西北太平洋副熱帶海區一個氣旋渦的三維結構、運動學及其亞中尺度特征

方思敏,林宏陽,2,胡致遠,孫振宇,2,楊龍奇,胡建宇,2*

(1.廈門大學海洋與地球學院,近海海洋環境科學國家重點實驗室,福建 廈門 361102;2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室,廣東 珠海 519082)

由于存在較強的斜壓不穩定性,北太平洋副熱帶逆流(STCC)區存在活躍的中尺度渦活動[1].在整個北太平洋,STCC區的渦動能僅次于黑潮延伸體區,也是赤道太平洋與中緯度太平洋之間進行物質、熱量以及鹽量交換的主要區域[2],在局部乃至全球氣候演變中都具有重要作用.

中尺度渦的三維結構、生消演變機制及其與平均流的相互作用等一直是渦旋研究的熱點和難點問題.對于STCC區,Kang等[3]利用TOPEX/POSEIDON測高數據來研究該區域的渦旋場,通過對1992—2007年的數據研究發現速度切變對渦旋的產生以及渦旋的季節性演變有很大的影響;Hwang等[4]也使用TOPEX/POSEIDON測高數據來研究該區域的中尺度渦旋,統計了渦旋的半徑、中心、渦度、剪切變形率、拉伸變形率、散度和中心速度,并對其中一個氣旋渦和一個反氣旋渦的傳播過程進行了個例分析;Yang等[5]利用1992—2002年的衛星海面高度計資料研究了西北亞熱帶太平洋的中尺度渦特性;Cheng等[6]進一步應用衛星高度計資料統計分析了西北太平洋中尺度渦旋的傳播特征.

海洋中的亞中尺度現象是近年來海洋研究中的一個熱點話題,其多出現在海洋表層,伴隨亞中尺度過程生成的次級環流誘導混合層內發生再層化,能有效地釋放中尺度過程中的勢能[7-8].基于副熱帶太平洋現場觀測數據,Callies等[9]發現亞中尺度范圍內動能譜斜率不符合經典的準地轉(QG)理論,而冀承振等[10]和Yang等[11]則利用數模和實測數據研究發現中尺度渦旋邊緣處動能譜斜率更趨近k-2(k表示水平波數的量級[9]),可用表層QG理論解釋;而渦旋中心處動能譜斜率更趨近k-3,符合QG理論,表明渦旋邊緣的亞中尺度過程活躍.

廈門大學于2019年3—4月用“嘉庚”號科考船在西北太平洋STCC區[圖1(a)]開展了KK1902航次調查,主要觀測若干中尺度渦,并綜合利用多種觀測平臺與設備進行拖曳、走航、大面等手段的全方位精細觀測.本研究利用該航次實測數據,結合衛星高度計資料,對航次重點觀測的一個氣旋渦(編號CE2)的三維結構、運動學及其亞中尺度特征進行分析,以期增進對該區域中尺度渦旋及其亞中尺度特征的認識.

(a)西北太平洋STCC區主要流系,根據Cheng等[6]修改;(b)CE2渦旋的觀測斷面,底圖為2019年3月30日的海面高度異常(SLA),紅線表示SLA為0 cm的等值線.圖1 研究區域和所觀測的氣旋渦Fig.1 Research region and the observed eddy

1 數據與方法

KK1902航次于2019年3月17日至4月18日進行觀測作業,全程共經過7個渦旋,其中氣旋渦CE2渦旋的觀測資料最為充分,觀測時間為2019年3月27日至4月1日,包含①～⑤5個緯向斷面,觀測期間另有一個反氣旋渦伴生于CE2渦旋的西側[圖1(b)].

溫度、鹽度、深度取自型號為M12000的拖曳式海洋多參數剖面測量儀(MVP,AML公司),儀器電導率準確度達±0.001 S/m,溫度傳感器的準確度達±0.005 ℃.實際采集數據深度為0.99～504.33 m,相鄰采樣點之間的平均距離為4.5 km,平均垂向采樣間隔為0.5 m,本研究的數據深度插值為1～450 m,深度間隔為0.5 m.

