黑潮作为最强劲的西边界流之一, 是连接西太平洋和中国近海物质能量交换的重要纽带, 对周边海域气候变化有着重要调制作用。吕宋海峡黑潮两侧都是中尺度涡高发区。西太平洋的中尺度涡对吕宋海峡黑潮流量和流轴都有重要的调制作用, 可以影响黑潮入侵的路径(Yang et al, 2020; Shi et al, 2021; Yan et al, 2022), 而黑潮入侵南海又会诱生新的中尺度涡(Zhang et al, 2017)。中尺度涡在南海和西太平洋的水交换中起到了重要作用, 其可以输运热量和盐量, 并影响浮游生物的分布(Chelton et al, 2011; Hu et al, 2014; Yang et al, 2020; Sun et al, 2022)。研究黑潮-中尺度涡相互作用对研究西边界流变化的动力机制、中尺度涡生消过程、海洋中不同尺度能量串级和海洋渔业资源分布等都具有重要意义。

南海的中尺度涡非常活跃, 统计分析表明南海东北部海域是中尺度涡的高发区(程旭华等, 2005; 郭景松等, 2007; 林宏阳等, 2012)。该海域同时存在反气旋涡和气旋涡, 反气旋涡的振幅、半径和存在时间通常大于气旋涡, 但其数量却比气旋涡要少(Nan et al, 2011c; 王萌等, 2019)。黑潮入侵南海是南海东部海域中尺度涡活跃的一个重要因素(李燕初等, 2003; 管秉贤等, 2006; 王鼎琦等, 2017)。黑潮在流经吕宋海峡时, 常常会在南海东北部诱发中尺度涡(陈春涛等, 2010; Jia et al, 2013)。冬季, 黑潮入侵南海后, 部分黑潮水在台湾岛西南部流出回到西太平洋, 形成黑潮流套(Looping), 反气旋涡从流套中甩出, 之后向西移动, 反气旋涡的东侧又容易诱生气旋涡, 形成“涡旋偶极子”现象。夏季, 黑潮入侵南海的强度较弱, 在菲律宾东北部海域一支流会从南海流出汇入黑潮, 在其左侧容易诱生气旋涡(Nan et al, 2011b; Zhang et al, 2017)。

很多学者都对南海东北部的涡旋进行了研究。Chen等(2010)研究了吕宋岛东北部一个反气旋涡的垂直结构, 发现该涡的温盐高于本地水域, 原因是该反气旋涡携带了高温高盐的黑潮水。黑潮入侵南海形成的黑潮流套中涡旋容易脱落, 且脱落的涡旋位置大多都在119.5°~ 120°E之间(Jia et al, 2004)。Zu等(2019)利用涡旋数据集和再分析数据集研究了南海中尺度涡热盐结构的季节特征和形成机制, 发现冬季涡旋温度异常在50 m以上为偶极子型, 50 m以下为中心对称型, 在夏季则整个都为中心对称型, 盐度异常的特征与之相似, 但不对称性较弱。Zhao等(2023)利用潜标观测阵列在吕宋海峡北部捕获了两个携带黑潮水向西北方向移动的反气旋涡, 并分析了其生成机制, 认为局地负风应力旋度导致了反气旋涡的产生。为了更好地了解涡旋的结构和演变特征, 很多学者开始研究涡旋的三维结构, 一些学者利用合成方法构造复合涡的模型来研究其温盐特征, 如He等(2018)和谢旭丹等(2018)利用插值的方法合成得到南海不同区域中尺度涡的三维结构, 研究了其温盐的三维结构特征及其区域性差异。另一些学者通过现场观测的温盐数据分析涡旋的三维结构和生消过程(Lin et al, 2015; Zhang et al, 2016; Liu et al, 2019)。Sun等(2021)利用9 a (2000~2008年)的模式数据资料, 对吕宋海峡西北部的气旋型暖核涡和反气旋型冷核涡的三维结构进行了分析, 认为黑潮入侵是南海东北部一些异常涡旋形成的关键机制。

综上, 前人对南海东北部黑潮流套甩出的反气旋涡以及台湾岛西南部气旋涡研究较多, 但对于黑潮在吕宋海峡西南部直接诱生的气旋涡研究较少, 对这些气旋涡的垂直结构和演变特征尚不清楚。本文利用卫星高度计数据, 结合哥白尼中心再分析数据, 在吕宋海峡西侧选取了2018~2019年间的3个气旋涡(CE1、CE2、CE3), 研究了这3个气旋涡温度、盐度和流速的三维结构和演变特征, 初步探讨了其生成机制。本研究丰富了对于黑潮诱生中尺度涡的认识, 有助于进一步研究黑潮-中尺度涡相互作用过程和机理。

