黑潮延伸体邻近海区中尺度涡三维合成结构分析

胡冬 陈希 宋海波 毛科峰 余丹丹 陈飞

摘要：文章基于卫星高度计资料和A r g o浮标资料，采用合成方法，构建了黑潮延伸体邻近海区中尺度涡的温盐三维结构。合成结果表明，表层至1×1 07P a，合成气旋涡（反气旋涡）呈现较为一致的位温负（正）异常，气旋（反气旋）涡内呈现较为一致的位温负（正）异常，混合层至约7×1 06P a深度，气旋（反气旋）涡存在位温负（正）异常的冷核（暖）核结构。气旋（反气旋）涡的平均盐度在垂向上呈现“负—正”（“正—负”）上下相反的异常结构。

关键词：黑潮延伸体；中尺度涡；三维结构；合成分析； A r g o浮标

中图分类号： P 7 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 4 2-0 7

基金项目：国家自然科学基金项目（ 1 1 1 0 2 2 3 2） ；江苏省自然科学基金（ B K 2 0 1 5 0 7 1 1）.

T h r e eD i m e n s i o n a l S t r u c t u r e so fC o m p o s e dM e s o s c a l eE d d i e s n e a r t h eK u r o s h i oE x t e n s i o nR e g i o n

HUD o n g1， CHE NX i2， S ON G H a i b o3，MAOK e f e n g2， YUD a n d a n1， CHE NF e i1

（ 1 .T h e 3 1 0 1 0A r m yo fP L A， B e i j i n g1 0 0 0 8 1， C h i n a； 2 . C o l l e g eo fM e t e o r o l o g ya n dO c e a n o g r a p h y， N a t i o n a lU n i v e r -s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y， N a n j i n g2 1 1 1 0 1， C h i n a； 3 .T h e9 2 7 2 1A r m yo fP L A， Z h o u s h a n3 1 6 0 0 0， C h i n a）

A b s t r a c t： T h r e ed i m e n s i o n a l s t r u c t u r e so f t e m p e r a t u r e， s a l i n i t y， v e l o c i t yo fm e s o s c a l ee d d i e sn e a r t h eK u r o s h i oE x t e n s i o nR e g i o nw e r e c o n s t r u c t e db ya c o m p o s i n gm e t h o db a s e do ns a t e l l i t e a l t i m -e t r yd a t aa n dA r g op r o f i l ed a t a . T h er e s u l t so f t h es t r u c t u r e ss h o w e dt h a t， f r o ms u r f a c et o1 0 0 0 d b a rd e p t h， c o m p o s e dc y c l o n i c（ a n t i c y c l o n i c）e d d yr e p r e s e n tc o n s i s t e n tt e m p e r a t u r en e g a t i v e（ p o s i t i v e）a n o m a l y， f r o mt h em i x e dl a y e rt oa b o u t7 0 0d b a rd e p t h， t h e r ee x i s t sac o l d（ w a r m） c o r ew i t hn e g a t i v e（ p o s i t i v e）t e m p e r a t u r ea n o m a l y . T h es t r u c t u r eo f t h es a l i n i t yo fc y c l o n i ce d d y p r e s e n t e da s“n e g a t i v e - p o s i t i v e”s a l i n i t ya n o m a l ys t r u c t u r ei nu p p e ra n dl o w e rl a y e r， w h i l ei t i s o p p o s i t e f o ra n t i c y c l o n i ce d d y .

