南海中尺度渦年際變化特征及動(dòng)力機(jī)制分析*

崔鳳娟 匡曉迪 王 玉

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院 青島 266100; 2. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100081)

中尺度渦是世界海洋中無(wú)處不在的一種海洋現(xiàn)象, 是指與所研究的大背景流場(chǎng)相比尺度要小的氣旋式或反氣旋式海洋環(huán)流, 通常典型的空間尺度為幾十到幾百公里, 時(shí)間尺度為幾天到上百天。觀測(cè)資料與衛(wèi)星資料均顯示南海的中尺度渦活動(dòng)十分活躍,而南海中尺度渦的基本物理屬性尚未被完全了解,因此基于長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星觀測(cè)資料, 選擇易行、合理的自動(dòng)渦旋檢測(cè)算法進(jìn)行渦旋識(shí)別, 對(duì)南海中尺度渦進(jìn)行定性與定量研究, 并分析其季節(jié)和年際變化特征, 仍是一個(gè)十分重要的課題。

以往基于衛(wèi)星觀測(cè)資料的研究對(duì)南海中尺度渦的空間分布達(dá)成了較為一致的觀點(diǎn)。Wang等(2000)利用1992—1997年的TOPEX/Poseidon(T/P)數(shù)據(jù), 僅在10°N以北的兩個(gè)條帶狀海區(qū)發(fā)現(xiàn)顯著的南海中尺度現(xiàn)象: 較強(qiáng)的一支沿著北部/西部邊界, 靠近2000m等深線; 另一支是約 450km寬的東北—西南走向的條帶, 從越南沿岸延伸至呂宋海峽。Wang等(2003)基于南海中尺度渦的產(chǎn)生機(jī)制, 把南海分成 4個(gè)海區(qū), 分別是臺(tái)灣島西南、呂宋島西北、呂宋島西南以及越南外海, 并描述了南海中尺度渦的時(shí)空特征。林鵬飛等(2007)利用1993—2001年的衛(wèi)星資料進(jìn)行渦旋統(tǒng)計(jì), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)南海西北部和東南部渦旋較少, 120°E以東呂宋海峽附近主要產(chǎn)生反氣旋渦,14°—15°N, 118°—120°E 區(qū)域內(nèi)亦經(jīng)常出現(xiàn)反氣旋渦,氣旋渦幾乎不出現(xiàn)。

南海中尺度渦的生成及分布具有明顯的季節(jié)特征。以往的研究表明, 不同月份產(chǎn)生的渦旋個(gè)數(shù)沒(méi)有明顯的季節(jié)變化, 但是夏季有利于生成反氣旋渦, 冬季則有利于生成氣旋渦。南海中尺度渦分布的季節(jié)規(guī)律表現(xiàn)為: 冬季, 冷渦主要分布在呂宋島西北和越南外海, 而暖渦主要出現(xiàn)在呂宋西南、臺(tái)灣島西南以及越南外海; 春季, 暖渦在呂宋西北和南海中央海盆處得到充分發(fā)展; 夏季, 暖渦主要分布在越南東南和呂宋以西海域, 而冷渦分布于越南外海; 秋季, 冷渦主要分布在越南沿岸, 暖渦則分布在南海東北部(Wang et al, 2003; 程旭華等, 2005; 林鵬飛等, 2007; Xiu et al, 2010)。林鵬飛等(2007)利用1993—2001年的衛(wèi)星資料統(tǒng)計(jì)得到9年間南海共產(chǎn)生中尺度渦163個(gè), 其中反氣旋渦84個(gè), 氣旋渦79個(gè), 渦旋出現(xiàn)數(shù)量沒(méi)有明顯的季節(jié)變化, 春、夏季反氣旋渦多于氣旋渦, 秋季氣旋渦多于反氣旋渦。Xiu等(2010)基于衛(wèi)星觀測(cè)及模式數(shù)據(jù)進(jìn)行南海中尺度渦識(shí)別及統(tǒng)計(jì), 結(jié)果顯示春季是生成反氣旋渦的最有利季節(jié), 秋季是生成氣旋渦的最有利季節(jié), 而5月份產(chǎn)生的冷、暖渦均較少, 他們認(rèn)為這可能是風(fēng)場(chǎng)變化導(dǎo)致的。

