鄭聰聰，訚忠輝，梁永春，崔偵久，孟 娜

（1.國(guó)家海洋局日照海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站,山東日照276800；2.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心,山東青島266000; 3.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島2266061）

北太平洋中尺度渦溫度垂直結(jié)構(gòu)區(qū)域差別分析

鄭聰聰1，訚忠輝2,3，梁永春1，崔偵久1，孟 娜1

（1.國(guó)家海洋局日照海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站,山東日照276800；2.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心,山東青島266000; 3.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島2266061）

利用在北太平洋海域（120°E～100°W，10°～60°N；）19a間（1993—2011年）識(shí)別追蹤出的中尺度渦，結(jié)合該區(qū)域內(nèi)的Argo浮標(biāo)資料，初步探索了北太平洋不同區(qū)域之間渦旋垂直溫度結(jié)構(gòu)的差異性。通過(guò)對(duì)比北太平洋4個(gè)小區(qū)域（副熱帶逆流區(qū)域、黑潮延伸體區(qū)域、親潮區(qū)域、東部加利福尼亞沿岸區(qū)域）內(nèi)的渦旋發(fā)現(xiàn)：每個(gè)區(qū)域內(nèi)氣旋渦和反氣旋渦的垂直溫度結(jié)構(gòu)具有很大的相似性，但不同區(qū)域之間則略有差異。其中黑潮延伸體區(qū)域跟其它區(qū)域的中尺度渦垂直溫度結(jié)構(gòu)有較大差別，該區(qū)域內(nèi)中尺度渦溫度異常值明顯大于其它區(qū)域，冷暖核的深度比其它區(qū)域要深，并且從100～600 m的深度上都有較大的溫度異常。

中尺度渦；北太平洋；核結(jié)構(gòu)

1 引言

中尺度渦作為中尺度現(xiàn)象的一個(gè)重要組成部分，在海洋熱鹽和能量的輸送及海洋生物、化學(xué)過(guò)程中都起著非常重要的作用[1-2]，其攜帶的能量要比平均流大一個(gè)量級(jí)以上[3]，是海洋動(dòng)力學(xué)的重要組成部分[4]。近年來(lái)隨著衛(wèi)星遙感觀測(cè)手段的日益進(jìn)步，對(duì)海洋中尺度渦的研究也得到了不斷的發(fā)展[5]。Wang等人利用8 a的高度計(jì)資料，將南海分成4個(gè)海域分別了討論渦旋的時(shí)空特征[6]。程旭華等利用10 a的高度計(jì)融合數(shù)據(jù)分析了南海中尺度渦的時(shí)空分布及渦旋的季節(jié)和年際差異[7]。程旭華及Chelton等都重點(diǎn)研究了全球海洋中尺度渦的空間分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5,8]。

北太平洋具有獨(dú)特的大、小雙環(huán)流結(jié)構(gòu)，區(qū)域內(nèi)海流錯(cuò)綜復(fù)雜，中尺度渦現(xiàn)象非?；钴S。我國(guó)大部分海岸線均毗鄰北太平洋海域西側(cè)，因此研究北太平洋區(qū)域內(nèi)中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)具有重要意義。近年來(lái)，隨著Argo浮標(biāo)的不斷增多，不少學(xué)者對(duì)該區(qū)域內(nèi)中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的研究。Liu等統(tǒng)計(jì)分析了副熱帶逆流區(qū)域內(nèi)的渦旋結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)冷暖渦旋的核深度相差不多，最大異常溫度大約為1℃左右[9]。Chaigneau等研究了秘魯智利沿岸渦旋的垂直溫度結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明渦旋的暖核要比冷核深，中尺度渦引起的溫度異常也在1℃左右[10-11]。Roemmich等利用T/P高度計(jì)資料，利用合成方法分析了北太平洋區(qū)域中尺度渦的溫度結(jié)構(gòu)[12]。張正光利用合成分析的方法表明中尺度渦具有統(tǒng)一結(jié)構(gòu)性，并且給出了利用海表高度資料反演三維結(jié)構(gòu)的方法[13]。賀志剛等通過(guò)4個(gè)在南海范圍的Argo浮標(biāo)資料和衛(wèi)星高度計(jì)資料，分析了南海區(qū)域中尺度渦旋的活動(dòng)及空間結(jié)構(gòu)[14]。劉金芳等利用CTD資料研究了呂宋冷渦的垂直結(jié)構(gòu)[15]，燕丹晨等利用AVISO資料和CTD資料研究了越南東南外海的渦旋垂向結(jié)構(gòu)[16]，均發(fā)現(xiàn)渦旋在溫躍層之下、約100 m深度上溫度異常較為明顯。但目前北太平洋中尺度渦垂直結(jié)構(gòu)的研究仍主要集中在個(gè)例渦旋的研究上[17]，或者個(gè)別小區(qū)域上[18-19]，缺乏大量渦旋垂直結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)。本文利用統(tǒng)計(jì)方法分析了北太平洋區(qū)域內(nèi)中尺度渦的平均垂向溫度異常結(jié)構(gòu)，并對(duì)比了幾個(gè)典型小區(qū)域內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)的異同。

