(2012)研究了呂宋海峽西部渦旋并估算了它們引起的體積、熱量和鹽量的輸運(yùn)。在上面提到的各項(xiàng)研究中, 大都沒(méi)有區(qū)分黑潮脫落的渦旋和非黑潮脫落的渦旋。Jia等(2004)雖專(zhuān)注于從黑潮脫落的渦旋, 但只針對(duì)黑潮發(fā)生彎曲時(shí)的情況, 而且只考察了暖渦的發(fā)生和遷移。

圖1 呂宋海峽及附近海域地形分布Fig.1 Topographic distribution of the Luzon Strait and the neighboring area

本文將分析1993—2014年間在呂宋海峽附近海域, 從黑潮脫落并進(jìn)入南海的渦旋的時(shí)空分布、遷移路徑等統(tǒng)計(jì)特征, 并研究黑潮的三種路徑類(lèi)型對(duì)渦旋脫落的影響以及脫落渦旋的向西遷移速度與Rossby波波速和大尺度海流流速的關(guān)系。由于渦旋在海洋的物質(zhì)和能量輸運(yùn)過(guò)程中扮演極為重要的作用(Zhanget al, 2014), 且呂宋海峽是連接南海和西北太平洋的唯一深水通道, 因此分析黑潮脫落渦旋的統(tǒng)計(jì)特征, 對(duì)于研究呂宋海峽的水交換等具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究主要使用了三個(gè)數(shù)據(jù)集。首先是法國(guó)空間局(AVISO)中心網(wǎng)站的衛(wèi)星高度計(jì)全球網(wǎng)格化延時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 包括多衛(wèi)星(包括ERS-1、ERS-2、Jason-1、Jason-2、HY-2等衛(wèi)星)融合的海面高度距平(SLA)和絕對(duì)動(dòng)力地形(ADT)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)網(wǎng)址: http://www.aviso.altimetry.fr/en/data.html)。數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為1993年1月至2014年12月, 時(shí)間分辨率為1天, 空間分辨率為0.25°×0.25°。該數(shù)據(jù)集包含了海面高度和相應(yīng)的地轉(zhuǎn)流流矢分布。由于ADT數(shù)據(jù)已計(jì)入平均動(dòng)力高度 MDT(Rioet al, 2011), 故黑潮的位置可以清楚地分辨出來(lái), 這極大地便利了從黑潮脫落渦旋的辨識(shí)。其次是美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心(NODC)的 World Ocean Atlas(WOA13)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)網(wǎng)址: https://www.nodc.noaa.gov/), 本文采用水平分辨率為 0.25°×0.25°的年平均溫鹽剖面氣候數(shù)據(jù)(Locarniniet al, 2011)。最后是 1993—2010年全球海洋同化再分析資料SODA2.2.4的月平均海洋數(shù)據(jù)集, 其水平分辨率為0.5°×0.5°( 數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 址 :http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.CARTON-GIESE/.SODA/.v2p2p4/)。

AVISO的SLA和ADT產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于南海中尺度渦的研究(Nanet al, 2011b; Wanget al, 2012,2015; Chuet al, 2014), 雖然高度計(jì)數(shù)據(jù)已經(jīng)包括了對(duì)潮汐和海平面壓強(qiáng)的修正, 但是在淺海海域, 仍然包含潮汐和內(nèi)波的干擾(Yuanet al, 2007)。因此, 為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性, 本文僅采用水深不小于200m的SLA和ADT數(shù)據(jù)。

中尺度渦以持續(xù)性封閉環(huán)流為主要特征, 通常典型的空間尺度為50—500km, 時(shí)間尺度為幾天到上百天, 是海洋環(huán)流的一個(gè)重要組成部分(王桂華等,2005)。近幾十年, 科學(xué)家們提出了多種中尺度渦自動(dòng)識(shí)別方法, 大致可分為三大類(lèi): 第一類(lèi)是基于渦旋速度場(chǎng)的物理特性的算法, 主要包括Okubo-Weiss(OW)參數(shù)法、小波分解方法等; 第二類(lèi)是基于渦旋幾何特性的算法, 主要包括 Winding-Angle(WA)方法、矢量幾何法、自由等值線法等; 第三類(lèi)是混合法。Souza等(2011)比較了小波分解、OW和變型WA(即幾何準(zhǔn)則)三種方法, 認(rèn)為變型 WA方法性能最好。此外,Chen等(2011)也成功地應(yīng)用了WA方法識(shí)別南海中尺度渦, 因此, 本文選擇變型WA方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的渦旋進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

