越南以东偶极子的动力特性及演变机制研究进展

曹茹雪, 刘昭君, 朱小华

越南以东偶极子的动力特性及演变机制研究进展

曹茹雪1, 2, 刘昭君2, 朱小华1, 2

(1. 浙江大学海洋学院, 浙江 舟山 316021; 2. 自然资源部第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012)

夏季, 越南以东海域经常出现一对气旋涡和反气旋涡, 被称为越东偶极子(dipole off eastern Vietnam, DEV)。在DEV之间有一支东向离岸急流(eastward offshore jet, EOJ)。DEV-EOJ能显著提高该海域叶绿素浓度并改变浮游植物结构分布。DEV一般于夏季产生, 秋季消亡, 其气旋涡中心低温高盐, 反气旋涡中心高温低盐。DEV-EOJ的生消机制与西南季风密切相关, 同时也受到厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern oscillation, ENSO)等大洋尺度大气变化影响。目前, 虽然对DEV-EOJ已取得一定认识, 但仍有下述问题亟待解决: 1) DEV对南海中层动力和生态环境的影响; 2) DEV对南海西南部深层环流的作用; 3) 大尺度海气现象影响DEV-EOJ的过程及动力机制。建议开展长期的大面积同步阵列观测解决以上悬而未决的科学问题。

南海; 中尺度涡; 离岸急流; 海气作用

南海位于98.5°E～122.5°E, 0°N～24.5°N, 自然海域面积约3.5×106km2, 平均水深约2 000 m, 最大水深约5 500 m。南海在交通、国防、能源等战略上具有举足轻重的地位。加深对南海海洋动力环境的认知有助于中国资源开发和海洋安全保障。

南海动力环境以伴随多涡结构的环流为主要特征。受东亚季风、复杂地形和黑潮入侵等多要素作用, 南海流系复杂多变且中尺度涡频发[1-5]。通过卫星海面高度计1993—1999年月平均海面高度异常(the sea surface height anomaly, SSHA)数据分析得到, 南海环流按季节可分为四个阶段[1]。通常6月起盛行西南季风, 8月左右为季风转换期, 9月起盛行东北季风, 至次年4月逐渐消失[6-8]。夏季南海北部正风应力旋度和南部负风应力旋度分别驱动了南海上层气旋式环流和反气旋式环流[9-10], 产生了南海北部向南的西边界流和南部向北的西边界流, 两者于越南中部海岸附近(约12°N处)交汇后向东延伸, 形成东向离岸急流(eastward offshore jet, EOJ)[11-15]。EOJ是夏季南海表层环流的一个重要标志[16], 它显著提高了该海域的初级生产力和生物泵效率[17-21]。

南海存在着大量中尺度涡, 近年来得到了国内外海洋学者的高度重视。南海中尺度涡不仅蕴含着大量动能, 影响着海洋温盐结构和流场分布, 而且通过水体交换对营养盐、热能输送起着重要驱动作用。自20世纪末以来, 卫星海面高度计数据的广泛应用极大地推动了南海中尺度涡的研究。南海中尺度涡具有显著的区域性和季节性特点, 基本分布在东北-西南方向、宽约为450 km的条带范围内, 尤其集中于南海东北部和越南以东。在夏季越东海区的中尺度涡尤为活跃[22-24], 且该海区最先对季风转换产生响应[25]。在越东海区, 常出现一对南暖北冷且周期性变化的中尺度涡——越东偶极子(dipole off eastern Vietnam, DEV)。DEV与该海区其他中尺度涡的主要区别在于: 1) 于越南以东海区局地产生; 2)持续时间大于一个月; 3) 当DEV充分发展时, 冷暖涡纬向直径均不小于150 km; 4) 该涡对结构几乎每年都会出现[26]。

EOJ从DEV之间流过并向东延伸, 两者呈现“三明治”结构。徐锡帧等人[11]最初基于历史水文数据发现, 夏季越南以东沿岸表层冷水有向东延伸的趋势, 且伴随一支东向急流。多年现场观测资料表明, 在急流强锋面南侧(112.5°E, 11.5°N)存在一暖涡[11], 被称为越南暖涡[15, 27], 其影响深度可达500 m[28]。Levitus数据显示, 在急流北侧(111°E, 13.5°N)约100 m深处, 存在一中心温度低于17 ℃的冷涡, 被称为越南冷涡[29]。通过对风场与海面高度进行经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析, 发现DEV、EOJ与风应力旋度三者紧密相关[13]。EOJ和DEV中反气旋涡的出现, 标志着夏季南海上层稳定环流的形成[30]。

