南大洋中尺度渦活動的季節變化

劉婷甄，鄭少軍,2,3，嚴 厲,2,3

(1.廣東海洋大學海洋與氣象學院/近海海洋變化與災害預警實驗室，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學/廣東省高等學校陸架及深遠海氣候、資源與環境重點實驗室，廣東 湛江 524088；3.自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室，北京 100081)

中尺度渦旋是全球海洋能量循環的重要組成部分，在海洋中輸送質量、熱鹽和生物地球化學示蹤物[1-4]，以及海氣相互作用方面發揮著至關重要的作用[5-8]。南大洋是唯一完全環繞地球未被大陸分割的大洋，是渦旋活動最頻繁的區域之一，其最主要的環流是南極繞極流，上層大氣是強烈的西風帶。研究不同極性渦旋的數量變化對渦旋輸運研究具有重要意義。Sabu 等[9]利用2012—2013 年水文觀測數據和2004—2012 年Argo 數據研究南大洋的印度洋扇區亞熱帶海域的2個中尺度渦旋對水團的影響。南大洋中尺度渦的空間特征和渦動能的變化規律方面亦被廣泛研究[9-13]。在南大洋，較高的渦動能（Eddy kinetic energy，EKE）主要集中在南極極峰帶海域[13]。在過去幾十年里，南半球西風顯著增強[14-16]。前人在南大洋EKE對西風增強和大尺度海氣模態的響應方面進行相關研究[11,17-18]。增強的西風對南大洋能量循環具有重要影響。不斷增加的風應力激發的渦旋熱通量可能是南大洋變暖的一個重要原因[19]。增強的西風使EKE、平均動能、渦旋有效勢能和平均有效勢能增強，其中以EKE 的增強最為顯著（約為30%）[20]。衛星測高數據和數值模擬結果表明，增強的西風會使EKE 增強，其中太平洋扇區和印度洋扇區的EKE 變率最為顯著[21]。南大洋EKE 在南半球冬季較小，夏季較大，但季節調整幅度較小[22-23]。近年來，渦旋數的季節、年際以及年代際變化的問題備受關注[24-27]。在孟加拉灣渦旋生成數春季多夏季少[24]，在北太平洋渦旋生成數在冬季多夏季少[25]。在南海和東北太平洋中尺度渦數的年代際和長期趨勢研究表明，東北太平洋的中尺度渦數與太平洋年代際振蕩和北太平洋環流振蕩相關[26]。南海的中尺度渦數的年代際變化則與厄爾尼諾-南方濤動變化引起的風應力旋度有關[27]。此外，Pegliasco 等[28]研究表明在全球范圍內渦旋數約占渦旋統計數量的2%。在南大洋海域，前人研究多集中在渦旋能量方面[11,17,29]，而關于中尺度渦活動規律的研究較少。本研究主要利用META3.2DT版本的中尺度渦軌跡數據集，研究南大洋（0—360°，40°—70°S）1993—2020 年中尺度渦出現數（Eddy occurrence number，EON）的季節變化，并結合ERA-5 的風場資料和CMEMS 流速資料探討南大洋EON季節變化的可能機制，以期更好了解南大洋中尺度渦活動規律。