變型WA方法首先尋找在一個(gè)1°×1°經(jīng)緯度移動(dòng)窗口內(nèi)SLA或 ADT最小(大)值, 用于判斷可能的冷渦(暖渦)中心。再?gòu)拿總€(gè)可能的渦旋中心出發(fā), 以1cm的增幅(減幅)向外尋找閉合的SLA或ADT等值線, 最外層的等值線即是渦旋的邊緣。

在得到全部的渦旋中心后, 我們?cè)倮镁嚯x法(Nencioliet al, 2010), 逐個(gè)判定渦旋軌跡。在連續(xù)時(shí)間的SLA場(chǎng)中, 對(duì)在第t時(shí)刻每一個(gè)識(shí)別出來(lái)的渦旋進(jìn)行追蹤, 即尋找在下一個(gè)t+1時(shí)刻相應(yīng)的類(lèi)型相同(同為冷渦或暖渦)且距離最近的渦旋, 并認(rèn)為這個(gè)渦旋是上一個(gè)渦旋遷移了一定距離后的同一個(gè)渦旋。由于渦旋的平均遷移速度小于 0.1m/s(見(jiàn)下文), 即每天遷移的平均距離小于10km, 而AVISO提供的SLA和ADT數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為一天, 故采用本方法能夠準(zhǔn)確地追蹤各個(gè)渦旋并判定其軌跡, 從而進(jìn)一步得知渦旋的演變、遷移和消亡過(guò)程。

為了更可靠地根據(jù)海面高度來(lái)識(shí)別渦旋, 需要一個(gè)優(yōu)質(zhì)的平均流場(chǎng), 尤其是強(qiáng)流海區(qū)(Leeet al,2010)。因此, 本文結(jié)合SLA和ADT兩種數(shù)據(jù)繪制出逐日的等值線圖(圖略), 觀察黑潮脫落渦旋的過(guò)程,記錄黑潮脫落的渦旋, 再對(duì)這些渦旋進(jìn)行識(shí)別與追蹤, 得到脫落渦旋的中心位置、遷移軌跡、遷移速度等信息。利用距離法我們同樣可以倒過(guò)來(lái)追蹤渦旋的產(chǎn)生源地, 并利用 ADT資料所提供的黑潮信息, 確定渦旋是不是起源于黑潮。

2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)識(shí)別, 我們發(fā)現(xiàn) 1993—2014年間, 在呂宋海峽附近一共有16個(gè)冷渦(氣旋式渦旋)和66個(gè)暖渦(反氣旋式渦旋)從黑潮脫落并進(jìn)入南海。其中只有 3個(gè)冷渦在黑潮內(nèi)部生成, 其余 13個(gè)則是在黑潮西側(cè)邊緣生成; 大部分暖渦均在黑潮控制區(qū)(包括黑潮流套區(qū))生成, 僅19個(gè)暖渦是在黑潮西側(cè)邊緣生成。暖渦數(shù)量遠(yuǎn)多于冷渦數(shù)量的原因是由于黑潮水體的垂向平均溫度明顯高于南海水體的垂向平均溫度(海洋圖集編委會(huì), 2006), 故從黑潮脫落的渦旋多為暖渦。渦旋脫落的空間位置和遷移軌跡如圖2所示。渦旋的脫落均發(fā)生在 117.5°—120.5°E, 18°—22.5°N 區(qū)域內(nèi), 此范圍與Jia等(2004)利用1992—2001年海表高度(SSH)數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷得到的結(jié)果相近。可以看出, 脫落渦旋遷移軌跡主要以自東向西為主; 但由于受到陸坡地形的限制,在西行過(guò)程中, 具有明顯的向南偏移的趨勢(shì)。