DEV-EOJ对南海西南部海洋环流系统乃至整个南海生物地球化学过程产生深远影响。本文将综述海洋学者在DEV-EOJ上取得的研究进展, 主要针对水文时空分布特征、动力机制及其与南海环流之间的关系等方面进行梳理, 最后对DEV-EOJ的研究进行展望并提出建议。

1 DEV-EOJ空间分布特征

根据前人研究, 我们可将DEV和EOJ看作一个急流-偶极子系统(jet-eddies system), 这一整体主要包括3个物理过程(如图1所示): 1) EOJ的东北向水平输送; 2) 气旋/反气旋涡中心的辐散/辐聚; 3) 在气旋/反气旋涡旋中存在的上升流/下降流[20]。

我们使用1993—2015年9月的平均混合坐标海洋模型(hybrid coordinate ocean model, HYCOM)再分析数据, 给出了DEV 100 m深处温盐结构分布和海面高度分布(图2)。可以看到, 鼎盛时期的冷暖涡在上层中心大致位于111°E, 13°N和111.5°E, 10°N。EOJ在DEV涡对之间并东北向延伸, 大致位于110°E～ 113°E, 12°N[16]。从声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profiler, ADCP)测流数据看, EOJ表层最大流速达120 cm/s, 平均流速约50～60 cm/s。根据1.5层约化模式估算, EOJ年平均流量约为1.7～ 2.5 Sv (1 Sv=1×106m3·s－1)[16, 31]。EOJ将携带丰富营养盐的沿岸上升流向东输送至南海海盆[14], 显著提升了该海区初级生产力[20, 32]。

图1 夏季南海西南部的急流-越东偶极子系统概念图(修改自Liang等[20])

图2 1993—2015年9月平均HYCOM再分析数据

注: 白色部分表示深度浅于100 m

当DEV充分发展时, 冷涡显著抬升温跃层而暖涡使温跃层下沉, 此时冷涡与暖涡中心温跃层深度差可达60 m以上[33]。在该海域上层100 m, 活性铝(reactive aluminum)浓度在冷涡处明显低于暖涡, 且与叶绿素和硅酸盐(silicate)浓度分布相反[19], 这与冷暖涡中存在的升降流密切相关。

在垂向上, EOJ能向下延伸数百米[15, 26, 34], 自次表层(50～100 m)起, 随着深度增加, 冷暖涡中心温盐差逐渐减少, DEV对温盐结构的影响不断减弱, 对温度最大影响深度可达400 m, 相较之下对盐度的影响在100 m处已太不明显[20, 34]。从DEV冷涡的三维结构(图3)看, 其内部温度、涡度和垂向速度的空间分布均呈现明显不对称性, 且三者中心不重合, 温度最低点位于涡度最大值点的西北侧。等温线和涡度在冷涡中心呈向上凸起的三维结构, 垂向流速在冷涡东南方向(靠近暖涡)最大, 冷涡中既有向上也有向下的垂向速度, 靠近暖涡处的垂向速度大体向下。该涡内垂向运动的不均匀主要是由非线性作用引起的非地转速度导致, 但具体动力机制还有待研究[34]。从三维结构中还发现, 冷涡中心轴线向西南方向倾斜。南海北部中尺度涡也存在这一特点, 其原因是地形β效应的“牵引作用”[4, 35-36]。目前已有的DEV中上层三维结构在位置和温盐结构上基本相似, 但也在DEV影响深度、表层盐度分布特征、EOJ方向等方面存在一定差异[20, 26, 34], 这可能是各研究的观测年份不同所致。

图3 DEV中冷涡(a)温度(℃), (b)涡度(10–5 s–1)和(c)垂向速度(10–5 m·s–1, 向上为正)的三维结构(0～500 m)[34]

注: 数据来源于2014年8月29日—9月27日57个CTD (conductivity-temperature-depth)剖面, 黑色等值线表示用来定义涡旋范围的–0.2w线(w是Okubo-Weiss参数的标准差, –0.2w代表冷涡中心的阈值)

由于缺乏DEV-EOJ海区中深层观测资料, 使得深层结构和动力过程的研究尚属空白。已有研究表明, 南海较强中尺度涡在垂向上可延伸至近海底, 对深层物质输运和深层环流具有重要影响[35-38]。因此, DEV-EOJ对该海区深层动力环境的影响也是将来研究的重要方向。

