从2010年1月的1个反气旋涡探讨南海中尺度涡的输运能力

王惠楠，许东峰＊，陈钟为，徐鸣泉，杨龙奇，陈 洪

（1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.福州市海洋与渔业技术中心，福建 福州 350026）

0 引言

中尺度涡是大洋环流中一种十分常见的自然现象之一。涡旋的空间尺度从数公里至上百公里，时间尺度从数天到数月之间。中尺度涡对海洋环流中的热量和动量的输运起到重要作用。涡旋产生后能将海洋底层的营养盐、叶绿素等带至上层海洋形成高生产力，对全球海洋物质交换有重要影响。

南海的地形和海流机制均十分复杂，中尺度涡活动也极为活跃，其对整个南海的海洋环流有重要影响，因此，越来越多的科学家致力于南海海域中尺度涡的研究。以往的研究多集中关注中尺度涡的形成机制、个数、持续时间或其自身特性等统计分析。如HWANG et al［1］利用卫星高度计资料证明吕宋岛西侧，越南海域东侧都有暖涡和冷涡存在。WANG et al［2］采用2003／2004卫星遥感资料配合 MEDS（Marine Environmental Data Services）的表面浮标资料分析了在2003年初南海北部先后发生的2个反气旋涡。XIU et al［3］证实风应力旋度是涡旋形成的重要机制之一。WANG et al［4］利用约化重力模式指出，地形使经过菲律宾群岛的季风加速是南海多涡结构产生的直接动力来源。WANG et al［5］发现黑潮的斜压不稳定性可能导致在吕宋海峡区域生成中尺度涡。而近些年来，中尺度涡的输运机制作为研究热点在大洋和其他海域已经被广泛讨论，SANGRÀet al［6］采用3个漂流浮标跟踪观测了1个加那利岛附近的反气旋涡，他们认为涡旋移动时涡心可近似看作旋转的刚体并且存在径向汇聚。CRAWFORD et al［7］发现阿拉斯加北部海湾的表层海流中，超过1／2的叶绿素富集在反气旋涡中，在春季表层叶绿素的富集率可达到80%左右。WHITNEY et al［8］发现阿拉斯加海湾附近的反气旋涡可以将3 000～6 000km3的近岸水携带至西向1 000km远，近岸的营养物质被涡输运到东北太平洋高营养盐、低叶绿素的水域。KEITH et al［9］跟踪研究存在于东北太平洋的Haida eddies发现，此涡旋自形成起，内部的铁元素含量比周围水体高出2个量级，涡旋通过自身旋转不但实现了对铁元素的表层输运，还存在垂向的扩散。DONG et al［10］利用多年的卫星资料和拉格朗日方法证明中尺度涡对全球热量和盐度存在相当大规模的输运。JAYNE et al［11］采用高分辨的全球海洋模型计算涡旋的全球热量输运情况发现，西边界流存在较强的涡旋热量输运，南极绕极流区和赤道区域的热量输运则比较弱。QIU et al［12］利用Argo数据研究北太平洋由涡旋诱导的热量输运发现存在涡旋的SW－NE向的极地向热量输运。彭欣等［13］结合物理－化学过程对南海北部浮游植物生物量的分布机制作了研究，他们指出，海区存在的反气旋涡使海水辐聚下沉，造成水体高温、低盐、高溶解氧、低营养盐和低浮游植物生物量，南海北部的典型反气旋涡涡内的营养盐浓度总是小于涡外的，营养盐的匮乏也导致该区域的初级生产力降低。钟超等［14］应用高效液相色谱分离技术讨论了南海西部暖涡和冷涡区浮游植物的群落组成，其中，中尺度涡影响总叶绿素a的垂直分布和浮游植物群落组成，暖涡使叶绿素最大层下移，总叶绿素a显著增加；冷涡并未使叶绿素最大层上移，总叶绿素a也无明显变化。前人的研究成果已经充分说明了涡旋的输运能力，但是关于南海涡旋的输运能力，尤其是输运机制的研究还不多，为了揭示南海涡旋的输运特征，本文采用法国空间局AVISO中心提供的长时间序列的卫星高度计融合数据（MSLA）和美国NOAA／AOML漂流浮标资料中心的多年漂流浮标资料分析了南海（10°N～25°N，105°E～125°E）1993—2012年间观测到的中尺度涡，并以1个较为典型的反气旋涡为例，利用示踪粒子法初步探讨了南海海域中尺度涡的输运能力。

