南印度洋中尺度渦統(tǒng)計特征及三維合成結(jié)構(gòu)研究

胡冬，陳希，毛科峰，李妍，張守業(yè)，洪森

(1. 解放軍31010部隊，北京 100081；2. 國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；3. 解放軍92689部隊，廣東 湛江 524000)

南印度洋中尺度渦統(tǒng)計特征及三維合成結(jié)構(gòu)研究

胡冬1，陳希2*，毛科峰2，李妍2，張守業(yè)3，洪森2

(1. 解放軍31010部隊，北京 100081；2. 國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；3. 解放軍92689部隊，廣東 湛江 524000)

南印度洋是海洋中尺度渦的多發(fā)區(qū)域。本文利用衛(wèi)星高度計資料及Argo浮標(biāo)資料，對南印度洋(10°～35°S, 50°～120°E)區(qū)域中尺度渦的分布、表觀特征等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，采用合成方法，構(gòu)建了該區(qū)域中尺度渦的三維溫鹽結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，渦旋頻率呈明顯的緯向帶狀分布，在18°～30°S存在一個明顯的渦旋頻率帶狀高值區(qū)；渦旋半徑具有由南至北逐漸增大的趨勢；長周期渦旋在其生命周期內(nèi)，半徑、渦動能、渦能量密度、渦度等性質(zhì)均經(jīng)歷了先增大而后減小的過程；渦旋以西向運動為主，在經(jīng)向上移動距離較小，長周期氣旋(反氣旋)渦具有明顯的偏向極地(赤道)移動的傾向；渦旋平均移動速度為5.9 cm/s，速度大小大致沿緯向呈帶狀分布。在混合層以下，氣旋渦(反氣旋渦)內(nèi)部分別呈現(xiàn)明顯的溫度負(fù)(正)異常，且分別存在兩個位溫負(fù)(正)異常的冷(暖)核結(jié)構(gòu)；氣旋渦(反氣旋渦)整體上呈現(xiàn)“正—負(fù)”(“負(fù)—正”)上下層相反的鹽度異常結(jié)構(gòu)。中尺度渦對溫鹽的平均影響深度可達(dá)1 000×104Pa以上。

南印度洋；中尺度渦；統(tǒng)計特征；三維結(jié)構(gòu)

1 引言

海洋中尺度渦是全球大洋中普遍存在的一種中尺度現(xiàn)象，它往往攜帶很大的動能，能量比平均流的能量要大一個量級以上[1]。中尺度渦在海洋溫鹽和能量傳輸、海洋混合等方面起著重要作用[2-5]，對局地和大尺度環(huán)流也有重要影響[6-7]。

近年來，綜合利用衛(wèi)星遙感資料、現(xiàn)場水文觀測資料及Argo浮標(biāo)剖面資料進(jìn)行中尺度渦表觀統(tǒng)計特征及三維結(jié)構(gòu)的分析已成為研究海洋中尺度渦的重要內(nèi)容。Roemmich和Gilson[8]基于1991—1999年間的T/P衛(wèi)星高度計資料得到了410個中尺度渦，并結(jié)合XBT數(shù)據(jù)，重建了渦旋的垂直結(jié)構(gòu)；Chaigneau等[9]結(jié)合衛(wèi)星高度計資料和Argo浮標(biāo)資料構(gòu)建了南太平洋東部中尺度渦的復(fù)合三維結(jié)構(gòu)，并對渦旋引起的體積、熱量和鹽量輸運進(jìn)行了估算；Yang等[10]利用相似的方法，構(gòu)建了副熱帶西北太平洋地區(qū)中尺度渦的復(fù)合三維結(jié)構(gòu)。

南印度洋主要位于熱帶和亞熱帶，南以60°S為界，與南冰洋相連，具有大尺度的海盆，其大尺度環(huán)流(如南赤道流(SEC)，南赤道逆流(SECC)，印度尼亞西亞貫穿流(ITF))和中尺度過程十分復(fù)雜，是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分。圖1為南印度洋的平均渦動能(Eddy Kinetic Energy， EKE)分布，圖中25°S附近存在一條EKE的帶狀高值區(qū)，此外，澳大利亞東邊界利文流海區(qū)、ITF與SEC交匯區(qū)、馬達(dá)加斯島以西海區(qū)均是EKE的強值區(qū)，表明這些區(qū)域可能對應(yīng)頻繁的渦旋活動。

近些年來，已經(jīng)展開了許多針對南印度洋中尺度活動的研究[11-12]，南印度洋中尺度渦的一些形成和變化機制也被逐漸揭示：Fang和Morrow[13]利用實測資料和遙感資料，追蹤到了從利文流海域向西傳的反氣旋渦，由于和底地形的相互作用，渦旋的振幅逐漸減小并在90°E以西渦信號消失。Palastanga等[14]利用高度計資料研究發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)加斯加島周圍中尺度渦活動的低頻變化與印度洋大尺度的年際變化是相關(guān)聯(lián)的；Ogata和Masumoto[15]利用OGCM模式分析了熱帶東南印度洋(SETIO)中尺度渦的年際變化，發(fā)現(xiàn)渦旋活動數(shù)量逐年變化，斜壓不穩(wěn)定導(dǎo)致了渦旋的產(chǎn)生，上層海水熱容量的年際變化加強了斜壓能的轉(zhuǎn)化，從而調(diào)節(jié)了SETIO中尺度渦的活動。