圖2 黑潮脫落冷渦(a)、暖渦(b)的空間分布及其遷移軌跡Fig.2 Spatial distribution and migration tracks of the cold (a)and warm (b) eddies shedding from Kuroshio

渦旋的半徑、振幅、生存時(shí)長(zhǎng)和遷移距離是描述渦旋特征的重要參數(shù), 為此本文統(tǒng)計(jì)了冷、暖渦這些參數(shù)的出現(xiàn)頻率分布。在本研究中, 定義渦旋半徑為與脫落渦旋邊界內(nèi)面積(A)相等的圓的半徑, 即; 渦旋振幅為脫落時(shí)渦旋中心和渦旋邊緣之間的海面高度差的絕對(duì)值; 渦旋生存時(shí)長(zhǎng)為渦旋消亡時(shí)刻與渦旋脫落時(shí)刻的時(shí)間差; 渦旋遷移距離為渦旋生存時(shí)段內(nèi)各個(gè)時(shí)刻渦旋中心遷移距離的依次累加長(zhǎng)度(Chuet al, 2014; 祖永燦等, 2016)。

在統(tǒng)計(jì)渦旋半徑的出現(xiàn)頻率時(shí), 我們?nèi)￠g隔10km, 分別統(tǒng)計(jì)半徑在0—10, 10—20, 20—30km等各區(qū)間內(nèi)冷渦和暖渦的個(gè)數(shù), 并分別除以冷渦和暖渦的總數(shù), 從而得到各區(qū)間的出現(xiàn)頻率, 如圖 3a所示。對(duì)渦旋振幅、生存時(shí)長(zhǎng)和遷移距離, 其出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計(jì)方法也類(lèi)似, 所取間隔分別為2cm, 5d和50km,所得結(jié)果分別如圖3b, 3c和3d。由圖可知, 黑潮脫落并進(jìn)入南海的渦旋半徑集中分布在30—150km, 其中冷渦和暖渦的平均半徑分別為72.2km、83.2km; 振幅主要分布在4—30cm, 其中冷渦和暖渦的平均振幅分別為11.8cm、11.4 cm; 生存時(shí)長(zhǎng)則主要分布在0—50d,其中冷渦和暖渦的平均生存時(shí)長(zhǎng)分別為 15.7d和29.2d; 遷移距離在0—400km之間的渦旋較多, 個(gè)別暖渦最遠(yuǎn)可以遷移1000km以上, 其中冷渦和暖渦的平均遷移距離分別為118.7km和218.1km。

圖3 黑潮脫落渦旋的半徑(a)、振幅(b)、生存時(shí)長(zhǎng)(c)和遷移距離(d)的出現(xiàn)頻率分布Fig.3 Occurrence frequency of the eddy radius(a), amplitude(b), lifetime(c) and migration distance(d) of the eddies shedding from Kuroshio

3 渦旋脫落的季節(jié)、年際變化

呂宋海峽地處黑潮源區(qū), 在這里黑潮的強(qiáng)度和路徑均具有強(qiáng)烈的可變性(例如Rudnicket al, 2011),因而渦旋從黑潮脫落的發(fā)生頻率也有顯著的可變性。我們統(tǒng)計(jì)了脫落渦旋個(gè)數(shù)的季節(jié)和年際變化, 如圖 4所示。圖4a和圖4b分別示出脫落的冷渦個(gè)數(shù)(藍(lán)線)、暖渦個(gè)數(shù)(紅線)和渦旋總數(shù)(黑線)的逐月和逐年變化。從圖4a中可以看出, 冷渦不是每個(gè)月都脫落, 暖渦脫落則是每個(gè)月都可以發(fā)生。如采用通常的季節(jié)劃分, 12—2月為冬季, 3—5月為春季, 6—8月為夏季, 9—11月為秋季, 則可以發(fā)現(xiàn): 在春季, 渦旋鮮有脫落,冷渦主要在冬季脫落; 暖渦脫落則是在秋季最頻繁,夏、冬兩季脫落的也較多, 春季最少。

