南極斯科舍海渦旋分布及其內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)特征分析

嚴(yán)晨冰，程靈巧,2,3*，朱國(guó)平,2,4,5

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 極地研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201306；4.上海海洋大學(xué) 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 極地海洋生態(tài)系統(tǒng)研究室，上海 201306；5.上海海洋大學(xué) 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 210306)

1 引言

南大洋南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）海域?yàn)楹Ｑ鬁u旋的高發(fā)海區(qū)。ACC 內(nèi)強(qiáng)勁的鋒面系統(tǒng)、斜壓不穩(wěn)定的增強(qiáng)及其北側(cè)大陸邊界層的不穩(wěn)定性等因素會(huì)誘發(fā)頻繁的渦旋活動(dòng)[1]。一方面，渦旋可克服ACC 緯向流動(dòng)所產(chǎn)生的障礙，跨越極鋒（Polar Front，PF）向高緯海域輸送熱量和鹽量[2]，同時(shí)也可將海表面風(fēng)應(yīng)力產(chǎn)生的動(dòng)量輸送至海底，以平衡西風(fēng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈動(dòng)量輸入[3]。另一方面，南大洋渦旋對(duì)物質(zhì)能量的再分配，對(duì)生物分布有重要影響作用[4]。

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星觀測(cè)資料的日益增多以及模型分辨率提高和渦旋自動(dòng)探測(cè)方法逐漸成熟，針對(duì)南大洋渦旋的研究也已有較廣泛的開(kāi)展。Frenger 等[1]使用Okubo-Weiss（OW）[5–6]參數(shù)法對(duì)南大洋中尺度渦旋統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行了研究，指出ACC 及邊界流系統(tǒng)區(qū)域是大多數(shù)渦旋的產(chǎn)生和消亡地，而水深小于2 000 m的區(qū)域幾乎無(wú)中尺度渦旋產(chǎn)生。Swart 等[7]發(fā)現(xiàn)西南印度洋的一個(gè)冷渦直徑可達(dá)175 km，這要比在新西蘭南部的直徑165 km[8]和德雷克海峽的直徑小于80 km[9]的冷渦均要大。在渦旋對(duì)經(jīng)向熱鹽運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)方面，Jayne 和Marotzke[10]發(fā)現(xiàn)渦旋熱運(yùn)輸中的輻散分量在ACC 中最強(qiáng)；Trani 等[11]的研究表明ACC 區(qū)經(jīng)向熱傳遞數(shù)值范圍處于–0.4～–1.1 PW（1 PW=1015W）之間；Patel 等[12]的研究表明塔斯馬尼亞南部氣旋式渦旋向亞南極區(qū)的淡水通量與?？寺坑兄嗤牧考?jí)。另外，渦旋對(duì)生物影響方面，渦旋可以引起南喬治亞島周圍浮游植物的暴發(fā)[13]，ACC 流域產(chǎn)生的鋒面渦旋為魚類仔體跨鋒面運(yùn)輸提供了可能性[14]。

斯科舍海位于德雷克海峽東面、南極半島北面的61°～53°S，75°～25°W 之間[15]，其三面鄰島，由海底山脊圍成特殊的地質(zhì)環(huán)境，是南大洋的重要組成部分之一（圖1a）。自西穿過(guò)德雷克海峽的ACC 向東北方向流經(jīng)斯科舍海，其流域內(nèi)的3 支主要鋒面，自北向南依次為亞南極鋒（Sub-antarctic Front，SAF）、PF 和南極繞極流南鋒（Southern ACC Front,SACCF），鋒面的不穩(wěn)定性與特殊的地形相互作用導(dǎo)致了該海域渦旋頻發(fā)的特點(diǎn)[16]。目前對(duì)斯科舍海渦旋的已有研究包括渦旋活動(dòng)對(duì)浮游植物的時(shí)空變化影響[17]以及西部德雷克海峽的渦旋熱通量[18]。此外，斯科舍海東部的南喬治亞島、南部的南奧克尼群島和南設(shè)得蘭群島附近海域均有著豐富的浮游動(dòng)物和魚類資源[19–20]，而SACCF 區(qū)渦旋的活動(dòng)是引起南喬治亞島附近海域浮游植物年際變化的重要原因[21]。因此，掌握斯科舍海渦旋的參數(shù)、分布等特征對(duì)于進(jìn)一步了解該海域的能量變化和生物–物理相互作用具有重要意義。此外，目前國(guó)內(nèi)對(duì)海洋渦旋的研究主要集中在北太平洋[22–27]和南海區(qū)域[28–30]，尚無(wú)針對(duì)南極斯科舍海域的渦旋研究，這為深入理解該海區(qū)物質(zhì)能量輸送以及生物資源分布帶來(lái)了不確定性。與此同時(shí)，近些年來(lái)國(guó)際社會(huì)對(duì)斯科舍海南側(cè)，尤其是南極半島投入了更多的關(guān)注，該海區(qū)為目前南極增溫最為顯著的區(qū)域[31]。

