南海是西北太平洋最大最深的半封闭边缘海,它在南部与苏禄海和爪哇海相连,在东北部与中国东海及太平洋相连,另外通过马六甲海峡与印度洋相连。因此,南海动力热力过程不仅具有区域独立性,同时其水团性质(温、盐等)也受外海的影响[1,2,3]。南海是涡旋高频活动的区域[4,5,6,7,8,9],且大量研究表明反气旋涡(AEs)和气旋涡(CEs)有一定传播的规律[10,11,12,13,14,15,16]。在南海北部,AEs和CEs都从吕宋海峡西部开始沿大陆架传播,直到海南岛东南部。在南海中部盆地,CEs和AEs从吕宋岛西部向西传播。在南海南部,虽然CEs和AEs都显示出西南向的迁移路径,但CEs传播的更持久。AEs和CEs之间主要传播通道的差异可能是盆地中海底地形或洋流等各种影响的结果[7,12,15]。

中尺度涡旋在区域海洋和全球海洋上的水平热量和盐运输中都发挥着重要作用[13,17,18,19,20]。与此同时,人们也观察到中尺度涡旋引起的SST变化对大气边界层产生了重大影响[21,22]。已有大量的研究不同海域中尺度涡旋的海温异常(SSTA)特征:东北大西洋[23],墨西哥湾流[24],北大西洋和南大洋[25],南大西洋[26,27,28],阿古拉斯反转流[29]和黑潮延伸体[30,31,32]。研究表明,对于涡旋强度较大的区域,涡旋SSTA特征与海面高度异常(SSHA)结构非常相似,表现为单极子。但在涡旋强度较弱的区域,涡旋内SSTA与SSHA的空间模式不一致,表现为偶极子[25,33]。

已有研究指出南海锋面对海表的风场和大气边界层有重要影响[34,35,36],但由于对南海中尺度涡内SSTA特征的研究较少,因此人们对中尺度涡海气相互作用的了解还比较匮乏。目前南海中尺度涡旋内SSTA的研究主要是对南海单个涡、特定区域或季节的涡旋内SSTA的空间合成模式的研究。如Wang等[36]研究2006—2010年期间位于吕宋岛西部的CE,发现冷(暖)SSTA分布在涡内的西北(东南)部分。Chow等[37]研究了南海北部在10月—次年4月的AEs和CEs内的SSTA特征,观察到冷(暖)SSTA位于AEs的东(西)部分,而冷(暖)SSTA位于CEs的(西)(东)部分。Sun等[38]研究了南海1999—2009年夏季和冬季的涡旋上的SSTA。结果表明,SSTA在夏季为单极型,但在冬季表现为偶极子。

南海是中国的核心战略海区,且是中尺度涡现象活跃的海域,全面了解南海中尺度涡SST的特征,对于开展中尺度涡旋上的海气相互作用以及能量交换的研究具有重大意义。因此,本文从空间分布,季节变化和合成模式,以及与SSHA的关系等方面对南海中尺度涡旋上的SSTA进行全面评估。

1、数据及方法

1.1数据

1.1.1SSHA数据

本文采用的是0.25°网格的SSHA天平均数据,该数据由Ssalto/Duacs生产,并由法国卫星海洋存储、验证、解译分发。采用该产品中all-satmerged数据,即融合了所有可用的高度计卫星,包括TOPEX/Poseidon(TP),Jason-1和2,ERS-1&2,ENVISAT,GeosatFollowOn(GFO),Cryosat-2,Saral/AltiKa和Haiyang-2A,时间跨度从1993年至2018年6月。由于观测海洋中尺度变化需要至少3个高度计数据[39,40,41],因此本文选择2000—2015年的SSHA数据进行研究。

1.1.2SST数据

SST数据集是Reynolds等[42]提供的SST天数据产品,其分辨率为0.25°。OISST数据集的数据来源为红外辐射计,并由现场观测和海冰浓度计算的SST提供补充信息,修正遥感数据的大尺度偏差。OISST数据集从1981年发布至2017年12月,但本文使用其2000—2015年的数据,以保持与SSHA数据集一致。