綜上研究發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于南印度洋中尺度渦的研究主要是針對幾個小區(qū)域，研究內(nèi)容主要是EKE或海表面高度均方根的時間尺度變化特征，缺乏對中尺度渦具體性質(zhì)，如渦旋幾何特征、動力學(xué)和三維結(jié)構(gòu)特征的研究，而且，EKE或海表面高度均方根包括了除中尺度渦外其他中尺度過程的貢獻(xiàn)，例如鋒面、急流、洋流的蛇行等，它們不能完全代表中尺度渦的分布[16]，因此從具體性質(zhì)和特征方面探究南印度洋中尺度渦十分必要。

本文選取圖1所示海區(qū)為研究區(qū)域(10°～35°S, 50°～120°E)，該區(qū)域包含了ITF與SEC在印度洋的交匯區(qū)域、馬達(dá)加斯加島南部和東南部區(qū)域，也包括了全球大洋中唯一一個存在強渦旋活動的東邊界區(qū)域——澳大利亞西岸的利文流區(qū)域[17]，此外，還包含了橫跨澳大利亞和馬達(dá)加斯加島的EKE帶狀高值帶。在本區(qū)域，首先基于衛(wèi)星高度計資料，采用渦旋自動識別方法提取中尺度渦位置和形狀信息，利用一系列統(tǒng)計分析方法，研究該區(qū)域內(nèi)中尺度渦的表觀統(tǒng)計性特征，而后，基于Argo浮標(biāo)剖面資料、氣候態(tài)資料，采用渦旋合成方法，構(gòu)建該區(qū)域渦旋的三維溫鹽結(jié)構(gòu)。

圖1 南印度洋的平均渦動能分布Fig.1 Distribution of the mean eddy kinetic energy in the South Indian Ocean渦動能大小由衛(wèi)星高度計的地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)計算所得，并取1993年1月至2012年12月的平均Eddy kinetic energy is calculated based on satellite altimeter data of the geostrophic current velocity data from January 1993 to December 2012

2 資料和方法

2.1 衛(wèi)星高度計資料

本文采用的衛(wèi)星高度計資料由法國國家空間研究中心的衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心(AVISO)提供，它融合了T/P、Jason、Envisat、ERS1/2等衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，時間分辨率為7 d，空間分辨率為(1/4)°。根據(jù)研究需要，本文選取的資料時間跨度為1993年1月至2012年12月，共20年。表層地轉(zhuǎn)流異常數(shù)據(jù)基于地轉(zhuǎn)關(guān)系由海平面高度異常(Sea Level Anomaly, SLA)計算得到，即：

(1)

式中，u′和v′分別為緯向和經(jīng)向的地轉(zhuǎn)流速異常；h′為SLA的大小；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)。

2.2 Argo資料及氣候態(tài)資料

Argo剖面數(shù)據(jù)由法國科里奧利全球數(shù)據(jù)中心提供，所有剖面數(shù)據(jù)都已進(jìn)行了質(zhì)量控制。此外，為提高合成結(jié)果精度，參考Chaigneau等[9]的方法，篩選出符合以下條件的Argo剖面：(1)Argo剖面數(shù)據(jù)中最淺的數(shù)據(jù)位于海表面與10×104Pa之間，最深的數(shù)據(jù)點須大于1 000×104Pa；(2)兩個連續(xù)數(shù)據(jù)點之間的深度間隔不得超出給定的范圍；(3)每個Argo 剖面數(shù)據(jù)在1 000×104Pa以淺至少有30個有效數(shù)據(jù)點。

本文采用的氣候態(tài)溫鹽數(shù)據(jù)是由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織(CSIRO)提供的CARS09資料，它利用了歷史上所有可用的海洋觀測資料以及自動化浮標(biāo)剖面資料，包含了各種海洋要素的平均態(tài)和季節(jié)性變化，并己進(jìn)行了質(zhì)量控制，空間分辨率為0.5°×0.5°。

2.3 渦旋自動識別方法

目前，自動識別中尺度渦的方法主要可分為3種類型[18]，本文采用Nencioli等[18]提出的一種基于流場幾何形態(tài)方法，對中尺度渦進(jìn)行自動識別和跟蹤。這種方法的理論基礎(chǔ)是，對于中尺度而言，其內(nèi)部的流矢量總是圍繞一個點(即渦旋中心)旋轉(zhuǎn)的，在靠近渦旋中心的位置存在最小流速，從渦中心向外，切向速度隨著距離的增加呈線性增大，當(dāng)達(dá)到一個最大值后速度減小。當(dāng)流場滿足給定的4個約束條件時，則可確定出渦的中心，在此基礎(chǔ)上，利用閉合流線函數(shù)的方法確定出渦的邊界。為了追蹤到不同時次的同一個渦，Nencioli等[18]也給出了一些判定標(biāo)準(zhǔn)，詳情不再贅述，可參閱該文獻(xiàn)。另須說明的是，本文討論的中尺度渦均是能被追蹤到不少于4周的。