由此，本文基于2005–2019 年間共15 年的法國(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（Archiving,Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data,AVISO）衛(wèi)星高度計(jì)融合數(shù)據(jù)，對(duì)斯科舍海進(jìn)行渦旋的識(shí)別與追蹤，并統(tǒng)計(jì)渦旋半徑、傳播距離、生命周期等特征參數(shù)，分析渦旋的地理分布特點(diǎn)、渦旋跨鋒面情況以及移動(dòng)特性，全面解析斯科舍海渦旋的統(tǒng)計(jì)特征和結(jié)構(gòu)。同時(shí)，結(jié)合Argo 和氣候變化預(yù)測(cè)和碳水文數(shù)據(jù)局（The Clivar and Carbon Hydrographic Data Office,CCHDO）的水文數(shù)據(jù)，分析了該海域渦旋對(duì)海洋內(nèi)部水文特性再分配的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文用于渦旋探測(cè)與追蹤的數(shù)據(jù)來(lái)自AVISO 衛(wèi)星高度計(jì)資料，其融合了Topex/Poseidon、ERS-1 和ERS-2、Jason-1 和Jason-2、EnviSat 和GFO（Geo Follow-On）衛(wèi)星數(shù)據(jù)，現(xiàn)由COPERNICUS 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)中心提供，其中包括海表面高度（Sea Surface Height,SSH），海表面高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）和海表面地轉(zhuǎn)流速異常，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率均為0.25°×0.25°。SLA 為基于1993–2012 年期間平均海平面的結(jié)果，地轉(zhuǎn)流速異常(u′,v′)是基于地轉(zhuǎn)關(guān)系由SLA 計(jì)算得到，計(jì)算公式為

另外，本文還利用Argo（http://www.argo.ucsd.edu）剖面數(shù)據(jù)對(duì)比同一時(shí)期鄰近冷暖渦旋內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，兩個(gè)跨渦旋內(nèi)部溫鹽斷面來(lái)自CCHDO（https://cchdo.ucsd.edu/search?bbox=-180,-90,180,-40）的74JC20151217（2015 年12 月25 日至2016 年1 月11 日）和74JC20130319（2013 年3 月18 日 至4 月26 日）的溫深剖面儀（Conductivity Temperature Depth Profiler,CTD）斷面數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2 渦旋的探測(cè)與參數(shù)計(jì)算

本文使用基于流場(chǎng)幾何特征的渦旋自動(dòng)探測(cè)方法[32–33]進(jìn)行渦旋探測(cè)，該方法已在多海域?qū)崿F(xiàn)運(yùn)用[25,34–35]。在這個(gè)方法中，滿足以下所有約束條件的點(diǎn)被定義為渦旋中心：（1）沿渦旋中心點(diǎn)東西方向的速度分量u′在遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的兩側(cè)數(shù)值符號(hào)相反，大小隨距中心點(diǎn)的距離線性增加；（2）沿渦旋中心點(diǎn)南北方向的速度分量v′在遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的兩側(cè)數(shù)值符號(hào)相反，大小隨距中心點(diǎn)的距離線性增加；（3）在選定區(qū)域內(nèi)找到速度最小值點(diǎn)近似為渦旋中心；（4）在近似渦旋中心點(diǎn)附近，速度矢量的旋轉(zhuǎn)方向必須一致，即兩個(gè)相鄰的速度矢量方向必須位于同一個(gè)象限或相鄰的兩個(gè)象限。

確認(rèn)渦旋中心后，將中心點(diǎn)最外層封閉的流線判定為渦旋的邊界，渦旋的追蹤則是在t+1 時(shí)刻尋找與t時(shí)刻最相近、極性（渦旋的旋轉(zhuǎn)方向）相同的渦旋。確認(rèn)渦旋的邊界后，將渦旋的半徑定義為中心到其邊界的平均距離。