整個(gè)南海位于季風(fēng)氣候帶, 冬季盛行強(qiáng)勁的東北季風(fēng), 夏季盛行西南季風(fēng)(王桂華等, 2005)。為研究方便, 本文不考慮時(shí)間較為短暫的春、秋季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)期, 將11月到翌年4月定義為冬季季風(fēng)期, 5—10月定義為夏季季風(fēng)期。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn), 冬季風(fēng)時(shí)期脫落的暖渦、冷渦個(gè)數(shù)分別為30, 10個(gè), 夏季風(fēng)時(shí)期脫落的暖渦、冷渦個(gè)數(shù)分別為36, 6個(gè)。雖然冬季風(fēng)時(shí)期,風(fēng)的作用更為強(qiáng)勁, 但是脫落的渦旋總數(shù)和夏季風(fēng)時(shí)期差異不大。

從圖 4b可以看出, 冷渦不是每年都有脫落, 平均每年脫落 0.7個(gè); 暖渦則每年都有脫落, 平均每年脫落3個(gè), 即黑潮在呂宋海峽海域, 一年四季均可以通過(guò)脫落暖渦的方式入侵南海, 這與前人研究(Yuanet al, 2006)一致。黑潮每年脫落3.7個(gè)渦旋入侵南海,略多于Jia等(2004)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 這可能是由于Jia等只考慮了黑潮存在彎曲的情況, 而本文的結(jié)果包括黑潮在跨越路徑下脫落的渦旋。

4 渦旋脫落與黑潮路徑的關(guān)系

圖4 黑潮脫落渦旋個(gè)數(shù)的逐月(a)、逐年(b)變化Fig.4 Monthly (a) and yearly (b) variations in the number of eddies shedding from Kuroshio

Nan等(2011a)根據(jù)呂宋海峽區(qū)域地轉(zhuǎn)流的相對(duì)渦度平均值的大小將黑潮路徑劃分為三種類(lèi)型, 分別稱(chēng)為leaping, leaking和looping路徑。本文依據(jù)其特征, 用中文分別稱(chēng)為跨越、入侵和流套路徑。根據(jù)地轉(zhuǎn)關(guān)系, 由絕對(duì)動(dòng)力地形數(shù)據(jù)集的海面高度η可以得到相應(yīng)的地轉(zhuǎn)流速, 具體公式為

式中,u和v分別為地轉(zhuǎn)流的東分量和北分量;g是重力加速度;f是科式參數(shù)。地轉(zhuǎn)流相對(duì)渦度的平均值(GV)為

本文把118°—121°E, 19°—23°N中的水深不小于200m的海域作為GV的積分區(qū)域(S)。當(dāng)GV為正(負(fù))值時(shí), 表示積分海區(qū)中氣旋式(反氣旋式)流動(dòng)占優(yōu)。

利用1993—2014年的逐日ADT數(shù)據(jù), 根據(jù)式(2)得到逐日的GV。由這些逐日值可得到GV的平均值(μ)為 6.55×10–7/s, 標(biāo)準(zhǔn)差(σ)為 1.04×10–6/s。GV 的時(shí)間序列如圖5所示, 其中藍(lán)點(diǎn)、紅點(diǎn)分別表示黑潮脫落冷渦、暖渦時(shí)的GV值。我們根據(jù)Nan等(2011a)的分類(lèi)方法, 當(dāng)GV值大于μ+σ時(shí)的黑潮路徑, 定義為跨越路徑, 約占16.8%; 當(dāng)GV值在μ±σ之間時(shí)的黑潮路徑, 定義為入侵路徑, 約占67.5%; 當(dāng)GV值小于μ-σ時(shí)的黑潮路徑, 定義為流套路徑, 約占15.7%。

圖5 1993—2014年GV值(單位: /s)的逐日時(shí)間序列Fig.5 Time series of the daily GV values (unit: /s) from 1993 to 2014