3 渦旋統(tǒng)計特征

3.1 渦旋數(shù)量及生命周期

基于上述渦旋自動識別方法，在本研究區(qū)域內(nèi)共檢測出11 120個渦旋軌跡，其中氣旋渦(CE)和反氣旋渦(AE)軌跡分別為5 741和5 379個。若將各個渦旋軌跡在各時次內(nèi)被探測到的記錄相加，則共探測到109 083個渦旋，其中氣旋渦和反氣旋渦分別為56 179和52 904個。

渦旋的生命周期表示一個渦旋從產(chǎn)生到消失所持續(xù)的時間，圖2為研究區(qū)域內(nèi)渦旋生命周期分布(大于52周的記總數(shù)量)。渦旋周期的眾數(shù)為5周，當(dāng)周期大于5周時，隨著生命周期的增加，渦旋數(shù)量近似呈指數(shù)減小。計算表明，氣旋渦和反氣旋渦的平均周期分別為10.54周和10.53周；66.9%的渦旋周期不超過10周，約0.54%的渦旋周期超過1年。對于周期分別大于10周、20周、30周、40周和52周的渦旋而言，氣旋渦分別占總數(shù)的53.3%、51.6%、48.4%、37.2%和32.7%，即周期越長，反氣旋渦數(shù)量越占多。

圖2 渦旋生命周期分布Fig.2 Histograms of the eddy lifetime黑色實線為函數(shù)y=3 804×e-0.184 1x擬合結(jié)果，r2=99.3%,rms=27.9Black line is the exponential fit of function y=3 804×e-0.184 1x，r2=99.3%,rms=27.9

渦旋生命周期與渦旋生成時的初始EKE相關(guān)不明顯(圖略)，但與其平均渦動能具有較好的正相關(guān)性(圖3)，即EKE越強，渦旋可能的存活時間越長，尤其是當(dāng)平均渦動能小于100cm2/s2時，渦旋生命周期與平均渦動能近似呈線性關(guān)系。此外，渦旋生命周期與其生成地也有一定關(guān)系：生成于20°～30°S區(qū)域的渦旋平均生命周期為11.7周，而15°S以北的渦旋平均生命周期僅為7.8周。

圖3 渦旋周期與平均渦動能的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Eddy lifetime as a function of mean eddy kinetic energy

3.2 渦旋頻率與極性分布

渦旋頻率表示研究區(qū)域內(nèi)某點處于渦旋內(nèi)的概率，其地理分布和平均緯向分布分別如圖4a和圖4b所示，圖4表明，渦旋頻率呈明顯的緯向帶狀分布，在18°～30°S存在一個明顯的帶狀高頻率區(qū)域，緯向平均值大于10%。渦旋頻率的緯向平均最大值出現(xiàn)在24°S，兩側(cè)的渦旋頻率逐漸減小。這條緯向帶狀區(qū)域恰好對應(yīng)圖1中的EKE高值區(qū)域，表明該區(qū)域內(nèi)的高EKE是由高頻率的渦旋活動造成的。而在ITF與SEC交匯區(qū)向西延伸至70°E的帶狀區(qū)域內(nèi)(18°S以北)，盡管EKE很高，SLA的變化也很大(圖略)，但渦旋頻率很小，表明該區(qū)域內(nèi)占主導(dǎo)并非渦旋，而是赤道附近的長波作用[19]。

渦旋極性表示研究區(qū)域內(nèi)某一點處于氣旋渦(P<0)或是反氣旋渦內(nèi)的概率(P>0)[20]，可由P=(FAE-FCE)/(FAE+FCE)計算得到(式中，F(xiàn)AE和FCE分別表示反氣旋渦和氣旋渦的頻率)。圖4c和圖4d表明，22°S以北區(qū)域，渦旋極性的分布沒有明顯特征，但緯向平均的極性均為負(fù)值，表明該區(qū)域內(nèi)以氣旋渦為主，而在22°S以南，大部分區(qū)域的極性為正，即反氣旋渦占主導(dǎo)。

圖4 渦旋頻率地理分布(a)，渦旋頻率的緯度平均(b)，渦旋極性地理分布(c)，渦旋極性的緯向平均(d)Fig.4 Spational distribution of eddy frequency(a), meridional variations of eddy frequency (b), spational distribution of eddy polarity (c), meridional variations of eddy polarity (d)

3.3 渦旋生成(消失)數(shù)量分布

圖5a為渦旋生成(消失)數(shù)量在緯向的分布。渦旋生成數(shù)量在20°S附近存在一個峰值區(qū)，生成數(shù)超過500個。渦的消失數(shù)量與產(chǎn)生數(shù)量的分布較為相似，即渦旋總數(shù)基本保持“收支平衡”，這是由于渦旋在生成后以緯向傳播為主，經(jīng)向的偏移很小，使得各緯度上渦旋數(shù)量基本不變(3.6節(jié)將具體討論)。

渦旋生成(消失)數(shù)量隨經(jīng)度的分布如圖5b所示，忽略左右邊界上的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，渦旋生成(消失)的數(shù)量分布總體上較為均勻，而在115°E附近存在一個生成和消失數(shù)量高值區(qū)，這一區(qū)域?qū)?yīng)于澳大利亞西岸高EKE的利文流區(qū)，與3.2節(jié)渦旋頻率分布的結(jié)果一致，表明該區(qū)域是強渦旋活動區(qū)域[17]。