利用海表面地轉(zhuǎn)流速異常數(shù)據(jù)，本文計(jì)算了渦動(dòng)能（Eddy Kinetic Energy，EKE），公式為

式中，u′ (單位：cm/s)和v′ (單位：cm/s)分別為緯向和經(jīng)向的地轉(zhuǎn)流速異常。

3 結(jié)果

3.1 渦旋數(shù)量特征

基于渦旋自動(dòng)探測(cè)和追蹤方法，斯科舍海域15 年間共追蹤到51 196 個(gè)渦旋軌跡，其中包含了12 906個(gè)生命周期僅1 d 的渦旋，在表1 中沒(méi)有對(duì)生命周期為1 d 的這些渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于渦旋即使在同一生命周期范圍內(nèi)，移動(dòng)距離也有較大差異，因此表1 中也沒(méi)有對(duì)平均傳播距離進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算。氣旋式渦旋（Cyclonic Eddy，CE）和反氣旋式渦旋（Anticyclonic Eddy，AE）分別為26 345 和24 851 個(gè)，多為短壽命渦旋，約92%的渦旋生命周期不足30 d。另外，生命周期越短的渦旋對(duì)應(yīng)的平均傳播距離也越短；反之，雖然生命周期長(zhǎng)的渦旋個(gè)數(shù)較少，但對(duì)應(yīng)著較大的平均半徑和傳播距離。

表1 2005–2019 年斯科舍海渦旋生命周期、個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)平均半徑、平均傳播距離情況Table 1 Lifespan,number of eddies,and the corresponded mean radius and propagation distance in the Scotia Sea from 2005 to 2019

圖2 為所有渦旋的生命周期、傳播距離及生命周期內(nèi)平均半徑和最大半徑所對(duì)應(yīng)的數(shù)量分布關(guān)系。由圖2a 和圖2b 中可以看出，隨著生命周期和傳播距離的增大，CE 與AE 的數(shù)量以基本重疊的變化趨勢(shì)急劇減少。生命周期不足50 d 的渦旋占總渦旋數(shù)量的97.1%，傳播距離小于150 km 的渦旋占比為96.5%。兩種渦旋平均半徑在10～30 km 之間的數(shù)量最多，并在約20 km 達(dá)到個(gè)數(shù)峰值（圖2c）。除峰值處氣旋渦旋略多于反氣旋渦旋外，兩者在其他半徑值上的數(shù)量基本相同。另外，圖2d 顯示所有渦旋在其生命周期中最大半徑達(dá)到16 km 的個(gè)數(shù)最多；最大半徑在25 km以上的渦旋數(shù)量急劇下降。總體來(lái)看，相比北太平洋黑潮流域等邊界流系統(tǒng)，斯科舍海區(qū)的渦旋壽命、半徑和傳播距離等特征參數(shù)均較小[22–23]。ACC 平均流速約為15 cm/s[36]，相較于流速一般在51～102 cm/s的黑潮來(lái)說(shuō)要小得多。由此可知，不同背景流場(chǎng)和環(huán)境下產(chǎn)生的渦旋會(huì)存在較大差異。

圖2 渦旋的生命周期（a）、傳播距離（b）、生命周期內(nèi)渦旋的平均半徑（c）和最大半徑（d）所對(duì)應(yīng)的數(shù)量分布關(guān)系Fig.2 The number distributions corresponding to lifespan (a),propagation distance (b),mean radius (c) and maximum radius (d)during lifespan of all eddies

3.2 渦旋分布特征

為了研究渦旋產(chǎn)生的地理位置，本文將研究區(qū)域分為經(jīng)緯度1°×0.5°的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)了4 個(gè)生命周期范圍內(nèi)渦旋的總個(gè)數(shù)，且計(jì)算出渦旋產(chǎn)生地落在網(wǎng)格內(nèi)的比率（圖3）。在圖3 的4 個(gè)生命周期范圍中，生命周期為10～30 d 的渦旋數(shù)量最多，其主要產(chǎn)生在SACCF、SB 周圍和SAF 北部的南美洲陸坡附近（圖3a）。相較之下，PF 周圍產(chǎn)生的這種短生命周期渦旋較少。生命周期在30～60 d 的渦旋大部分產(chǎn)生在SACCF 和SB 附近，相較更短周期的渦旋產(chǎn)生地有向PF 方向移動(dòng)的趨勢(shì)（圖3b），而南美洲西南大陸周圍已不再是該生命周期范圍渦旋的產(chǎn)生熱點(diǎn)區(qū)域。生命周期在60～90 d 的渦旋，產(chǎn)生地有部分位于PF 流域內(nèi)，西南斯科舍海的德雷克海峽附近也成為這些渦旋的高發(fā)地（圖3c）。對(duì)于更長(zhǎng)生命周期的渦旋，其產(chǎn)生地幾乎不再處于斯科舍海南端、北端和大陸坡附近，而是主要集中在斯科舍海中部的PF、SACCF和SAF 附近（圖3d）。以上結(jié)果顯示，相比較PF 附近海域，大陸坡和SACCF 附近的水深相對(duì)較淺，海底地形變化大，產(chǎn)生了大部分短生命周期渦旋；由此進(jìn)一步推斷，渦旋的產(chǎn)生、分布及生命周期等特征參數(shù)可能與水深有著一定的聯(lián)系。