根據(jù)這種分類(lèi)方法, 本文分別平均得出了呂宋海峽附近海區(qū)的ADT值和地轉(zhuǎn)流速值, 如圖6所示。當(dāng)GV大于μ+σ時(shí), 表示呂宋海峽西側(cè)海域存在較強(qiáng)的氣旋式流動(dòng), 黑潮沿著呂宋海峽前行, 不易入侵南海, 如圖6a所示; 當(dāng)GV處于μ±σ之間時(shí), 呂宋海峽西側(cè)的氣旋式流動(dòng)強(qiáng)度減弱, 在臺(tái)灣島西南出現(xiàn)了較弱的反氣旋流, 黑潮從而形成一個(gè)西向型的分支,使得較多的黑潮水可以流入南海(圖6b); 當(dāng)GV值小于μ-σ時(shí), 臺(tái)灣島西南出現(xiàn)了較強(qiáng)的反氣旋式流動(dòng),形成流套路徑, 如圖6c所示。

圖6 黑潮在跨越路徑(a)、入侵路徑(b)和流套路徑(c)條件下的平均ADT和相應(yīng)海表地轉(zhuǎn)流速的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the mean ADT and the corresponding surface geostrophic velocities associated with the leaping path (a), the leaking path (b), and the looping path (c) of Kuroshio

本文統(tǒng)計(jì)了不同黑潮路徑類(lèi)型條件下冷渦和暖渦脫落個(gè)數(shù)的百分比, 如圖7所示。由圖可見(jiàn), 入侵和跨越路徑條件下脫落冷渦所占的比例均為 37.5%,流套路徑條件下占 25.0%; 而對(duì)于暖渦, 入侵路徑所占比例大幅度增加, 為 60.6%, 其次是流套路徑, 為27.3%, 最后是跨越路徑, 僅占12.1%。可以看出, 入侵路徑下脫落的渦旋最多, 因?yàn)樵谠撀窂较? 更多的黑潮水可以偏離主干流入侵南海, 從而更有利于脫落的渦旋離開(kāi)黑潮主干。流套路徑較為彎曲, 當(dāng)反氣旋流動(dòng)足夠強(qiáng)時(shí), 流套可以脫離黑潮主干, 從而以暖渦形式入侵南海; 而流套以南區(qū)域的黑潮又容易形成氣旋式流動(dòng)的水體, 該水體脫離主干流則會(huì)形成冷渦, 因此在該路徑條件下仍然有可能脫落冷渦, 雖然數(shù)量相對(duì)較少?？缭铰窂綏l件下, 海峽西側(cè)的強(qiáng)氣旋式流動(dòng)不利于暖渦的形成和脫落, 但是有利于冷渦的形成, 所以脫落的冷渦也較多。從圖5還可以看出, 有許多脫落渦旋分布在 GV 值等于μ±σ(藍(lán)線)周?chē)? 顯示出黑潮路徑轉(zhuǎn)換時(shí)較容易發(fā)生渦旋脫落。

圖7 在跨越路徑(白)、入侵路徑(灰)和流套路徑(黑)條件下黑潮脫落冷渦(a)和暖渦(b)所占的比例Fig.7 Ratio of the leaping path (white), the leaking path (gray),and the looping path (black) when the Kuroshio shed the cold eddies (a) and warm eddies (b)

5 脫落渦旋的遷移速度

渦旋遷移速度是渦旋研究中一個(gè)非常受關(guān)注的問(wèn)題, 并且一般認(rèn)為它與斜壓第一模態(tài) Rossby波的波速有良好的一致性(Cheltonet al, 2007; Fu, 2009)。Chen等(2011)統(tǒng)計(jì)過(guò)南海渦旋的遷移速度, 得到靠近北部陸坡處移速為5—9cm/s。本文利用各個(gè)脫落渦旋在遷移過(guò)程中在不同日期其渦旋中心所在的地理位置, 可以計(jì)算相應(yīng)的遷移速度。為了了解遷移速度的分布情況, 我們?nèi)? cm/s為間隔, 統(tǒng)計(jì)出移速在0—2, 2—4, 4—6cm/s等各個(gè)間隔的出現(xiàn)頻率(即出現(xiàn)次數(shù)除以總數(shù)), 如圖8所示。由圖可見(jiàn), 脫落的冷渦、暖渦遷移速度在0—10cm/s的分別有73.5%和75.9%,速度大于20cm/s的分別有6.0%和3.6%。統(tǒng)計(jì)還得到,脫落冷渦和暖渦的平均遷移速度分別為 8.4cm/s和8.3cm/s, 這一結(jié)果與 Chen等(2011)基本一致, 但偏向于其估計(jì)值的上界。