1 數據和方法

1.1 全球中尺度渦軌跡數據集

本研究使用Mason 等[30]發布的1993 年1 月至2021 年8 月中尺度渦旋軌跡數據集3.2 版本（META3.2DT）和Chelton 等[31]發布的中尺度渦軌跡數據集2.0 版本（META2.0DT）。META3.2DT 數據集使用的渦旋檢測算法是py-eddy-tracker（PET）算法，渦旋識別程序基于絕對動力地形（Absolute dynamic topography，ADT）。在PET 算法中，找到ADT 極值后通過檢測封閉等高線輪廓來確定渦旋[30]。META2.0DT 數據集是通過Chelton 等[31]開發的源自俄勒岡州大學（OSU）算法的一種新的渦旋識別算法生成的，渦旋識別程序基于海表面高度異常（Sea level anomaly，SLA）。OSU 算法會使得一個渦旋內可能有多個SLA 極值，而PET 算法則可避免出現這個問題。Pegliasco 等[28]通過對SLA 和ADT檢測到的渦旋比較，發現在非均勻的平均動力地形（Mean dynamic topography，MDT）區域，基于ADT檢測到的渦旋比SLA 檢測到的表現更好。蘊含著較高能量的強流區的MDT 梯度較大，比如南極繞極流、黑潮、灣流和厄加勒斯流等。META3.2DT 數據集提供3 種渦旋軌跡數據，分別為軌跡持續時間超過10 d、軌跡持續時間少于10 d 以及未跟蹤，本研究使用軌跡持續時間超過10 d 的渦旋軌跡數據集。有關此數據集的更詳細描述可在該網站上得到（https://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/valueadded-products/global-mesoscale-eddy-trajectoryproduct.html）。

1.2 其他數據集

本研究還使用來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）第五代再分析數據（ERA-5）的月平均海表面風場的數據[32-33]，時間是1993 年1 月至2019 年12 月，與渦旋識別數據集時間相同。ERA-5 數據具有0.25°經度×0.25°緯度的水平分辨率。用于描述南大洋地形特征的水深數據是從ETOPO2的全球地形中獲得（http://dss.ucar.edu/dsszone/ds759.3/etop2_2006apr.raw.gz）。每日海表面流速數據由ECMWF的第五代海洋再分析數據集（ORAS5）提供，哥白尼海洋環境監測服務處（CMEMS）分發（https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_031/INFORMATION），具有0.25° 經度× 0.25° 緯度的水平分辨率，時間是1993 年1 月至2002 年12 月。月平均地轉流異常數據由全球海洋衛星高度計（AVISO）提供，CMEMS分發（https://resources.marine.copernicus.eu/productdetail/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047/INFORMATION），具有0.25° 經度× 0.25° 緯度的 水平分辨率，時間是1993 年1 月至2020年12月。

1.3 指標選擇

EKE 可用于衡量海洋中尺度擾動的強度，EON用于衡量區域中尺度渦的活躍程度，本研究選擇EKE 和EON 分別作為能量和運動學指標來描述中尺度渦活動。

2 南大洋中尺度渦季節變化特征

2.1 EON 和EKE 多年平均的空間分布及EON 季節變化

圖1（b）是南大洋每1°×1°的月平均EON，空間分布格局與前人研究一致[31]。中尺度渦活動在南半球表現明顯（圖1(b、c)），特別是在南極繞極流區域。南大洋海域表現為高EKE，特別是厄加勒斯暖流（40°S—55°S，10°E—70°E）和巴西暖流（40°S—55°S，60°W—30°W），這使得南大洋海域成為全球范圍的EKE 高值區。同時，在南半球副熱帶高壓南側西風帶（40°S—60°S）常年盛行五六級的西風（圖1(a)）。ACC 和西風帶蘊含的巨大能量為中尺度活動提供良好基礎，南大洋（40°S—70°S，0—360°）中尺度渦活動頻繁。除了靠近南極海冰覆蓋的海域（約60°S 以南）和“渦旋沙漠”（50°S，95°W）,中尺度渦在南大洋無處不在[34]。

圖1 1993-2020年期間海洋深度和海表面風場，渦旋出現數與渦動能Fig.1 Bathymetry and sea surface wind fields,eddy occurrence number and eddy kinetic energy during 1993-2020