1 数据及方法

为研究气旋涡的三维结构和演变特征, 本文使用的数据主要包括卫星高度计数据和哥白尼中心再分析数据。

1.1 卫星高度计数据

本文使用了卫星高度计数据产品(网址为: https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047/), 包含海面绝对动力高度(Absolute Dynamic Topography, ADT)、海面高度异常(sea level anomaly, SLA)、地转流速(u, v)和地转流速异常(u', v')等要素, 空间分辨率为0.25°× 0.25°, 时间分辨率为1 d。利用卫星高度计数据, 可以统计分析中尺度涡的时空分布和运动特征, 也可以研究中尺度涡对黑潮的影响(秦丽娟等, 2015; 程建婷等, 2017; 王萌等, 2019)。本文利用卫星高度计资料主要研究气旋涡运动学特征。

1.2 哥白尼中心再分析数据

为研究气旋涡的三维结构和演变特征, 本文使用欧洲哥白尼中心再分析数据(Global Ocean Multi-Observation Products)(网址为: https://data.marine.copernicus.eu/product/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047), 数据深度范围0~5 500 m, 共50层, 包括温度、盐度和流速(u, v)以及海面动力高度数据, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率为7 d。再分析数据同化了卫星高度计资料和历史温盐剖面观测数据, 其绝对动力高度和流速分布图与卫星高度计数据基本一致(图 1)。再分析数据选取的时间跨度和研究区域与卫星高度计数据相同, 用于研究涡旋的三维结构特征和能量收支分析。

2 结果与讨论 2.1 3个气旋涡的运动学及演变特征

吕宋海峡两侧是中尺度涡的高发区, 利用1993~ 2020年的卫星高度计数据和再分析数据绘制了吕宋海峡两侧平均的涡动能(eddy kinetic energy, EKE)分布(图 2), 涡动能的计算公式如下:

其中, E_EK表示涡动能EKE, u'和v'分别表示流速异常东西分量和南北分量。流速异常是每个时刻的流速减去1993~2020年中当月流速数据的平均值得到的。由图 2可以看出, 涡动能高值区基本上都集中在吕宋海峡两侧, 这一现象和黑潮流经吕宋海峡以及入侵南海诱生中尺度涡有关(陈春涛等, 2010; Jia et al, 2013)。由于再分析数据同化了卫星高度计数据, 因此吕宋海峡两侧的平均流场特征与涡动能的空间分布基本一致(图 1和图 2)。

利用2018~2019年数据, 在吕宋海峡西侧选取了较为明显的3个气旋涡, 为了分析这3个涡旋的演化过程, 根据−0.05 m的海面高度异常等值线(Wang et al, 2003), 气旋涡开始有明显的闭合等高线时刻定为生成时刻, 闭合等高线消失时刻定为消亡时刻, 中间时刻即为生成时刻和消亡时刻的中间值(图 3), 表 1统计了它们的运动学参数。结果显示: 黑潮流经吕宋海峡时以西北向入侵南海, 3个气旋涡都是在吕宋海峡黑潮主轴[位置判定参考了丁睿彬等(2013)]西南侧生成, 生成后自东向西移动, 西传一段距离后逐渐消亡。气旋涡的运动轨迹如图 1所示。CE1在2018年8月23日生成, 2018年9月15日消亡, 生命周期有24 d; CE2在2018年11月21日生成, 2018年12月8日消亡, 生命周期有18 d; CE3在2019年2月13日生成, 在2019年3月25日消亡, 其生命周期达42 d, 存在时间最长。CE2存在时间最短, 其强度也最弱, 其平均半径只有47 km, 平均海表流速和最大海表流速均小于另外两个涡旋, 西传距离最短, 仅在吕宋海峡西侧向西北方向移动了57 km就消亡了。CE1的平均半径有51 km, 其强度比CE2略强, 相对于CE3较弱, 西传距离和轨迹与CE3相似, CE1向西移动距离有177 km。CE3的平均半径有87 km, 生命周期有42 d, 其强度最强, 海表流速和海面高度异常都是3个涡旋中最大的, 西传的距离也最远, 可达255 km。这可能和CE3的生命周期在冬末春初有一定关系, 这个时期吕宋海峡风向由东向西, 有利于涡旋向西移动(杜天时, 2019)。总体来说3个气旋涡存在时间、半径和移动距离都远小于这个区域气旋涡的平均存在时间、半径和移动距离, 跟这个区域反气旋涡相比差异更大(Nan et al, 2011c), 说明这些由黑潮诱生的气旋涡可能具有相对较短的生命周期。CE1、CE2、CE3的平均海面高度异常和最大海面高度异常依次递增(表 1), CE1和CE2的海面高度异常也要小于这个区域气旋涡的平均海面高度异常, CE3的海面高度异常与这个区域气旋涡平均海面高度异常相差不大(Nan et al, 2011c)。