1.2方法

1.2.1涡旋识别及追踪算法

本文基于改进的SSHA等高线的涡旋识别方法[43],原理是假设涡旋的流线大致对应于封闭的SSHA等高线,通过检索SSHA的闭合等高线来识别涡旋[44]。同时,利用并行技术来提高涡旋识别效率。SSHA的闭合等高线应满足以下条件才被识别为涡旋:(1)位于水深大于200m的区域[45];(2)半径大于35km[46];(3)振幅大于2cm[47]。

本文采用Chelton等[44]提到的最近邻涡旋追踪算法。根据当前时间帧t1时刻的涡旋e1与下一时间帧t2时刻一定范围(D)内相同类型的涡旋e2的面积和振幅进行比较,若比值在0.25～2.75之间,则e1和e2是同一个涡旋。搜索距离D被设置为罗斯贝波在一天时间步长中传播的距离的1.75倍。本文只考虑生命周期大于28天的涡旋[14]。

1.2.2涡旋上SSTA合成分析方法

对于半径为r的涡旋,选取以涡心为圆心且半径为3r的圆形区域。该区域由两部分组成:涡旋区域和涡旋背景区域。以涡心为圆心,半径为r的圆是涡旋区域,围绕涡旋区域的半径为2r的圆环为涡旋背景区域。而涡旋上的SSTA则定义为涡旋区域与涡旋背景区域的平均SST的差值。随后,为了在涡旋上构建合成SSTA,将半径为3r的涡旋圆形区域的SSTA场插值到相同像素个数的均匀网格上,并通过涡旋半径r进行归一化。

2、结果及分析

2.1南海涡旋基本特征

2000—2015年期间,在南海共识别出1106个AEs轨迹和1167个CEs轨迹(见图1)。由图1可见,具有较长生命周期(>12周)的涡旋倾向于沿着特定的传播通道聚集在一起[11,12,15],而寿命较短(≤12周)的涡旋的分布没有明显的规律。由图1(a)可以观察到3个主要的AEs传播通道。其中一条位于南海北部(北(A)),AEs产生于吕宋海峡西部,并沿着大陆坡向西南方向传播,一直到海南岛南部结束。另一条位于南海中部(中(A)),从吕宋岛西部开始,通过南海的中央盆地向西传播,一直到越南海岸东侧。除上述传播通道外,AEs越南东部还有一个南向走廊(南(A)),涡旋从～17°N传播到～10°N。CEs同样可以看到3个传播通道(见图1(b)),其中两个(北(C),中(C))传播通道与AEs的北部和中部传播通道相似。另一个则位于AEs南部传播通道的南部(南(C)),由在越南海岸东侧～12°N开始,并向西南方向传播,到～5°N结束。图1观测到的涡旋传播通道与Du等[15]和Zhuang等[12]的结果高度一致。

Fig.1AEsandCEstrajectoriesintheSCS

点代表涡旋出生地，线代表涡旋轨迹，颜色代表生命周期，青色线代表涡旋生命周期为4～6周，蓝色线为7～9周，橙色线为10～12周，红色线则为大于12周，N为涡旋轨迹数量。

2000—2015年期间,南海平均每年有142个中尺度涡旋,其平均寿命为50天(见图2(a)),平均半径为72km(见图2(b)),平均振幅为3cm(见图2(c)),与Xia等[48]的研究结果基本一致。Xia等[48]研究了南海1993—2014年间寿命不短于35天,半径大于50km的涡旋,得到涡旋年平均数量为159个,平均寿命为58天,平均半径为85km。但是,本文的统计结果与Chen等[14]和Liu等[49]的结果有所差异。Chen等[14]观测到1992—2009年南海寿命不短于28天涡旋的年平均数量为48个,平均寿命为62天,平均半径为132km。而Liu等[49]则观测到2000—2012年南海涡旋的年平均数量为50个,平均寿命为45天,平均半径为152km。对比可知,本文和Xia等[48]得到的年平均涡旋数量约为Chen等[14]和Liu等[49]的3倍,而前者涡旋半径大约是后者的一半。这种差异反映了SSHA产品的时间分辨率对涡旋识别和追踪的影响。本文和Xia等[48]使用了天平均的SSHA产品,而Chen等[14]和Liu等[49]则使用周平均的SSHA产品。不同研究结果的涡旋寿命和半径的差异表明,周平均的SSHA数据平滑了寿命短,半径小的涡旋,从而识别到的中尺度涡旋的寿命更长,半径更大。