K e y w o r d s： K u r o s h i oe x t e n s i o n，M e s o s c a l ee d d i e s，T h r e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u r e， C o m p o s i n g m e t h o d， A r g op r o f i l e

0 引言

中尺度渦是广泛存在于世界海洋中的一种中尺度现象，它的能量比平均流的能量要大一个量级以上[ 1]，可引起局地水团的调整[ 2]，造成涡旋内外温盐特性的差异[ 3]，并对局地和大尺度环流产生重要影响[ 4]。中尺度涡在世界大洋中的分布极不均匀，如，郑聪聪等[ 5]和I t o h等[ 6]分别基于统计分析发现黑潮延伸体区域的中尺度涡活动十分活跃。

近2 0余年来，卫星高度计数据在中尺度涡研究领域得到广泛使用，黑潮延伸体区域中尺度涡的表层特征的研究逐渐开展。如： I t o h等[ 6]利用融合高度计资料，对黑潮延伸体区域中尺度涡的数量分布、涡旋强度、移动等特征进行统计分析，结果表明，黑潮流轴及其南侧为气旋涡的密集区，而黑潮延伸体北侧是反气旋涡的密集区。然而，依托卫星高度计资料仅能得到涡旋的表层信息，无法获取水下温盐三维结构信息，因此，现场水文观测对于中尺度涡的研究是必不可少的。I t o h等[ 7]综合利用卫星高度计资料和A r g o剖面资料，对黑潮延伸体西部涡旋的水团性质进行分析，结果表明， 8 5%以上的反气旋涡具有高盐暖核结构，这种涡旋在垂向上具有双核结构，上层为高盐暖核，下层为低盐冷核，影响范围可达2×1 07P a以上，但仍无法得到该区域的涡旋三维结构。本研究将卫星高度计资料与A r g o剖面数据进行结合，参考CHA I GN E AUA等[ 8]和Y a n g等[ 9]的合成分析方法，构建黑潮延伸体邻近海区（ 2 5°N—4 5°N， 1 3 5°E—1 7 5°W）涡旋的三维温盐合成结构，并对其特征进行定量化研究。

1 资料及涡旋识别方法

1 . 1 卫星高度计资料

卫星高度计资料中的地转流异常数据由法国国家空间研究中心的卫星海洋存档数据中心（ AV I -S O）提供，这套资料融合了包括C r y o s a t - 2等在内的多颗卫星数据，空间分辨率为0 . 2 5°×0 . 2 5°。本研究选取的数据时间跨度为2 0 0 0年1月至2 0 1 2年1 2月，时间分辨率为7d。

1 . 2 中尺度涡自动识别方法

本研究采用由N e n c i o l i等[ 1 0]提出的基于流场几何形态方法对中尺度涡进行自动识别和跟踪，该方法在许多海域的中尺度涡研究中得到运用。该方法分为以下3个步骤。

（ 1）通过4个约束条件判断存在涡旋中心：①沿东西向穿过涡中心时，其两侧的v（速度的经向分量）方向须相反，且离涡中心越远v的值越大；②沿南北向穿过涡中心时，其两侧的u（速度的纬向分量）方向须相反，且离涡中心越远u的值越大；③存在局部速度最小值，最小值位置即为涡中心；④涡中心附近，速度向量须沿同一方向旋转，且相邻两个速度向量位于同一象限或相邻象限。

（ 2）计算流函数，以距涡中心最远的闭合流函数等值线作为涡的边界。

（ 3）对不同时次的涡旋轨迹进行跟踪：①搜索t时次的所有涡中心；②在t+1时次，分别以t时次各涡旋的中心为原点，以某个设定值为半径，在其范围内搜索到的同类型涡旋与t时次的涡旋属于同一涡旋轨迹，如未找到同类型涡旋，则在t+2时次将搜索半径扩大为1 . 5倍再次搜索，若仍未搜索到同类型涡旋，则认为该涡旋已经消亡。

1 . 3 A r g o浮标资料

本研究所采用的A r g o浮标资料由中国A r g o实时资料中心提供，时间跨度为2 0 0 0年1月至2 0 1 2年1 2月。所有数据都经过了A r g o数据中心的实时和延时质量控制[ 1 1]，且本研究只使用延迟模式且质量标识符为“1”（表示质量为优）的A r g o剖面數据。在此基础上，为提高合成结果的精度，参考YANG等[ 9]和CHA I GN E AUA等[ 8]的工作，同时满足以下条件的剖面数据才能被利用。

