張家贏，周 鋒*,3，田 娣，黃 挺,3

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院，上海 200030)

0 引言

孟加拉灣是印度洋東北部的半封閉邊緣海，向南開(kāi)口，等深線呈NW—SE走向，沿岸地形變化劇烈，90°E附近有一條南北向的洋脊。受南亞季風(fēng)影響，孟加拉灣雨季降水豐富，且有恒河等徑流的大量淡水輸入，低鹽水引起的強(qiáng)層化對(duì)海氣交換過(guò)程有很大影響[1]。孟加拉灣夏季海面高溫及其劇烈變化也有利于大氣活動(dòng)，從而直接影響季風(fēng)變化[2]。印度洋季風(fēng)是中國(guó)夏季降水的主要水汽來(lái)源之一[3]，作為印度洋水汽進(jìn)入東亞的主要通道，孟加拉灣是影響我國(guó)短期氣象變化和氣候異常(如干旱和洪澇)的關(guān)鍵區(qū)域[4]。研究顯示，2019年8—10月長(zhǎng)江中下游流域及其江南地區(qū)發(fā)生的持續(xù)性干旱，與孟加拉灣海溫異常相關(guān)[5]。中尺度渦是孟加拉灣重要的海洋過(guò)程，作為海洋中物質(zhì)和能量交換[6]最活躍的形式，深刻影響著孟加拉灣淡水和海溫的分布狀況，繼而影響海氣相互作用。

對(duì)于孟加拉灣中尺度渦的實(shí)測(cè)研究主要集中在斜壓不穩(wěn)定的東印度沿岸流[7-14]。CHEN et al[15]和CUI et al[16]基于高度計(jì)資料，利用“流線繞角法”對(duì)孟加拉灣的中尺度渦進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，揭示了沿岸流附近存在較多的中尺度渦，但并非中尺度渦的大量生成地。CHENG et al[17]基于高度計(jì)數(shù)據(jù)以及WANG et al[18]提出的渦旋識(shí)別方法，辨識(shí)出了孟加拉灣中部存在的大量中尺度渦，發(fā)現(xiàn)中尺度渦的產(chǎn)生與赤道風(fēng)的強(qiáng)迫密切相關(guān)，即赤道開(kāi)爾文波抵達(dá)孟加拉灣東南部蘇門答臘島(Sumatra Island)之后北傳，形成了逆時(shí)針環(huán)繞安達(dá)曼海和孟加拉灣海岸線的沿岸開(kāi)爾文波，并在伊洛瓦底江三角洲尖端釋放能量，觸發(fā)了第一模態(tài)的斜壓不穩(wěn)定，使得伊洛瓦底江三角洲附近海域有大量中尺度渦生成。蘇門答臘島西北海域是高渦動(dòng)能(Eddy Kinetic Energy)區(qū)[19]，也是海表面高度變化較大的區(qū)域，并在5°N斷面上形成了向西傳播的顯著信號(hào)[20]，這些現(xiàn)象都意味著強(qiáng)烈的中尺度渦活動(dòng)。CHENG et al[20]的數(shù)值模式結(jié)果顯示，蘇門答臘西北部尖端釋放的能量比伊洛瓦底江三角洲尖端更高，據(jù)此推測(cè)該海域應(yīng)該存在較三角洲海域數(shù)量更多的中尺度渦。但是，除常景龍 等[21]利用第一版Chelton中尺度渦數(shù)據(jù)集[22]能大致刻畫(huà)這個(gè)現(xiàn)象外，以往其他關(guān)于孟加拉灣中尺度渦統(tǒng)計(jì)特征的文獻(xiàn)[15-16,21]幾乎沒(méi)有在蘇門答臘西北海域發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)量的中尺度渦，因此在以往研究中，蘇門答臘西北海域的中尺度渦密度遠(yuǎn)小于孟加拉灣中部。

為提高對(duì)蘇門答臘島西北海域的中尺度渦現(xiàn)象的認(rèn)知，本文利用新版的中尺度渦數(shù)據(jù)集對(duì)該海域生成的中尺度渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，并探討了中尺度渦大量集中生成的動(dòng)力機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