1 数据及处理方法

1.1 卫星高度计资料

本文使用的卫星高度计资料融合了TOPEX／POSEIDON，ERS－1／2，Jason－1和Jason－2 四种卫星资料，由法国 AVISO（Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data）提供，资料包括海表面高度数据异常MSLA以及地转流数据u、v，资料的时间跨度为1993—2012年共20a。使用的全部数据已经由法国AVISO中心插值处理，其中海表面高度数据h内插成1／4°×1／4°的空间分辨率，时间分辨率为7d；流场数据被内插为1／3°×1／3°的空间分辨率，采用墨卡托投影，时间分辨率为1d。数据已经过海面大气压力和潮汐修正。

1.2 漂流浮标资料

漂流浮标资料下载自美国NOAA／AOML浮标资料库，时间跨度为1993年1月1日—2012年12月31日，空间跨度为10°N～25°N，105°E～125°E，时间分辨率为6h。资料格式包括浮标编号、日期、时间、经纬度、东西及南北方向的速度分量和海水温度等。浮标数据已经过质量控制，东西和南北方向的速度分量的精确度为流速10cm／s在风的影响下误差约为1 cm／s。文中使用的浮标数据剔除了流速小于3cm／s的不准确值。

1.3 涡旋的判定

本文采用WANG et al［15］的中尺度涡识别标准：

（1）海面高度距平有闭合等值线；

（2）中尺度涡的中心水深超过1 000m；

（3）涡心和最外圈的闭合等值线的高度差不低于7.5cm；

（4）中尺度涡持续存在的时间不少于4周。

1.4 示踪粒子处理方法

计算示踪粒子轨迹的数值方法采用卡尔·龙格和马丁·海尔威姆·库塔于1900年提出的四阶龙格－库塔法（RK4）。使用GEORGE的经典龙格－库塔法［16］对示踪粒子进行轨迹追踪（本文忽略水平方向上的混合对示踪粒子轨迹的影响）：

式中：k1，k2，k3，k4为区间［tn，tn＋1］内预估多个点的斜率；h为时间步长；t0和y0为初始值。该公式每一步的误差为h5阶，总积累误差为h4阶。

2 结果和讨论

经统计，在1993—2012年间研究区域内共有930个漂流浮标，图1是剔除了不准确流速值之后研究区域内全部漂流浮标的轨迹图。可见在南海北部以及台湾岛西南方向附近，存在大量连续的实测可靠资料，本文选取某个在其运动中曾经陷入中尺度涡的漂流浮标进行涡旋分析，并结合高度计资料采用示踪粒子法模拟中尺度涡的输运。

图1 1993—2012年研究区域内全部漂流浮标的移动轨迹Fig.1 The entire movement trajectories of buoys in the study area from 1993to 2012

2.1 漂流浮标轨迹和卫星高度计资料验证

本研究结合同一时期内的历史浮标轨迹和海表面高度异常（SLA）分布来探测识别涡旋的存在。浮标轨迹的选择日期是SLA前后3d左右的时间以配合SLA数据的时间解析度，对比结果发现在2010年1月中旬—4月下旬东沙附近20°N～22°N，118°E～120°E处存在一反气旋涡，该涡旋存活时间长，涡旋特征明显，可以作为南海海域较典型的反气旋涡案例进行分析。通过漂流浮标轨迹、海表面高度和流场数据可验证涡旋的存在。