圖5 渦旋生成數(shù)量(藍(lán)色)及消失數(shù)量(紅色)在每個緯度上的總和(a), 渦旋生成數(shù)量(藍(lán)色)及消失數(shù)量(紅色)在每2個經(jīng)度上的總和(b)Fig.5 Amount of eddy generation (blue) and termination (red) for each 1 degree latitude bin (zonally averaged) (a), amount of eddy generation (blue) termination (red) for each 2 degree longitude bin (meridionally averaged) (b)

3.4 渦旋半徑

本節(jié)討論的渦旋半徑是基于所有時次中被識別出來的渦旋而言，即56 179個氣旋渦和52 904個反氣旋渦。計算表明，氣旋和反氣旋渦平均半徑分別為71.6 km和74.8 km。圖6a表明，氣旋渦和反氣旋渦半徑的概率密度函數(shù)均呈偏正態(tài)分布，半徑為50 km的渦旋出現(xiàn)頻率最大，半徑在40～100 km的氣旋渦和反氣旋渦分別占總數(shù)的75.3%和74.4%，而大于200 km的漩渦很少，氣旋渦和反氣旋渦所占比例分別為0.56%和0.7%。

圖6b顯示了渦旋半徑隨緯度的平均分布情況，以及與對應(yīng)區(qū)域羅斯貝變形半徑(黑色實線)的對比(羅斯貝變形半徑利用WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)Chelton和Schlax[21]的方法計算得到)。由南至北，CE(AE)平均半徑從35°S的53.8(54.4) km逐漸增大至25°S的75.0(81.9) km，而后半徑逐漸減小，14°S以北，平均半徑又逐漸變大。與羅斯貝變形半徑相比，20°S以南，渦旋平均半徑大于羅斯貝變形半徑，14°～20°S，渦旋平均半徑與羅斯貝變形半徑很接近，而在14°S以北渦旋的平均半徑小于羅斯貝變形半徑。整體而言，渦旋的平均半徑隨緯度的變化幅度較小，但大致具有由南至北逐漸增大的趨勢。

圖6 渦旋半徑的概率密度分布(a)，氣旋渦(藍(lán)圈)和反氣旋渦(紅圈)半徑及羅斯貝變形半徑(黑色實線)隨緯度的變化(b)Fig.6 Probability density function of the eddies relative to the eddy radius (a), meridional variations of mean eddy radius (blue circles) and average Rossby radius of deformation (black dots) (b)

圖7為渦旋的渦度、EKE和EI隨半徑變化的平均情況。首先將半徑從小到大間隔5 km劃分為一個區(qū)間，考慮到若區(qū)間內(nèi)的渦旋數(shù)量過少，則不能反映渦旋的統(tǒng)計性特征，因此只選取渦旋數(shù)量超過總數(shù)0.1%的區(qū)間進(jìn)行研究，即10～200 km的半徑范圍。圖7a表明，隨著半徑從10 km增加到50 km，渦旋的渦度(為方便比較，已將氣旋渦的渦度取絕對值，下同)從5.7×10-6s-1迅速增大至最大值8.3×10-6s-1，半徑繼續(xù)增大時，渦度緩慢減小，當(dāng)半徑大于100 km時，渦度變化幅度較小，大致保持在7.7×10-6s-1的水平。EKE隨半徑的變化如圖7b所示，半徑為10 km時，平均EKE僅為5.4 cm2/s2，當(dāng)半徑增加至100 km時，EKE迅速增大到約150 cm2/s2并基本保持不變。EI的變化如圖7c所示，半徑為45 km時EI達(dá)到最大，約14×10-3cm2/(s2·km2)，半徑增大時，EI持續(xù)減小。

渦度、EKE和EI隨半徑的變化表明，當(dāng)渦旋平均半徑小于50 km時，渦度、EKE和EI受半徑的影響很大，且均隨半徑的增加而迅速增大，當(dāng)半徑大于50 km時，除EKE逐漸變大外，渦度和EI均變小。

圖7 渦旋參量與半徑的關(guān)系Fig.7 Eddy parameters as a function of eddy radius (blue lines) respectivelya.渦度, b.EKE, c.EI, 黑線表示各量經(jīng)過五次擬合后的結(jié)果a.Vorticity, b.EKE, c.EI, black curves are fifth-order polynomial fits

圖8 長生命周期(大于20周)渦旋半徑(a)，渦度(b)，EKE(c)，EI(d)的演變Fig.8 Evolutions of the radius (a), vorticity (b), EKE (c), EI (d) with eddy age圖中藍(lán)色和紅色星號分別代表氣旋渦和反氣旋渦，實線是對應(yīng)參數(shù)經(jīng)3次擬合后結(jié)果The blue asterisks (red circles) denote the properties of the CEs (AEs), and the blue (red) curves are the third-order polynomial fits

圖9 周期大于40周的渦旋傳播路徑圖(a)，實心點為渦旋的產(chǎn)生地點，空心圈為渦旋的消失地點，藍(lán)線和紅線分別代表氣旋渦和反氣旋渦軌跡; 渦旋的移動路徑合成圖(b)，上圖為氣旋渦，下圖為反氣旋渦，x軸負(fù)方向表示向西移動，y軸的正負(fù)方向分別表示向北(赤道)和向南(極向)移動Fig.9 The trajectories of the eddy tracks longer than 40 weeks(a). The asterisks (circles) indicate their born (termination) locations, blue for CEs and red for AEs. The relative changes in longitude (negative westward) and latitude (negative demonstrate poleward while positive demonstrate equatorward) (b), upper subplot for CEs and lower subplot for AEs

