卫星和模式数据分析的南海中尺度涡的统计特征

江　伟，王　静，邢　博

（海军海洋水文气象中心，北京100161）

卫星和模式数据分析的南海中尺度涡的统计特征

江伟，王静，邢博*

（海军海洋水文气象中心，北京100161）

为了进一步了解南海中尺度涡的统计特征，利用OFES数据资料和最新的AVISO卫星资料，采用速度矢量涡旋识别方法和空间距离搜索法，对南海中尺度涡的特征加以统计分析。结果表明，南海海域是中尺度涡的多发区，尤其是在南海北部靠近吕宋海峡的区域存在较多的中尺度涡，这些中尺度涡的运动方向都是自东向西；同时在南海的西边界流区也存在较多的中尺度涡，它们的运动轨迹则是与局地的表层流的方向有很大的关系，有很多是自南向北运动。同时西北太平洋的西边界流处也有大量的Rossby波以中尺度涡的形式传来。

南海；中尺度涡；时空特征；资料分析；AVISO；OFES

南海面积约356万km2，是我国最深、最大的海，同时也是仅次于珊瑚海和阿拉伯海的世界第三大陆缘海。南海的地理位置独特，作为连接印度洋和太平洋的重要枢纽，越来越引起海内外研究学者的关注。南海东侧的吕宋海峡是连接南海与西太平洋的重要通道，而吕宋海峡外侧的黑潮对南海的环流产生重要影响。此外，加之整个南海海域受季风作用明显，使南海的环流结构颇为复杂［1］。

由于海洋环流与南海的生态、环境和气候息息相关，其结构和演变规律必然成为海洋学家所关注的问题之一。其中，由南海的海上观测资料和卫星高度计资料显示出南海存在非常活跃的中尺度现象。一些中尺度现象的强度甚至可以和南海定常环流的强度相比拟，其动力学意义以及对人类海洋活动的影响不容忽视。因此，研究南海的中尺度现象对认识和开发利用南海具有重要意义［2］。中尺度涡以长期封闭环流为主要特征，通常典型的空间尺度为50～500 km，时间尺度为几天到上百天，是海洋物理环境的一个重要组成部分。中尺度涡有相当大的动能，在海洋运动能量谱中是一个显著的峰区，它不仅直接影响着海洋中的温盐结构和流速分布，而且能输运动量、热量以及其他示踪物［3］。自20世纪70年代以来，随着卫星高度计的发展，Hwang等［4］利用TOPEX/Poseidon（T/P）高度计来统计涡旋数量，但是由于分辨率较低，无法统计到水平尺度较小的涡旋；Wang等［5］统计了南海中尺度涡旋的时空分布及特征，但是统计的时间序列较短，无法对涡旋的特征展开进一步的分析讨论。因此想要了解南海中尺度涡的基本物理属性，还需要使用长时间序列以及高精确度的卫星观测资料对其加以识别并进行定量与定性的研究［6］。

近年来，随着卫星遥感技术等各种观探测技术的进一步发展以及高精度数值再分析产品的问世，国内外学者对南海中尺度现象的分布、季节、年际变化等特征进行了大量基础理论研究。Wang等［5］利用5 a的T/P数据发现在南海存在两个明显的中尺度现象区域，这两个区域呈带状分布，其中有一支较强的沿着西北部2 000 m等深线，另一支则呈现出东北-西南走向自越南沿岸一直延伸到吕宋海峡。林鹏飞等［1］发现南海西北部和东南部涡旋较少，14°～15°N，118°～120°E以及120°E以东区域主要出现反气旋涡，气旋涡几乎不出现。夏季有利于生成反气旋涡（暖涡），冬季则有利于生成气旋涡（冷涡）。程旭华等［7］则认为季风强迫是形成南海中尺度涡季节、年际变化的主要驱动因素，其季节性分布规律表现为：冬季暖涡主要在吕宋西南、台湾岛西南，冷涡则分布于吕宋岛西北和越南外海；夏季的暖涡明显多于冷涡，且暖涡主要位于越南东南和吕宋岛西北部，冷涡主要位于越南外海。崔凤娟等［6］对20 a高度计资料中识别到的涡旋进行了分析，结果显示，南海中尺度涡旋活动具有较为显著的年际变化特征，且涡旋活动与ENSO现象遥相关:南海中尺度涡活动在El Niňo年较弱，在La Niňa年较强。庄伟等［8］发现南海中尺度现象有两个主要的传播带，一个是在南海北部位于吕宋海峡以西向西南方向运动，另一个是在南海南部深海盆地的西南方大致向南运动。