海流數據取自OS38K船載相控陣寬帶走航式聲學多普勒海流剖面儀與TRDI WHMariner300K船載走航式聲學多普勒海流剖面儀(ADCP),兩臺儀器的數據采集頻率分別為38與300 kHz,下文中分別將兩者簡稱為ADCP38k與ADCP300k.ADCP38k觀測流速準確度達±0.5 cm/s,實際采集數據深度為45.4～429.4 m,數據垂向采樣間隔為24 m,空間平均后沿軌水平間隔為2 km;ADCP300k觀測流速準確度達±0.5 cm/s,實際采集數據深度為9.7～69.7 m,數據垂向采樣間隔為2 m,空間平均后沿軌水平間隔為500 m.ADCP38k數據主要用于研究渦旋區海流分布,ADCP300k數據主要用于表層動能譜計算.

衛星高度計數據取自哥白尼海洋環境監測中心(CMEMS)提供的L4級網格化產品,標識符SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047,該產品包含SLA數據及地轉流流速等變量,時間分辨率為1 d,空間分辨率為0.25°×0.25°.

KK1902航次在研究區域投放了12個基于中國北斗衛星定位和通訊的SUCE V2.1型衛星跟蹤表層漂流浮標,這些漂流浮標的GPS定位精度為10 m,采樣間隔標配30 min,續航能力標配6個月,可觀測的要素包括位置追蹤、表層海流流速、流向等[12].

2 溫鹽結構

2.1 水團特征

許建平等[13]曾利用2002—2005年的Argo浮標資料對西北太平洋水團性質進行分析,得出部分水團的性質,如表1所示.基于MVP觀測數據(深度范圍0～450 m),繪制CE2渦旋的溫-鹽圖并進行水團分析(圖2),所觀測到的水團包含NPSSW和NPSTW,并包含小部分NPIW的性質.

表1 西北太平洋部分水團性質[13]

圖2 基于MVP拖曳觀測的CE2渦旋溫-鹽圖Fig.2 Temperature-salinity diagram of the eddy CE2 based on MVP towed measurement

2.2 三維結構

利用MVP觀測數據分析CE2渦旋的三維結構.航次期間共對CE2渦旋進行5個緯向斷面的拖曳觀測,從南到北分別標記為斷面①～⑤.

CE2渦旋的溫度與鹽度大面分布在各深度均能較好對應.在表層,觀測數據符合氣旋渦低溫高鹽的特征;由表及深,渦旋范圍內的溫度持續降低,鹽度先升高后降低,最高鹽度分布在150～250 m深度范圍內,大致為NPSSW控制區.根據各水層的溫度與鹽度值可計算出CE2渦旋在各深度的密度大面分布,據此繪制CE2渦旋的溫度、鹽度、密度三維結構示意圖(圖3).CE2渦旋形狀在表層呈長軸方向為西北—東南的橢圓,在各深度能將溫度、鹽度、密度變化梯度較大的范圍包裹住,且與海表SLA為0 m的等值線形狀范圍較相似的等值線用白色標注.從等值線的范圍變化來看,隨著深度增大,渦旋影響的范圍顯著減小;到300 m層,等值線不能保持與表層相似的形狀和范圍,朝渦旋偏北側收縮;到400 m層,等值線圍成的封閉區域范圍很小,因此判斷CE2渦旋最大影響深度應在400 m左右.

圖中白色等值線(除海表為SLA分布外)對應的數值標注在對應深度下方的括號中.圖3 CE2渦旋溫度(a)、鹽度(b)和密度(c)的三維結構Fig.3 Three-dimensional structure of temperature (a),salinity (b) and density (c) of the eddy CE2

3 渦旋的運動學特征

3.1 渦旋的演變

航次觀測僅能捕捉到CE2渦旋短暫的一個發展階段,借助衛星高度計資料則可以追蹤CE2渦旋完整的傳播軌跡與演變過程(圖4).以渦旋內SLA最低點作為渦旋中心,得到3月3日CE2渦旋形成于131° E,18.9° N附近,隨后一路向西傳播,6月6日最終消散于黑潮流軸附近(124° E,18.9° N).