海表面高度異常逐日平均產(chǎn)品(Sea Level Anomaly，簡(jiǎn)稱SLA)來(lái)自哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service，簡(jiǎn)稱CMEMS)網(wǎng)站(http:∥marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/)[23]，該產(chǎn)品融合了多個(gè)衛(wèi)星高度計(jì)資料，包括Altika Drifting Phase、Cryosat-2、Haiyang-2A Geodetic Phase、Jason-3、Sentinel-3A和Sentinel-3B等，采用墨卡托投影，空間分辨率為0.25°×0.25°。

CHELTON et al[22]基于上述高度計(jì)產(chǎn)品并結(jié)合中尺度渦的識(shí)別方法，制作了一套全球中尺度渦數(shù)據(jù)集(https:∥www.aviso.altimetry.fr/no_cache/en/my-aviso-plus.html)。本文采用的Chelton數(shù)據(jù)集是2018年9月19日發(fā)布的2.0版本，資料時(shí)間跨度為1993年1月1日至2018年1月18日，分析時(shí)長(zhǎng)共25 a(1993—2017年)。2.0版本與1.0版本相比時(shí)間分辨率從7 d提升至逐日，提高了中尺度渦生命周期識(shí)別的準(zhǔn)確性[24]。

海面10 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自Cross-Calibrated Multi-Platform(簡(jiǎn)稱CCMP)網(wǎng)格化分析數(shù)據(jù)集(ftp:∥ftp.remss.com/ccmp/v02.0/)[25]，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h。

1.2 中尺度渦源地統(tǒng)計(jì)方法

中尺度渦數(shù)據(jù)集記錄了所有中尺度渦從生成到消亡的整個(gè)過(guò)程，同一個(gè)渦旋用一個(gè)“編號(hào)”標(biāo)識(shí)。本文以中尺度渦第一次被識(shí)別時(shí)的中心經(jīng)緯度作為該渦的生成地點(diǎn)，通過(guò)渦旋編號(hào)追蹤渦旋軌跡和時(shí)間至生成地點(diǎn)，該過(guò)程稱為“溯源”。

本文研究區(qū)域?yàn)?°—25°N，75°E—105°E(圖1)。溯源過(guò)程中，溯源的范圍稍大于研究區(qū)域，主要是排除部分非本地產(chǎn)生的中尺度渦在邊界上導(dǎo)致的偽源區(qū)現(xiàn)象，因此溯源的范圍選擇為8°S—26°N，72°E—115°E。由于赤道附近不存在中尺度渦現(xiàn)象[22]，故該處理方法不會(huì)引入新的誤差。

圖1 孟加拉灣地形分布Fig.1 The topography of the Bay of Bengal(黑色方框?yàn)樘K門答臘島西北海域，紅色和黃色等值線分別為1 000 m和2 000 m等深線。)(The black box is the northwest sea off the Sumatra,the red and yellow contours are the 1 000 m and 2 000 m isobaths,respectively.)

將研究區(qū)域劃分成0.77°×0.77°的均勻網(wǎng)格，并把溯源后中尺度渦生命周期內(nèi)的存活時(shí)間、初始振幅和初始半徑等統(tǒng)計(jì)特征記錄在其生成的地點(diǎn)上，再將網(wǎng)格內(nèi)所有中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行平均。為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果不受極值影響，忽略中尺度渦生成個(gè)數(shù)小于3的網(wǎng)格，由此得到了中尺度渦源地(Mesoscale Eddy Genesis)的統(tǒng)計(jì)特征分布，并記錄網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)生成的不同“編號(hào)”的渦旋的累積個(gè)數(shù)。為了評(píng)估每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特征的可信度，采用網(wǎng)格點(diǎn)的均值除以其1倍標(biāo)準(zhǔn)差[26]，所得比例大于1，即認(rèn)為網(wǎng)格點(diǎn)平均值可信[27]，統(tǒng)計(jì)特征具有代表性，在圖中以叉號(hào)“×”表示。

1.3 中尺度渦移動(dòng)軌跡反演速度場(chǎng)

參考表層漂流浮標(biāo)反演流場(chǎng)的方法，將中尺度渦的拉格朗日軌跡轉(zhuǎn)化為表層歐拉流場(chǎng)，計(jì)算方法如下

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：lat1和lat2是兩個(gè)點(diǎn)的緯度，dlat是兩點(diǎn)之間的緯度差，單位：°；lon1和lon2是兩個(gè)點(diǎn)的經(jīng)度，dlon是兩點(diǎn)之間的經(jīng)度差，單位：°；R為地球半徑，取值 6 371 km；平均速度的位置P取兩點(diǎn)的中點(diǎn)；兩個(gè)軌跡點(diǎn)間的時(shí)間間隔dt為1 d；v和u分別為經(jīng)向流速和緯向流速。