2 資料方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文識(shí)別追蹤中尺度渦所采用的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)是由法國(guó)采集定位衛(wèi)星（Collecte Localisation Satellites，CLS）中心提供的AVISO海平面高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由TOPEX/ Poseidon（T/P）和ERS-1/2衛(wèi)星高度計(jì)資料混合而成，數(shù)據(jù)精度為1/4°×1/4°，時(shí)間間隔為7 d，本文選取的時(shí)間段是從1993—2011年共19 a[20]。

Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)資料采用中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心提供的浮標(biāo)原始數(shù)據(jù)，使用之前做區(qū)域性和質(zhì)量性篩選，只選取在北太平洋海域數(shù)據(jù)質(zhì)量合格的2 442個(gè)浮標(biāo)資料，并且在0～800 m深度上做線性插值處理。

海洋氣候態(tài)平均資料（World Ocean Atlas 2009，WOA09）是由美國(guó)海洋資料中心（the U.S.National Oceanographic Data Center）提供，分辨率為1°× 1°。為全球海洋經(jīng)緯網(wǎng)格的氣候?qū)W客觀分析、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，包括在33個(gè)深度上的溫、鹽、溶解氧等變量的逐年、月、季節(jié)數(shù)據(jù)。在本文中，我們將WOA09資料中1°×1°的逐月溫度數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)做同樣的插值處理。

2.2 中尺度渦垂直結(jié)構(gòu)研究方法

本文利用通過(guò)SSHA閉合等直線法追蹤到的中尺度渦和被投放到北太平洋的Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)資料來(lái)研究這些中尺度渦垂直溫度結(jié)構(gòu)的整體狀況。Argo浮標(biāo)投放的初始時(shí)間是2002年，因此我們所選用的中尺度渦也均是2001年之后的。由于中尺度渦和Argo浮標(biāo)移動(dòng)的無(wú)規(guī)律性，大部分渦旋可能只在某段時(shí)間段內(nèi)能夠捕獲一個(gè)Argo浮標(biāo)。在本文中我們只關(guān)注那些被中尺度渦所捕獲的Argo浮標(biāo)剖面，將所有這些浮標(biāo)剖面做統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)表征中尺度渦的垂直溫度結(jié)構(gòu)。判斷Argo浮標(biāo)剖面是否被渦旋捕獲的標(biāo)準(zhǔn)如下：渦旋的識(shí)別時(shí)間步長(zhǎng)為7 d一次，浮標(biāo)剖面數(shù)據(jù)的時(shí)間序列步長(zhǎng)為數(shù)天左右。若一個(gè)浮標(biāo)剖面在這個(gè)渦旋步長(zhǎng)的前后3 d內(nèi)并且位于這個(gè)渦旋的0.8倍半徑之內(nèi)，那么我們就認(rèn)定這個(gè)浮標(biāo)剖面被這個(gè)渦旋所捕獲[20]（見(jiàn)圖1）。另外，由于每個(gè)浮標(biāo)剖面在渦旋中的空間位置不同，有的位于渦旋中心，有的位于渦旋邊緣，但有研究認(rèn)為中尺度渦在基于高度計(jì)的觀察中是基本軸對(duì)稱的[8,11]，所以在本文中我們同樣認(rèn)為渦旋的三維結(jié)構(gòu)在平均意義下也是基本軸對(duì)稱的。我們將所捕獲到的大量的浮標(biāo)剖面進(jìn)行統(tǒng)一平均化處理，忽略掉這種因單個(gè)浮標(biāo)剖面空間位置的不同所帶來(lái)的整體渦旋結(jié)構(gòu)的差異。