图2南海2000—2015年中尺度涡旋(a)生命周期、(b)半径和(c)振幅的分布图

2.2个例研究

本节研究了AEs和CEs中最长寿命的2条涡旋轨迹(见图3(a))的中尺度涡旋的平均SSTA。平均SSTA是涡流影响区域内的平均SSTA。AE轨迹形成于2009年11月19日台湾岛南部,沿2000m等深线向西南方向移动,经过275天后(2010年8月13日)在海南岛东南部消失。CE轨迹在2009年1月9日吕宋岛西部产生并向西传播,在215天后(2009年7月29日)于～17°N,113°E消失。图3(b)(3(c))为涡旋内平均SSTA和涡旋振幅(Amp)从涡旋产生到消亡的变化曲线。结果表明,AE(CE)轨迹上涡旋内的平均SSTA不总是正(负)。大约56%的AEs内的平均SSTA为正,大约75%的CEs内的平均SSTA为负。此外,SSTA与涡旋振幅之间没有明显的相关性。为了排除个例的偶然性,还需要对南海所有涡旋内的SSTA进行研究。

图3南海2条涡旋的轨迹及其SSTA和振幅的变化

2.3涡旋SSTA的时空特征

不同于以往研究中关注具有较大振幅[33,50]或所有振幅范围[49]的涡旋上的SSTA特征,本文将南海1106AEs轨迹上的28609个AEs实例和1167CEs轨迹上的30381个CEs实例,根据振幅范围的百分比分为4组:0%～55%(2～4.4cm),55%～85%(4.4～7.4cm),85%～95%(7.4～10.2cm)和95%～100%(10.2～26.4cm),来具体研究不同振幅范围内涡旋上SSTA的特征。另外,考虑到SST的测量误差[51,52],本文将与SSTA呈正相关的AEs(CEs)定义为涡旋半径内平均SSTA>0.2℃(<-0.2℃)。

图4展示了4组不同振幅范围的AEs和正相关AEs的空间分布。约56%振幅范围在10.2～26.4cm的AEs内的平均SSTA>0.2℃,且基本上分布在AEs的北部和南部传播通道(见图4(a))。值得注意的是,只有～46%振幅范围在7.4～10.2cm的AEs是正相关的,主要分布在AEs的3个传播通道上(见图4(b))。随着振幅的下降,呈正相关AEs的比率也在下降。振幅范围为4.4～7.4cm(见图4(c))和2～4.4cm(见图4(d))的AEs是正相关的比率分别为～39%和～29%。另外,相比于振幅范围为7.4～26.4cm的正相关AEs沿涡旋传播通道分布的特征,振幅范围为2～7.4cm的正相关AEs在整个南海盆地上的分布则相对随机。总体来说,南海有28609个AEs,其中有10132个AEs与SSTA呈正相关,即南海正相关AEs的比率为～35%。

图4南海0.25°×0.25°区域不同振幅范围反气旋涡的数量分布

同样,本文分析了南海不同振幅范围内CEs的SSTA空间分布特征(见图5)。对于振幅范围为10.2～26.4cm的CEs(见图5(a)),～50%的CEs内平均SSTA<-0.2℃,即为正相关CEs,且主要分布在CEs的北部和南部传播通道上。而只有～40%振幅范围在7.4～10.2cm的CEs是正相关的,且主要分布在CEs的3个传播通道上(见图5(b))。与AEs相同的是,随着振幅的下降,呈正相关CEs的比率也在下降。振幅范围为4.4～7.4cm(见图5(c))和2～4.4cm(见图5(d))的CEs是正相关的比率分别为～32%和～24%,且在整个南海盆地上呈相对随机的分布特征。南海有30381个CEs,其中有8757个CEs与SSTA呈正相关,因此南海正相关CEs的比率为～29%。