上述研究，多使用较早的观测资料和模式数据。为了进一步了解南海中尺度涡的统计特征，本文主要基于法国最新的AVISO海面高度异常资料和日本地球模拟器模拟的OFES模式再分析资料采用速度矢量涡旋识别方法和空间距离搜索法，对南海中尺度涡进行统计并加以诊断分析。

1　数据与方法

1.1数据介绍

1.1.1卫星资料文中所使用的卫星资料主要是法国最新的AVISO的海面高度异常（SSHA）资料。该资料是由法国空间研究院提供的多卫星融合的高精度SSHA全球格点化数据。其时间跨度为1993-2015年，空间分辨率为1/4°×1/4°，时间间隔为1 d。该资料自2014年4月进行了一次较大的升级，其中将时间间隔从7 d缩短为1 d，空间分辨率从1/3°增加至1/4°，并修正了新的气候态SSH参考面，使该资料能够非常好地分辨全球的中尺度涡现象。

1.1.2海洋模式再分析数据模式再分析数据选取的是日本地球模拟器模拟计算得到的长时间序列的涡解高精度海洋模式OFES（OGCM for the Earth Simulator）模式数据。该模式基于GFDL/NOAA（GeophysicalFluidDynamicsLaboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration）的MOM3（Modular Ocean Model）模式，并改进为并行计算。模式的计算区域为75°S～75°N，几乎覆盖除北极海域外的全球区域。该数据水平分辨率达到1/10°×1/10°，时间间隔为3 d。其时间跨度同样取为1993-2015年，变量包括SSHA、温盐场和速度场。OFES被认为是目前最好的涡分辨率海洋模式。将其作为本次研究的主要模式数据源，用于中尺度涡的研究。

1.2方法介绍

1.2.1中尺度涡识别方法文中的研究方法采用了Nencioli等［9］在2010年提出的基于流量矢量的算法来对涡旋进行识别，相比于传统方法，该方法能够降低涡旋的误报率，提高识别的准确度。目前，该方法已经用于识别南加利福尼亚海湾的中尺度涡［10］。由于在接近涡旋中心点的位置有速度最小值，而涡旋的切向流度会随着离中心点距离的增大而增大，该方法定义了4个约束条件，从而能够较快且准确的确定中尺度涡的中心和范围，这4个约束条件是：

（1）沿纬向（东西）穿越涡中心时，中心左右两侧南北向流速的速度方向相反且离中心越远量值越大。

（2）沿经向（南北）穿越涡中心时，中两心左右侧东西向流速的速度方向相反且离中心越远量值越大。

（3）中心速度是局地最小值。

（4）涡中心附近，沿着同一旋转方向，相邻的两个速度向量必须在同一象限或者在相邻的两个象限内。

实际进行中尺度涡识别时，首先通过第三个条件找出局地速度最小值点，然后利用其他条件进行中尺度涡中心的判定。最后在涡中心附加的窗口区域计算流函数，得到最外边的一条闭合流线作为涡的边缘。

1.2.2中尺度涡追踪方法文中所采用的追踪方法是以当前涡旋状态为中心，在下一个时刻的涡旋空间分布中进行半径搜索，以寻找后续的涡旋状态，亦称空间距离搜索法。其前提假设即空间距离最邻近的涡旋即后续涡旋。Morrow等［11］最先实现了这种自动跟踪算法。之后，Isern-Fontanet等［12］、Nencioli等［9］和Chelton等［14］都在这种方法的基础上做了一些改进。

该方法的计算简单，易于实现，且追踪效果也比较理想，其具体追踪方法过程为：首先，对于t时刻识别出来的任意涡旋e1，在下一个时刻，即（t+l）时刻，识别出来的涡旋中搜索所有落入el中心150 km范围内的目标涡旋。若能找到离e1涡旋e2最近的一个性质相同的涡旋，则认为e2是el的后续涡旋。若在150 km内未找到合乎条件的涡，则扩大搜索半径和时间。在（t+2）时刻识别出来的涡旋中，以el中心半径300 km范围内进行搜索。若能找到离e1涡旋e2最近的一个性质相同涡旋，且该涡旋不是其他涡的后继涡旋，则认为e2是el的后续涡旋。若在300 km内未找到合乎条件的涡，则该涡的演变终止。