1）結(jié)構(gòu)本質(zhì)防凍。只要油井產(chǎn)液，就可以防止放氣閥凍堵。如果油井間出、產(chǎn)液量較低或不產(chǎn)液時(shí)，也可以摻水防凍。

圖3 不同生命周期范圍內(nèi)渦旋產(chǎn)生地落在1o×0.5o 網(wǎng)格內(nèi)的比率分布Fig.3 Ratio distribution of eddies generated in the 1o×0.5o grids corresponding to different lifespan ranges

為此，本文將探測(cè)到的所有渦旋產(chǎn)生地的水深、渦旋的生命周期、平均半徑和傳播距離繪制成散點(diǎn)圖進(jìn)行觀察（圖4）。由圖可知，水深3 000～5 000 m所在海域內(nèi)產(chǎn)生了大量渦旋，其中3 000～4 000 m 和4 000～5 000 m 這兩個(gè)深度所在海域內(nèi)產(chǎn)生的渦旋分別占總數(shù)的42.9%和15.1%。長(zhǎng)壽命（生命周期大于80 d）和大尺度（平均半徑大于80 km）渦旋也多集中在3 000～5 000 m 水深海域內(nèi)，最大壽命的渦旋出現(xiàn)在水深接近4 500 m 的海域。由圖4b 可知，生命周期大于80 d、移動(dòng)距離大于300 km 的渦旋平均半徑多集中在20～60 km 范圍內(nèi)，其中最大移動(dòng)距離達(dá)到600 km 以上。相較之下，平均半徑大于80 km 的渦旋對(duì)應(yīng)生命周期基本小于40 d、移動(dòng)距離小于100 km。因此可知，在斯科舍海域，半徑在20～60 km 且生命周期大于80 d 的渦旋可以移動(dòng)更遠(yuǎn)距離。

圖4 渦旋產(chǎn)生地的水深、渦旋半徑、生命周期和傳播距離之間的關(guān)系Fig.4 Relationship among water depth of eddy generating area,eddy radius,lifespan and propagation distance

3.3 渦動(dòng)能分布及變化

EKE 的分布可以體現(xiàn)渦旋的活躍程度，即EKE越大的區(qū)域渦旋活動(dòng)越強(qiáng)[24]。2005–2019 年15 年間的平均EKE 分布如圖5a 所示。渦動(dòng)能由德雷克海峽沿著ACC 流向逐漸向斯科舍海中間海域增大，在55°～58°S，52°～63°W 之間，即PF 和SAF 中間達(dá)到800 cm2/s2以上，而至45°W以東海域，EKE減少至200 cm2/s2以下。結(jié)合圖1 可知，EKE 高值聚集在斯科舍海的海盆最深區(qū)域，東、南、北三面狹長(zhǎng)的海底山脊（水深小于2 000 m）處為低值區(qū)，這一特征契合Frenger 等[1]的觀點(diǎn)，即渦旋較少在深度小于2 000 m的水域產(chǎn)生并傳播。關(guān)于渦旋產(chǎn)生與海底地形的聯(lián)系，Moore 等[38]曾證實(shí)，南大洋渦旋出現(xiàn)和變化并不沿著ACC 流向均勻發(fā)生，而與ACC 穿過(guò)顯著的海底地形（如大洋中脊）的區(qū)域密切相關(guān)，在南大洋西南印度脊處即是如此[7]。因此，斯科舍海特殊的地形可能阻礙了渦旋的移動(dòng)與能量的輸運(yùn)，致使EKE 聚集在中部海盆處無(wú)法擴(kuò)散。

圖5 2005–2019 年平均渦動(dòng)能（EKE）空間分布（a），白色等值線為4 000 m 等深線；月平均EKE（黑線）及標(biāo)準(zhǔn)差范圍（淺藍(lán)色），年平均EKE 以及標(biāo)準(zhǔn)差（紅線）（b）；基于日平均EKE 時(shí)間序列的功率譜分析（c）Fig.5 The spatial distribution of mean eddy kinetic energy (EKE) from 2005 to 2019,white contours are 4 000 m isobaths (a);monthly mean EKE (black line) and one standard deviation range (light blue),annual-mean EKE and standard deviation (red line) (b);power spectrum of daily EKE time-series (c)