（ 1）最浅和最深的数据须分别位于1×1 05P a以浅和1×1 07P a以深；

（ 2）垂向上两个连续数据点之间的深度间隔不得超出给定范围；

（ 3）每个剖面在1×1 07P a以浅至少有3 0个有效的数据点。

1 . 4 C A R S 2 0 0 9气候态资料

气候态温盐数据采用C A R S 2 0 0 9资料，空间分辨率为0 . 5°×0 . 5°。相对于其他气候态资料而言， C A R S 2 0 0 9资料更适用于西边界海域[ 7]。

2 涡旋合成方法

2 . 1 搜索中尺度涡

基于卫星高度计资料和1 . 2节的中尺度涡自动识别方法，共搜索到37 6 3个涡旋轨迹，其中气旋涡和反气旋涡轨迹分别为19 2 7个和18 3 6个，若将各时次内所有搜索到的涡旋相加，则共包含1 84 2 1个气旋涡和1 92 3 8个反气旋涡。如图1所示为2 0 1 1年9月2 8日搜索到的涡旋分布示意。其中：图1（ a）为2 0 1 1年9月2 8日涡旋探测结果，箭头为表层地转流，星号为涡旋中心，闭合曲线为涡旋边界，实心点为A r g o浮标的位置；图1（ b）位于涡旋外部的一个浮标（M 1）与其对应涡旋中心C 1的位置关系，ΔxE和Δy E分别为M 1到C 1的纬向距离和经向距离；图1（ c）位于涡旋内部的一个浮标（M 2）与其对应涡旋中心C 2的位置关系，ΔxE和Δy E分别为M 2到C 2的纬向距离和经向距离。

2 . 2 A r g o数据与涡旋的匹配

基于1 . 3节的条件，共筛选出3 95 6 9条A r g o剖面数据。对于每一条剖面数据，找出与其观测时次最近的一个涡旋搜索时次（二者的时间差不大于3天） ，若浮标位置满足以下其中一个条件则被用来进行涡旋合成。①A r g o浮标位于涡旋内部，如图1（ c）中的浮标C 2；②A r g o浮标位于涡旋外部，但距其最近的一个涡旋中心小于1 . 5倍涡旋半径，如图1（ b）中的浮标C 1。

2 . 3 确定分区方案

本研究区域范围较大，黑潮和涡旋之间存在复杂的相互作用，涡旋在西传过程中不可避免地会发生结构的变化[ 1 2]。考虑到这些因素，参考Y A N G等[ 9]的方案，将研究区域分为5个较小的子区域：区域I、I I、I I I的经度范围分别为1 7 5°E—1 7 5°W， 1 6 5°E—1 7 5°E， 1 5 5°E—1 6 5°E，区域I V和区域V以过（ 1 4 0°E， 2 5°N）和（ 1 5 0°E， 4 5°N）两点的直线为界，并可认为区域V为西边界流区。

2 . 4 构建涡旋坐标系

对于所有用于合成涡旋结构的A r g o剖面，它们分别有一个与之对应的涡旋（即可使A r g o剖面满足2 . 2节中条件的涡旋） ，参考CHA I GN E AUA等[ 8]的方法，计算出浮标M相对于对应涡旋中心C的坐标ΔxE和Δy E，如图1（ c） ，再分别将ΔxE和Δy E除以对应的涡旋半径R得到相对坐标（ΔX，ΔY） ，以消除涡旋半径对合成结果的影响。最后，将该剖面包含的温盐等要素按相对坐标（ΔX，ΔY）转换到一个统一的“涡旋坐标系”中。

2 . 5 要素插值

对每条A r g o剖面上的位温（θ）和盐度（ S）分别进行A k i m a线性插值[ 1 3]，以1×1 05P a为间隔从海表至1×1 07P a分为1 0 1层，再将插值后的位温（θ）和盐度（ S）数据减去对应位置和时次的C A R S 2 0 0 9气候态数据，分别得到位温异常（θ’）、盐度异常（ S ’）。