为研究3个气旋涡的垂向结构和演变特征, 利用再分析数据绘制了横穿涡旋断面的流场以及温度异常(图 4)和盐度异常(图 5)。温度异常的计算方法是将选定区域某一层深度上的所有温度值取平均值, 然后所有温度值都减去这个平均值得到的即为选定区域某一层深度上的温度异常, 盐度异常同理。由于涡旋从生成到消亡的过程中不断移动, 因此根据图 3中涡旋3个时刻所在的位置选取了不同的纬度, 用红色横线标记。气旋涡在生成时刻和消亡时刻较弱, 主要用于对气旋涡演变特征的研究, 关于影响深度最大值及温盐负异常的研究以中间时刻为主。结果显示: 3个涡旋最大旋转速度基本都在表层, 旋转速度随深度递减。基于0.1 m/s流速等值线可以看到, CE1的垂直深度可以延伸到1 400 m, 旋转流速最大可达0.5 m/s; CE3的垂直深度最大, 可达1 600 m, 旋转流速最大可达0.6 m/s; CE2的垂直深度最小, 只到1 200 m, 旋转流速最大为0.4 m/s。3个气旋涡中CE3旋转速度最大, 是对温盐特性影响最大的涡旋, CE1次之, CE2最小。

3个气旋涡温度异常的中心均为负异常, 这是由于气旋涡造成水体辐散涌升所致。气旋涡的温度异常在垂向上是单核结构, 冷核大约在50~600 m。CE1、CE2和CE3的冷异常在200~300 m左右达到最大值, 冷异常峰值分别为−1.7、−1.5和−2 ℃。涡旋的冷核都是从生成时刻到中间时刻逐渐增强, 之后又逐渐减弱。虽然3个涡旋的影响深度差不多, 但CE3的影响范围明显更大一些, 冷异常的峰值也大于另外两个涡旋。

气旋涡中心盐度异常在垂向上似有三核结构(图 5), 0~100 m为正异常, 200~400 m为负异常, 500 m以下盐度又为正异常。这是由于南海背景盐度场垂向分布为反”S”型(南峰, 2012), 气旋涡中心海水上升, 造成盐度异常为“正-负-正”三核结构(谢旭丹等, 2018)。500 m以下的盐度异常不大, 因此500 m以下的正盐度异常区域相较于另外两个核不是很明显。涡旋引起的盐度负异常峰值深度在200~400 m, CE1、CE2和CE3的低盐度异常峰值分别为−0.23、−0.21和−0.26。选取断面东侧的温度和盐度正异常可能与黑潮水入侵南海有关。

2.2 3个气旋涡的三维结构

为更直观展示3个涡的结构, 进一步绘制了这3个涡旋中间时刻温度异常和盐度异常的三维结构(图 6和图 7)。根据涡旋的断面垂直结构选取了6个深度, 分别是0、200、400、600、800和1 000 m。涡旋的温度异常(图 6)结果显示: 涡旋的冷核在200和400 m处比较明显, CE3低温异常的影响范围最大, 其次是CE1, CE2的影响范围最小。涡旋温度负异常的最大值在200 m左右, 之后负异常随着深度的增加逐渐减小。涡旋的盐度三维异常(图 7)结果显示: 低盐核也是在200~400 m比较明显, 这一点和冷核一样, 从600 m开始, 盐度异常开始出现一些微弱的正异常。200~400 m处, 涡旋盐度异常结构的中心基本为负异常。400 m以下, 随着深度的增加, 涡旋盐度异常结构的中心反而呈现正异常, 这是气旋涡引起该区域海水上升的结果。从垂直结构上看, 表层流速最大可达0.6 m/s, 流速随着深度的增加而急剧减小, 3个涡旋在0~1 000 m都能清楚地观察到涡旋结构。根据不同深度温盐异常剖面的涡旋结构, 可以发现3个气旋涡的另一个特征是随着深度的增加, 涡旋的中心位置没有发生明显的偏移, 这与Zhang等(2016)观测到的南海北部中尺度涡中心西向倾斜结构不同。

结合3个涡旋温盐异常的三维结构, 可以发现CE2和CE3的东北侧有温盐异常明显升高的现象, 这一现象可能与CE2和CE3的中间时刻所处的时期是黑潮入侵南海强度最强的季节有关(方国洪等, 2002; 王兆毅等, 2016), 高温高盐的黑潮水入侵南海, 可以改变流经区域的背景温盐特性。CE1的中间时刻在夏季末, 这个时期是黑潮入侵南海强度比较弱的季节, 涡旋东北侧温盐异常升高的现象相对于另外两个涡旋较弱可能也与此有关。以上分析表明, 不同气旋涡的温盐异常主体结构及影响深度虽然相似, 但还是有一些差异, 可能跟涡旋存在期间风场和黑潮入侵等因素有关。