圖8 黑潮脫落渦旋遷移速度的出現(xiàn)頻率分布Fig.8 Occurrence frequency of the migration speed of the eddies shedding from Kuroshio

為了與斜壓第一模態(tài)長(zhǎng) Rossby波波速比較, 我們又計(jì)算了渦旋的平均緯向速度, 為–5.8cm/s (正值表示向東, 負(fù)值表示向西, 后為了省略負(fù)號(hào), 將向西的緯向速度稱(chēng)為西行速度)。

Rossby波波速可以利用 WOA13年平均溫鹽剖面氣候數(shù)據(jù)得到。我們計(jì)算了呂宋海峽海域的位勢(shì)密度(ρθ)剖面以及平均密度(ρ0)值, 從而可得浮力頻率(N)剖面:

相應(yīng)的斜壓第一模態(tài)長(zhǎng) Rossby波的緯向波速(cR1)可用下式計(jì)算:

圖9為斜壓第一模態(tài)長(zhǎng)Rossby波年平均緯向波速cR1在呂宋海峽及附近海域的空間分布, 這個(gè)結(jié)果與Cai等(2008)的計(jì)算結(jié)果相符。本文又根據(jù)脫落冷渦、暖渦在遷移過(guò)程中的不同地理位置, 線性插值得到相應(yīng)位置的cR1。將渦旋在所有各個(gè)位置上的cR1值進(jìn)行平均, 得到平均值為–4.4cm/s。由此可見(jiàn), 渦旋西行速度要略大于斜壓第一模態(tài)長(zhǎng) Rossby波的西向波速。

圖9 呂宋海峽及附近斜壓第一模態(tài)長(zhǎng)Rossby波年平均緯向波速cR1(單位: cm/s)的空間分布Fig.9 Spatial distribution of the annual mean zonal phase speed cR1 of the first baroclinic Rossby wave in the Luzon Strait and neighboring area (unit: cm/s)

圖10 呂宋海峽及附近海域年平均0—1000m垂向平均流流矢分布(a)和緯向速度分布(b)Fig.10 Spatial distribution of the annual mean velocity vectors(a) and zonal speed (b), vertically averaged from 0 to 1000 meters in the Luzon Strait and neighboring area

Fu(2009)的研究指出, 渦旋的遷移路徑與大尺度流場(chǎng)密切相關(guān)?？紤]到南海東北部渦旋的垂直尺度大約可達(dá)1000m(李立等, 1997), 本文又利用SODA2.2.4數(shù)據(jù)集的0—1000m速度剖面數(shù)據(jù), 計(jì)算了各個(gè)時(shí)刻的垂向平均流場(chǎng), 其年平均的流矢分布和緯向速度的等值線分布見(jiàn)圖 10。由于黑潮的流速比南海內(nèi)部流速大得多, 因此在圖 10a中, 將流速大小不超過(guò)和超過(guò)0.1m/s的流矢分別用了細(xì)線和粗線矢量箭頭表示。可以看出從呂宋海峽西側(cè)沿南海北部陸坡有一支較強(qiáng)的西南向海流, 其流向與大部分脫落渦旋遷移方向一致。因此, 本文進(jìn)一步計(jì)算了脫落渦旋在遷移過(guò)程中的不同時(shí)間和相應(yīng)地理位置的0—1000m垂向平均緯向遷移速度, 得到平流西行速度的平均值為1.9cm/s。如果把西向平流和斜壓第一模態(tài)長(zhǎng) Rossby波波速簡(jiǎn)單相加, 則得到西向速度平均值為 6.3cm/s,這個(gè)數(shù)值與觀測(cè)到的渦旋遷移的平均西向分量5.8cm/s比較接近。當(dāng)然, 渦旋遷移是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 實(shí)際的情況不只是一個(gè)單純的移動(dòng)過(guò)程, 特別渦旋在遷移時(shí)會(huì)與周?chē)w和流場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生演變。因而上述的一致性僅是一個(gè)相當(dāng)粗糙的近似。

6 結(jié)論

本文對(duì)呂宋海峽附近海域黑潮在不同路徑下脫落并進(jìn)入南海的渦旋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 得到以下結(jié)論:

(1) 1993年1月—2014年12月共脫落冷渦16個(gè),暖渦 66個(gè), 脫落位置均分布在 117.5°—120.5°E,18°— 22.5°E區(qū)域內(nèi)。其中3個(gè)冷渦在黑潮控制區(qū)生成, 其余 13個(gè)在黑潮西側(cè)邊緣生成; 大部分暖渦均在黑潮控制區(qū)生成, 僅 19個(gè)暖渦在黑潮西側(cè)邊緣生成。渦旋脫落后主要向西遷移, 遇到陸坡后主要向西偏南遷移。

(2) 利用變型WA方法和追蹤法對(duì)脫落的渦旋進(jìn)行識(shí)別與追蹤, 并統(tǒng)計(jì)得到冷渦、暖渦脫落時(shí)的平均半徑分別為 72.2km、83.2km, 平均振幅分別為11.8cm、11.4cm, 平均生命周期分別為15.7d和29.2d,平均移動(dòng)距離分別為118.7km、218.1km。

(3) 渦旋的脫落和季節(jié)有關(guān), 冷渦主要在冬季脫落, 暖渦則主要在秋季脫落, 春季, 冷渦和暖渦都鮮有脫落。冷渦脫落并不是每年都能發(fā)生, 平均每年脫落0.7個(gè); 暖渦脫落則每年都發(fā)生, 平均每年脫落3個(gè)。

(4) 當(dāng)黑潮為入侵路徑時(shí), 最容易脫落渦旋, 其次是反氣旋式流套型路徑。當(dāng)黑潮路徑發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí),也容易脫落渦旋。

(5) 脫落渦旋的平均遷移速度分別為 8.4cm/s和8.3cm/s, 渦旋遷移速度的西分量平均為 5.8cm/s。這個(gè)數(shù)值與斜壓第一模態(tài)長(zhǎng)Rossby波平均波速和大尺度環(huán)流0—1000m垂向平均西向流速平均值之和相近。

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THE CHARACTERISTICS OF EDDIES SHEDDING FROM KUROSHIO IN THE LUZON STRAIT

WANG Ding-Qi1, FANG Guo-Hong1,2, QIU Ting3
(1.Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling,The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao266061,China;2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao266200, China; 3.College of Oceanography,Hohai University,Nanjing210098,China)

The characteristics of eddy shed from Kuroshio in the Luzon Strait area and entering into the South China Sea were studied in statistics.Three datasets were used, i/e., 22-year (1993—2014) of global gridded multi-satellite merged sea level anomaly and absolute dynamic topography products in delay time provided by Archiving, Validation, and Interpretation of Satellite Oceanographic data (AVISO), the climatological annual mean temperature and salinity profiles of World Ocean Atlas 2013 (WOA13) data provided by National Oceanographic Data Center (NODC) and the monthly SODA2.2.4 date set from 1993 to 2010.As compared to cold eddies shed (CEs) in this area, the warm eddies shed (WEs)are much greater in number.The most CEs are formed at the western edge of the Kuroshio, while the most WEs are formed within the Kuroshio-controlled areas.The average radius and average amplitude of CEs and WEs are similar, but the average lifetime and average migration distance of CEs are almost a half of those of WEs.WEs take place in all seasons but mostly in autumn, while CEs do mostly in winter.In addition, the amount of the eddy shedding is related to the path type of Kuroshio at the shedding time.The average westward migration speed of eddy shed is 5.8cm/s, which is close to the sum of the mean baroclinic first phase speed of Rossby wave and that of the mean west component of the large-scale circulation currents.

Luzon Strait; Kuroshio; shedding eddy; South China Sea

P731

10.11693/hyhz20170200037

* 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目, U1606405號(hào); 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目, 2013AA09A506號(hào); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng), XDA11010304號(hào), XDA11010301號(hào)。王鼎琦, 碩士研究生, E-mail: 691294332@qq.com

① 通訊作者: 方國(guó)洪, 中國(guó)工程院院士, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: fanggh@fio.org.cn

2017-02-28, 收修改稿日期: 2017-03-29