以包圍渦旋中心的SLA最外圈閉合等值線表示渦旋影響的水平范圍,可以看到渦旋面積的變化:3月3日至3月22日渦旋面積明顯增大;3月22日、4月10日、4月29日3個時間點的渦旋面積接近;5月18日的渦旋面積明顯大于其余時間點;發展到6月6日,渦旋面積基本歸零.

以渦旋中心的SLA大小指征渦旋強度,得到渦旋在整個演變過程的強度變化(圖5),即SLA絕對值越大渦旋越強,反之渦旋越弱.CE2渦旋在傳播過程中經歷了增強(3月3日至3月21日)、穩定(3月21日至4月6日)、衰退(4月6日至4月19日)、再增強(4月19日至5月5日)、最終衰退至消散(SLA趨于0)的階段,SLA較大的時間與其渦旋面積較大的時間基本對應.在航次觀測數據覆蓋的時間段(3月27日至4月1日),CE2渦旋處于第一次增強后較穩定的階段,渦旋中心SLA的值約-0.12 m.傳播過程中CE2渦旋經歷了二次增強與減弱等較復雜的演變過程,這很可能是STCC區活躍的渦旋活動導致CE2渦旋在傳播過程中受到明顯的渦-渦相互作用.

圖5 CE2渦旋中心SLA隨時間的變化Fig.5 Time variation of SLA at the center of the eddy CE2

3.2 流速分布

根據ADCP38k的數據對CE2渦旋的實測流速分布進行分析:在深度≤200 m的水層,CE2渦旋各斷面的實測速度矢量呈現清晰的逆時針分布,沿渦旋邊緣的切向流速隨著深度的增加有所減少,由50 m層的0.6 m/s減少到200 m層的0.4 m/s(圖6).在深度≤100 m的水層,斷面②東側海流呈偏東北方向;到200 m層,斷面②東側海流變為偏西北方向,且斷面①東側的北向流已不明顯,可以看出由流速矢量構成的橢圓半徑隨著深度的增大而不斷收縮.在深度>200 m的水層,斷面④和⑤仍如淺層類似存在速度的南、北流向分界,但其他幾個斷面的流速矢量已難以看出明確的南、北流向分界點,流速矢量橢圓的中心向渦旋北側偏移.

圖6 CE2渦旋不同深度實測流速矢量的平面分布Fig.6 Distributions of observed velocity vectors around the eddy CE2 at different depths

4 渦旋的亞中尺度特征

4.1 熱成風關系的尺度依賴性

選取穿過渦旋中心的斷面③進行研究.數據的垂向間隔均插值為0.5 m,首先計算ADCP測得的經向流速垂向剪切,再由MVP測得的緯向溫鹽斷面根據熱成風關系診斷得到經向流速垂向剪切,比較二者在不同空間尺度下的結果.圖7中黑色虛線表示流速嚴格遵循熱成風關系,隨著尺度增大,灰色散點逐漸向中心黑色虛線集中,基于散點線性擬合得到的紅色虛線與黑色虛線之間的角度(以下表示為∠α)逐漸減小.原始數據的結果與10 km低通濾波后的結果相比,∠α變化不大,而低通濾波的截斷波長從10 km增大到50 km,再增大到100 km后,∠α變化較明顯;隨著低通濾波尺度增大,∠α幾乎每次減小為前一濾波尺度的50%.實測流速滿足熱成風關系的程度具有明顯的尺度依賴性,即大、中尺度的實際流速更符合熱成風關系,與預期相符.

(a)原始流速;(b)10 km低通濾波;(c)50 km低通濾波;(d)100 km低通濾波.灰點表示所有樣本,按橫坐標從小到大排序;每5 000個點求平均用紅色圓點表示,對紅色圓點進行線性擬合呈現為紅色虛線;黑色虛線表示橫、縱坐標對角線.圖7 不同尺度下CE2渦旋斷面③實測流速滿足熱成風關系的程度Fig.7 Validity of thermal wind relation for observed velocities across section ③ of the eddy CE2 at different scales

4.2 水平動能波數譜分析

水平動能波數譜通常被用于分析海水運動在不同尺度范圍內的活躍程度.基于ADCP300k實測數據對渦旋邊緣與渦旋中心的動能譜進行比較,研究過程中將10 km及以上尺度視為中尺度,10 km以下視為亞中尺度.