通过如上所述的中尺度涡识别和追踪方法，即可得到所有时刻的中尺度涡的核心位置、旋转方向（冷暖特性）和运动情况等基本信息，在此基础上，可通过统计分析得到更加详细的中尺度涡特征信息。

2　结果与分析

2.1中尺度涡的实时空间分布比较

图1和图2是对OFES和AVISO两种数据得到的同一时刻中尺度涡实时空间分布比较。从图中可以看到：两者的结果都表明，南海海域是中尺度涡的多发区，其冷暖特性基本平衡。同时也可以看到在西北太平洋的西边界流区有大量的以Rossby波形式传来的中尺度涡。OFES的中尺度涡个数要明显多于AVISO的结果。与AVISO的结果相比，OFES模式的结果有更强的涡动。尽管涡的大致分布情况相似，OFES与AVISO的涡的位置是无法一一对应的，这是因为涡的产生和运动具有非常强的非线性和随机性。因此，如果海洋模式没有使用同化方法的话，将很难再同一时刻同一地点生成同样的涡。而OFES就没有使用同化方法，这样做虽然保证了物质能量的守恒性，但是却无法较准确地模拟和预报中尺度涡。可以说，在海洋模式中加入同化是模拟和预报中尺度涡的一个有效途径。

2.2中尺度涡的轨迹统计

图1　OFES（左）与AVISO（右）在2013年第60 d的中尺度涡空间分布图

图2　OFES（左）与AVISO（右）在2013年第280 d的中尺度涡空间分布图

虽然OFES并不能准确地模拟出单个中尺度涡的位置和运动，但是在统计意义上的中尺度涡的模拟还是比较合理的。图3～图4给出了两种数据统计的南海2012年的中尺度涡的轨迹图。从图中可以看出：两者具有非常相似的轨迹分布。都在南海北部靠近吕宋海峡的区域存在较多的中尺度涡，这些中尺度涡的运动方向都是自东向西的；同时在南海的西边界流区也存在较多的中尺度涡，它们的运动轨迹则与局地表层流的方向有很大关系，很多是自南向北运动，该结果与林鹏飞［1］和庄伟［8］等的结果相吻合。尽管涡的个数有较大差异，OFES模式的轨迹与AVISO的结果是比较相近的，说明OFES海洋模式的数值模拟框架是比较合理的。可以说，OFES能够在统计意义上对中尺度涡进行研究。同时也验证了实时空间分布的比较结果，可以看到在西北太平洋的西边界流区有大量的以Rossby波形式的自东向西传来的中尺度涡，同时印尼贯穿流区也有明显的涡出现。冷暖特性基本平衡。

图3　由AVISO统计的南海2013年的中尺度涡的轨迹图（红色为暖涡，蓝色为冷涡）

图4　由OFES统计的南海2013年的中尺度涡的轨迹图（红色为暖涡，蓝色为冷涡）

2.3中尺度涡的个数和半径统计

为了检验评估OFES模式对中尺度涡特征的模拟情况，分别对AVISO资料和OFES模拟的中尺度涡的个数和半径特征进行了统计分析。两种数据的半径统计结果如图5所示。从图中可以看出:根据AVISO的观测资料，共识别提取了544个涡，其中冷涡281个，暖涡263个。多数涡的半径在60～80 km之间，占总数的38%，小于60 km的小涡约占20%，而半径大于90 km的涡则占42%，平均半径为79 km。根据OFES模式的结果，共识别提取了1 133个涡，其中冷涡553个，暖涡580个。则半径小于40 km的小涡占更大的比例，约有54%，而半径在40～80 km之间，占总数的38%，半径大于80 km的涡的个数小于10%，平均半径为45 km。

图5　中尺度涡的半径比较图（单位：km）

从统计结果来看，南海的中尺度涡的半径多为70～90 km左右，同时不乏100 km以上的强涡，该结果验证了已有的研究结果［1，8］。OFES识别的涡的个数是AVISO的两倍，同时小涡的个数明显多于AVISO。产生这样的差异的原因可能是由于OFES更加平滑的表面流场和较高的分辨率，使更多的小涡被识别出来。AVISO的流场相对而言则较为粗糙，因此在局地小区域内无法形成完整的闭合流线，造成了识别到的小涡数量的减少。从实时空间分布图中也可以看到这一点。通常，当数值产品分辨率比较高且水平耗散又不足够时，容易产生很多虚假的中尺度涡。据上述结果分析，OFES也有这一问题。当然也不能排除AVISO自身数据处理时引入的观测误差。

