進入中國南海的黑潮脫落中尺度渦的特征
——基于OFES模式數據

王鼎琦,方國洪,徐騰飛,邱 婷

(1.中國海洋大學 海洋與大氣學院,山東 青島266100;2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島266061;4.國家海洋局 東海預報中心,上海200136)

中尺度渦以持續性封閉環流為主要特征,其水平空間尺度和時間尺度通常為50～500 km、幾天到上百天,垂向影響深度可達水深上千米,并對海洋的物質和能量起著輸運作用[1]。呂宋海峽是中國南海與西北太平洋相互作用的唯一深水通道,平均每年有4.2～5.0 Sv凈輸運從西北太平洋穿過呂宋海峽進入南海[2-3]。黑潮是北太平洋的強西邊界流之一,起源于菲律賓群島東側的北赤道流,具有高溫、高鹽、流速強、流量大、流幅狹窄等特性[2,4]。在呂宋海峽附近,黑潮由于沒有西側陸地的支撐或與太平洋西傳波/渦碰撞時會發生擺動或形變,脫落形成的氣旋式渦(冷渦)或反氣旋式渦(暖渦)是黑潮入侵南海的主要形態之一,對于南海-西北太平洋水體交換具有重要影響[5-10]。

1994年南海北部秋季海洋調查中李立等[11]在東沙島附近觀測到一個水平尺度約150 km、垂向影響深度達1 000 m的暖渦,具有次表層高鹽核、中層低鹽核的海水特性,說明該渦旋可能脫落自黑潮。李燕初等[12]利用Topex/Posedient(T/P)衛星高度計資料繪制出1996年10月—1997年1月臺灣島西南海域的位勢高度變化過程,分析了一個反氣旋式渦旋從黑潮流套路徑中脫落、發展和消亡的過程。后來Jia等[13]結合衛星高度計資料和POCM模式(Parallel Ocean Climate Model)結果,發現季風盛行期間黑潮在119°30′～120°00′E的海域常常脫落暖渦。Yuan等[14]分析衛星遙感水色、海表溫度和高度計資料發現黑潮一年四季都能以脫落暖渦的形式進入南海。曾麗麗等[15]利用WOCE-OUT的溫度資料、T/P-ERS衛星高度計資料和POCM模式結果等,分析了4個暖渦脫落時對南海北部的海溫影響,發現其垂向影響深度為130～180 m。Wang等[16]利用多衛星遙感資料、衛星跟蹤漂流浮標數據和2004年冬季實測水文數據等,在南海北部觀測到1個黑潮脫落暖渦,并且該暖渦以10.5 cm/s的平均速度向西南傳播。Liu等[17]結合衛星高度計資料,通過三架水下滑翔機追蹤一個由臺灣西南側黑潮流套形成并隨后向西南方向遷移的暖渦,從而獲得了該暖渦和周圍水體的高分辨率溫鹽垂向結構,認為出現于水深50～175 m處的高鹽度核在一定程度上限制了垂直混合,從而有利于該暖渦保持黑潮水的特性。王鼎琦等[18]結合衛星高度計等多種海洋數據集,研究了黑潮脫落并由呂宋海峽進入中國南海的中尺度渦(簡稱脫落渦旋)的空間分布、季節變化及半徑、振幅、生命時長、遷移距離和遷移速度等參數的統計特征。針對黑潮脫落渦旋的特征研究多集中于個例分析,未見對脫落渦旋三維結構的統計研究。

黑潮入侵南海的重要方式之一就是脫落渦旋,分析黑潮脫落渦旋的統計特征及其三維結構,有利于深入研究呂宋海峽的水交換和動力學作用。與衛星高度計資料相比,模式資料除了給出海面高度,還包含了流場和溫鹽場數據,有利于更深入了解渦旋的結構。我們對比OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式數據產品和衛星觀測結果,分析1993—2013年黑潮脫落并由呂宋海峽進入中國南海的中尺度渦的統計特征,并研究其流場、溫度和鹽度的三維結構及水團特性等。