圖1 被氣旋渦所捕獲的Argo浮標(biāo)

利用自動(dòng)匹配程序來(lái)尋找所有被中尺度渦捕獲的Argo浮標(biāo)剖面。匹配思想是：將所有Argo浮標(biāo)剖面逐個(gè)跟2001年之后的中尺度渦旋做對(duì)比，看該剖面是否被中尺度渦捕獲。最后分別統(tǒng)計(jì)被氣旋渦和反氣旋渦捕獲的剖面，進(jìn)而查看北太平洋區(qū)域中尺度渦的整體結(jié)構(gòu)。

3 北太平洋中尺度渦垂向溫度結(jié)構(gòu)

利用前文所述方法，我們找出在19 a間共產(chǎn)生18 420個(gè)氣旋渦和15 965個(gè)反氣旋渦，利用這些渦旋和浮標(biāo)剖面匹配共找到符合條件的氣旋渦浮標(biāo)剖面11 979個(gè)和反氣旋渦浮標(biāo)剖面13 153個(gè)。將每個(gè)剖面除去被插值到該剖面所在位置所在月份的WOA09氣候態(tài)溫度平均值，得到溫度異常結(jié)果，該結(jié)果即代表該中尺度渦在垂直方向上所引起的溫度異常。將所有溫度異常做平均化處理，得到北太平洋氣旋渦和反氣旋渦的垂向溫度結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖2 北太平洋中尺度渦垂向溫度結(jié)構(gòu)

從圖2中可以看到，北太平洋海域氣旋渦和反氣旋渦的垂向溫度結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性。該區(qū)域中尺度渦具有“核”狀結(jié)構(gòu)，即渦旋引起的垂向溫度異常值都隨深度增加而先增后減，這與個(gè)例渦旋也具有核狀結(jié)構(gòu)的結(jié)論相符[20]；在800 m深度上，兩者溫度異常值都降到0.5℃以內(nèi)，這說(shuō)明北太平洋中尺度渦影響下層海水溫度的平均深度能夠達(dá)到800 m，但與此同時(shí)，在800 m深度時(shí)該影響已經(jīng)比較微弱；反氣旋渦的暖核中心位于120 m上下，氣旋渦的冷核中心位于150 m上下。在本文中，我們選取1℃作為中尺度渦對(duì)海水溫度影響較為明顯的閾值，大于此溫度的深度范圍則被視為中尺度渦對(duì)下層海水溫度的主要影響深度。北太平洋氣旋渦對(duì)海洋下層海水溫度的影響主要集中在50～450 m之間，反氣旋渦則集中在0～500 m之間，影響范圍更廣；反氣旋渦的最大溫度異常值接近1.5℃，而氣旋渦的最大溫度異常值為-1.3℃。

4 北太平洋中尺度渦垂向結(jié)構(gòu)區(qū)域性差別

為更好的研究分析不同區(qū)域之間渦旋結(jié)構(gòu)的差異性，我們選取北太平洋內(nèi)4個(gè)較小的區(qū)域（見(jiàn)圖3）。所選區(qū)域均為中尺度渦高發(fā)地段，這4個(gè)小區(qū)域的位置和范圍如表1所示：

表1 4個(gè)小區(qū)域名稱及位置

依據(jù)前文所述方法，做出這4個(gè)小區(qū)域內(nèi)中尺度渦垂直溫度異常結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4—7），其中左側(cè)為氣旋渦，右側(cè)為反氣旋渦。

為更好的對(duì)比觀察4個(gè)區(qū)域中尺度渦垂直溫度結(jié)構(gòu)的異同，我們總結(jié)4個(gè)小區(qū)域中尺度渦的結(jié)構(gòu)，如冷暖核深度、冷暖核溫度異常值等信息（見(jiàn)表2）。