2.4中尺度涡的强度统计

笔者还对AVISO资料和OFES模拟的中尺度涡的强度特征进行了统计对比分析。其中中尺度涡的强度定义是涡半径以内的平均动能（EKE）。两种数据的中尺度涡强度的统计结果如图6所示。从图中可以看出:从AVISO的观测资料可见，多数涡的强度在100 cm2/s2以下，占总数的40%，而大于100 cm2/s2的较强涡则占60%，而强度大于600 cm2/s2的强涡则占10%，平均强度为222 cm2/s2。OFES模式的结果，在强度的分布上与AVISO的结果非常相似。多数涡的强度也是在100 cm2/s2以下，占总数的47%，而大于100 cm2/s2的较强涡则占53%，而强度大于600 cm2/s2的强涡则占12%，平均强度也比较接近为261 cm2/s2。从统计结果来看，OFES在强度的分布上与AVISO的观测结果非常相近，原因可能是由于中尺度涡的相似性，导致小涡的平均动能由于较小的涡的面积而并没有减小很多。可见OFES对于中尺度涡的结构模拟应当是比较好的。

图6　中尺度涡的强度比较图（单位：cm2/s2）

3　结论

本文利用OFES数据资料和AVISO卫星资料，采用速度矢量涡旋识别方法和空间距离搜索法对南海中尺度涡的特征加以统计。结果表明：

南海海域是中尺度涡的多发区，尤其是在南海北部靠近吕宋海峡的区域存在较多的中尺度涡，这些中尺度涡的运动方向都是自东向西；同时在南海的西边界流区也存在较多的中尺度涡，它们的运动轨迹则是与局地表层流的方向有很大关系，有很多是自南向北运动。同时也可以看到，从西北太平洋的西边界流处有大量的Rossby波以中尺度涡形式传来。

文中将AVISO和OFES的统计结果进行了比较，用以评估该涡解模式的中尺度涡的模拟效果。由统计结果可以看到，OFES模式的结果有更强的涡动，且两者的位置并不是一一对应。这是因为涡的产生和运动具有非常强的非线性和随机性，而OFES没有使用同化方法，所以就只能保证物质能量的守恒性，但是却无法较为准确地模拟和预报中尺度涡。还需要进一步探讨数据同化技术在模拟中尺度涡中的改进作用。同时OFES的小半径的涡模拟的数量较多，同样暴露了海洋模式由于湍粘性系数等参数的调整会产生虚假的小型中尺度涡的问题。而OFES模式对涡强度的与AVISO结果相近，可见OFES对于中尺度涡的结构模拟应当是比较好的。

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［4］Hwang C，Chen S A.Circulations and Eddies over the South China Sea Derived from TOPEX/Poseidon Altimetry［J］.Journal of Geophysical Research:Oceans，2000，105（C10）:23943-23965.

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［12］Isern-Fontanet J，García-Ladona E，Font J.Vortices of the Mediterranean Sea:An Altimetric perspective［J］.Journal of physical Oceanography，2006，36（1）:87-103.

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Study on the Statistical Characteristics of the Mesoscale Eddies in the South China Sea Analyzed by Satellite Altimeter and Model Data

JIANG Wei，WANG Jing，XING Bo
Naval Meteorology and Physical Oceanography Center，Beijing 100161，China

In order to further understand the statistical characteristics of the mesoscale eddies in the South China Sea，OFES data and latest AVISO satellite altimeter data are used in this study，in conjunction with the method of Winding Angle and the spatial distance search tracing method，to detect and analyze the eddies.The results show that the South China Sea is an area in which mesoscale eddies frequently occur，especially in the northern part closing to the Luzon Strait where numerous mesoscale eddies move from the east to the west.There are also many mesoscale eddies in the western boundary current of the South China Sea，and their trajectories are highly correlated with the directions of local surface flows which mainly move from the south to the north.In addition，there are a lot of Rossby waves spreading from the western boundary current in the northwest Pacific to the South China Sea in the form of mesoscale eddies.

South China Sea；mesoscale eddy；temporal and spatial characteristics；data analysis；AVISO；OFES

P731.21

A

1003-2029（2016）03-0022-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.004

2016-04-24

江伟（1975-），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为军事水文气象及规划论证。E-mail：htpyang@sina.com

邢博，E-mail：xb_5211314@126.com