图2为从2009年秋季至2010年春季，No.94152漂流浮标到停止工作的全部轨迹，采用WANG et al［15］给出的中尺度涡判别准则，结合同一时期的海表面高度异常（SLA）数据（图3），可推断2010年冬季在南海北部存在一反气旋涡，浮标于2010年1月进入该涡旋，在台湾西南海域顺时针打转4圈。

图3为2010年1月13日至2010年3月9日南海的SLA分布和浮标轨迹。图3显示漂流浮标从1月13日进入涡旋，并跟随涡旋由北至南运动，轨迹为顺时针打转，于2010年1月21日漂流至21°N，117°E。从图3d～3f可看出浮标一进入反气旋涡就一直绕涡的边缘运动并未进入涡旋内部，但始终没有离开涡旋，浮标运动轨迹始终是圆弧状，在这段时间内漂流浮标的漂流方向和流场方向相同。从图3h可见漂流浮标和研究的反气旋涡彻底分离，涡旋继续沿1 000m等深线南下，浮标则不再有闭合圆弧形轨迹。从图3a～3e可看出该反气旋涡不断向西南方向移动，并且不断增强，由初始时期的椭圆形逐渐变为正圆形，涡旋中心高度差增大，中心最大高度差为27 cm。自2010年1月13日起至2010年3月9日，漂流浮标共顺时针旋转4圈，跟随反气旋涡从台湾岛西南移动至海南岛以东，这说明2010年1月的反气旋涡存在对物质的输运。

图2 2009／08／15至2010／04／23No.94152漂流浮标移动轨迹Fig.2 The movement trajectory of the No.94152buoy from 15August，2009to 23April，2010

图3 2010／01／13至2010／03／09研究区域SLA分布和No.94152漂流浮标的轨迹图Fig.3 The movement trajectory of the No.94152buoy and regional distribution of SLA from 13January，2010to 9March，2010

2.2 示踪粒子模拟轨迹分析

从与实测资料的对比可知，在真实海洋中确实存在中尺度涡对物质的输运，但因受到地形，风力和复杂流场的影响，陷入中尺度涡中的漂流浮标个数较少，大多数漂流浮标多沿涡旋的边缘运动，无法长时间跟随涡旋移动，并且涡旋存在的时间、空间不同，因此分析实测资料得到的结果也较离散，不便于统计分析。所以在模拟分析中，依旧以2010年1月中旬台湾岛西南向的反气旋涡为例，利用示踪粒子法探讨涡旋的输运特征。

图4a为No.94152漂流浮标和它进入涡旋的起始点同一直径上的17个示踪粒子运行55d的轨迹图，从图中可看出示踪粒子大多数都具有和漂流浮标角速度相似的轨迹，这说明示踪粒子可近似模拟该涡旋的实际运动。分别在距离涡旋中心半径：0.1°（0.1°指1／10纬度≈11.1km）、0.3°（≈33.3km）、0.5°（≈55.5km）和0.7°（≈77.7km）的圆周上均匀布放41个质点，图4b为全部质点第55天的位置和初始位置的对比。从图4b中可以看出经过54d后除11个质点在中途和涡旋分离，余下的153个质点仍处在反气旋涡内并跟随涡旋南下，但原先位于涡旋内部的质点（位于r＝0.1°和r＝0.3°圆周上）在随涡移动中不断向涡旋的外围扩散，最后涡内质点基本都集中在流速较大的涡旋外缘；初始位置位于r＝0.7°圆周上的质点和其第55天的位置相比没有其他半径上的质点变化幅度大；涡内质点运动到涡旋速度最大处基本进入稳定状态，质点的运动方向和背景流场的方向相同。涡内大部分质点分布在涡的左侧，这可能与涡的旋转方向是顺时针向有关。