1 數據和方法

OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式數據產品是日本地球模擬器計算得到的一種長時間序列的高分辨率海洋模式資料。水平方向上范圍為75°S～75°N,分辨率為0.1°×0.1°,基本上覆蓋了除南北極之外的全部海域。垂直方向上將深度2.5～5 900 m分為54層,參考真實海洋中溫躍層厚度的垂向變化,每層間隔隨著水深的增加而逐漸增大,從表層的約5 m到最底層的近330 m水深間隔[19]。Masumoto等[20]通過對比高度計資料,發現該模式數據適用于研究大尺度環流的特征及中小尺度現象。我們為了研究黑潮脫落渦旋的統計特征和三維結構,選用夏威夷大學的亞太數據研究中心(Asia-Pacific Data Research Center)提供的1993—2013年OFES的海表面高度(SSH,Sea Surface Height)、經向和緯向流速剖面以及溫鹽剖面資料,時間分辨率為3 d[21]。

Chaigneau等[22]提出的變型Winding-Angle(WA)自動識別算法,用SSH等值線代替了流線,計算速度較快且在西北太平洋海域應用較廣[18,23]。我們首先尋找在一個0.5°×0.5°經緯度移動窗口內SSH極值來確定中尺度渦的中心位置。再從每個可能的冷渦(暖渦)中心出發,以1 cm的增幅(減幅)向外尋找閉合的SSH等值線,最外圍的等值線即是渦旋的邊界。最后挑選出振幅超過3 cm,包含網格點不少于12個但不超過2 000個的單核中尺度渦。

再通過距離法[24]利用連續時間的SSH場分析渦旋的遷移路徑,對識別的渦旋進行追蹤,即尋找下一時刻距離最近且極性相同(同為冷渦或暖渦)的渦旋。由于渦旋的平均遷移速度小于0.1 m/s(圖3),而OFES提供的SSH數據的時間分辨率為3 d,那么3 d遷移的平均距離小于30 km,故采用本方法能夠較為準確地追蹤各個渦旋并判定其路徑。

根據SSH數據繪制出每3天的等值線圖(圖略),識別與追蹤黑潮脫落的渦旋,得到黑潮脫落并由呂宋海峽進入中國南海的中尺度渦(簡稱脫落渦旋)的中心位置等參數,再結合流速、溫度和鹽度的剖面數據,分析黑潮在脫落渦旋時的水文要素的三維結構。

2 統計結果

利用OFES的SSH數據識別和追蹤呂宋海峽附近海域的中尺度渦,可以發現1993—2013年黑潮由呂宋海峽進入中國南海的中尺度冷渦和暖渦分別有10個和29個。暖渦個數遠大于冷渦個數,這與之前的衛星觀測結果[18]一致。但渦旋個數均明顯減少,特別是暖渦數量比衛星觀測結果少一半以上,這可能是由于OFES模式對于黑潮不穩定現象的模擬和衛星觀測結果還存在一定差異。其中冷渦只有2個在黑潮控制區(包括黑潮流套區)生成,其余8個則是在黑潮西側邊緣生成;大部分暖渦均在黑潮控制區生成,僅6個暖渦是在黑潮西側邊緣生成。渦旋脫落的空間位置和遷移軌跡如圖1所示,圖中藍色(紅色)圓圈分別代表冷渦(暖渦)的脫落位置。渦旋的脫落均發生在118°～121°E,19°～22°N海域,位置較為集中,且更偏向于海峽的北部。遷移軌跡顯示,模式得到的脫落渦旋以自東向西遷移為主,在西行過程中具有明顯的向南偏移的趨勢。與衛星觀測結果不同的是,模式識別的渦旋遷移路徑更長,這可能是由于模式的分辨率較高,可以較好地反映中尺度渦的活動過程。

圖1 黑潮脫落冷渦、暖渦的空間分布及其遷移軌跡Fig.1 Spatial distribution and migration tracks of the cold and warm eddies shed from the Kuroshio

渦旋特征主要參數有渦旋的半徑、振幅、生存時長和遷移距離等,這些參數的定義及計算方法詳見文獻[18]。我們分別取10 km,1 cm,10 d和50 km為間隔,統計了脫落冷渦、脫落暖渦這些參數的出現頻率(即出現次數除以總數)分布,繪制成圖2。