基于2 . 4节的方法将位温、盐度转换到涡旋坐标中后，在插值后的1 0 1个深度层内，分别利用四分位检测法将各层可能的不合理值剔除，再将剩余的离散点利用客观分析法[ 1 4]插值到涡旋坐标系中0 . 1×0 . 1的规则网格上，构建各层的二维要素场。对每一层采用相同的方法分别对温盐要素进行插值，即可得到三维涡旋结构[ 8， 1 5]，包括涡旋的位温异常、盐度异常。

3 涡旋三维合成结构特征

基于第2节的合成方法，得到了合成涡旋的三维结构，本节主要分析合成涡的位温异常、盐度异常的三维结构，并在此基础上估算由涡旋引起的水体和温盐输运。

3 . 1 水团

由于中尺度涡引起的温盐异常结构与当地水团分布有着很大关系，因此，在分析合成涡旋三维结构之前，首先对存在于该区域的主要水团进行简要描述。

基于A r g o剖面数据，分别计算出5个子区域内平均位温和盐度的垂向分布，并做出θ—S廓线（图2）。图2表明， 5個子区域的θ—S曲线存在明显差异，但整体上均呈反“S”形状分布：表层为高温低盐水；次表层为北太平洋亚热带水（ N o r t hP a c i f i cS u b -T r o p i c a lW a t e r， N P S TW） ，盐度出现极大值；中层为北太平洋中层水（N o r t hP a c i f i cI n t e r m e d i a t e W a t e r， N P I W） ，盐度最低；σθ>2 7 . 1k g/m3的深度中存在的是北太平洋底层水（N o r t h P a c i f i c D e e p W a t e r， N P DW） ，盐度逐渐增大。此外，在次表层和中层水之间，存在着低位涡的北太平洋副热带模态水（ N o r t h P a c i f i cS u b t r o p i c a lM o d eW a t e r， N P S TMW）[ 1 6]，它的范围为1 6℃≤θ≤1 9 . 5℃， 2 5 . 0k g/m3≤σθ≤2 5 . 6k g/m3[ 1 7]，在2 . 5×1 06P a附近平均位势涡度出现极小值，存在于主温跃层内[ 1 8-1 9]，并将主温跃层分为上下两个部分。

3 . 2 温度结构

图3和图4为区域I至区域V中合成气旋涡和反气旋涡在ΔY=0断面上的位温异常（θ’）分布，图3和图4表明，不同区域内涡旋的位温异常具有相似的分布特征，气旋（反气旋）涡内呈现较为一致的位温负（正）异常，表层及次表层内，位温异常较小，而在混合层以深至约7×1 06P a深度，气旋涡（反气旋涡）存在位温负（正）异常的冷（暖）核结构，但冷（暖）核的位置及强度在不同区域内存在明显差异，从西向东：气旋涡的冷核中心逐渐变深，中心最大位温负异常分别为-1 . 5℃，-2 . 1℃，-3 . 3℃，-3 . 0℃，-1 . 3℃，冷核强度以区域I I、I I I、I V较大；反气旋的暖核中心的深度差异不大，中心最大位温正异常值分别为1 . 1℃，2 . 1℃，2 . 8℃，2 . 2℃， 2 . 6℃，暖核强度以区域I I ～V较强。

图5和图6分别显示了5个子区域内合成气旋涡和反气旋涡在不同压强深度上的位温异常（θ’）水平分布，图中所示压强从上至下分别为0P a、1×1 06P a、2 . 5×1 06P a、5×1 06P a、7 . 5×1 06P a、1×1 07P a。

从表层至1×1 07P a，合成气旋涡（反气旋涡）呈现较为一致的位温负（正）异常。在涡旋的表层，位温异常值较小，且区域I至区域V内的气旋涡，以及区域I I I、区域I V内的反气旋涡，表层呈现较为清晰的环状结构，但位温异常等值线不太规则。随着深度的增加，各区域内气旋涡和反气旋涡的环状结构逐渐规则、位温异常值逐渐增大，最大异常值出现在（ 2 . 5～5）×1 06P a深度层之间，分别可达-3 . 5℃和2 . 4℃。5×1 06P a以深，位温异常值逐渐减小，但直至1×1 07P a深度层，仍保持较好的结构，气旋涡和反气旋涡的位温异常值分别可达-0 . 4℃和0 . 3℃以上。