同理，把落在網(wǎng)格內(nèi)的所有u和v進(jìn)行平均，同時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，以均值加減三倍標(biāo)準(zhǔn)差作為上下限來(lái)剔除異常值[28]，得到代表該網(wǎng)格平均的u和v，并把網(wǎng)格中心點(diǎn)作為起始點(diǎn)。

2 結(jié)果

2.1 不同源地的中尺度渦特征比較

中尺度渦在移動(dòng)過(guò)程中能保持源地的水團(tuán)性質(zhì)。利用溯源的方法，可以更為清晰地表現(xiàn)從不同海域產(chǎn)生的中尺度渦所具備的源地特征。

源地中尺度渦的存活時(shí)間分布(圖2a)表明，孟加拉灣西北海域即西邊界流北部生成的中尺度渦平均存活時(shí)間最久，孟加拉灣中部海域生成的中尺度渦平均存活時(shí)間次之，孟加拉灣南部海域和安達(dá)曼海生成的中尺度渦平均存活時(shí)間較短，但中尺度渦存活時(shí)間的最大值位于安達(dá)曼群島西部。

圖2b為中尺度渦在生成位置上的初始振幅(振幅表示中尺度渦邊緣與中心極值點(diǎn)差值的絕對(duì)值)。孟加拉灣西邊界流是中尺度渦初始振幅較大的海域，其北部和中部的振幅最大。初始振幅大小與存活時(shí)間的源地分布(圖2a)較為一致。

圖2c表示中尺度渦生成位置的初始半徑(即中尺度渦邊界所包圍面積的等效半徑)。不同于存活時(shí)間和初始振幅的分布，中尺度渦初始半徑較大的區(qū)域位于孟加拉灣西南部(斯里蘭卡東部靠近赤道附近)；而平均存活時(shí)間和初始振幅均較大的西邊界流北部的初始半徑偏小，這可能是因?yàn)檩^小的半徑和較大的振幅有利于中尺度渦維持自身的結(jié)構(gòu)。安達(dá)曼海內(nèi)靠近十度海峽的海域也有一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的初始半徑較大，但因?yàn)閿?shù)量?jī)H此一個(gè)，暫不開(kāi)展分析。

圖2 孟加拉灣不同源地的中尺度渦統(tǒng)計(jì)特征分布網(wǎng)格圖Fig.2 Grid map of mesoscale eddy statistical characteristic analysis of different genesis in the Bay of Bengal(圖a～c中去除了渦旋生成個(gè)數(shù)小于3個(gè)的網(wǎng)格點(diǎn)，叉號(hào)表示網(wǎng)格點(diǎn)通過(guò)了可信度檢驗(yàn)。)(The single grid which mesoscale eddy generated in less than three is removed in fig.a-c,and the cross indicates that the grid has passed the reliability test.)

2.2 源區(qū)中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征分析

2.2.1 總體特征

圖2d給出了25 a內(nèi)中尺度渦生成地點(diǎn)的數(shù)量分布。該圖表明蘇門答臘島西北海域(以5°N，94°E為核心的區(qū)域)是孟加拉灣中尺度渦的重要起源地之一，是中尺度渦高密度生成的區(qū)域。

以3°N—6°N，92°E—95°E作為蘇門答臘島西北海域中尺度渦源區(qū)的范圍(圖1)，采用拉格朗日方法追蹤此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的中尺度渦，并分析僅在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的中尺度渦的特征，不包含從其它海域移動(dòng)至本海域的中尺度渦。結(jié)果表明1993—2017年期間，該源區(qū)共產(chǎn)生了97個(gè)中尺度渦，其中有40個(gè)反氣旋渦，占比41.3%；57個(gè)氣旋渦，占比58.7%。源區(qū)平均每年產(chǎn)生3.9個(gè)中尺度渦，其中氣旋渦2.3個(gè)，反氣旋渦1.6個(gè)。源區(qū)中尺度渦存活時(shí)間的頻數(shù)分布顯示，源區(qū)中尺度渦的存活時(shí)間主要集中在30～50 d(圖3)，平均存活42.0 d，其中反氣旋渦平均存活 41.5 d，氣旋渦平均存活42.4 d。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，在95%的置信條件下，氣旋渦與反氣旋渦存活時(shí)間的差異不顯著。