其次，為了獲得EKE 的時(shí)間變化，繪制了15 年間整個(gè)斯科舍海域EKE 月平均和年平均時(shí)間序列（圖5b）?？梢钥闯?，月平均EKE 的時(shí)間序列呈季節(jié)性上下震蕩的模式。月平均EKE 極小值多集中在11 月和12 月，且在2006 年和2015 年11 月達(dá)到最小的120 cm2/s2以下。相反，月平均EKE 的極大值多集中在6–8 月之間，在2019 年6 月達(dá)到最大的210 cm2/s2以上。從年平均EKE 時(shí)間序列來(lái)看，在2005–2016年間EKE 呈較微弱的下降趨勢(shì)，但均在150 cm2/s2附近震蕩。2016 年之后，EKE 有較顯著的增大趨勢(shì)，2019 年則急劇增大到180 cm2/s2以上。通過(guò)對(duì)EKE時(shí)間序列進(jìn)行譜分析發(fā)現(xiàn)，EKE 在約333 d 的周期上有一個(gè)顯著波峰，比一年短幾十天，與月平均EKE 上下震蕩分布相符（圖5c）。

2016 年之后EKE 的顯著增強(qiáng)，驅(qū)使我們進(jìn)一步分析斯科舍海SLA 絕對(duì)值異常和EKE 異常情況，參考基準(zhǔn)為2005–2019 年的15 年平均值（圖6）。SLA絕對(duì)值在2010 年之前具有顯著的負(fù)異常，進(jìn)入2010年之后變?nèi)?，并?013 年開(kāi)始逆轉(zhuǎn)為正異常，隨后從2016 年到2017 年之間具有最大增幅，并開(kāi)始呈現(xiàn)出顯著正異常。EKE 異常在2005–2016 年之間基本呈現(xiàn)為較弱的負(fù)異常。然而從2017 年開(kāi)始，EKE 轉(zhuǎn)變?yōu)檎惓＃⒃?019 年達(dá)到顯著狀態(tài)。SLA 絕對(duì)值異常和EKE 異常盡管在前期分布狀態(tài)不同，但在2016 年后都有明顯增強(qiáng)，轉(zhuǎn)為正異常。以往研究記錄表明，1980 年以來(lái)南極海冰覆蓋面積在持續(xù)緩慢增大之后，于2016 年突然降低，并于2016 年11–12月達(dá)到異常最低值，同時(shí)南半球環(huán)狀模達(dá)到1968 年以來(lái)同月份的最低值[39–40]。由此可知，本文中2016 年之后的SLA 絕對(duì)值和EKE 正異常與南極大氣和海冰覆蓋狀況突變?cè)跁r(shí)間上具有對(duì)應(yīng)性，前者體現(xiàn)的海洋渦動(dòng)能顯著增強(qiáng)，可能與大氣動(dòng)力環(huán)境改變和海冰覆蓋減少導(dǎo)致的更多能量向海輸送有關(guān)[41]。

圖6 海表面高度異常（SLA）絕對(duì)值異常（a）和渦動(dòng)能（EKE）異常（b）Fig.6 Anomaly of absolute sea level anomaly (SLA) (a) and eddy kinetic energy (EKE) (b)

3.4 渦旋跨鋒面特征

渦旋的分布與鋒面存在著密切的聯(lián)系，且已知南大洋的渦旋可以通過(guò)跨鋒面輸運(yùn)產(chǎn)生經(jīng)向上的熱鹽交換。因此，本文基于Orsi 等[37]的鋒面數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了15 年間跨PF 和SACCF 兩鋒面的渦旋個(gè)數(shù)（表2）?？傮w來(lái)看，共檢測(cè)到1 422 個(gè)跨PF 和SACCF 的渦旋，其中低緯向的CE 在數(shù)量上占主導(dǎo)地位（35.2%），其次為低緯向的AE 數(shù)量，占總數(shù)的30.7%。相較之下，跨兩鋒面的高緯向渦旋數(shù)量較少，其中跨PF 的渦旋數(shù)量比跨SACCF 的同類渦旋少1 個(gè)量級(jí)。在這些高緯向渦旋中，AE 數(shù)量占主導(dǎo)地位。

表2 跨極鋒（PF）和南極繞極流南鋒（SACCF）兩鋒面渦旋個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 The number of eddies crossing Polar Front (PF) and Southern Antarctic Circumpolar Current Front (SACCF)