中尺度渦有相當(dāng)大的動(dòng)能, 在海洋運(yùn)動(dòng)能量譜中是一個(gè)顯著的峰區(qū)(王桂華等, 2005)。渦動(dòng)能(eddy kinetic energy, EKE)也是定量衡量渦旋活動(dòng)的重要物理量之一。Hwang等(2000)利用T/P高度計(jì)資料發(fā)現(xiàn),EKE的季節(jié)性循環(huán)很大程度上受控于季風(fēng)的季節(jié)性轉(zhuǎn)向, 并受 El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)事件的年際調(diào)控。Chen等(2009)指出, ENSO通過(guò)大氣橋—風(fēng)應(yīng)力旋度影響南海的渦動(dòng)能年際信號(hào), 而季節(jié)周期是南海渦動(dòng)能變化最顯著的時(shí)間尺度。Xiu等(2010)基于衛(wèi)星觀測(cè)及模式數(shù)據(jù)計(jì)算比較了南海全域平均的 EKE, 模式結(jié)果顯示秋季渦動(dòng)能明顯高于其他季節(jié)。

以往對(duì)南海中尺度渦年際變化特征進(jìn)行研究的文章較少。林鵬飛等(2007)利用1993—2001年的衛(wèi)星資料對(duì)渦旋個(gè)數(shù)的年際變化進(jìn)行了分析, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)1996年和 2000年出現(xiàn)較多的渦旋, 而相應(yīng)的1995—1996年和1999—2000年間都發(fā)生La Ni?a事件, 在1997—1998年間發(fā)生El Ni?o事件與1998年產(chǎn)生的渦旋數(shù)量較少也能很好地聯(lián)系起來(lái), 但是林等所用數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度較短。高理等(2006)對(duì)黑潮延伸區(qū)和南海的中尺度渦進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 選擇海平面異常(sea level anomaly, SLA)大于和小于同期均值20cm的數(shù)據(jù), 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)隨時(shí)間變化, 但由于方法的限制他們僅對(duì)較大強(qiáng)度渦旋的面積進(jìn)行了研究。

本文使用法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心(AVISO)提供的延遲時(shí)間海表面高度異常格點(diǎn)數(shù)據(jù), 采用Okubo-Weiss函數(shù)方法結(jié)合人為設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行渦旋識(shí)別, 分析了南海中尺度渦的時(shí)空分布, 統(tǒng)計(jì)了渦旋個(gè)數(shù), 計(jì)算了兩個(gè)定量衡量中尺度渦物理量: 渦區(qū)面積和渦動(dòng)能, 從而研究了南海中尺度渦的年際變化特征, 并對(duì)其動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行初步探討。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 高度計(jì)資料介紹

本文使用的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)為法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心(AVISO)提供的延遲時(shí)間海表面高度異常格點(diǎn)數(shù)據(jù)(DT-MSLA), 該數(shù)據(jù)是TOPEX/ Poseidon、Jason-1、ERS-1和ERS-2等高度計(jì)的融合產(chǎn)品, 已經(jīng)減去了7年(1993年1月—1999年12月)的平均海表面高度。數(shù)據(jù)集的空間覆蓋范圍為全球, 水平方向采用Mercator坐標(biāo)系, 分辨率為 1/3°×1/3°cosθ(θ是緯度)。文中選用周平均數(shù)據(jù), 空間范圍為 2°N—25°N, 105°E—123°E, 時(shí)間范圍為1993年至2012年。

1.2 渦旋識(shí)別方法

本文采用Okubo-Weiss函數(shù)方法(O-W方法)結(jié)合人為設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行渦旋識(shí)別。

Okubo(1970)和 Weiss(1991)引進(jìn) Okubo-Weiss 函數(shù) q用以進(jìn)行流場(chǎng)分區(qū), 并鑒別出流場(chǎng)中的渦旋結(jié)構(gòu)。該函數(shù)定義為:其對(duì)變形和旋轉(zhuǎn)的相對(duì)重要性進(jìn)行了量化。其中為平方變形率, 描述流體的變形;2ω是渦度擬能, 描述流體的旋轉(zhuǎn)。是與線度變化(容變)相關(guān)的速度變形量,是與畸變相關(guān)的速度變形量。二者分別表征引起流體元壓縮和膨脹的流體元表面法向脹壓過(guò)程和通過(guò)角變形來(lái)體現(xiàn)的流體元表面切向剪切過(guò)程。是相對(duì)渦度的垂直分量,表征流體水平旋轉(zhuǎn)。