圖3 源區(qū)中尺度渦存活時(shí)間的頻數(shù)分布直方圖Fig.3 Frequency distribution histogram of eddy survival time in the origin

源區(qū)中尺度渦半徑頻數(shù)分布及概率密度曲線(圖4a)顯示：源區(qū)的中尺度渦平均半徑為143.9 km，其中反氣旋渦平均半徑為154.8 km，且在123.0 km處頻次最高；氣旋渦平均半徑為136.4 km，在 134.3 km 處頻次最高。反氣旋渦的平均半徑大于氣旋渦的平均半徑，氣旋渦的最大概率半徑大于反氣旋渦的最大概率半徑。氣旋渦半徑的頻數(shù)分布直方圖比較陡峭，說(shuō)明氣旋渦之間半徑差別較大。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，在95%的置信條件下，氣旋渦與反氣旋渦半徑的差異顯著。

圖4b給出了源區(qū)中尺度渦振幅的頻數(shù)分布及概率密度曲線。該圖表明源地中尺度渦的平均振幅是 4.2 cm。反氣旋渦平均振幅是4.3 cm，在2.9 cm處頻次最高；氣旋渦平均振幅是4.0 cm，在3.2 cm處頻次最高。反氣旋渦的平均振幅大于氣旋渦的平均振幅，氣旋渦的最大概率振幅大于反氣旋渦的。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，在95%的置信條件下，氣旋渦與反氣旋渦振幅的差異是顯著的。

圖4 源區(qū)中尺度渦半徑(a)和振幅(b)頻數(shù)分布直方圖及概率密度曲線Fig.4 Mesoscale eddy radius(a)and amplitude(b)frequency distribution histogram and probability density curve in the origin

2.2.2 移動(dòng)軌跡和速度

源區(qū)反氣旋渦的移動(dòng)軌跡(圖5a)顯示：在25 a內(nèi)只有一個(gè)中尺度渦向東北移動(dòng)，經(jīng)格雷特海峽進(jìn)入安達(dá)曼海，其余中尺度渦均以西向、西北向移動(dòng)為主，最遠(yuǎn)能到達(dá)斯里蘭卡的北部海域。

圖5 源區(qū)中尺度渦移動(dòng)軌跡及速度場(chǎng)Fig.5 The trajectory and velocity field of the mesoscale eddy in the origin(在圖a和圖b中，綠色和紅色的圓點(diǎn)分別表示中尺度渦的生成地點(diǎn)和消亡地點(diǎn)，橙色和藍(lán)色的實(shí)線分別表示反氣旋渦和氣旋渦的移動(dòng)軌跡。)(In fig.a and fig.b,the green and red dots indicate the location of mesoscale eddy generation and extinction,orange and blue solid lines indicate the movement trajectories of anticyclonic eddies and cyclone eddies,respectively.)

源區(qū)氣旋渦的移動(dòng)軌跡(圖5b)特征與反氣旋渦的軌跡特征相似，同樣以向西和西北方向運(yùn)動(dòng)為主，最遠(yuǎn)能到達(dá)斯里蘭卡的南部海域。

利用中尺度渦的移動(dòng)軌跡反演得到的速度場(chǎng)(圖5c 和5d)表明：反氣旋渦和氣旋渦在蘇門答臘島附近海域移動(dòng)速度較慢，在斯里蘭卡附近移動(dòng)速度較快。由圖5c可知，在蘇門答臘島附近反氣旋渦速度場(chǎng)存在極大值。

2.2.3 生成時(shí)間

圖6說(shuō)明源區(qū)內(nèi)中尺度渦生成數(shù)量具有顯著的月際、季節(jié)和年際變化特征。2月、9月和12月是中尺度渦生成數(shù)量較多的月份，數(shù)量分別為16、13和12個(gè)；其中2月和12月氣旋渦數(shù)量占絕大多數(shù)，分別為13個(gè)和10個(gè)。4月和7月生成的中尺度渦數(shù)量不多，分別為9個(gè)和5個(gè)，其中反氣旋渦數(shù)量遠(yuǎn)多于氣旋渦數(shù)量，分別為7個(gè)和4個(gè)。1月和6月渦旋數(shù)量也不多，分別為7個(gè)和6個(gè)，氣旋渦數(shù)量遠(yuǎn)多于反氣旋渦數(shù)量，分別為5個(gè)和4個(gè)。其余月份正反氣旋渦的數(shù)量相差不大。