為了進(jìn)一步探究渦旋的具體移動(dòng)方向，將渦旋的產(chǎn)生位置移到相同的坐標(biāo)點(diǎn)（0°，0°）處，得到跨PF 和SACCF 渦旋的相對(duì)移動(dòng)軌跡（圖7）。緯向上，跨PF的CE 和AE 呈現(xiàn)出顯著的東向移動(dòng)模式，最遠(yuǎn)可移動(dòng)約11°。經(jīng)向上，大部分跨PF 的CE 傾向于向北移動(dòng)，移動(dòng)距離可達(dá)到5°。相較之下，AE 向北移動(dòng)距離均處于3°以內(nèi)?？鏢ACCF 渦旋的移動(dòng)軌跡由產(chǎn)生點(diǎn)向外呈散射狀分布（圖7d,圖7e），無(wú)顯著的方向性，與表2 中跨SACCF 的各類渦旋數(shù)量上相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)一致。因此，跨PF 和SACCF 的渦旋呈現(xiàn)出完全不同的移動(dòng)軌跡，前者總體向東北移動(dòng)，且移動(dòng)距離更遠(yuǎn)，而后者總體呈散射狀分布，無(wú)顯著特定方向性。

結(jié)合表1 和圖3 可知，斯科舍海產(chǎn)生的渦旋約92%均為短壽命渦旋（<30 d），而SACCF 附近為短壽命渦旋產(chǎn)生的熱點(diǎn)區(qū)域。徐茗等[42]在研究全球海域短壽命渦旋特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們多以西向移動(dòng)為主，但在較強(qiáng)東向環(huán)流的海域，渦旋會(huì)隨之向東遷移。斯科舍海ACC 呈現(xiàn)典型的東向流動(dòng)，跨PF 的渦旋主要呈現(xiàn)出東北或東向，這與徐茗等[42]的觀點(diǎn)契合。另外，徐茗等[42]的研究也表明，短生命周期CE 略傾向于向赤道偏轉(zhuǎn)，AE 略傾向于向極地偏轉(zhuǎn)，這與本文中跨PF 和SACCF 的渦旋中低緯向CE 數(shù)量在總渦旋數(shù)量上占主導(dǎo)的結(jié)果一致，同時(shí)在一定程度上支持了高緯向渦旋中AE 數(shù)量占主導(dǎo)的結(jié)果。

3.5 渦旋對(duì)海洋內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)的影響

渦旋活動(dòng)伴隨著其內(nèi)部獨(dú)特的水文結(jié)構(gòu)特征。圖8 顯示了從Argo 浮標(biāo)數(shù)據(jù)中提取出來(lái)的兩組同一時(shí)期鄰近的CE（冷渦）和AE（暖渦）內(nèi)部水文剖面結(jié)果。從圖中可知，C1 和A1 分別位于相鄰的CE 和AE內(nèi)部，在0～1 000×104Pa 范圍內(nèi)，C1 整體溫度比A1低，在海表處低2℃，在50×104～400×104Pa 處有明顯的冷水團(tuán)出現(xiàn)，與同深度的A1 溫差接近4℃。在鹽度剖面中，近350×104Pa 以淺C1 鹽度要低于A1，之后C1 鹽度高于A1。另一組C2 和A2 分別位于CE 和AE邊緣內(nèi)側(cè)處，C2 在0～2 000×104Pa 上溫度都比A2 低，與C1 有著類似的特征，在150×104Pa 附近有冷水核心，A2 溫度則從海表緩慢下降，與A1 剖面相近。因Argo 測(cè)得的A2 鹽度值有誤，未能用于比較。C2 在海表附近有著低鹽特征，但在100×104～200×104Pa 上鹽度驟增，200×104～1 400×104Pa 相比同深度C1 鹽度也要大很多，到1 400×104Pa 左右鹽度才逐漸與C1 靠近。綜上，盡管從渦旋產(chǎn)生位置來(lái)看，這兩組CE 和AE 之間并沒(méi)有較大經(jīng)向差異（<2°），但它們內(nèi)部從海表延伸至1 000×104Pa 以深都存在顯著的水文結(jié)構(gòu)差異。結(jié)合南大洋水團(tuán)分布特征[43]，可知CE 內(nèi)部次表層具有延伸自南極大陸架的低溫冬季水（Winter Water，WW）特征，反之AE 內(nèi)部次表層僅存有較高溫高鹽的水團(tuán)?？梢猿醪酵茰y(cè)來(lái)自南側(cè)高緯的水團(tuán)被CE 攜帶，而AE 內(nèi)部水團(tuán)則來(lái)自北側(cè)低緯海區(qū)。

圖8 兩組同時(shí)期鄰近氣旋式和反氣旋式渦旋內(nèi)部溫鹽特性比較Fig.8 Two groups of comparison of the potential temperature and salinity between adjacent cyclonic and anticyclonic eddies