Okubo-Weiss函數(shù)的物理意義可以理解為: q＞0時(shí), 流場(chǎng)以變形為主, q＜0時(shí), 流場(chǎng)以旋轉(zhuǎn)為主, 即以渦旋形式存在。因此, 在實(shí)際應(yīng)用中往往取一負(fù)的參數(shù) q0(q0取為–0.2δq, δq為全區(qū) q的標(biāo)準(zhǔn)差), 將流區(qū)分為三個(gè)部分: q≥–q0的區(qū)域, 流場(chǎng)以變形為主;q≤q0的區(qū)域, 流場(chǎng)以旋轉(zhuǎn)為主; 而 q0＜q＜–q0的區(qū)域,則為背景場(chǎng)區(qū)。

O-W 方法鑒別中尺度渦的優(yōu)勢(shì)在于: 僅利用SLA數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的單一函數(shù)q即可將二維流場(chǎng)分區(qū),從而識(shí)別出渦旋結(jié)構(gòu)。其缺陷在于: 該方法局限于探測(cè)渦核心區(qū)(Basdevant et al, 1994), 可能對(duì)渦旋半徑及渦區(qū)面積有所低估, 另外, 此方法有渦旋數(shù)量探測(cè)過(guò)剩的趨勢(shì)(Nencioli et al, 2010)。考慮到O-W方法本身并未對(duì)渦旋的水平尺度、強(qiáng)度等進(jìn)行限制, 這可能是造成其識(shí)別出的渦旋數(shù)量過(guò)剩的原因之一, 故在O-W 函數(shù)方法的基礎(chǔ)上, 設(shè)定以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行渦旋識(shí)別(本文識(shí)別出的中尺度渦實(shí)為渦旋核心區(qū))

①O-W 參數(shù)閾值 q0的閉合等值線作為渦旋核心的邊界;

②以 q0閉合等值線上最東與最西端、最南與最北端之間距離之和的一半作為渦旋直徑, 直徑超過(guò)90km方為渦旋核心區(qū);

③以 q0閉合等值線上所有點(diǎn)的經(jīng)緯度平均值作為渦旋中心點(diǎn)的經(jīng)緯度。鑒于高度計(jì)資料在淺海誤差較大, 中心位于1000m以淺海域的渦旋不作統(tǒng)計(jì);

④將渦旋中心與邊界的高度差定義為渦旋的強(qiáng)度。由于高度計(jì)SLA資料的測(cè)量誤差一般為2—3cm,在整個(gè)生命歷程中渦旋的強(qiáng)度不小于4cm;

⑤借鑒林宏陽(yáng)等(2012)的標(biāo)準(zhǔn), 本文對(duì)渦旋“傳播”的定義為: 相鄰兩個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)渦旋中心的移動(dòng)距離不超過(guò)100km。在此基礎(chǔ)上對(duì)中尺度渦的統(tǒng)計(jì)要求其從開(kāi)始到結(jié)束的持續(xù)時(shí)間不短于5周。

2 結(jié)果與分析

2.1 南海中尺度渦的空間分布

圖1展示了O-W方法結(jié)合本研究設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行渦旋識(shí)別所得到的南海中尺度渦的空間分布在。圖中標(biāo)記的是渦旋產(chǎn)生時(shí)的中心位置。如圖所示, 南海中尺度渦大都產(chǎn)生于 2000m以深海域, 冷暖渦幾乎遍布 10°N以北除東南部外的整個(gè)南海深海海盆,10°N以南海域幾乎沒(méi)有中尺度渦生成。渦旋集中于越南東南海域、呂宋島以西海域、臺(tái)灣島西南海域以及沿著海盆西北部2000m等深線分布。這與Hwang等(2000), Wang等(2000), 程旭華等(2005), 林鵬飛等(2007)的結(jié)果較為一致。此外, 本文結(jié)果還驗(yàn)證了林鵬飛等(2007)的結(jié)論: 120°E以東呂宋海峽附近以及 14°—15°N、118°—120°E 區(qū)域內(nèi)幾乎不會(huì)產(chǎn)生氣旋渦。