整體而言，META3.2DT 和META2.0DT 兩種數據集的結果相似，即南大洋EON 在2 月最大，9 月最小，夏季大，春季小（圖2(d、f)）。3.2DT 版本的數據集相較于2.0DT 版本的不同之處在于引入渦旋壽命大于10 d 且小于30 d 的渦旋。兩個不同版本的數據集顯示的南大洋EON 變化規律一致，但META3.2DT 數據集識別到的渦旋是META2.0DT的約兩倍。主要原因有兩個，一是META3.2DT數據集的渦旋檢測程序基于PET 算法，比META2.0DT所使用的OSU 算法能檢測到更多的渦旋（1.7 倍多），二是META3.2DT 數據集使用的是重疊跟蹤法追蹤渦旋，比META2.0DT 所使用的限制區域法跟蹤得到軌跡更長的渦旋[28]。除此之外，對比META2.0DT 版本檢測的渦旋EON（圖2(e)），META3.2DT 版本檢測到的氣旋渦比反氣旋渦多（圖2(c)）。由于META3.2DT 使用的是ADT 地圖而META2.0DT 使用的是SLA 地圖，使用ADT 地圖可更好地反映能量較大的強流區以及島嶼附近的渦旋，也更能突出渦旋的極性[28]，而使用SLA 地圖檢測渦旋會使氣旋渦和反氣旋渦分布更為均一[28]。

圖2(a、b)對比圖2(c、d)，可見3.2DT版本中壽命大于10 d 的EON 和壽命大于30 d 的EON 季節變化不一樣。壽命大于10 d 的EON 在1 月和3 月最多，9月最少，整體而言季節變化不明顯（圖2(b)）。壽命大于10 d 的氣旋渦（cEON）的季節變化較小，反氣旋渦（aEON）的季節變化則比較明顯（圖2(a)），而總的EON季節變化不明顯（圖2(b)）。

無論是3.2DT 版本還是2.0DT 版本，壽命大于30 d 的EON 季節變化一致，即2 月最大，9 月最小，夏季大，春季小（圖2(c—f)）。不同之處在于兩個版本檢測的EON數量不一樣，主要原因是兩個版本采用的渦旋檢測方法不同。3.2DT 比2.0DT 檢測到的氣旋渦比反氣旋渦多（圖2(a、c)）。由于兩個版本數據中壽命大于30 d的EON季節變化一致，后續內容基于META3.2DT 版本研究南大洋EON 季節變化，且重點研究壽命大于30 d的中尺度渦。

圖2 1993-2020年期間南大洋EON月平均時間序列Fig.2 Monthly value of the Southern Ocean EON during 1993-2020

2.2 三個海區EON的季節變化

本節研究南大洋太平洋扇區（110°E—75°W，圖1 紅色區域）、印度洋扇區（15°E—115°E，圖1藍色區域）和大西洋扇區（75°W—0°，0°—15°E，圖1棕色區域）中尺度渦旋的季節變化。南大洋的三個海區中以太平洋扇區最為寬廣，印度洋海區次之，大西洋海區最小。圖3(a、c、e)的月平均時間序列顯示，太平洋扇區的cEON、aEON 和總EON 是印度洋扇區和大西洋扇區的兩倍多。雖然三個海區的EON數量相差較大，但是三個海區的EON 季節變化一致，即EON 在1 月或2 月最多，8 月或9 月最少，夏季多，春季少，cEON和aEON也有相同變化規律。

圖3 1993-2020年期間南大洋三個海區EON月平均時間序列Fig.3 Monthly values of EON in three Southern Ocean sectors during 1993-2020

2.3 EON與EKE季節變化的時間序列

EKE 與EON 息息相關，一般情況下，區域中EKE 越大則EON 越多。EKE 和EON 相結合能較全面反映區域內渦旋活動的狀況。圖4顯示研究時間內南大洋EKE 和EON 的月平均時間序列，可見南大洋EKE 在2 月最大，8 月最小，即夏季大，冬季小；EON在2月最大，9月最小；EKE和EON的季節變化基本一致。這說明在南大洋中EKE 大的季節海洋能為中尺度渦提供更多能量，有利于中尺度渦的產生和維持，從而使中尺度渦的出現數變多（即EON變大）。EKE達到最小值時，EON 并不是立刻響應，比如EKE在8月最小，EON在9月最小，原因可能是渦旋能量和數量有良好的對應關系但存在超前滯后的現象。