為了更加深入了解渦旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)CCHDO提供的CTD 站點(diǎn)，本文追蹤了斯科舍海兩個(gè)穿過(guò)站點(diǎn)的氣旋式冷渦，它們?cè)谏芷趦?nèi)的移動(dòng)和變形過(guò)程在圖9 中展示。第1 個(gè)冷渦于2015 年12 月16 日產(chǎn)生（圖9a1），向東北方向移動(dòng)，于2016 年1 月12 日與其南邊更大的一個(gè)冷渦合并后消失（圖9a6）。第2 個(gè)冷渦于2013 年2 月12 日產(chǎn)生（圖9b1），在接下來(lái)的時(shí)間里向東移動(dòng)，期間與東側(cè)的一個(gè)冷渦分支合并，并移動(dòng)近6°后消失（圖9b6），其生命周期內(nèi)負(fù)SLA 信號(hào)相對(duì)較弱且面積也較小。隨后計(jì)算這兩個(gè)渦旋內(nèi)部位溫、鹽度和位密的異常值（渦旋內(nèi)部數(shù)值減去背景場(chǎng)數(shù)值），以觀察渦旋對(duì)海洋內(nèi)部溫鹽特性再分配的作用，所選擇的背景場(chǎng)數(shù)據(jù)為圖9a1 中的黃色實(shí)心點(diǎn)，該點(diǎn)為所選斷面中靠近兩個(gè)渦旋邊緣處（SLA 接近0 cm）的站點(diǎn)，與渦旋內(nèi)部有較大差異。

圖10 顯示了上述兩個(gè)冷渦的位溫、鹽度和位密的斷面結(jié)構(gòu)（等值線）及這3 個(gè)特征量的異常值（背景顏色）。由SLA 值（圖9a5、圖9b5 和圖10a1、圖10b1）可知，2016 年渦旋中心位于站點(diǎn)5 附近，2013 年渦旋中心位于站點(diǎn)11 附近，且前者強(qiáng)度較后者大。斷面結(jié)果顯示，2016 年冷渦的冷核中心處于138×104Pa 深度，具有最低位溫1.38°C，對(duì)應(yīng)鹽度為33.86。該處位溫異常（aθ）達(dá)–3.36°C，鹽度異常（aS）為–0.28。2013 年冷渦的冷核中心處于184×104Pa 深度，具有最低位溫為2.07°C，對(duì)應(yīng)鹽度34.0。該處位溫和鹽度異常分別為–2.61°C 和–0.12。另外，結(jié)合圖9 可知，這兩個(gè)冷渦的冷核中心溫鹽負(fù)異常均與同斷面南側(cè)冷渦的情況（站點(diǎn)8 和站點(diǎn)14）一致，只是相較之下負(fù)異常幅度較小。在位密斷面上，未出現(xiàn)冷核中心對(duì)應(yīng)的顯著異常。而在兩個(gè)斷面的500×104Pa以深，冷渦中心的站點(diǎn)5 和站點(diǎn)11 處均出現(xiàn)了鹽度和位密的顯著正異常。其中，2013 年渦旋的鹽度和位密斷面中，站點(diǎn)11 在550×104～700×104Pa 深度上出現(xiàn)鹽度和密度正異常高值，南側(cè)冷渦對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)14 也在該深度范圍內(nèi)達(dá)到鹽度和密度正異常的最大值，盡管同深度范圍內(nèi)南側(cè)冷渦的正異常更顯著，但兩個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的冷渦情況一致。這兩個(gè)冷渦內(nèi)部次表層溫鹽負(fù)異常與圖8 中Argo 數(shù)據(jù)的冷渦結(jié)果基本一致，進(jìn)一步說(shuō)明冷渦內(nèi)部水體來(lái)自南側(cè)高緯海區(qū)的普遍可能性。

圖9 兩個(gè)渦旋移動(dòng)軌跡和CTD 站點(diǎn)分布Fig.9 Movement trajectories of two eddies and CTD stations distribution

圖10 2016 年和2013 年兩個(gè)斷面對(duì)應(yīng)的海表面高度異常分布（a1，b1）、位溫（θ）及其異常值（aθ）（a2，b2）、鹽度（S）及其異常值（aS）（a3，b3）和位密（σθ）及其異常值（）（a4，b4）的垂直斷面圖Fig.10 Sea level anomaly distributions along the two sections obtained in 2016 (a1) and 2013 (b1),the vertical section of potential temperature (θ) and their anomalies (a2,b2),salinity (S) and their anomalies (a3,b3) and potential density (σθ) and their anomalies (a4,b4)