圖10 渦旋傳播的平均速度在1°×1°網(wǎng)格內(nèi)的分布Fig.10 Mean field of the eddy propagation speed in 1°×1° boxes

3.5 渦旋性質(zhì)演變

為進(jìn)一步分析渦旋在生命周期內(nèi)各種性質(zhì)的演變特征，我們選取生命周期大于20周的渦旋(包括619個氣旋渦軌跡，579個反氣旋渦軌跡)，將其生命周期歸一化，分析生命周期內(nèi)性質(zhì)特征演變。

圖8a為渦旋半徑隨渦旋生命周期演變，該圖表明，渦旋生成后的3/5周期內(nèi)，半徑逐漸變大，并于3/5周期時半徑達(dá)最大。圖8b和圖8c分別為渦度和EKE隨渦旋生命周期演變，在渦旋生成后的前2/5周期內(nèi)，氣旋渦和反氣旋渦的渦度和EKE均顯著增強并達(dá)到最大。EI變化如圖8d所示，在前1/5周期內(nèi)，氣旋渦和反氣旋渦的EI緩慢變大，之后逐漸減小?？傮w而言，渦旋半徑、渦度、EKE和EI隨生命周期的變化形勢相似，都經(jīng)歷了增大而后減小的過程，綜合考慮它們的變化可以發(fā)現(xiàn)，渦旋在其生命周期內(nèi)經(jīng)歷了成長(參數(shù)增大)、成熟(參數(shù)基本保持不變)、消亡(參數(shù)減小)這3個時期。

此外，在渦旋的整個周期中，除了半徑是反氣旋渦大于氣旋渦外，渦度、EKE和EI均是氣旋渦大于反氣旋渦，且整個生命周期中氣旋渦的平均EI比反氣旋渦高出35%。

3.6 渦旋移動

圖9a為周期大于40周的渦旋生消位置及傳播路徑，圖9b為這些渦旋在統(tǒng)一起點(0，0)處的移動軌跡。在15°S以北，周期大于40周的長生命周期渦旋很少，這也是3.1節(jié)中所述該區(qū)域的渦旋平均周期較短的一個體現(xiàn)。緯向上，絕大多數(shù)渦旋都向西移動，平均移動2.8個經(jīng)度，最多的可西傳42個經(jīng)度；經(jīng)向上，渦的移動距離較小，且氣旋渦和反氣旋渦的移動方向差異較大：在所有周期大于20周的渦旋中，分別有31%的氣旋渦和66%的反氣旋渦向北(即赤道方向)傳播，在所有周期大于40周的渦旋中，分別有25%的氣旋渦和86%的反氣旋渦向北(即赤道方向)傳播，即對于長周期的氣旋(反氣旋)渦而言，在其西向傳播過程中，具有明顯的向極地(赤道)方向偏離的傾向，這一結(jié)果與Chelton等[22]和Morror等[23]的研究結(jié)論是一致的，其原因可能與大洋背景流場和β效應(yīng)有關(guān)。

圖10為渦旋平均移動速度的的地理分布。絕大部分區(qū)域渦旋的移動速度以西向為主，經(jīng)向速度很小，這與圖9中渦旋軌跡所反映的情況是一致的。經(jīng)計算，所有渦的平均移動速度為5.9 cm/s，最大移動速度為16.2 cm/s，速度大小大致沿緯線呈帶狀分布，由北向南，速度大小逐漸減小。

4 渦旋三維合成結(jié)構(gòu)特征分析

如本文引文部分所述，25°S附近存在一條EKE的帶狀高值區(qū)，且澳大利亞東邊界利文流海區(qū)和馬達(dá)加斯島以西海區(qū)均是EKE的強值區(qū)；3.2節(jié)的研究結(jié)果表明，18°～30°S帶狀區(qū)域是渦旋頻率的高值區(qū)，表明該區(qū)域中尺度渦活動十分頻繁。然而，由于缺少實測水文資料，該區(qū)域內(nèi)中尺度渦的三維溫鹽結(jié)構(gòu)目前并不十分清楚，為了揭示渦旋的三維結(jié)構(gòu)特征，本節(jié)基于上文渦旋識別結(jié)果及Argo浮標(biāo)資料，采用合成分析方法[9]，獲取渦旋的平均三維溫鹽結(jié)構(gòu)。此外，為比較分析渦旋西傳過程中三維結(jié)構(gòu)的差異，按EKE和背景流場的分布特征，大致將18°～30°S的帶狀區(qū)域劃分為3個子區(qū)域：區(qū)域Ⅰ(18°～30°S，50°～65°E)、區(qū)域Ⅱ(18°～30°S，65°～105°E)、區(qū)域Ⅲ(18°～30°S，105°～120°E)。