表2 4個(gè)區(qū)域中尺度渦溫度異常結(jié)構(gòu)信息

圖3 北太平洋4個(gè)中尺度渦高發(fā)區(qū)域

圖4 副熱帶逆流區(qū)中尺度渦垂向溫度結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖表對(duì)比每個(gè)小區(qū)域中尺度渦的冷暖核結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，其各自的冷核和暖核深度相差不大，冷暖核的溫度異常值也比較接近，這說(shuō)明不管是北太平洋區(qū)域還是其內(nèi)部小區(qū)域，氣旋渦和反氣旋渦的垂直結(jié)構(gòu)都具有相似性，這與前文結(jié)論相符。

4個(gè)小區(qū)域之間中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)則具有一定的差異性。首先，每個(gè)區(qū)域的冷暖核深度各不相同，親潮區(qū)域最淺，只有不足80 m，黑潮延伸體區(qū)域最深，達(dá)到300多米。其次，其冷暖核的溫度異常值稍有差異，除黑潮延伸體外，其他區(qū)域的溫度異常大都在1～2℃之間，而黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦垂直結(jié)構(gòu)的溫度異常則達(dá)到3℃，遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。另外，從圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)，黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦的冷暖核深度范圍更大，遠(yuǎn)不如其他3個(gè)區(qū)域集中。對(duì)于這種差異，有學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)楹诔毖由祗w區(qū)域中尺度渦的產(chǎn)生機(jī)制多種多樣，并且存在迥然各異的性質(zhì)[21]，或者復(fù)雜的黑潮-渦旋相互作用可以極大地改變渦旋結(jié)構(gòu)[22-24]，進(jìn)而造成了這種區(qū)域上的差別。對(duì)此我們做出了北太平洋中尺度渦的平均振幅分布（見(jiàn)圖8）。結(jié)合圖8顯示的北太平洋中尺度渦平均振幅分布，本文認(rèn)為中尺度渦對(duì)下層海水的影響可能跟渦旋自身的振幅有關(guān)，渦旋振幅越大表明該渦旋活動(dòng)越強(qiáng)烈，能夠引起的上層海水下沉過(guò)程或下層海水上翻就越劇烈，進(jìn)而能夠影響的海水深度就越深。

圖5 黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦垂向溫度結(jié)構(gòu)

圖6 親潮區(qū)域中尺度渦垂向溫度結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

北太平洋中尺度渦的冷暖核中心位于100～ 150 m之間，最大溫度異常值約為1～1.5℃，氣旋渦和反氣旋渦的垂直結(jié)構(gòu)具有很大的相似性。4個(gè)小區(qū)域之間中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)略有差異，黑潮延伸體區(qū)域內(nèi)中尺度渦的溫度異常值明顯大于其它區(qū)域，冷暖核中心的深度達(dá)到300～400 m，該區(qū)域渦旋對(duì)下層海水的影響具有溫度異常高、冷核暖核深、影響范圍廣等特點(diǎn)。

圖7 加利福尼亞區(qū)域中尺度渦垂向溫度結(jié)構(gòu)

圖8 北太平洋中尺度渦平均振幅分布

[1]Qiu B,Chen S M.Variability of the Kuroshio Extension jet, recirculation gyre,and mesoscale eddies on decadal time scales[J]. Journal of Physical Oceanography,2005,35(11):2090-2103.DOI: 10.1175/JPO2807.1.

[2]李敏,謝玲玲,楊慶軒,等.灣流區(qū)渦旋對(duì)海洋垂向混合的影響[J].中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44(4):744-752.

[3]Le Traon P Y,Morrow R.Chapter 3 Ocean currents and eddies[J]. International Geophysics,2001,69:171-215.DOI:10.1016/S0074-6142(01)80148-0.

[4]王桂華,蘇紀(jì)蘭,齊義泉.南海中尺度渦研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(8):882-886.

[5]程旭華,齊義泉.基于衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的全球中尺度渦的分布和傳播特征[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2008,26(4):447-453.

[6]Wang G H,Su J L,Chu P C.Mesoscale eddies in the South China Sea observed with altimeter data[J].Geophysical Research Letters, 2003,30(21):2121.

[7]程旭華,齊義泉,王衛(wèi)強(qiáng).南海中尺度渦的季節(jié)和年際變化特征分析[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2005,24(4):51-59.

[8]Chelton D B,Gaube P,Schlax M G,et al.The influence of nonlinear mesoscale eddies on near-surface oceanic chlorophyll[J].Science,334(6054):328-332.

[9]Liu Y,Dong C M,Guan Y P,et al.Eddy analysis in the subtropical zonal band of the North Pacific Ocean[J].Deep-Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers,2012,68:54-67.