渦旋在形成過(guò)程中，可以將周圍的水體攜帶并滯留在渦旋中心處，當(dāng)渦旋成熟后，渦旋中心的水與邊緣的水之間幾乎不會(huì)發(fā)生交換[44]。在南大洋，由于強(qiáng)大的緯向鋒面結(jié)構(gòu)，海洋內(nèi)部水團(tuán)和溫、鹽分布在經(jīng)向上具有明顯特征[43]。本文顯示，冷渦攜帶了高緯的低溫、低鹽WW 并將其滯留，使其隨渦旋的移動(dòng)而移動(dòng)；反之，暖渦攜帶了低緯的較高溫、高鹽的次表層水并將其滯留和輸運(yùn)。Swart 等[7]對(duì)西南印度洋一個(gè)冷渦的研究中發(fā)現(xiàn)，該渦旋將高緯的溫度和鹽度異常向低緯移動(dòng)了1.5°，還表明在西南印度扇區(qū)的南極表層水（Antarctic Surface Water，AASW）每年向北的流量中渦旋的貢獻(xiàn)達(dá)到了2.5%。Cotroneo 等[45]也觀察到一個(gè)由PF 中脫離的冷渦向SAF 移動(dòng)。Morrow 等[16]對(duì)SAF 區(qū)域8 年時(shí)間序列的冷渦進(jìn)行觀察研究，發(fā)現(xiàn)每年均有攜帶鹽度負(fù)異常水體的渦旋由SAF 中脫離并向亞南極區(qū)域移動(dòng)。盡管本節(jié)呈現(xiàn)的幾個(gè)渦旋在經(jīng)向上移動(dòng)特征不明顯，但是結(jié)合3.4 節(jié)中冷渦有著向低緯移動(dòng)的趨勢(shì)，而高緯向移動(dòng)渦旋中暖渦占主導(dǎo)地位的結(jié)果，說(shuō)明渦旋對(duì)斯科舍海水團(tuán)的移動(dòng)和熱鹽的再分配作用無(wú)疑不可忽視。

4 總結(jié)與展望

利用基于流場(chǎng)幾何特征的渦旋探測(cè)方法，本文選取2005–2019 年的AVISO 衛(wèi)星高度計(jì)融合數(shù)據(jù)對(duì)南大洋斯科舍海域內(nèi)的渦旋進(jìn)行了識(shí)別與追蹤，根據(jù)探測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)了渦旋半徑、傳播距離、生命周期等特征參數(shù)，且分析渦旋的地理分布特點(diǎn)、跨鋒面情況、移動(dòng)特性及渦動(dòng)能分布和變化。同時(shí)，研究結(jié)合Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)和CCHDO 斷面數(shù)據(jù)對(duì)渦旋內(nèi)部水文特征進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）斯科舍海的渦旋多為短壽命渦旋（<30 d），平均半徑在10～30 km 之間，這可能與高緯海區(qū)較大科氏參數(shù)下的ACC 背景流速有關(guān)。

（2）不同生命周期的渦旋，具有顯著不同的產(chǎn)生熱點(diǎn)區(qū)域，隨著生命周期的增大，渦旋主要集中在斯科舍海中部的PF、SACCF 和SAF 附近。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這可能是因?yàn)闇u旋產(chǎn)生地與水深存在著一定對(duì)應(yīng)關(guān)系有關(guān)，斯科舍海有近58%的渦旋產(chǎn)生在3 000～5 000 m 深的海域。

（3）EKE 高值聚集在斯科舍海盆最深處，且EKE年際異常和SLA 絕對(duì)值異常在2016 年后都顯示出明顯的正異常，這與2016 年之后南極大氣環(huán)境改變和海冰覆蓋急劇減少具有時(shí)間對(duì)應(yīng)性。

（4）跨PF 和SACCF 的渦旋中，低緯向的CE 在數(shù)量上占主導(dǎo)地位（35.2%），其次為低緯向的AE 數(shù)量，占總數(shù)的30.7%?？鐑射h面的高緯向渦旋數(shù)量相對(duì)較少，且AE 占主導(dǎo)。結(jié)合渦旋內(nèi)部水文特性結(jié)果，可以推測(cè)在斯科舍海CE 攜帶南側(cè)次表層低溫低鹽水團(tuán)向北輸送，AE 攜帶北側(cè)高溫高鹽次表層水向高緯輸送，這將對(duì)水團(tuán)的移動(dòng)和熱鹽的再分配有著重要影響。

本文對(duì)斯科舍海的EKE 年際變化規(guī)律及渦旋內(nèi)部水文結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了檢測(cè)分析，為進(jìn)一步掌握南大洋海洋–大氣相互作用和渦旋對(duì)物質(zhì)能量的跨鋒面輸送作用提供基礎(chǔ)支撐。