图5南海0.25°×0.25°区域不同振幅范围气旋涡的数量分布

正相关涡旋不仅在不同振幅范围内具有不同的空间分布特征,同时也有明显的季节变化(见图6)。对于振幅范围在10.2～26.4cm(见图6(a))的AEs和正相关AEs,它们大多在冬季和夏季产生,且在春季出现次数最少。振幅范围在7.4～10.2cm(见图6(b))的AEs和其正相关AEs则多发生在春季和夏季,且在冬季出现次数最少。另外,振幅范围在4.4～7.4cm(见图6(c))和2～4.4cm(见图6(d))的AEs主要产生于春夏季节,而其正相关AEs则主要出现在春季。

南海CEs的季节变化与AEs有明显差异。振幅范围在10.2～26.4cm的CEs和其正相关CEs(见图6(e))主要发生在秋季,其他季节则几乎没有CEs出现。振幅范围在7.4～10.2cm的CEs和其正相关CEs(见图6(f))同样主要出现在秋季,其次为冬季。振幅范围为4.4～7.4cm(见图6(g))和2～4.4cm(见图6(h))主要产生于春冬季节,而其正相关CEs则主要出现在冬季。

图6南海不同振幅范围涡旋数量的季节分布

2.4涡旋SSTA合成图

为了研究SSTA在涡旋内的空间特征,本文构建了在不同振幅范围内AEs和CEs内SSTA的合成图。涡旋振幅范围在10.2～26.4cm的AEs(见图7(a))基本上落在SSTA为正的区域,且涡心处的SSTA的值为0.3℃。随着振幅的降低(见图7(b)～(d)),涡旋内负SSTA的面积增加,涡心的SSTA从0.3℃降低到0℃。然而,4组不同振幅范围的正相关AEs完全位于SSTA为正的区域内(见图7(e)～(h)),其涡心的SSTA分别为0.7,0.6,0.5和0.4℃,均大于对应涡旋振幅范围AEs涡心的SSTA的值。

除了SSTA的符号相反的外,CEs上的合成SSTA(见图8)与AEs具有相似的结果。涡旋振幅范围在10.2～26.4cm的CEs(见图8a)基本上落在SSTA为负的区域,且涡心处的SSTA的值为-0.3℃。随着振幅的降低(见图8(b)～(d)),涡旋内的正SSTA的面积增加,涡心的SSTA从-0.3℃增加到0℃。4组不同振幅范围的正相关CEs则完全位于SSTA为负的区域内(见图8(e)～(h)),其涡心的SSTA分别为-0.7,-0.6,-0.5和-0.4℃,均小于对应振幅范围CEs涡心处的SSTA值。

值得注意的是,无论AEs还是CEs,涡旋内SSTA均和SSHA位相不一致,涡旋内SSTA的极值相对于涡心分别偏向于赤道和两极的方向。这是由于中尺度涡不仅可以通过引起海水的下降和上升来改变SST,另外,其顺时针或逆时针的旋转引起跨等温线的平流输送也会改变SST。因此,涡旋所在海域的SST梯度方向和涡旋的旋转方向都会影响涡旋内SST的分布[33]。在南海东南方向的大尺度SST梯度背景下,AEs顺时针旋转,在涡旋的西(东)部引起由南向北(由北向南)的暖(冷)水平流;而CEs逆时针旋转,其引起的SST平流则与反气旋涡相反。因此涡旋内SSTA和SSHA呈现位相不一致的分布特征。