3 . 3 盐度结构

图7和图8为区域I至区域V中合成气旋涡和反气旋涡在ΔY=0断面上的盐度异常（ S ’）分布，其显著特征为：涡旋在断面的上下两层分别引起相反的盐度异常。

具體地，对于气旋涡而言，断面整体呈现“负—正”上下层相反的盐度异常结构。由于涡旋内部存在上升运动，次表层的高盐N P S TW、中层的低盐N P I W和深层N P DW被整体抬升，因此N P S TW至N P I W位置之间水体的盐度降低，产生盐度负异常，由于N P S TW厚度很小、深度较浅且很靠近海表面的混合层，它与上下两层水体混合作用减小了它对上层海水盐度的影响，因此表层和次表层也表现为盐度的负异常。由于从西向东N P S TW的深度逐渐加深，涡旋中心处盐度负异常的范围也随之加深。中心最大异常值以区域I I ～ I V较大，最大异常值所在深度从西向东也是逐渐加深。在深层，涡旋内部的N P DW向上抬升至原来盐度较低的深度，引起盐度的正异常，最大异常值与上层的负异常值相比较小，这是因为涡旋信号在深层受到减弱，且较深层海水的盐度梯度也有所减小[ 8]。

对于反气旋涡而言，整体上呈现“正—负”上下层相反的盐度异常结构。由于涡旋内部存在下沉运动，高盐的N P S TW深度变深，在次表层及其以下范围产生盐度正异常，中心最大异常值以区域I I ～ I V较强，这与气旋涡的情况类似。位于较深层的低盐N P I W下沉并引起较弱的盐度负异常结构，中心最大异常值与气旋涡相比较小。

综上分析，气旋涡引起的盐度异常大于反气旋涡，且以区域I I ～ I V的盐度异常较大。

图9和图1 0分别为5个子区域内合成气旋涡和反气旋涡在不同压强深度上的盐度异常（ S ’）水平分布，图中所示压强从上至下分别为0 P a、1×1 06P a、2 . 5×1 06P a、5×1 06P a、7 . 5×1 06P a、1×1 07P a。图9表明，气旋涡各水平层上的盐度异常均呈现较为清晰、规则的环状结构。与位温异常的水平分布有所不同，盐度异常值在表层附近较大，区域I的盐度异常最大值甚至出现在表层附近；从（ 5～7 . 5）×1 06P a，合成气旋涡的盐度异常发生了从负向正的变化。在1×1 07P a深度层上，盐度异常的结构仍较为明显。对于反气旋涡而言，各层的盐度异常也呈现比较清晰的环状结构，从（ 5～ 7 . 5）×1 06P a，盐度异常发生了从正向负的变化，在1×1 07P a深度层上，盐度异常的结构仍较为明显。

4 总结

本研究结合中尺度涡的探测结果和A r g o浮标数据，基于涡旋合成分析方法，构建了黑潮延伸体邻近海区中尺度涡的三维温度、盐度结构。主要结论如下。

（ 1）表层至1×1 07P a，合成气旋涡（反气旋涡）呈现较为一致的位温负（正）异常，表层和次表层内的位温异常较小，混合层至约7×1 06P a深度，气旋（反气旋）涡存在位温负（正）异常的冷（暖）核结构。从平面分布来看，涡旋表层位温异常值较小，随着深度增加至5×1 06P a，各区域内合成气旋涡和反气旋涡的位温异常值逐渐增大，直至1×1 07P a深度层，位温异常的环状结构仍十分明显。

（ 2）气旋（反气旋）涡的平均盐度在垂向上呈现“负—正”（“正—负”）上下相反的异常结构，气旋涡引起的盐度异常大于反气旋涡。不同子区域内的涡旋在各水平深度层上的盐度异常均呈现较清晰、规则的结构。

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