這3個區(qū)域內(nèi)，海水的溫鹽特性如圖11所示。對于溫度而言，3個區(qū)域的溫度剖面分布較為類似，表層溫度梯度很小，表層以下至1 000×104Pa深度溫度梯度較大，但在大約500×104～600×104Pa深度溫度梯度出現(xiàn)極小值，即在這一深度范圍的上下兩層，分別存在相對較大的溫度梯度。對于鹽度而言，3個區(qū)域的鹽度剖面的分布基本相同，即：表層向下至約200×104Pa深度，鹽度逐漸增大至極大值，200×104Pa以下，鹽度逐漸減小，但區(qū)域Ⅲ有所不同，在800×104Pa深度以下鹽度略有增大。

圖11 3個子區(qū)域內(nèi)溫度(a)和鹽度(b)剖面分布Fig.11 Distribution of temperature (a) and salinity (b) profile of the three domains

4.1 渦旋合成方法

對于每一個由2.2節(jié)方法篩選出的Argo浮標(biāo)，將溫度(T)和鹽度(S)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Akima線性插值，垂直方向上從海表面到1 000×104Pa間隔10×104Pa分為101層(海表面的溫鹽數(shù)據(jù)以Argo剖面的最淺層數(shù)據(jù)代替)，并減去對應(yīng)區(qū)域的CARS09氣候態(tài)剖面數(shù)據(jù)，得到位勢溫度異常(θ′)、鹽度異常(S′)。在基礎(chǔ)上，為所有Argo浮標(biāo)尋找距其最近的一個渦旋，根據(jù)浮標(biāo)與渦旋中心的距離把Argo浮標(biāo)分為3類：位于氣旋渦內(nèi)部、位于反氣旋渦內(nèi)部以及位于渦旋外部的，并將滿足以下2個條件之一的Argo剖面數(shù)據(jù)用于合成分析：(1) Argo剖面位于渦內(nèi)部；(2) Argo剖面位于渦外部，且浮標(biāo)位置與渦中心的距離小于1.5倍渦半徑。之后，計算每個浮標(biāo)相對于渦中心的緯向距離ΔxE和經(jīng)向距離ΔyE(圖12)。為消除渦旋半徑對合成結(jié)果的影響，ΔxE和ΔyE分別除以相應(yīng)的渦半徑R作無量綱處理，從而將每個剖面的位勢溫度異常、鹽度異常都轉(zhuǎn)化到了統(tǒng)一的渦旋坐標(biāo)系內(nèi)。

在各標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)，分別利用四分位檢測法將可能的不合理值剔除，并采用最優(yōu)插值法[24]將剩余的離散數(shù)據(jù)點插值到0.1×0.1的網(wǎng)格點上，得到各層的二維要素場，進(jìn)而得到合成渦旋的三維位勢溫度異常、鹽度異常結(jié)構(gòu)。

圖12 2010年11月11日探測到的渦旋及Argo浮標(biāo)分類示意圖Fig.12 A snapshot of detected eddies of November 11, 2010 and an illustrative example classification of the Argo profilesa圖中箭頭表示地轉(zhuǎn)流異常(單位：cm/s)，藍(lán)色(紅色)閉合線和星號分別為氣旋(反氣旋)渦邊界和中心，黑點表示Argo浮標(biāo)的位置。b圖中浮標(biāo)所在位置(M1)與渦旋中心(C1)的關(guān)系a.Vectors show the geostrophic velocity anomaly (in unit of cm/s)， blue(red) contours and asterisks represent the edge and center of CEs (AEs), respectively，black dots indicate the locations of Argo profiles. b. Illustration of the float’s position (M1) relative to the corresponding eddy center (C1)

4.2 溫度結(jié)構(gòu)

圖13為區(qū)域Ⅰ至區(qū)域Ⅲ中合成氣旋渦和反氣旋渦的位勢溫度異常(θ′)在Δy=0斷面上的分布，該圖表明，氣旋(反氣旋)渦整體上呈現(xiàn)較為一致的位勢溫度負(fù)(正)異常。具體地，表層及次表層內(nèi)，3個子區(qū)域內(nèi)合成渦旋的位溫異常均很小，但氣旋渦的表層存在與整體不同的正異常，這可能與4.1節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)插值時以最淺層剖面數(shù)據(jù)代替表層數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差有關(guān)。混合層以下，氣旋渦(反氣旋渦)分別呈現(xiàn)明顯的溫度負(fù)(正)異常，且分別存在兩個位溫負(fù)(正)異常的冷(暖)核結(jié)構(gòu)，較淺的核(記作C1)溫異常值明顯大于較深的核(記作C2)。渦旋內(nèi)部存在兩個冷(暖)核的原因在于，其內(nèi)部水體分別在500×104～600×104Pa的上部和下部存在兩個溫度梯度相對大值區(qū)(圖11a)，氣旋渦(反氣旋渦)內(nèi)的上升(下沉)運動造成的降溫(升溫)在這兩個相對大值區(qū)內(nèi)更為明顯，從而形成冷(暖)核結(jié)構(gòu)。