2.5涡旋SSTA-SSHA的关系

如2.4节所述,较大振幅的涡旋在涡心具有较大的SSTA绝对值。为了定量评估南海涡旋内SSTA和SSHA之间的相关性,我们计算了正相关涡旋内平均SSTA和SSHA的相关系数。图9为正相关AEs和CEs内平均SSTA随涡旋振幅变化结果。图中点和正方形分别代表AEs和CEs对应振幅范围的平均SSTA,误差条代表落入该振幅范围内全部SSTA样本的1个标准差。通过最小二乘法拟合得到涡旋内SSTA和SSHA的线性拟合直线,其1个标准误差的置信区间以阴影显示。拟合直线的斜率(S)即为SSTA和SSHA的相关系数。由图可知,对于正相关的AEs(CEs),涡旋振幅每增加1cm,涡内平均SSTA增加(降低)0.02(0.01)℃。

图7南海不同振幅范围的反气旋涡和正相关反气旋涡的SSTA合成图

图8南海不同振幅范围的气旋涡和正相关气旋涡的SSTA合成图

黑点为涡心,黑色圆为涡旋边界,黑色线代表SSTA为0的等温线。

图9正相关涡旋内平均SSTA随涡旋振幅的变化图

3、结语

利用16年(2000—2015年)的卫星观测数据,本文对南海中尺度涡旋内SSTA的特征进行统计分析。通过研究2个最长寿命AE和CE轨迹上的SSTA,发现AEs(CEs)内的SSTA并不总是正(负)的。根据振幅范围将在南海观测到的1106个AEs轨迹和1167个CEs轨迹分为4组:0%～55%(2～4.4cm),55%～85%(4.4～7.4cm),85%～95%(7.4～10.2cm)和95%～100%(10.2～26.4cm)。同时,将AEs(CEs)内平均SSTA>0.2℃(<-0.2℃)的涡旋被定义为正相关涡旋。然后,对南海涡旋内SSTA的时空特征,SSTA合成图模式及SSTA-SSHA的关系进行研究。

研究表明,共有35%的AEs和29%的CEs与SSTA呈正相关。另外随着振幅的增加,AEs和CEs呈正相关的比率也随之增加,从高振幅到低振幅的比率分别为56%、46%、39%、29%和50%、40%、32%、24%。另外,正相关AEs和CEs在振幅范围为7.4～26.4cm时分别在夏季和秋季的出现次数最多,且主要分布在各自的3个传播通道上;而振幅范围在4.4～7.4cm和2～4.4cm时则分别在春季和冬季的出现次数最多,且随机分布在整个南海盆地。

基于涡旋SSTA的合成分析发现,当涡旋振幅增加时,正相关AEs(CEs)涡心处的平均SSTA也随之增加(减小)。同时,不同振幅范围内的AEs(CEs)涡心处的平均SSTA比其对应的正相关AEs(CEs)小(大)0.3℃。AEs(CEs)内SSTA和SSHA位相不一致,SSTA的最大值(最小值)相对于涡心偏向赤道(两极)方向。对正相关涡旋内平均SSTA和SSHA的相关性进行分析,发现其是线性相关的。涡旋振幅每增加1cm,正相关AEs(CEs)内平均SSTA增加(降低)0.02(0.01)℃。

本文对南海中尺度涡内SST的特征进行了定量描述,为评估南海中尺度涡在热量输送和海气交互中的作用提供科学依据,同时也为改进气候模式的模拟和预报提供了重要依据。另外,由于中尺度涡引起的海洋动力过程复杂,涡旋内SST信号容易受其它动力过程的影响,本文只关注了南海海域与SSTA呈正相关的中尺度涡,而没有对与SSTA呈负相关的异常中尺度涡(即反气旋涡内SSTA为负、气旋涡内SSTA为正)进行研究。要了解异常中尺度涡出现的原因,则需要更多的数据和实验进行深入研究。

刘颖洁,田丰林,陈戈.南海中尺度涡旋海表温度特征统计研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2020,50(05):146-156.

基金:国家海洋环境安全保障重点专项项目(2016YFC1401008)资助.