2 DEV时间变化规律

2.1 年际变化

DEV具有年际变化周期[10, 26, 39], 每3.6和5.6 a DEV结构会异于正常年份(图4)[33], 例如: 1) 冷暖涡旋的位置出现偏移, 如1998年暖涡位置北移, 冷涡被挤到更北位置; 2) DEV出现和消亡时间提前或延迟, 如2007年偶极子9月中旬才出现; 3) DEV结构不清晰甚至消失, 如2010年。DEV的这种年际变化特征与厄尔尼诺—南方涛动 (El Niño-Southern oscillation, ENSO)有着一定联系[30-31, 40-41], DEV结构在1994—1995年厄尔尼诺(El Niño)期间不明显甚至消失[12], 而在1999年夏季特别明显[42]。

图4 不同年份的越东偶极子结构[39]

注: 第一行图中的颜色表示100 m深处的温度。其他图中颜色、黑色箭头分别表示涡中心海面高度异常(sea level anomaly, SLA)和地转流异常。白色等值线和黑点表示100 m深处的温度等值线和观测站位

2.2 季节性变化

DEV一般于夏季产生冬季消失, 具有显著的季节变化特性[31, 33]。以1997年DEV为例(图5), 通常情况下, DEV在6月底到7月初于越南以东海区产生, 此时冷暖涡中心分别位于110°E～111°E, 12°N～13°N和110°E～111°E, 9°N～10°N, 且DEV越强, DEV中心位置越靠东[39]。涡中心海面高度异常(sea level anomaly, SLA)约为±8 cm。随即DEV向东扩展并逐渐增强, 直到8—9月达到最大, 此时, 纬向直径可达400 km, 冷涡和暖涡中心SLA分别可达–20 cm和20 cm, 中心温差达10 ℃以上。在9月下旬到10月初, DEV强度逐渐变弱。反气旋涡向南移动, 半径和影响深度逐渐减小直至消失, 冷涡在随后的1～2 d内也快速消散, 直至10月底DEV完全消失[26, 34]。

2.3 季节内变化

高时空分辨率卫星数据的运用, 使人们意识到在夏季越东海区动力现象还存在着季节内波动。印度—太平洋暖池和南亚上空行星尺度的大气对流, 通过大气通道引起南海夏季风场的季节内变化, 同时受安南山脉阻挡, 使得越东海区东向风速增强, 显著影响该海区营养盐和生物量的分布[43]。作为印度洋和太平洋热带地区显著东向传播的季节内(30～ 60 d)振荡, 马登-朱利安振荡(Madden Julian oscillation, MJO)促使南海西风增强, 引起越东海区海表温度降低, 增加DEV-EOJ强度, 同时提高叶绿素浓度, 是南海风场产生季节内变化的主要因素。厄尔尼诺年之后上述季节内振荡减弱, 强厄尔尼诺年后上述季节内振荡还会消失[44-45]。

图5 1997年海面高度异常[26](单位: cm)

注: 单位: cm, 等值线间距为5 cm。其中浅于100 m的海区数据用白色掩盖；图中箭头指示为越东偶极子

3 DEV演变的动力机制

3.1 季风作用

东亚季风对DEV的演变起决定性作用, 季风变化是DEV季节性变化的主导因素。南海环流的动态调整发生在季风最强时期之后约40 d(罗斯贝波西传导致的延迟), 且越东海域SSHA是南海最先响应风场变化的海域, 因此可用南海风场情况和环流结构来预测DEV的强度和生消时间[25, 46]。

观测和模式结果均表明, DEV-EOJ的演变主要受局地风应力旋度场的强度和分布特征调控[17, 46-47]。因风应力旋度场和地形作用, 南海上层形成北侧南向西边界流和南侧北向西边界流, 由于南北西边界流惯性作用产生的涡度输送, 形成了DEV结构[46]。DEV开始消散时南海正值西南季风向东北季风转换的季风交替时期, 风应力旋度的减弱无法继续维系DEV的存在[20, 26, 28, 46]。

3.2 ENSO影响

ENSO在很大程度上导致了南海的季风异常。正常年份南海夏季盛行西南季风, EOJ偏南; 在大多数厄尔尼诺年, 南海夏季西南季风异常减弱, 北部负风应力旋度很弱导致气旋涡不能充分发展, 此时EOJ偏北[10, 26, 31]。当发生强厄尔尼诺事件时, 气旋涡甚至消失[13, 17]。此时反气旋涡仍然存在, 说明ENSO对DEV中气旋涡的产生具有抑制影响, 也进一步说明气旋涡和反气旋涡的形成机制有一定区别[47]。