圖6 源區(qū)中尺度渦生成數(shù)量的多時(shí)間尺度變化Fig.6 Multi-time scale changes in the number of mesoscale eddy generated in the origin

孟加拉灣季節(jié)劃分，3月、4月和5月份為春季，6月、7月和8月為夏季，9月、10月和11月為秋季，1月、2月和12月為冬季[19]。冬季中尺度渦生成數(shù)量最多，總共35個(gè)，其中氣旋渦28個(gè)，反氣旋渦7個(gè)，氣旋渦占冬季渦旋總量的80%；春季反氣旋渦較多；其余季節(jié)氣旋渦和反氣旋渦在數(shù)量上相差不大。

在不同年份之間源區(qū)生成中尺度渦變化明顯，2005年源區(qū)生成的中尺度渦數(shù)量最多，1994年、2002年、2010年和2012年源區(qū)只生成了氣旋渦，1999年和2015年源區(qū)只生成了反氣旋渦，2017年源區(qū)未生成任何中尺度渦。

2.2.4 演變規(guī)律

中尺度渦的存活時(shí)間不盡相同，無(wú)法直接比較氣旋渦與反氣旋渦之間的演變規(guī)律。為了較好地掌握中尺度渦的生消狀態(tài)，對(duì)渦旋進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將中尺度渦按照生命周期進(jìn)行歸一化(圖7)。圖7a中，氣旋渦、反氣旋渦的曲線較為類似，呈現(xiàn)出渦旋的半徑增長(zhǎng)緩慢，達(dá)到鼎盛期后縮小較快的特征；反氣旋渦的平均半徑大于氣旋渦的平均半徑；反氣旋渦的歸一化曲線在約0.35處有明顯的凹陷，半徑變小又繼續(xù)增大。氣旋渦的振幅整體上大于反氣旋渦的振幅(圖7b)。常景龍 等[21]將孟加拉灣所有中尺度渦作歸一化處理，演變過(guò)程也出現(xiàn)了與源區(qū)渦旋相同的結(jié)果，即反氣旋渦半徑始終大于氣旋渦半徑，而其振幅卻始終小于氣旋渦振幅。CUI et al[16]將孟加拉灣中存活時(shí)間超過(guò)90 d(未歸一化處理)的渦旋進(jìn)行演變過(guò)程分析，結(jié)果也與源區(qū)渦旋的演變過(guò)程基本一致。其它海區(qū)的演變過(guò)程則不一樣，例如亞熱帶西北太平洋[29]和秘魯沿岸[30]等。綜上可以得出中尺度渦演變過(guò)程與海域特征相關(guān)的結(jié)論，但其成因還有待于探究。

圖7 將生命周期標(biāo)準(zhǔn)化后的源區(qū)中尺度渦統(tǒng)計(jì)特征演變曲線Fig.7 The evolution curve of the statistical characteristics of the mesoscale eddy in the origin after standardizing the lifetime

3 討論

3.1 中尺度渦識(shí)別方法的比較

趙新華 等[31]通過(guò)表層漂流浮標(biāo)軌跡提取的渦旋與Chelton的數(shù)據(jù)集相比較，認(rèn)為低緯海洋的渦旋數(shù)量仍舊是被低估的，有大量的渦旋在以往文獻(xiàn)中未被識(shí)別。不同的中尺度渦識(shí)別方法造成了中尺度渦識(shí)別效果的差異，這也意味著在特定的研究區(qū)域內(nèi)選擇合適的中尺度渦識(shí)別方法是相當(dāng)重要的。

此前CHEN et al[15]和CUI et al[16]對(duì)孟加拉灣中尺度渦的生成地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，伊洛瓦底江三角洲附近，即孟加拉灣中部(緬甸向孟加拉灣凸起處)，是孟加拉灣產(chǎn)生中尺度渦數(shù)量最多的源區(qū)，其次是安達(dá)曼海的北部。以往文獻(xiàn)中利用的是改進(jìn)過(guò)的流線繞角法[30]。流線繞角法識(shí)別中尺度渦是以海表面高度異常計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)流場(chǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，計(jì)算地轉(zhuǎn)流場(chǎng)時(shí)會(huì)對(duì)海表面高度進(jìn)行微分運(yùn)算，因此流線繞角法可能會(huì)引入一定的背景噪聲，在低緯度海域，由于地轉(zhuǎn)科氏力系數(shù)(f)在分母中，噪聲最為嚴(yán)重。