2.3 涡旋生成时刻的能量收支分析

海洋中的能量形式主要有涡动能(E_EK)、平均流动能(E_MK)、涡动势能(E_EP)和平均流势能(E_MP)四种(Xie et al, 2007), 计算公式分别为

其中, N是平均位势密度的垂向梯度, ρ'是密度异常, u'和v'是流速异常, g为重力加速度, 上划线表示时间平均, 点撇表示和平均值的偏差。

平均动能与涡动能的相互作用与正压不稳定有关, 正压不稳定过程由水平剪切主导。正压转换率(R_BT)为正值时代表能量从平均流动能向涡动能转换, 为负值时代表涡旋能量衰减。平均势能与涡势能的相互作用与斜压不稳定有关, 斜压不稳定过程由水平温度/密度梯度或者速度垂向剪切主导。斜压转换率(R_BC)为正值时代表能量从平均势能向涡势能转换, 最后再转移到涡动能, R_BC为负值则代表涡旋能量衰减, 能量从涡向平均流动能和势能转化(徐安琪, 2021; Yan et al, 2022)。正压转换率R_BT和斜压转换率R_BC的计算公式如下:

其中, x和y分别是纬向和经向, w'是垂直流速异常。再分析数据中只有水平流速, 垂向流速可由水平流速和深度等数据计算得到(Greene et al, 2019), 计算公式如下:

方程两边对深度z积分后可得:

其中, 为水平散度。

基于图 4和图 5, 可以发现在气旋涡的生成时刻, 涡旋的影响深度大致在600 m, 因此在研究涡旋生成机制时只选取0~600 m的深度范围。图 8是3个气旋涡生成时刻0~600 m的深度平均的正压转换率和斜压转化率水平分布图, 从图 8可以看出: 南海东北部正压转换率和斜压转换率正负值交替分布, 说明这个区域平均流和涡旋之间动能的能量转换非常频繁。在涡旋生成时刻, 涡旋位置附近正压转换率基本都为正值, 表示能量从平均流动能向涡动能转移; 涡旋位置附近的斜压转换率基本为负值, 说明一部分能量从涡势能转化成平均流势能。因此, 黑潮锋面的水平剪切导致的正压不稳定性是这3个气旋涡生成所需能量的主要来源。Zhang等(2017)研究发现黑潮流套北侧的水平剪切导致的正压不稳定性是台湾岛西南海域气旋涡的生成所需能量的主要来源。本文研究的3个气旋涡在黑潮锋面左侧生成, 黑潮锋面不稳定性是吕宋海峡西侧气旋涡生成主要原因, 气旋涡生成后能量从涡势能向平均流势能转化, 可能是这个区域气旋涡存在时间较短的原因。

3 结论

本文利用卫星高度计数据和再分析数据, 在吕宋海峡西侧选取了2018~2019年间的3个气旋涡, 分析统计了气旋涡的三维结构和演变特征, 并初步讨论了其生成机制。研究结果如下:

(1) 气旋涡在吕宋海峡西南部黑潮主轴左侧生成, 生成后都向西移动, 3个涡存在时间在半个月到一个半月之间, 半径在47~87 km之间, 西向移动距离在57~255 km之间。CE3是3个涡旋中强度最强的涡, 其生命周期、半径和西向移动距离都要大于另外两个涡旋, CE1次之, CE2最弱。3个气旋涡具有相对较短的生命周期, 其存在时间、半径和西传距离都要小于该海域气旋涡的平均值。

(2) 气旋涡垂直深度可达1 200~1 600 m, CE2、CE1和CE3的垂直深度依次递增。中心温度为负异常, 垂向上呈现单核结构, 冷核的位置大约在50~ 600 m处, 200~300 m左右达到最大值, 峰值在−1.5~ 2 ℃之间。气旋涡盐度异常的中心也为负异常, 中心盐度异常垂向上呈现“正-负-正”的三核结构, 低盐异常的峰值可达−0.26。

(3) 气旋涡最大旋转速度在表层可以达到0.4~ 0.6 m/s, 随着深度的增加, 流速逐渐减小, 涡旋中心随深度没有出现明显倾斜。涡旋东北侧海水温盐异常与不同涡旋存在期间黑潮入侵南海的强弱有关。

(4) 吕宋海峡黑潮的水平剪切导致的正压不稳定性是气旋涡生成的主要因素, 能量从平均流动能向涡动能转移, 为气旋涡的生成提供了能量。

本文以2018~2019年黑潮诱生的3个气旋涡为例研究了其三维结构特征和生成机制, 但气旋涡每年都会产生, 我们没有统计所有年份的气旋涡, 其季节和年际变化规律尚不清楚？因此针对该区域更多气旋涡旋开展研究是我们下一步的工作。