不同區(qū)域內(nèi)冷(暖)核的位置及中心位溫異常的強度存在明顯差異：對于氣旋渦而言，區(qū)域Ⅰ至區(qū)域Ⅲ，C1(C2)中心深度分別約為180(790)×104、210(730)×104及280(690)×104Pa，中心最大位溫負(fù)異常值分別為-0.85℃、-0.76℃、-0.55℃，即從西向東C1中心深度逐漸變深、位溫異常值增大，而C2中心深度逐漸變淺、位溫異常值變化不大；對于反氣旋渦而言，C1(C2)的中心深度分別為110(890)×104、240(810)×104、280(740)×104Pa，中心最大位溫正異常值分別為1.33(0.35)℃、1.34(0.36)℃、1.31(0.34)℃，即C1和C2的深度分別變深和變淺，而各區(qū)域的中心最大異常值無明顯差異。

圖14為各子區(qū)域內(nèi)氣旋渦和反氣旋渦的位溫異常(θ′)在不同壓強深度上(選取0、100×104Pa、250×104Pa、500×104Pa、750×104Pa、1 000×104Pa深度層)的水平分布。

在渦旋的表層，整層的位溫異常值較小且分布不明顯，位溫異常等值線較為紊亂。隨著深度的增加，各區(qū)域內(nèi)渦旋的位溫等值線呈較明顯的閉合渦旋狀結(jié)構(gòu)，位溫異常值也逐漸增大，且在250×104～500×104Pa深度層達(dá)到最大，而后位溫異常值逐漸減小，但仍保持較好的渦旋狀結(jié)構(gòu)，直至1 000×104Pa深度層，位溫異常的渦旋狀結(jié)構(gòu)仍十分明顯，氣旋渦和反氣旋渦的最大位溫異常值分別可達(dá)-0.4℃和0.2℃以上。

4.3 鹽度結(jié)構(gòu)

圖15為各子區(qū)域中氣旋渦和反氣旋渦的鹽度異常(S′)在Δy=0斷面上的分布，該圖表明，氣旋渦(反氣旋渦)內(nèi)部整體呈現(xiàn)“正—負(fù)”(“負(fù)—正”)上下層相反的鹽度異常結(jié)構(gòu)，且在200×104Pa深度大致為正負(fù)異常值的交界處。造成這種鹽度異常結(jié)構(gòu)的原因在于，渦旋內(nèi)部的鹽度在約200×104Pa深度存在極大值(圖11b)，對于氣旋渦而言，其內(nèi)部存在向上抬升運動，200×104Pa以上的較低鹽度水體被下層高鹽水體取代，從而引起上層的鹽度正異常，而200×104Pa以下的水體被下層較低鹽度的水體取代，引起鹽度負(fù)異常；對于反氣旋渦而言，其內(nèi)部的下沉運動恰好引起相反的鹽度異常分布。

圖13 各子區(qū)域內(nèi)合成氣旋渦(a～c)和反氣旋渦(d～f)的位勢溫度異常(θ′)在Δy=0斷面上的分布Fig.13 Distributions of potential temperature anomaly (θ′) at section Δy=0 of composited CE (a-c) and AE (d-f) in different subregions

圖14 各子區(qū)域內(nèi)合成渦旋的位勢溫度異常(θ′)水平分布，從上至下分別為0，100×104 Pa，250×104 Pa， 500×104 Pa，750×104 Pa，1 000×104 Pa深度，左三列為氣旋渦，右三列為反氣旋渦 Fig.14 Horizontal distributions of potential temperature anomaly (θ′) of composited CE (the left three columns) and AE (the right three columns) at depths of 0, 100×104 Pa, 250×104 Pa, 500×104 Pa, 750×104 Pa, 1 000×104 Pa in different subregions

區(qū)域Ⅰ至區(qū)域Ⅲ，氣旋渦的上層鹽度最大正異常值分別為0.05，0.06，0.03，下層鹽度最大負(fù)異常值分別為-0.08，-0.10，-0.13；反氣旋渦的上層鹽度最大負(fù)異常值分別為-0.05，-0.18，-0.35，下層鹽度最大正異常值分別為0.06，0.14，0.14?？傮w而言，鹽度異常值以區(qū)域Ⅲ較大，且3個子區(qū)域內(nèi)反氣旋渦的異常值明顯大于氣旋渦。

圖15 各子區(qū)域內(nèi)合成氣旋渦(a～c)和反氣旋渦(d～f)的鹽度異常(S′)在Δy=0斷面上的分布Fig.15 Distributions of salinity anomaly (S′) at section Δy=0 of composited CE (a-c) and AE (d-f) in different subregions

圖16 各子區(qū)域內(nèi)合成渦旋的鹽度異常(S′)水平分布，從上至下分別為0，100×104 Pa，250×104 Pa，500×104 Pa，750×104 Pa，1 000×104 Pa深度，左三列為氣旋渦，右三列為反氣旋渦Fig.16 Horizontal distributions of potential salinity anomaly (S′) of composited CE (the left three columns) and AE (the right three columns) at depths of 0, 100×104 Pa, 250×104 Pa, 500×104 Pa, 750×104 Pa, 1 000×104 Pa in different subregions

各子區(qū)域內(nèi)合成渦旋的鹽度異常(S′)水平分布如圖16所示。在小于100×104Pa的深度層，除區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的反氣旋渦外，其余的渦旋內(nèi)鹽度異常結(jié)構(gòu)均較為紊亂；100×104～250×104Pa深度層，氣旋渦的鹽度異常發(fā)生了從負(fù)向正的變化，這與圖15鹽度異常的斷面分布是一致的；在大于250×104Pa的深度，各層的鹽度異常等值線呈現(xiàn)較為明顯的渦旋狀結(jié)構(gòu)。隨著深度的增加，鹽度異常值逐漸減小，但直至1 000×104Pa深度層，除區(qū)域Ⅲ的反氣旋渦外，鹽度異常的結(jié)構(gòu)仍較為明顯。