圖1 渦旋源地空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of eddy birthplace

2.2 南海中尺度渦的季節(jié)變化

2.2.1 渦旋的空間分布 經(jīng)O-W方法結(jié)合本研究所設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別, 圖2按不同季節(jié), 即春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—次年 2月)展示了1993年3月至2013年2月20年間統(tǒng)計(jì)得到的南海中尺度渦空間分布。南海中尺度渦的生成及分布具有明顯的季節(jié)變化特征: 冬季, 冷渦明顯多于暖渦, 冷渦主要產(chǎn)生于呂宋島西北、越南以東偏南海域, 而暖渦主要分布在呂宋島西南、越南以東偏北海域以及海盆北部2000m等深線; 春季, 呂宋島西北的冷渦開(kāi)始衰退, 越南以東偏北海域的反氣旋渦得到進(jìn)一步發(fā)展, 冷渦主要分布在臺(tái)灣島西南以及越南以東偏南海域; 夏季, 冷渦較少, 幾乎只在越南以東偏北海域出現(xiàn), 暖渦主要集中在越南東南海域、呂宋島西北海域以及海盆西北部2000m等深線; 秋季, 越南東南海域的暖渦開(kāi)始衰退, 冷渦主要分布在深海海盆的西南部, 暖渦則主要集中于呂宋西北、臺(tái)灣島西南。值得注意的是, 在越南東南海域和呂宋島以西海域分別有兩群渦旋聚集。在越南東南, 冬季氣旋渦控制著南部, 反氣旋渦控制著北部, 此現(xiàn)象一直持續(xù)到春季,夏季與之相反, 氣旋渦控制著北部, 反氣旋渦控制著南部; 呂宋島以西, 冬季氣旋渦控制著北部, 反氣旋渦控制著南部。

2.2.2 渦旋個(gè)數(shù) 逐月統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生于1993年3月至2013年2月20年間的南海中尺度渦旋個(gè)數(shù), 如圖3所示。春季產(chǎn)生中尺度渦138個(gè), 其中61個(gè)氣旋渦,77個(gè)反氣旋渦; 夏季產(chǎn)生中尺度渦 123個(gè), 其中 43個(gè)氣旋渦, 80個(gè)反氣旋渦; 秋季有106個(gè)中尺度渦產(chǎn)生, 其中46個(gè)氣旋渦, 60個(gè)反氣旋渦; 冬季有122個(gè)中尺度渦產(chǎn)生, 其中78個(gè)氣旋渦, 44個(gè)反氣旋渦。渦旋個(gè)數(shù)沒(méi)有明顯的季節(jié)變化特征, 這與林鵬飛等(2007)的結(jié)論一致; 在冬季向春季過(guò)渡的 2—3月產(chǎn)生的中尺度渦最多, 秋季向冬季過(guò)渡的 11—12月產(chǎn)生的中尺度渦最少, 這與林宏陽(yáng)等(2012)的結(jié)論較為一致。夏季是產(chǎn)生反氣旋渦的有利季節(jié), 冬季是產(chǎn)生氣旋渦的有利季節(jié), 而冬、夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期(春、秋兩季)的反氣旋渦略多于氣旋渦。

2.2.3 渦動(dòng)能 中尺度渦有相當(dāng)大的動(dòng)能, 在海洋運(yùn)動(dòng)能量譜中是一個(gè)顯著的峰區(qū)(王桂華等, 2005)。渦動(dòng)能被認(rèn)為與渦旋活動(dòng)動(dòng)力上密切相關(guān), 在海洋能量傳播過(guò)程中起著重要作用。鑒于南海是中尺度渦高發(fā)區(qū), 以往已經(jīng)有較多研究關(guān)注于南海渦動(dòng)能的空間分布特征及時(shí)間變化規(guī)律(如: Cheng et al, 2010;Wang et al, 2012)。本文采用上文所述的長(zhǎng)時(shí)間序列的連續(xù) SLA資料對(duì)南海渦旋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了渦動(dòng)能計(jì)算及分析。