也有学者利用三维物理-生物地球化学模式(three- dimensional physical-biogeochemical model)和SLA, 对15 a(1993—2007年)南海中尺度涡分布特征进行了统计分析, 认为南海中尺度涡与ENSO之间没有必然联系[23-24]。但目前更多学者认为, 在厄尔尼诺年向拉尼娜年转变期间, 是风场的变化导致了DEV消失, DEV的消失可作为预测ENSO终结的一个潜在指标[39]。当然, 在探讨年际变化周期问题时, 以上研究中用到的卫星数据时间跨度太短, 无法确切说明ENSO对DEV的影响。

3.3 地形作用

受中南半岛山脉阻挡, 西南季风在越东海域引起东向风急流和正风应力旋度。越东海底地形同样复杂且梯度大, 有一自西向东的深槽, 根据位涡守恒公式, 随着深度变深, 位涡增加, 随即产生相对正涡度, 促使气旋涡的产生和维持。东向风急流和海底地形共同作用导致沿岸流离岸形成EOJ, 越南离岸流是季风转换的重要信号, 且对DEV的产生和强度起关键作用[25, 48-49]。研究结果表明, 沿岸急流的离岸一定程度上导致了涡对产生, 气旋涡是越南沿岸分离出的EOJ再循环的一部分[34, 48]。高分辨率FVCOM模拟结果显示, 南向浮力驱动的沿岸流和北向潮致余流汇合后导致了沿岸急流的离岸[50]。另外, 海底地形的作用也可能导致DEV消亡。旋涡在经过海底陡峭陆坡时发生扰动, 能量从中尺度向次中尺度过渡, 是南海中尺度涡耗散的主要机制[4, 36, 51]。

3.4 气候事件遥相关

太平洋和印度洋的海气耦合过程通过“大气通道”对DEV强度、形态及周期性变化起调控作用[18, 34]。例如, 2007年8月印度洋偶极子(Indian Ocean dipole, IOD)和拉尼娜(La Niña)事件共同增强了南海西南季风, 从而使DEV大幅度增强[18]。同时MJO能引起南海风场结构季节内波动, 增强夏季DEV强度的同时显著提高沿岸流和EOJ海域的初级生产力[43-44]。此外, 像热带风暴这样的天气过程也能在短期内显著增加西风风速(>14 m/s), 引起海表温度变低, 但其持续时间短且不能引起叶绿素浓度明显变化[18]。

4 讨论

随着卫星数据和现场观测资料增多, 对DEV- EOJ已取得一定认识。本文综述了DEV-EOJ空间分布规律、周期性变化和动力机制等方面的研究。这些研究虽然在其动力特征、变化规律和形成机制等方面取得一定进展, 但仍存在DEV-EOJ实测资料在时空尺度不足、动力机制认识不全、气候事件影响程度不明、对生化过程影响不清等问题, 以下逐一分析探讨。

4.1 DEV-EOJ中深层结构

目前DEV-EOJ中深层结构的观测不全面、模拟不准确, 导致缺乏对其产生、发展和消亡过程的认识不足。另外, DEV与南海西南部中深层海洋动力环境的关系、DEV涡对之间的关系、DEV空间分布上的不对称性、DEV中心轴线倾斜原因、罗斯贝波在DEV生消过程中的作用等科学问题, 都有待更全面的观测资料和更高分辨率的模式解决。

4.2 DEV-EOJ形成与耗散机制

风场结构改变引起沿岸急流的分离与非线性导致的涡度输送是DEV形成的关键动力机制[25, 34, 48-50]。目前关于越东沿岸急流的分离机制众说纷纭, 有些学者认为主要受风应力、非线性输送和海底地形影响[25, 34, 48-49], 也有学者认为南向浮力驱动的沿岸流和北向潮致余流汇合后导致了沿岸急流的分离[50]。该海域内部非线性过程多变, 上述机制多基于模式研究, 准确性有待验证。此外, 目前认为季风转换导致风应力旋度减弱和海底地形导致能量向次中尺度过程转换是DEV消亡的主要机制。那么, 这些过程对DEV局地形成及耗散的影响程度有大？DEV在耗散过程中EOJ如何变化？冷暖涡耗散机制是否相同？这些都成为值得讨论的问题。