圖2 黑潮脫落渦旋的半徑、振幅、生存時長和遷移距離的出現頻率分布Fig.2 Occurrence frequency of the radius,amplitude,lifetime and migration distance of the eddies shed from the Kuroshio

脫落渦旋半徑主要分布在40～140 km,冷渦和暖渦的平均半徑分別為74.9 km和89.1 km;振幅均分布在3～20 cm,冷渦和暖渦的平均振幅分別為11.4 cm和10.5 cm;生存時長則主要分布在0～220 d,冷渦和暖渦的平均生存時長分別為101.4 d和122.0 d;遷移距離在0～1 500 km的渦旋較多,個別暖渦最遠可以遷移1 700 km以上,冷渦和暖渦的平均遷移距離分別為672.7 km和854.4 km。與衛星觀測數據的統計結果[18]對比,基于模式數據得到的脫落渦旋平均半徑和平均振幅基本一致,但是生存時長和遷移距離則明顯較大,尤其是冷渦,其平均生存時長和平均遷移距離差不多大了5倍。

圖3 黑潮脫落渦旋遷移速度的出現頻率分布Fig.3 Occurrence frequency of the migration speed of the eddies shed from the Kuroshio

我們依據各個脫落渦旋在遷移過程中每個時刻渦旋中心所在的地理位置,計算相應的遷移速度。同樣取2 cm/s作為間隔,統計出遷移速度的出現頻率(圖3)。脫落冷渦、脫落暖渦遷移速度在0～10 cm/s分別為80.3%和82.6%,速度大于20 cm/s的分別為1.0%和1.6%。統計得到的脫落冷渦和暖渦的平均遷移速度分別為7.4 cm/s和7.9 cm/s,略小于衛星觀測結果(分別為8.4和8.3 cm/s)。

脫落渦旋個數的季節和年際變化(圖4)顯示,冷渦和暖渦均不是每個月都脫落。按通常的季節劃分(即12月至翌年2月為冬季;3—5月為春季;6—8月為夏季;9—11月為秋季)后發現夏季的脫落渦旋數量較少;冷渦主要在春季脫落;暖渦脫落則是在秋季最頻繁,冬季其次。冬季風時期脫落的暖渦、冷渦個數分別為14和7個,夏季風時期脫落的暖渦、冷渦個數分別為15和3個。因此我們認為季風對暖渦的脫落影響不大,但是冬季風作用下黑潮更容易脫落冷渦。冷渦和暖渦均不是每年都有脫落,平均每年脫落0.5個冷渦和1.4個暖渦(圖4b)。

圖4 黑潮脫落渦旋個數的逐月和逐年變化Fig.4 Monthly and yearly variations of the number of eddies shed from the Kuroshio

3 脫落渦旋的三維結構

我們利用OFES模式得出的脫落渦旋經向和緯向速度及相應的位勢溫度和鹽度剖面數據,繪制出所有脫落渦旋相應脫落日期的三維結構分布進行對比,分析表1中4個典型脫落渦旋(脫落位置見圖1)各自的流場、溫度、鹽度三維結構。

表1 4個典型脫落渦旋的多種參數Table 1 Parameters of the four typical eddies shed from the Kuroshio

3.1 流場結構

4個典型脫落渦旋CE1,CE2,AE1和AE2于脫落時刻在水深2.5,100,500,1 000 m處的流場分布見圖5(圖中藍色、紅色曲線分別表示脫落冷渦、脫落暖渦的邊界)。由黑潮控制區脫落的冷渦區域(圖5a的藍色閉合曲線)的流場呈氣旋式流動,且在渦旋邊緣處的流速值較大,渦旋內部的速度值較小。隨著深度逐漸加深,渦旋邊緣的流速值逐漸減小。水深500 m處流速高值區與低值區的差異已經不明顯,且外圈流線開始不再閉合。因此我們認為這個冷渦的垂向影響深度約為500 m,接近黑潮影響深度。

圖5 脫落渦旋CE1,CE2,AE1和AE2的流場三維分布(據脫落日期的OFES數據)Fig.5 Three-dimensional structure of the geostrophic current of CE1,CE2,AE1 and AE2 when the eddies shed from the Kuroshio(based on the OFES data)