圖2 渦旋源地空間和季節(jié)分布圖Fig.2 Spatial and seasonal distributions of eddy birthplace

圖3 南海逐月產(chǎn)生的中尺度渦旋個(gè)數(shù)Fig.3 Monthly variability of mesoscale eddies’ numbers in the South China Sea

圖4 1993—2012年氣候態(tài)平均南海渦動(dòng)能空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of the climatological(year 1993-2012)EKE in the South China Sea

基于地轉(zhuǎn)平衡和各向同性假設(shè), 渦動(dòng)能(EKE)的計(jì)算方法為:其中和分別為緯向和經(jīng)向地轉(zhuǎn)流速異常。式中, η’為SLA, g是重力常數(shù), f是科氏參數(shù)。

利用1993年1月至 2012年12月20年的高度計(jì)資料計(jì)算得到南海200m以深氣候態(tài)渦動(dòng)能的空間分布(圖 4), 鑒于高度計(jì)資料在淺海誤差較大, 將200m以淺海域計(jì)算結(jié)果舍去。可以看出, 南海存在兩個(gè)渦動(dòng)能高值中心, 即越南以東海域及臺(tái)灣島西南海域, 這與Chen等(2009)、Cheng等(2010)結(jié)果相同; 而在南海的東南海域及南海西北邊界處存在渦動(dòng)能低值區(qū), 這與上文較符合。

計(jì)算多年逐月平均的南海200m以深全域平均渦動(dòng)能(圖5), 得到春、夏、秋、冬四季EKE分別占總能量的 19.45%、26.31%、30%和 24.24%, 渦動(dòng)能最高值出現(xiàn)在10月, 此結(jié)果與Cheng等(2010)等求得的最高值出現(xiàn)在 12月不符, 可能是所采用數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍差異導(dǎo)致; 渦動(dòng)能的最低值出現(xiàn)在3月, 與Chen等(2009)結(jié)果相同。從季節(jié)尺度上來(lái)看, 全域平均的渦動(dòng)能在秋季最大, 此結(jié)果與前人研究相同(如: Xiu et al, 2010), 渦動(dòng)能在春季最小。

圖5 多年逐月平均的南海全域平均渦動(dòng)能Fig.5 Monthly EKE in the South China Sea

2.3 南海中尺度渦的年際變化特征

以往研究多關(guān)注揭示南海中尺度渦生成及分布的季節(jié)變化特征, 基于長(zhǎng)時(shí)間序列的衛(wèi)星觀測(cè)資料對(duì)南海中尺度渦的年際變化特征的文章較少。本文基于 O-W 方法, 從個(gè)數(shù)、面積、渦動(dòng)能等幾個(gè)方面分析南海中尺度渦的年際變化特征, 并對(duì)其可能的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了初步探討。

通過(guò)渦旋識(shí)別, 經(jīng)統(tǒng)計(jì), 1994—2008年間南海區(qū)域共產(chǎn)生中尺度渦363個(gè), 其中氣旋渦174個(gè), 反氣旋渦189個(gè), 冷、暖渦個(gè)數(shù)相近, 暖渦略多于冷渦; 平均每年產(chǎn)生中尺度渦24—25個(gè), 這與林宏陽(yáng)等(2012)的結(jié)果十分相近。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)不同年份產(chǎn)生的渦旋個(gè)數(shù)差別很大。1994—2008年間存在兩個(gè)渦旋個(gè)數(shù)顯著多于平均值的時(shí)間段: 1995—1996年和1998—2000年, 這5年分別產(chǎn)生中尺度渦27、33、31、34和28個(gè), 這似乎與1995/1996及1999/2000期間的La Ni?a事件有比較好的對(duì)應(yīng)。1997、2004、2006年發(fā)生 El Ni?o 事件, 相應(yīng)的渦旋產(chǎn)生較少, 分別為22、18和19個(gè)。這些均說(shuō)明南海中尺度渦的產(chǎn)生個(gè)數(shù)具有較為明顯的年際變化規(guī)律, 并且可能與ENSO現(xiàn)象存在一定的聯(lián)系。