为了验证涡内质点的运动是否和该反气旋涡的运动方式一致，我们绘制了质点多天的运动轨迹，图5为第45天（2010／03／01）至第55天（2010／03／11）10d内全部质点的运动轨迹，从图上可以看出绝大多数质点随海流作顺时针的圆弧形运动，这与反气旋涡的旋转方向相同。位于涡旋内部的质点角速度大，转的圈数多，但位于r＝0.1°圆周上的点打转的幅度大于位于r＝0.3°圆周上的质点，所以r＝0.1°圆周上的质点更快扩散到涡旋的外缘；r＝0.3°圆周上的质点则较为稳定地处于涡的内部，并跟随涡心作小幅度的顺时针转动；r＝0.5°圆周上的质点几乎全部扩散到涡旋边缘，并和仍在涡内的r＝0.7°圆周上的质点一起作幅度大小相当的顺时针圆弧形运动，以上3个不同半径圆周上的全部质点在第55天均没有脱离反气旋涡，涡内大部分质点扩散至涡的最边缘，质点基本覆盖涡的全部面积。r＝0.7°圆周上的质点有近1／4的点在中途与涡旋分离，余下3／4的点散布在涡的最外缘，各个点的转速不尽相同，这和背景流场的流速大小不同有关。

图4 （a）同一时间漂流浮标和同一直径上示踪粒子55d的轨迹对比；（b）不同半径上示踪粒子第1天（2010／01／16）初始位置和第55天（2010／03／11）位置Fig.4 （a）The comparison between the trajectory of the buoy and the particles at the same time on the same diameter during 55days；（b）The starting position of the first day（16January，2010）and position in the 55th day（11March，2010）of particles in different radius

图5 第45天（2010／03／01）至第55天（2010／03／11）全部质点10d内的运动轨迹Fig.5 The trajectory of the entire particles in ten days from the 45th day（1March，2010）to the 55th day（11March，2010）

图6 部分质点第1天（2010／01／16）初始位置和第80天（2010／04／06）位置Fig.6 The position of a part of the particles in the first day（16January，2010）and the 80th day（6April，2010）

文中讨论的反气旋涡一直存在至2010年4月20日才逐渐消亡。但漂流浮标在2010年2月23日即和涡分离，为了解涡在消亡阶段对质点的输运特征，图6给出了第80天（2010／04／06）3个不同半径（r＝0.1°、r＝0.3°和r＝0.5°）圆周上所有质点的位置，这时的反气旋涡已经开始消散，从图6可知这时的涡旋面积已经缩小，流速也比之前减小，涡旋右侧流速大于左侧。在第80天时，r＝0.1°圆周上的质点已经扩散到涡的边缘，并且有一部分在涡的西南角聚集，这可能是因为涡旋顺时针转动的速度在该处由大变小，造成了物质的堆积。r＝0.3°圆周上的点仍有11个质点在涡的内部，余下30个质点则向外界扩散。以上2个半径的全部质点在第80天始终没有脱离涡旋，有1／2左右的质点富集在涡旋的左下角，r＝0.1°的圆周上质点有90%集中在涡的下方，r＝0.3°圆周上质点的分布比r＝0.1°要均匀，其质点在整个涡内均有分布。r＝0.5°圆周上的质点在第80天已经有零星质点和涡分离，涡内质点也是均匀地分布在涡的最外缘，并没有出现类似于r＝0.1°圆周上的质点那样明显的聚集。从图6还可以发现质点是从涡的左下角，即质点富集处和涡旋分离，向外扩散，可以理解为该处的流速对比上一点的流速明显减小，不足以携带质点继续跟随涡旋转动，因此一些位于涡最边缘的质点在该处迅速被反气旋涡甩出。

图7 从初始日期（2010／01／16）至第55天（2010／03／11）不同半径的圆周上全部质点与涡心质点间的距离Fig.7 Distance from the core of the eddy to the entire particles on the circumference of different radius from the first day（16January，2010）to the 55th day（11March，2010）