在海域上層(水深100 m及以淺),由黑潮西側邊緣海區脫落的冷渦CE2其邊緣的流速高值區分布呈不對稱,主要分布在冷渦的東北區域(圖5b)。水深100 m處渦旋CE2邊緣的流速達到最大值,這可能是因為冷渦次表層水受到黑潮的影響更大。水深1 000 m處CE2邊緣的流速高值區已不明顯,但是其氣旋式流動特征依舊存在。因此我們認為這個冷渦的垂向影響深度可以達水深1 000 m以深,大于源自黑潮控制區的冷渦的垂向影響深度,可能是由于黑潮西側邊緣的脫落渦旋受黑潮影響較小。

黑潮控制區、西側邊緣海區脫落的暖渦AE1和AE2的流場三維結構分布(圖5c和5d)顯示,暖渦區域的流場呈反氣旋式流動,除渦旋中心區域外,流速均較大,且這一特征一直維持到水深1 000 m處,因此我們認為這2個暖渦的垂向影響深度均可達水深1 000 m以深。與脫落冷渦CE2的特征相似,源自黑潮西側邊緣的暖渦AE2的流場在上層海域也呈不對稱分布,AE2的南部區域流速更大。

3.2 溫度結構

4個典型脫落渦旋脫落時刻的位勢溫度緯向-深度斷面見圖6a～6d、經向-深度斷面見圖6e～6h。圖中紅色的經緯度表示渦旋中心的地理位置。經度差的正值或負值,分別表示在渦旋中心的東部或西部;緯度差的正值或負值,分別表示在渦旋中心的北部或南部,圖7同。

圖6 脫落渦旋CE1,CE2,AE1和AE2的位勢溫度垂向斷面(據脫落日期的OFES數據)Fig.6 Vertical structure of the potential temperature of CE1,CE2,AE1 and AE2 when the eddies shed from the Kuroshio(based on the OFES data)

脫落冷渦CE1的位勢溫度分布與東側的黑潮存在較大差異(圖6a),其結構似倒扣的碗,東西較為對稱,且這一特征可維持到水深500 m附近,與流場得到的垂向影響深度相符。經向的位勢溫度和緯向的結構形狀相似,但是僅維持到水深200 m處。由于受到地形影響,等溫線的高峰偏向于水陸邊界(圖6e)。

脫落冷渦CE2附近的溫度結構約水深100 m才出現較為對稱的倒扣碗狀,此深度與CE2邊緣流速最大值的深度對應。該位溫特征能維持到1 000 m附近,與流場得到的結果一致(圖6b和6f)。AE1的位勢溫度結構似碗狀,經向和緯向(圖6c和6g)都較為對稱,且這一特征可維持到水深1 000 m及以深,與流場三維分布(圖5c)得到的垂向影響深度相符。AE2位勢溫度的東西向垂直分布(圖6d)與CE2的(圖6b)相似,在400 m以淺海域溫度呈東高西低的趨勢,這是由于受到東側黑潮的影響。其位勢溫度的經向碗狀結構比緯向更為明顯(圖6h),且這一特征可維持達1 000 m,與流場得到的結果相符。

3.3 鹽度結構

4個典型脫落渦旋脫落時刻的鹽度垂向斷面的繪制方法與位勢溫度垂直斷面相同(圖7中黑色的經緯度表示渦旋中心的地理位置)。這些脫落渦旋的高鹽度核均位于水深50～200 m,這與Liu等的觀測結果[20]一致。在水深50 m以淺海域,CE1渦旋中心的鹽度低于渦旋邊緣的,即呈碗狀結構;水深50 m以深,其緯向分布似倒扣的碗,東西較為對稱,且這一特征可維持到水深300 m附近,略小于流場和位勢溫度的垂向影響深度;其經向結構和相應的經向溫度結構相似,其北部次表層水鹽度較高,使得倒扣碗狀結構僅維持到水深150 m附近。

圖7 脫落渦旋CE1,CE2,AE1和AE2的鹽度垂向斷面(據脫落日期的OFES數據)Fig.7 Vertical structure of the salinity of CE1,CE2,AE1 and AE2 when the eddies shed from the Kuroshio(based on the OFES data)