為了進(jìn)一步探討南海渦旋年際變化特征與ENSO現(xiàn)象的聯(lián)系, 本文計(jì)算了定量衡量渦旋活動(dòng)的重要物理量渦區(qū)面積。將渦旋視為圓, 用公式(D為識(shí)別出的渦旋的直徑, 其定義如上文所述)近似計(jì)算渦區(qū)面積, 得到的平均渦區(qū)面積約為65404km2, 較 Xiu等(2010)計(jì)算所得的結(jié)果小, 其原因可能是使用的渦旋鑒別方法不同, 本文增加的渦旋強(qiáng)度等限制使得識(shí)別出的渦旋個(gè)數(shù)及渦區(qū)面積都比Xiu等(2010)的結(jié)果要小。

計(jì)算渦區(qū)面積異常值并對(duì)其進(jìn)行13個(gè)月滑動(dòng)濾波, 將季節(jié)信號(hào)及季節(jié)內(nèi)信號(hào)濾掉, 只保留年際尺度信號(hào)。將計(jì)算所得的 1994—2008年的渦區(qū)面積異常值年際信號(hào)進(jìn)行Morlet小波分析, 得到周期圖。從圖6中可以看出, 超過(guò) 99%置信限(虛線為紅噪聲檢驗(yàn))有兩個(gè)顯著周期位于 3—4年之間, 猜想此信號(hào)可能與ENSO現(xiàn)象相關(guān)。圖7定性展示渦區(qū)面積異常值年際信號(hào)與Nino3.4指數(shù)相關(guān)關(guān)系, 計(jì)算兩者的相關(guān)性,在滯后1個(gè)月時(shí)相關(guān)系數(shù)為–0.3039, 通過(guò)信度檢驗(yàn)。因此, 南海渦區(qū)面積的年際變化較為明顯, 與 ENSO負(fù)相關(guān), 即: 南海渦區(qū)面積在 El Ni?o年相對(duì)較小,在La Ni?a年相對(duì)較大。

圖6 渦區(qū)面積年際變化周期圖Fig.6 Periodogram of interannual eddy area variability

渦動(dòng)能是對(duì)渦旋存在狀態(tài)進(jìn)行定量描述的另一個(gè)重要物理量。對(duì)計(jì)算所得的渦動(dòng)能時(shí)間序列進(jìn)行類似于上述渦區(qū)面積的處理, 得到南海渦動(dòng)能異常值的年際信號(hào)。對(duì)其進(jìn)行Morlet小波分析, 得到周期圖8。超過(guò)99%置信限的最顯著周期為3.276年, 說(shuō)明南海渦動(dòng)能除季節(jié)性變化外還有較為顯著的年際變化特征, 猜想南海渦動(dòng)能亦與ENSO現(xiàn)象遙相關(guān)。圖9定性展示標(biāo)準(zhǔn)化渦動(dòng)能異常值年際信號(hào)與Ni?o3.4指數(shù)相關(guān)關(guān)系。計(jì)算兩者的相關(guān)性得到在滯后1個(gè)月時(shí)為–0.4624, 通過(guò)信度檢驗(yàn)。因此, 南海渦動(dòng)能的年際變化亦較為明顯, 與ENSO負(fù)相關(guān), 此結(jié)果與前人的研究結(jié)果吻合(如: Chen et al, 2009), 即: 南海渦動(dòng)能在El Ni?o年相對(duì)較小, 在La Ni?a年相對(duì)較大。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化渦區(qū)面積異常值年際信號(hào)與Ni?o3.4指數(shù)相關(guān)關(guān)系示意圖Fig.7 Correlation between standardized eddy area interannual variability and Ni?o3.4 index

圖8 渦動(dòng)能年際變化周期圖Fig.8 Periodogram of interannual EKE variability

圖9 標(biāo)準(zhǔn)化渦動(dòng)能異常值年際信號(hào)與Ni?o3.4指數(shù)相關(guān)關(guān)系示意圖Fig.9 Correlation between standardized EKE interannual variability and Ni?o3.4 index

圖10 氣候態(tài)年平均南海表面風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值Fig.10 Annual mean surface wind stress and absolute wind stress curl in the South China Sea