圖8(a)中黑線所示的中尺度動能在128.4°,128.9°,129.7°,130.1° E附近存在峰值,說明中尺度運動在這些區域活躍;粉線所示的亞中尺度動能分布在128.7° E附近呈最高峰值,在128.0°與130.1° E附近也存在較高的峰值.在129.4° E附近,中尺度動能分布值較低,甚至趨近于零,亞中尺度動能也同樣呈現低值.結合衛星高度計結果[圖8(b)],在斷面③的動能譜分析中,取129.1°～129.6° E為渦旋中心,128.6°～129.1° E為渦旋西側邊緣,129.6°～130.1° E為渦旋東側邊緣.

(a)垂向平均動能分布其中u為緯向速度,為垂向平均緯向速度,為垂向平均經向速度,E為垂向平均動能);(b)區域劃分結果.圖中所示動能為9.7～69.7 m的垂向平均;(a)頂部粗線表示渦旋分區.圖8 CE2渦旋斷面③邊緣、中心區的垂向平均動能分布Fig.8 Depth-averaged kinetic energy distributions at periphery and core zones of the eddy CE2 along section ③

由動能波數譜結果(圖9)可見,在大于10 km尺度范圍,渦旋中心動能波數譜斜率接近k-2,而渦旋邊緣動能波數譜斜率則接近k-3;在1～10 km尺度范圍內,隨著尺度的減小,渦旋中心動能波數譜偏離k-2向上偏移,而渦旋邊緣譜逐漸靠近k-2,在較小的尺度范圍內同樣位于k-2上方,邊緣的譜斜率比中心的譜斜率更平緩;在約1 km尺度范圍內,3條動能波數譜斜率相似.

圖9 CE2渦旋斷面③的水平動能波數譜Fig.9 Wavenumber spectra of horizontal kinetic energy for the eddy CE2 along section ③

前人基于觀測數據或模式結果均指出渦旋邊緣亞中尺度過程比渦旋中心更活躍,渦旋中心動能波數譜斜率接近k-3,而渦旋邊緣動能波數譜斜率接近k-2[8-9].但本研究的動能波數譜分析結果顯示渦旋中心的動能譜量值大于渦旋邊緣,表明渦旋中心的亞中尺度動能方差比渦旋邊緣大,與前人研究結果有所不同.為此針對CE2渦旋尺度為10 km的動能分布結果進行探究,以驗證上述研究過程的準確性.

CE2渦旋邊緣的原始動能高于渦旋中心[圖10(a)],但在10 km尺度上,渦旋中心的動能更大,變化幅度也更大[圖10(b)],即CE2渦旋中心的原始總動能比邊緣的小,但渦旋中心動能在亞中尺度范圍內的活躍程度與渦旋邊緣相似甚至更強,與動能譜分析結果一致.這確實與大多數基于高分辨率數值模擬結果得到的結論不同,但對于觀測的CE2渦旋來說,基于該航次數據的另一項研究[14]可以證實,有一個渦絲入侵到該渦旋的核心區,造成渦旋中心存在較大的密度梯度(診斷發現渦旋中心鋒生函數的量值較大),導致渦旋中心存在活躍的亞中尺度活動.

(a)原始;(b)10 km尺度(8～12 km低通濾波).圖10 CE2渦旋斷面③的動能分布Fig.10 Distribution of kinetic energy for the eddy CE2 along section ③

上述動能譜結果也表明,描述真實海洋中的中尺度渦及與其相關的亞中尺度過程不能簡單地建立“渦中心-渦邊緣”的框架進行分析,而應基于更具動力學意義的診斷量(如鋒生函數)進行渦旋范圍內的中尺度-亞中尺度過程分析.