图7展示了初始日期（2010／01／16）至第55天（2010／03／11）4个不同半径的圆周上全部质点与位于涡心的质点的距离随时间的变化过程。位于r＝0.1°圆周上的质点在前20d所有质点和涡心的距离都在20km以内，后35d里质点相对涡心的距离逐渐增大，距离最大的接近110km；在r＝0.3°圆周上的质点前10d内质点和涡心的距离在50km以内，后45d质点相对涡心的距离增大，但是变化幅度较小，后30d距离最大值始终维持在130km左右；在r＝0.5°圆周上的质点在前10d内质点相对涡心的距离在80km以内，后45d中距离最大值接近160km。以上3个半径均没有出现和涡心距离超过涡半径的点，对应图5可知在55d内这3个半径圆周上的点都在涡内运动，没有出现分离的情况。r＝0.1°圆周上的点距离变化最剧烈，这是因为在运动过程中r＝0.1°圆周上的点不断从涡的最内部被甩到涡的外周。在r＝0.7°圆周上的质点在55d中相对涡心的距离变化非常小，后期基本维持在160km，在r＝0.7°圆周上第一次出现了和涡心距离极大点，共11个点，占该半径上质点总数的1／4，这些质点对应图4b中和反气旋涡分离的质点。综上，质点相对涡心距离变化最大的是r＝0.1°圆周上的点，变化最小的是r＝0.7°圆周上的点，这说明r＝0.7°圆周上的点始终稳定地在涡的边缘跟随涡作顺时针转动，其他半径上的点都随时间不断从内部被甩到涡的边缘。

3 结论

本文利用漂流浮标实测资料和卫星高度计数据，采取示踪粒子方法，探讨了南海区域中尺度涡的输运能力。漂流浮标的轨迹和海表面高度异常场（SLA）及流场吻合良好，漂流浮标围绕在反气旋涡最边缘，并随之顺时针旋转4圈，从台湾岛西南部以圆弧形轨迹漂流至海南岛以东，漂流浮标陷进反气旋涡1个月左右，在2010年2月23日，漂流浮标和反气旋涡分离，不再出现圆弧形闭合轨迹。

由内至外在该反气旋涡里布放示踪粒子，每个圆周上均匀放置41个质点，采用四阶龙格－库塔插值法，以2010年1月16日为起始日期，分别计算到第45天、第55天和第80天全部质点的运动轨迹和位置以及第55天全部质点和涡心质点的距离。得出在r＝0.1°圆周上的点比r＝0.3°圆周上的点更快速地扩散到涡旋的外缘；r＝0.3°圆周上约1／4的质点（11个）经过长时间后还会保持在涡旋内部（r≤0.3°）；r＝0.5°圆周上的质点则很快扩散到涡旋的最边缘，和r＝0.7°圆周上的点作角速度相似的顺时针转动。第80天时r＝0.1°和r＝0.3°圆周上的全部82个点还在涡旋中未曾分离；r＝0.5°圆周上的零星质点已经从涡旋外缘速度由大转小处与涡脱离。r＝0.7°圆周上有近1／4的点在55d里中途脱离反气旋涡，余下3／4的点始终跟随涡旋顺时针旋转。可以推测中尺度涡对物质的长时间输运能力较为可观，但随时间推移，涡会不断把内部的物质甩到涡旋边缘，因涡的最外圈速度大小并不相同，物质会不断从速度由大变小处泄露出去，和涡旋分离。该处也因为速度减小而造成质点在此处堆积。从不同半径圆周上质点相对涡心的距离对比可知，随时间发展，r＝0.1°圆周上的质点与涡心的距离变化最剧烈，说明r＝0.1°圆周上的质点不断从涡的内部运动到涡的边缘；r＝0.7°圆周上的质点与涡心的距离变化最小，说明r＝0.7°圆周上的质点始终较为稳定地在涡的最边缘跟随涡旋运动。综上可知，在南海海域里，中尺度涡旋存在对物质的长途输运，且这种输运能力比较可观。本文是在忽略水平方向上的混合对示踪粒子的影响下得到的结论，今后需进一步研究考虑水平方向上的混合的情况下示踪粒子跟随中尺度涡移动的情况。

（References）：

［1］HWANG C，CHEN S A.Circulations and eddies over the South China Sea derived from TOPEX／Poseidon altimetry［J］.Journal of Geophysical Research：Oceans（1978—2012），2000，105（C10）：23 943－23 965.