2.4 南海中尺度渦年際變化動(dòng)力機(jī)制的初步探討

南海位于東亞季風(fēng)區(qū), 夏季盛行西南季風(fēng), 冬季盛行東北季風(fēng)。如圖10所示南海年平均下為東北風(fēng),風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值高值區(qū)(臺(tái)灣島西南、呂宋島以西、越南東南)與南海中尺度渦多發(fā)區(qū)對(duì)應(yīng)較好。以往研究表明南海中尺度渦旋活動(dòng)與風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)(如: 王桂華, 2004; 林鵬飛, 2005; 陳更新, 2010)。上節(jié)研究發(fā)現(xiàn)南海中尺度渦活動(dòng)具有較為顯著的年際變化規(guī)律, 即: 渦旋活動(dòng)在 El Ni?o 年較弱, 在 La Ni?a年較強(qiáng)。由于風(fēng)應(yīng)力(旋度)驅(qū)動(dòng)是中尺度渦產(chǎn)生的重要機(jī)制之一, 推測(cè)可用風(fēng)場(chǎng)異常解釋南海中尺度渦的年際變化與ENSO現(xiàn)象的負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖11為南海年平均風(fēng)應(yīng)力異常和風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值異常場(chǎng), 其中:(a)1997 年(典型 El Ni?o 年)異常場(chǎng); (b)1999 年(典型La Ni?a年)異常場(chǎng)。計(jì)算風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度時(shí)使用的是CCMP衛(wèi)星遙感海面10m風(fēng)速數(shù)據(jù)。如圖所示,El Ni?o期間南海中尺度渦多發(fā)區(qū)(除東南部外的整個(gè)南海深海海盆)出現(xiàn)西南風(fēng)異常, 減弱了此區(qū)域的背景東北風(fēng)場(chǎng), 風(fēng)應(yīng)力對(duì)海水的攪拌作用較正常年份較弱, 導(dǎo)致海水層化加強(qiáng), 抑制海水的垂向運(yùn)動(dòng); 而在渦旋多發(fā)的東北-西南走向的條帶內(nèi), 尤其是在臺(tái)灣島西南、呂宋島以西、越南東南的風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值出現(xiàn)顯著的負(fù)異常, 說(shuō)明大氣向海洋輸入的渦度減少, 這些均導(dǎo)致南海渦旋活動(dòng)減弱。相反 La Ni?a期間南海中尺度渦多發(fā)區(qū)出現(xiàn)東北風(fēng)異常, 增強(qiáng)了此區(qū)域的背景東北風(fēng); 風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值亦在渦旋多發(fā)區(qū)出現(xiàn)顯著的正異常, 說(shuō)明大氣向海洋輸入的渦度增加, 此期間較強(qiáng)的渦旋活動(dòng)是由強(qiáng)勁的風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)致的。

為定量研究局地風(fēng)應(yīng)力與渦旋活動(dòng)的關(guān)系, 計(jì)算南海全域平均的渦動(dòng)能與風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值的相關(guān)性, 得到相關(guān)系數(shù)為0.2411通過(guò)信度檢驗(yàn)。同樣將1997、1999 年作為 El Ni?o 和 La Ni?a 事件的代表年份, 通過(guò)計(jì)算可知渦動(dòng)能在 1997年較氣候態(tài)年平均減少了3.724%, (此結(jié)果與上文得出的EKE年際變化與 ENSO現(xiàn)象負(fù)相關(guān)的結(jié)論吻合得很好), 風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值減少了8.784%; 而渦動(dòng)能在1999年較氣候態(tài)年平均增加了 11.834%, 相應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值增加了 11.486%。渦動(dòng)能和風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值在 El Ni?o和La Ni?a年的減、增幅度比較相近, 此結(jié)果在上文定性分析的基礎(chǔ)上側(cè)面驗(yàn)證了局地風(fēng)應(yīng)力確為渦旋活動(dòng)的重要影響因素之一。由于除局地風(fēng)場(chǎng)外,南海中尺度渦的形成、維持和傳播, 還受到黑潮、海底地形、海岸線、慣性效應(yīng)等多種因素的作用和影響,對(duì)渦旋活動(dòng)影響因素的詳細(xì)定量分析還有待后續(xù)研究中進(jìn)一步展開(kāi)。