4.3 渦旋的邊緣“泄漏”現象

前人研究認為中尺度渦由于非線性作用可以攜帶水體進行長距離運輸[15],近年來隨著觀測和數值模擬分辨率的提高,亞中尺度過程及其效應逐步被解析.有研究發現,中尺度渦在向西移動過程中伴隨明顯的水體“泄漏”,可能受到渦旋邊緣活躍的亞中尺度過程的影響[16];也有研究將此“泄漏”現象歸因于中尺度渦的離心率[17],但目前還缺乏明確的觀測證據.KK1902航次有12個表層漂流浮標被投放在CE2渦旋范圍內,可用于渦旋物質輸運與水體攜帶能力的研究.

如圖11所示:在投放初期(約一周內),漂流浮標還能大致跟隨著渦旋背景環流圍繞CE2渦旋中心移動,但這種準圓周運動并不能維持很久.對于西側的反氣旋渦或是東側的CE2渦旋,沒有一個漂流浮標能繞著渦旋中心完成一個完整的繞圈運動,絕大多數漂流浮標繞渦旋中心移動不到半個圓周便被“甩出”既定的等高線.這些漂流浮標軌跡從觀測上證實了中尺度渦在西傳過程中,渦旋范圍內的水體存在明顯的“泄漏”,這可能會影響前人基于渦旋是封閉水體這一假設估算的渦致水體輸運結果[15].

(a)3月17日;(b)3月20日;(c)3月23日;(d)3月26日;(e)3月29日;(f)4月1日;(g)4月4日;(h)4月7日;(i)4月10日.底圖為對應標示日期的SLA分布,綠點表示漂流浮標初始投放位置,淺灰色線表示歷史軌跡,黑線表示對應標示日期近3 d的軌跡.圖11 CE2渦旋的內漂流浮標軌跡Fig.11 Trajectories of internal drifters around the eddy CE2

水平拉伸率由衛星高度計地轉流計算得到,結果表明CE2渦旋附近的水平拉伸率為負,CE2渦旋與其西側反氣旋渦中間區域的南、北側水平拉伸率為正且幅值較大(圖12).隨著渦旋的向西移動,水平拉伸率的幅值大小有所變化,但總體分布無太大變化.大部分漂流浮標的軌跡在CE2渦旋區域內均比較光滑,而在CE2渦旋與西側反氣旋渦之間偏南側的高拉伸區則呈現部分卷曲狀,可能是受該區域活躍的亞中尺度活動影響所致.

5 結論與討論

本研究使用KK1902航次實測數據與衛星高度計資料重點分析了位于西太平洋STCC區的氣旋渦CE2,研究其三維結構、運動學與亞中尺度特征,得到如下結論:CE2渦旋的溫鹽分布表現出典型的氣旋式渦旋結構,渦旋最大影響深度約400 m,航次觀測期間CE2渦旋處于第一次增強后的穩定階段.CE2渦旋的實測流速滿足熱成風關系的程度具有較明顯的尺度依賴性,大、中尺度流速更符合熱成風關系,而亞中尺度及更小尺度范圍內流速則因受非地轉運動的影響更偏離熱成風關系.動能波數譜分析結果表明,CE2渦旋中心與邊緣的亞中尺度運動均較活躍.漂流浮標的結果表明中尺度渦內表層水體在進行長距離輸運的過程中可能會發生“泄漏”,中尺度渦裹挾物質進行輸運的能力可能比原估計的更弱.

本研究以大量實測數據為基礎進行分析,但也受到實測數據的諸多限制,如在三維結構研究中未能體現渦旋的全水深結構,動能波數譜分析受限于觀測斷面長度等.前人普遍將20 km尺度作為亞中尺度與中尺度運動的分界,且中尺度運動的定義能達到100 km的量級,因此對亞中尺度動能波數譜斜率的觀察還有待完善.實測數據雖具有較大局限性,但在海洋研究中卻不可缺少.由于本研究結論基于特定渦旋的實測資料分析而得,其普適性仍有待后續更多觀測資料的驗證.