［2］WANG Dong－xiao，XU Hong－zhou，LIN Jing，et al.Anticyclonic eddies in the northeastern South China Sea during winter 2003／2004［J］.Journal of Oceanography，2008，64（6）：925－935.

［3］XIU Peng，CHAI Fei，SHI Lei，et al.A census of eddy activities in the South China Sea during 1993—2007［J］.Journal of Geophysical Research：Oceans（1978—2012），2010，115（C3）：doi：10.1029／2009JC005657.

［4］WANG Gui－hua，CHEN Da－ke，SU Ji－lan.Winter eddy genesis in the eastern South China Sea due to Orographic Wind Jets［J］.Journal of Physical Oceanography，2008，38（3）：726－732.

［5］WANG Li－ping，KOBLINSKY C J，HOWDEN S.Mesoscale variability in the South China Sea from the TOPEX／Poseidon altimetry data［J］.Deep Sea Research Part I：Oceanographic Research Papers，2000，47（4）：681－708.

［6］SANGRÀP，PELEGRÍJ L.Life history of an anticyclonic eddy［J］.Journal of Geophysical Research：Oceans（1978—2012），2005，110（C3）：doi：10.1029／2004JC002526.

［7］CRAWFORD W R，BRICKLEY P J，THOMAS A C.Mesoscale eddies dominate surface phytoplankton in northern Gulf of Alaska［J］.Progress in Oceanography，2007，75（2）：287－303.

［8］WHITNEY F，ROBERT M.Structure of Haida eddies and their transport of nutrient from coastal margins into the NE Pacific O－cean［J］.Journal of Oceanography，2002，58（5）：715－723.

［9］KEITH J W，MILLER L A，SUTHERLAND N E，et al.Iron transport by mesoscale Haida eddies in the Gulf of Alaska［J］.Deep Sea Research Part II：Topical Studies in Oceanography，2005，52（7）：933－953.

［10］DONG Chang－ming，MCWILLIAMS J C，LIU Yu，et al.Global heat and salt transports by eddy movement［J］.Nature Communications，2014，5：doi：10.1038／ncomms4294.

［11］JAYNE S R，MAROTZKE J.The oceanic eddy heat transport［J］.Journal of Physical Oceanography，2002，32（12）：3 325－3 345.

［12］QIU Bo，CHEN Shu－ming.Eddy－induced heat transport in the subtropical North Pacific from Argo，TMI，and altimetry measurements［J］.Journal of Physical Oceanography，2005，35（4）：458－473.

［13］PENG Xin ，Ning Xiu－ren ，LE Feng－feng.Responses of phytoplankton growth on nutrient enrichments in the northern South China Sea［J］.Acta Ecologica Sinica，2006，26（12）：3 959－3 968.

彭欣，宁修仁，乐凤凤.南海北部浮游植物生长对营养盐的响应［J］.生态学报，2006，26（12）：3 959－3 968.

［14］ZHONG Chao，XIAO Wu－peng，HUANG Bang－qin.The Response of phytoplankton to mesoscale eddies in western South China Sea［J］.Advances in Marine Science，2013，31（2）：213－220.

钟超，肖武鹏，黄邦钦.中国南海西部浮游植物对中尺度涡的响应［J］.海洋科学进展，2013，31（2）：213－220.

［15］WANG Gui－hua，SU Ji－lan，CHU P C.Mesoscale eddies in the South China Sea observed with altimeter data［J］.Geophysical Research Letters，2003，30（21）：doi：10.1029／2003GL018532.

［16］FORSYTHE G E，MALCOLM M A，MOLER C B.Computer methods for mathematical computations［M］.Englewood Cliffs，NJ：Printice－Hall，1977.