5 結(jié)論

本文利用20年的衛(wèi)星高度計資料，基于渦旋自動識別方法，對南印度洋中尺度渦的分布、表觀特征等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合Argo浮標(biāo)剖面資料，采用合成方法，構(gòu)建了3個子區(qū)域內(nèi)中尺度渦的三維溫鹽結(jié)構(gòu)。主要結(jié)論如下：

(1)基于渦旋自動識別方法，在研究海區(qū)共識別出5 741個氣旋渦軌跡和5 379個反氣旋渦軌跡。氣旋渦和反氣旋渦的平均生命周期相近，且生命周期與平均渦動能和生成地相關(guān)性顯著。

(2)渦旋頻率呈明顯的緯向帶狀分布，在18°～30°S存在一個明顯的帶狀高頻率區(qū)域；渦旋的生成數(shù)量在緯度上分布不均勻，在20°S附近存在一個峰值區(qū)。

(3)渦旋半徑具有由南至北逐漸增大的趨勢；長周期渦旋在其生命周期內(nèi)，半徑、EKE、EI、渦度等性質(zhì)均經(jīng)歷了增大而后減小的過程。

(4)渦旋以西向運動為主，經(jīng)向上移動距離較小，長周期氣旋(反氣旋)渦具有明顯的偏向極地(赤道)移動的傾向，其原因可能與大洋背景流場和β效應(yīng)有關(guān)；渦旋平均移動速度大致沿緯向呈帶狀分布，由北向南，速度大小逐漸減小。

(5)在混合層以下，氣旋渦(反氣旋渦)呈現(xiàn)明顯的溫度負(fù)(正)異常，且分別存在兩個位溫負(fù)(正)異常的冷(暖)核結(jié)構(gòu)，從西向東，氣旋渦的C1中心深度逐漸變深、位溫異常值增大，而C2中心深度逐漸變淺、位溫異常值變化不大；反氣旋渦的C1和C2的深度分別變深和變淺，而中心最大異常值無明顯差異。

(6)氣旋渦(反氣旋渦)整體上呈現(xiàn)“負(fù)—正”(“正—負(fù)”)上下層相反的鹽度異常結(jié)構(gòu)，且3個子區(qū)域內(nèi)反氣旋渦的異常值明顯大于氣旋渦。中尺度渦對溫鹽的平均影響深度可達(dá)1 000×104Pa以上。

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Statistical characteristics and composed three dimensional structures of mesoscale eddies in the South Indian Ocean

Hu Dong1, Chen Xi2, Mao Kefeng2，Li Yan2, Zhang Shouye3, Hong Sen2

(1.The31010ArmyofPLA,Beijing100081,China; 2.CollegeofMeteorologyandOceanography,NationalUniversityofDefenseTechnology,Nanjing211101,China; 3.The92689ArmyofPLA,Zhanjiang524000,China)

The South Indian Ocean is a region abundant of mesoscale eddies. We analyzed statistical characteristics of mesoscale eddies in the South Indian Ocean(10°—35°S, 50°—120°E) based on merged satellite altimetry data as well as Argo profile data. The results show that eddy frequency is distinctly high in the band area between 18°—30°S; eddy radius tend to increase from the south the north; the radius, eddy kinetic energy, energy intensity and vorticity of long-lived eddies firstly increased and then decreased as eddies evaluate during their lifespans. Most eddies propagate westward while their meridional movement is not significant and long-lived cyclonic eddies (CEs) and anticyclonic eddies (AEs) have poleward (equatorward) deflections, respectively. The mean propagation speed of eddies is 5.9 cm/s and the magnitude present a feature of zonal distribution. Under the mixing layer, CE (AE) represent consistent negative (positive) temperature anomaly and there exist two cold (warn) cores with negative (positive) temperature anomaly, respectively. The salinity structure of CE presented as ‘positive-negative’ salinity anomaly structure, while it is opposite for AE. Eddies’ influence on temperature and salinity could reach more than 1 000×104Pa.

South Indian Ocean; mesoscale eddies; statistical characteristics; three dimensional structure

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.001

2016-09-17；

2016-12-17。

國家自然科學(xué)基金(11102232)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150711)。

胡冬(1991—)，男，江蘇省連云港市人，主要從事海洋環(huán)境保障與海洋中尺度現(xiàn)象研究。E-mail:oceanhd@126.com

*通信作者：陳希，教授，主要從事海洋調(diào)查和海洋數(shù)值模擬研究。E-mail：lgdxchxtemp@163.com

P731.2

A

0253-4193(2017)09-0001-14

胡冬，陳希，毛科峰，等. 南印度洋中尺度渦統(tǒng)計特征及三維合成結(jié)構(gòu)研究[J]. 海洋學(xué)報, 2017, 39(9): 1-14,

Hu Dong, Chen Xi, Mao Kefeng, et al. Statistical characteristics and composed three dimensional structures of mesoscale eddies in the South Indian Ocean[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(9): 1-14, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.001