圖11 1997年(a)和1999年(b)南海表面年平均風(fēng)應(yīng)力異常和風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值異常Fig.11 1997(a) and 1999(b) surface wind stress anomalies and absolute wind stress curl anomalies

3 結(jié)論與展望

本文基于O-W函數(shù)方法利用20年高度計(jì)資料進(jìn)行渦旋識(shí)別, 分析了南海中尺度渦時(shí)空分布的統(tǒng)計(jì)特征, 經(jīng)初步研究得到如下結(jié)論。

(1) 南海中尺度渦大都產(chǎn)生于 2000m以深海域,冷暖渦幾乎遍布10°N以北除東南部外的整個(gè)南海深海海盆。渦旋集中于越南東南海域、呂宋島以西海域、臺(tái)灣島西南海域以及沿著海盆西北部 2000m等深線分布, 其生成及分布在空間上具有明顯的季節(jié)變化特征。渦旋個(gè)數(shù)沒(méi)有明顯的季節(jié)性, 但夏季是產(chǎn)生反氣旋渦的有利季節(jié), 冬季是產(chǎn)生氣旋渦的有利季節(jié)。對(duì)南海中尺度渦季節(jié)特征的研究及與前人成果的對(duì)照表明, 本文使用的渦旋探測(cè)方法具有良好效果及可行性。

(2) 南海中尺度渦旋活動(dòng)具有較為顯著的年際變化特征, 本文對(duì)渦旋個(gè)數(shù)、渦區(qū)面積、渦動(dòng)能的計(jì)算分析均表明, 渦旋活動(dòng)與ENSO現(xiàn)象遙相關(guān): 南海中尺度渦活動(dòng)在El Ni?o年較弱, 在La Ni?a年較強(qiáng)。

(3) 可用風(fēng)場(chǎng)異常解釋南海中尺度渦的年際變化與ENSO現(xiàn)象的負(fù)相關(guān)關(guān)系。El Ni?o期間南海年平均意義下的東北風(fēng)場(chǎng)減弱, 風(fēng)應(yīng)力旋度絕對(duì)值減小, 從而導(dǎo)致了較弱的渦旋活動(dòng), 相反La Ni?a期間強(qiáng)勁的風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)致了渦旋活動(dòng)增強(qiáng)。

本文得出的結(jié)論主要針對(duì)于南海中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征, 對(duì)影響渦旋年際變化的動(dòng)力機(jī)制只進(jìn)行了初步分析。南海是一個(gè)季風(fēng)控制的、地形復(fù)雜的半封閉海盆, 南海的中尺度現(xiàn)象及其變化不僅豐富并具有獨(dú)特性。南海季風(fēng)的直接強(qiáng)迫作用是產(chǎn)生中尺度渦的主要原因之一(Chao et al, 1996; Fang et al, 2002),同時(shí), 由于平均流的不穩(wěn)定性, 季風(fēng)驅(qū)動(dòng)的南海西邊界流也可以導(dǎo)致中尺度渦的產(chǎn)生。南海中尺度渦不僅在季節(jié)變化上受控于局地風(fēng)場(chǎng), 而且在年際尺度上的變化也與局地風(fēng)場(chǎng)具有良好的相關(guān)性(Chen et al,2010)。本文就是通過(guò)這種大氣橋, 探討了南海中尺度渦與ENSO現(xiàn)象的相關(guān)性。除了風(fēng)場(chǎng)的直接作用和間接作用, 南海中尺度渦的形成、維持和傳播還受到黑潮、海底地形、海岸線、慣性效應(yīng)等多種因素的作用和影響。例如, 黑潮在流經(jīng)呂宋海峽時(shí), 失去陸坡支持后變得不穩(wěn)定, 發(fā)生尺度較大的蛇行, 跨越呂宋海峽, 并分離出中尺度渦旋。這類中尺度渦旋主要出現(xiàn)在南海北部, 尺度在百公里左右(李立, 2002)。因此,在后續(xù)的南海中尺度渦年際變化的研究中, 還需要進(jìn)一步考慮黑潮等因素的作用。

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