CE2的緯向和經向鹽度斷面(圖7b和7f)表明其鹽度結構與CE1相似,在水深100 m以淺海域,呈碗狀結構,在100 m以深海域,則呈倒扣碗狀,且維持到水深300 m附近。AE1和AE2的鹽度結構相似,在水深50 m以淺海域,鹽度分布較為均勻,50 m以深開始呈現碗狀結構,分別可以維持到水深400 m和水深200 m左右。故鹽度的垂向影響深度都小于流場和位勢溫度的垂向影響深度。

4 脫落渦旋與黑潮的溫鹽結構對比

為了更好地研究進入中國南海的黑潮脫落中尺度渦與黑潮的關系,對比分析來自黑潮控制區(圖8a)和黑潮西側邊緣(圖8b)的脫落渦旋的平均溫鹽結構,并與黑潮和中國南海的平均溫鹽結構進行對比。圖8中曲線上的點(自上而下)表示水深為25,50,75,100,150,200,300,400,500,600,800,1 000,1 500,2 000 m。

由OFES模式產品得到的黑潮和中國南海水的平均溫鹽結構在次表層存在明顯差異,黑潮水的溫度和鹽度均高于中國南海水的,而在水深200 m以深海域,黑潮和中國南海具有較為一致的溫鹽變化趨勢(圖8a)。從黑潮控制區脫落的暖渦,其平均溫鹽結構與黑潮的具有高度一致性。雖然冷渦的溫鹽結構在次表層介于黑潮的和中國南海的之間,但是其鹽度最大值與黑潮的較為相近,因此黑潮控制區脫落冷渦的溫鹽結構也與黑潮的更為接近。從黑潮西側邊緣脫落的冷渦和暖渦的溫鹽結構在次表層均介于黑潮的和中國南海的溫鹽結構之間(圖8b)。但是由于脫落自黑潮的邊緣,受黑潮高溫高鹽水的影響,冷渦和暖渦的鹽度最大值均略高于中國南海水的。

圖8 OFES數據得到的黑潮控制區脫落渦旋、黑潮西側邊緣脫落渦旋的平均溫鹽Fig.8 Mean T-S diagrams of the water mass of the eddies formed in the Kuroshio-controlled areas and the western edge of the Kuroshio based on OFES data

5 結 論

利用1993—2013年OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式數據產品,統計分析了黑潮脫落并由呂宋海峽進入中國南海的中尺度渦(簡稱脫落渦旋)的特征及其流場、溫度、鹽度的三維結構和溫鹽結構,得到5點結論:

1)一共有39個脫落渦旋(10個冷渦和29個暖渦),其中大部分脫落冷渦在黑潮西側邊緣生成,大部分脫落暖渦則在黑潮控制區(包括黑潮流套區)生成。與衛星觀測結果不同的是,模式得到的脫落渦旋個數和出現頻率明顯偏低;渦旋的脫落位置更為集中,且更集中于海峽的北部。

2)利用OFES模式輸出的SSH(Sea Surface Height)數據,統計分析得到脫落冷渦和脫落暖渦的平均半徑分別為74.9 km和89.1 km,平均振幅分別為11.4 cm和10.5 cm,平均生存時長分別為101.4 d和122.0 d,平均遷移距離分別為672.7 km和854.4 km。前2個參數與衛星觀測結果較為接近,但是后2個參數則明顯增大。

3)脫落冷渦和脫落暖渦均不是在每月或每年都有出現,平均每年脫落0.5個冷渦和1.4個暖渦。冷渦主要在春季脫落,暖渦脫落則是在秋季最頻繁,冬季其次。

4)基于OFES模式輸出的經向速度、緯向速度、位勢溫度和鹽度剖面數據,研究脫落渦旋的三維結構分布,發現黑潮控制區或西側邊緣脫落的冷渦的垂向影響深度變化較大,而脫落暖渦的垂向影響深度一般達水深1 000 m以深。溫度的垂向影響深度與脫落渦旋的垂向影響深度較為一致,鹽度的垂向影響深度則較淺。

5)對比黑潮控制區和黑潮西側邊緣脫落的中尺度渦平均溫鹽結構和中國南海、黑潮的平均溫鹽結構,發現脫落渦旋的溫鹽結構受黑潮的影響較大。