4.2.1 气候事件对DEV的影响

气候事件通过“大气通道”改变南海上层风场, 影响中上层海洋动力过程, 从而影响DEV-EOJ周期和强度。太平洋ENSO对DEV特别是冷涡的产生起到抑制效果[30-31, 40-41]; 拉尼娜事件和印度洋正IOD共同增强西风风场从而显著提高DEV强度[18]; 热带赤道地区MJO引发DEV 30～60 d季节内振荡[44-45]。但由于风场结构同时受多种因素作用, 难以确切指出某一气候事件具体影响情况。且已有的研究中海气数据时间序列较短, 因此各大洋气候变化对DEV年际变化周期影响程度和动力机制还不能定量说明, 因而, 需加强中国在海洋-大气同步观测, 结合更多DEV-EOJ和大尺度海气实测数据作进一步研究。

4.2.2 DEV对海洋生物地球化学过程的影响

DEV-EOJ通过影响水团特性、营养盐供给、初级生产力等方式实现对海洋生物地球化学过程的调控, 显著影响该海域生物量及其空间分布[17-21, 32]。在中上层, EOJ和气旋涡伴生的上升流将营养物质带到贫营养化的南海内部, DEV通过影响活性铝和营养盐等微量元素的垂向分布来调节初级生产力和生物群落结构。在底层, DEV有可能引起海底沉积物的搬运, 因此还需定量分析DEV对南海西部深层生源颗粒物输运、生物地球化学通量和生物泵强度调控机制等问题。

虽然卫星观测的应用推动了海洋动力研究的发展, 但是获得海洋中深层动力过程和季节内变化等小尺度现象还需要更高时空分辨率的现场观测资料。DEV-EOJ的研究任重道远, 需要高分辨率的三维模型和更先进的海洋观测手段。CPIES(current-pressure equipped inverted echo sounder)配有压力计、海流计、温度计, 是锚系于海底的海洋观测仪器。CPIES观测阵列可得到观测海域2～5 a全水深海洋动力参数分布[52]。该方法突破了以往船测观测的时空局限性, 较于卫星数据, 分辨率和精度更高, 已成功应用于多个涡旋的观测, 获得了一系列研究成果[53-57]。若将CPIES阵列与沉积物捕获器运用在DEV-EOJ海域, 进行联合组网观测, 将有望取得创新性进展。

南海的西边界流、沿岸上升流、EOJ和DEV等构成了丰富多彩的海洋动力系统。加深对DEV-EOJ的研究对深入认识整个南海海洋动力过程和生态系统具有重要的科学意义。

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Overview of the studies on the dynamics of the dipole off eastern Vietnam and its mechanisms

CAO Ru-xue1, 2, LIU Zhao-jun2, ZHU Xiao-hua1, 2

(1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 2. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China)

During summer, cyclonic and anticyclonic eddies typically occur pairwise as a dipole off eastern Vietnam (DEV); moreover, an eastward offshore jet (EOJ) exists between the DEV. The DEV–EOJ can substantially increase the chlorophyll concentration and alter the phytoplankton distribution in the region. The DEV generally occurs in the summer and dissipates by autumn. At the center of the cyclonic eddy, the salinity is high, and the temperature is low; at the center of the anticyclonic eddy, the salinity is low, and the temperature is high. The generation and dissipation of the DEV–EOJ are closely related to the southwest monsoon and are also affected by the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) and other basin-scale atmospheric changes. Although the DEV–EOJ have been previously studied, the following issue persists: the influence of DEV on 1) the dynamic and ecological environment in the middle layers of the South China Sea, 2) the deep circulation in the southwest South China Sea, and 3) the effects of ocean–atmosphere interactions on the process and dynamic mechanism of the DEV–EOJ. Thus, long-term large-area synchronous-array observations will help address these concerns.

South China Sea; mesoscale eddy; offshore jet; ocean–atmosphere interactions

Aug. 5, 2020

P73

A

1000-3096(2022)12-0201-10

10.11759/hykx20200805002

2020-08-05;

2021-04-06

国家自然科学基金(41906023, 41920104006); 自然资源部第二海洋研究所基本科研业务费(JZ2001)

[National Natural Science Foundation of China, Nos. 41906023, 41920104006; Scientific Research Fund of SIO, No. JZ2001]

曹茹雪(1995—), 女, 安徽阜阳人, 硕士研究生, 主要从事物理海洋学研究, E-mail: 21834093@zju.edu.cn; 朱小华(1963—),通信作者, 研究员, 主要从事物理海洋观测研究工作, E-mail: xhzhu@sio.org.cn

(本文编辑: 杨 悦)