圖4 1993—2020年期間南大洋EKE和EON月平均時間序列Fig.4 Monthly values of EKE and EON in the Southern Ocean during 1993-2020

2.4 2月和9月的EON空間分布

本節研究EON 季節變化在空間分布上的差異。南大洋中EON高值區空間分布情況：太平洋扇區主要在東北部，小部分在西南部（40°S—55°S，180°—79°W 和60°S—65°S，180°—120°W），印度洋扇區和大西洋扇區主要在中部和南部（50°S—65°S，0—120°E 和50°S—62°S，50°W—5°W）（圖5(a、b)）。EON 在2 月和9 月的差異主要體現在EON 高值區，即EON 在9 月最少2 月最多。南半球2 月是夏季，靠近南極圈的地方有冰雪融化現象，即在60°S—70°S 區域隨著冰雪融化會露出原本被冰蓋覆蓋的海洋表面，因此，2 月EON 更多（圖5(c)下部紅色部分）。圖5(a)對比圖5(b)，可見EON主要在高值區中減少。圖5(c)藍色部分顯示，9月部分區域EON 比2月多，但從EON總數上看，仍是2月最多，9月最少。

圖5 2月和9月南大洋日平均EON及2月和9月的EON差值Fig.5 Daily average EON in the Southern Ocean in February and September and the EON difference between February and September

2.5 2月和8月的EKE空間分布

因為EON 和EKE 的季節變化較為一致，本節分析EKE季節變化下的空間分布特征。圖6(a、b)顯示，南大洋EKE 有明顯的高值區，即ACC 主軸及其周圍的強流區、厄加勒斯暖流（40°S—55°S，10°E—70°E）和巴西暖流（40°S—55°S，60°W—30°W）都是明顯的EKE高值區。EKE在2月最大8月最小，2月EKE 比8 月增加最明顯的海域位于EKE 高值區，如上述的厄加勒斯流和巴西暖流（圖6(c)左上方和右上方紅色部分）。

圖6 2月和8月南大洋日平均EKE及2月和8月的EKE差值Fig.6 Daily average EKE in the Southern Ocean in February and August and the EKE difference between February and August

2.6 渦旋性質季節變化的時間序列

南大洋中尺度渦除了EON 存在季節變化，與之相關的中尺度渦性質也有明顯的季節變化，如振幅、半徑、轉速和強度（圖7）。南大洋中尺度渦整體振幅在9 月達到最高值0.077 m，2 月達到最低值0.072 m（圖7(b)）。氣旋渦和反氣旋渦的振幅變化規律一致，然而氣旋渦的平均振幅比反氣旋渦的更大，且在各個月份都比反氣旋渦的大（圖7(a)）。除了渦旋振幅以外，渦旋轉速和強度都有相似的變化規律（圖7(a、e、g)）。總體上，南大洋中尺度渦振幅在2 月最小，9 月最大，即春季大，夏季小，和EON 季節變化規律相反。南大洋中尺度渦整體轉速在2月達到最小值0.19 m/s，9月達到最大值0.21 m/s，即春季大，夏季小（圖7(f)）。南大洋中尺度渦強度在3月達到最小值，10 月達到最大值，即春季大，秋季小（圖7(h)）。可見，渦旋振幅、轉速和強度的季節變化總體而言都比較相似，在2 月或3 月達到最小值，在9月或10月達到最大值。而南大洋中尺度渦半徑呈現的季節變化規律則不明顯，半徑整體在4—9月都比較大，在2月和11月達到兩個極小值（圖7(d)）。

圖7 1993-2020年期間南大洋中尺度渦主要性質的月平均時間序列Fig.7 Monthly value of the major properties of the Southern Ocean mesoscale eddies during 1993-2020

3 渦旋活動季節變化機制

3.1 風場的“渦旋消亡”作用

前人研究表明海表面風能夠顯著減弱中尺度海洋渦旋，特別是在能量充沛的西部邊界洋流區和南大洋[35]，并且海表風通過渦旋消亡機制對小于260 km 尺度的海洋表面過程進行能量耗散[36]。因此“渦旋消亡”的季節性與海表面風強度的季節性密切相關[36]，基于此，本節進一步探討南大洋渦旋EON與風速的關系。