[10]Chaigneau A,Pizarro O.Eddy characteristics in the eastern South Pacific[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2005,110 (C6):C06005.

[11]Chaigneau A,Le Texier M,Eldin G,et al.Vertical structure of mesoscale eddies in the eastern South Pacific Ocean:A composite analysis from altimetry and Argo profiling floats[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2011,116(C11):C11025.

[12]Roemmich D,Gilson J.Eddy transport of heat and thermocline waters in the North Pacific:a key to interannual/decadal climate variability?[J].Journal of Physical Oceanography,2001,31(3): 675-688.

[13]張正光.中尺度渦[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2014.

[14]賀志剛,王東曉,陳舉,等.衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)和衛(wèi)星遙感海面高度中的南海渦旋結(jié)構(gòu)[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2001,20(1):27-35.

[15]劉金芳,毛可修,閆明,等.呂宋冷渦時(shí)空特征概況[J].海洋預(yù)報(bào),2006,23(2):39-44.

[16]燕丹晨,仉天宇,李云,等.基于WA方法的2013年夏秋越南東南外海暖渦初步分析[J].海洋預(yù)報(bào),2015,32(5):53-60.

[17]Hu J Y,Gan J P Sun Z Y,et al.Observed three-dimensional structure of a cold eddy in the southwestern South China Sea[J]. JournalofGeophysicalResearch:Oceans,2011,116(C5): C05016,doi:10.1029/2010JC006810.

[18]高理,劉玉光,榮增瑞.黑潮延伸區(qū)的海平面異常和中尺度渦的統(tǒng)計(jì)分析[J].海洋湖沼通報(bào),2007(1):14-23.

[19]郭景松,袁業(yè)立,熊學(xué)軍,等.呂宋海峽兩側(cè)中尺度渦統(tǒng)計(jì)[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2007,25(2):139-148.

[20]鄭聰聰,楊宇星,王法明.北太平洋中尺度渦時(shí)空特征分析[J].海洋科學(xué),2014,38(10):105-112.

[21]楊光.西北太平洋中尺度渦旋研究[D].青島:中科院海洋研究所,2013.

[22]Qiu B,Chen S M.Interannual variability of the North Pacific subtropical countercurrent and its associated mesoscale eddy field [J].Journal of Physical Oceanography,2010,40(1):213-225. DOI:10.1175/2009JPO4285.1.

[23]Zheng Q N,Tai C K,Hu J Y,et al.Satellite altimeter observations of nonlinear Rossby eddy-Kuroshio interaction at the Luzon Strait [J].Journal of Oceanography,2011,67:365-376.

[24]潘豐,張有廣,林明森.黑潮延伸體區(qū)海平面異常和中尺度渦的時(shí)空特征分析[J].海洋預(yù)報(bào),2012,29(5):29-38.

Analysis of the eddy vertical structure in different areas in the North Pacific

ZHENG Cong-Cong1，YIN Zhong-hui2,3，LIANG Yong-Chun1，CUI Zhen-Jiu1，MENG Na1

（1.Rizhao Marine environmental monitoring station of SOA,Rizhao,Rizhao 276800 China;2.North China sea marine forecasting center of state oceanic Administration,Qingdao 266000 China;3.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266061 China）

The difference of eddy vertical structure in different areas in the North Pacific（NP）was analyzed with eddies identified in 19 years（1993—2011）and Argo data in the NP.By comparing eddy vertical structure in four different areas（the Subtropical Countercurrent,the Kuroshio extension,the Oyashio Current and east coast of North Pacific）,the results show that the cyclones and anticyclones have similar structure in the same area,but the eddy structure distinct from each other in different areas,especially in the Kuroshio extension.The vertical temperature anomaly of eddies in this area is larger than other areas,and the depth of cores is deeper. Furthermore,the temperature anomaly in depth from 100 m to 600 m is large generally in this area.

mesoscale eddies;North Pacific;core structure

P731.11

A

1003-0239（2017）03-0010-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.002

2016-09-02；

2016-11-10。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC1402103）；國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（2013418031）。

鄭聰聰（1987-），男，助理工程師，碩士，主要從事中尺度渦三維結(jié)構(gòu)研究。E-mail:zcclstx@126.com