南大洋整體風速呈雙峰型的變化，在4 月和10月達到極大值，在1 月和6 月達到極小值（圖8(a)）。由于南大洋的風大部分是緯向風，經向風的貢獻較小（圖8(b)對比圖8(c)），故緯向風速和整體風速一致，也是雙峰型。在2 月，南大洋風速較小，風強度較小，“渦旋消亡”現象變弱，有利于渦旋的產生與維持，EON 變大。在9 月，南大洋風速較大，風強度大，“渦旋消亡”現象明顯，不利于渦旋產生與維持，EON變小。

圖8 1993-2020年期間南大洋逐月平均風速、緯向風風速和經向風風速Fig.8 Monthly mean wind speed,zonal wind speed and meridional wind speed in the Southern Ocean during 1993-2020

由南大洋2 月和9 月的風速空間分布情況可見，風速高值區集中在40°S—60°S 區域，太平洋扇區、印度洋扇區和大西洋扇區都有高值中心。南大洋風速在2 月（EON 最大的月份）和9 月（EON 最小的月份）有較大差異，2 月的風速在整個南大洋幾乎都比9 月的小，太平洋扇區東北部（120°W—70°W，40°S—53°S）和大西洋扇區北部（60°W—0°，40°S—50°S）除外（圖9(c)）。這說明南大洋EON 的季節變化（即2 月大，9 月小）部分原因在于南大洋風速的季節變化。當風弱時（2 月），“渦旋消亡”現象減弱，有利于渦旋產生與維持，EON 就變大，反之亦然。

圖9 2月和9月南大洋月平均風速及2月和9月風速差值的空間分布Fig.9 Monthly average wind speed in the Southern Ocean in February and September and the wind speed difference between February and September

3.2 正壓不穩定的作用

正壓不穩定（Barotropic Instability,BT）、斜壓不穩定和風力強迫是產生海洋中尺度渦旋的主要機制[37-40]。在西邊界流和ACC 等強流系統中，能量路徑比較復雜，強的正壓不穩定在將能量從背景流中轉移到渦旋中發揮著重要作用[41-43]。從圖10 可見，BT 整體在秋季高，春季低，在3 月達到最高值，在9月達到最低值。整體而言，EON 與BT 的季節變化趨勢基本一致。原因在于，在BT 值較大時，背景流動能向渦旋動能轉換，這有利于渦旋的產生與維持。

圖10 1993—2020年期間南大洋EON與正壓不穩定的月平均時間序列Fig.10 Monthly values of EON and barotropic instability in the Southern Ocean during 1993-2020

4 結論

本研究利用1993—2020 年的中尺度渦軌跡數據集和對應的大氣海洋再分析數據來探討南大洋EON 的季節變化及其可能的動力學機制，得到以下結論：

1）南大洋EON 在2 月達到最大值，9 月達到最小值，即夏季大春季小的季節變化。同時，南大洋渦旋的振幅、轉速和強度等性質的季節變化總體比較相似，在2 月或3 月達到最小值，在9 月或10 月達到最大值。

2）EKE的季節變化和EON幾乎一致，EKE在2月達到最大值，在8月達到最小值。強EKE 有利于渦旋的生成和維持，進而使EON也增多，反之亦然。

3）機制分析表明南大洋EON 季節變化的兩個原因一個是“渦旋消亡”現象，另一個是南大洋BT的季節變化。南大洋風強度的季節變化影響“渦旋消亡”現象的強度進而影響EON的大小。從渦旋能量來源的角度分析，BT 的季節變化趨勢和EON 的較為一致，當BT 高的時候，渦旋從背景流中獲取更多能量，有利于渦旋的產生于維持，進而使EON 也變大。此外，EON 對“渦旋消亡”現象和BT 變化都不是立即響應的，這其中存在超前滯后的現象值得后續繼續研究。