(6)

(7)

式中：U′和V′代表地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的分量，可由海表面高度異常場(chǎng)(SLA)計(jì)算得到；g是重力加速度；f是地轉(zhuǎn)科氏力系數(shù)。

本文中的中尺度渦數(shù)據(jù)集利用Chelton新提出的一種基于海表面高度的識(shí)別方法[22](簡(jiǎn)稱“Chelton方法”)，在低緯海域仍然較好地識(shí)別了中尺度渦，從而在蘇門答臘島西北海域發(fā)現(xiàn)了中尺度渦的源區(qū)，這與蘇門答臘島西北海域是高渦動(dòng)能區(qū)的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。說(shuō)明按照之前的算法，低緯度區(qū)域中尺度渦的數(shù)量被嚴(yán)重低估。

流線繞角法在(8°N，85°E)和(8°N，90°E)附近識(shí)別到了較多的中尺度渦生成[15]，而本文所用的中尺度渦數(shù)據(jù)集卻沒(méi)有得到類似結(jié)果。根據(jù)錨系數(shù)據(jù)[32]、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和模型實(shí)驗(yàn)[33]的結(jié)果，8°N附近羅斯貝波呈現(xiàn)類似渦狀的結(jié)構(gòu)，流線繞角法采取的是流線彎曲的角度和≥2π時(shí)就視為流線閉合，而實(shí)際情況流線有可能并不完全閉合，即流線角度和滿足判定條件時(shí)流線可能并不在同一位置。因此可能會(huì)將某些類渦狀結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤地識(shí)別為中尺度渦，譬如，將羅斯貝波誤識(shí)別為中尺度渦。Chelton方法保證了在流線閉合情況下才記錄為中尺度渦，從而有效地識(shí)別出波動(dòng)和中尺度渦。

3.2 網(wǎng)格大小對(duì)結(jié)果的影響

采用不同分辨率的網(wǎng)格進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，調(diào)整網(wǎng)格大小并不會(huì)引起中尺度渦生成地點(diǎn)發(fā)生變化，但是會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)網(wǎng)格內(nèi)中尺度渦個(gè)數(shù)的變化，以及最大值的變化。根據(jù)之前孟加拉灣中尺度渦統(tǒng)計(jì)結(jié)果[21]，半徑為85.0 km的中尺度渦數(shù)量最多，一個(gè)緯度的距離大約是111 km，而85.0 km/111 km≈0.77，本研究網(wǎng)格設(shè)置為0.77°×0.77°，分析的結(jié)果較為客觀地刻畫(huà)了渦旋生成地點(diǎn)的分布狀況。

3.3 蘇門答臘島西北海域成為渦旋源區(qū)的機(jī)制

孟加拉灣南部的海表高度變化較劇烈，渦動(dòng)能較大，這個(gè)區(qū)域的能量來(lái)源主要是赤道風(fēng)的遙強(qiáng)迫[19]。CHENG et al[33]明確了此區(qū)域的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自風(fēng)場(chǎng)引發(fā)的海盆共振下的第二模態(tài)斜壓不穩(wěn)定。本文對(duì)蘇門答臘島西北海域中尺度渦源區(qū)(3°N—6°N，92°E—95°E，圖1)的海表面高度異常信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在95%的置信區(qū)間下，得到兩個(gè)顯著周期，180 d 和360 d(圖8)。360 d屬于年變化信號(hào)，180 d 的結(jié)果與CHENG et al[33]的研究一致。

圖8 中尺度渦源區(qū)(3°N—6°N，92°E—95°E)的海表面高度異常信號(hào)頻譜分析結(jié)果Fig.8 The spectrum analysis result of the sea surface height anomaly signal in the mesoscale eddy origin(3°N-6°N,92°E-95°E)(紅色虛線表示95%的置信區(qū)間。)(The red dotted line represents the 95% confidence interval.)

在印度洋赤道上，赤道風(fēng)場(chǎng)引發(fā)的東傳開(kāi)爾文波撞擊了蘇門答臘島然后折向北[34]，在5°N蘇門答臘島北部的尖端處，部分能量向西反射形成西傳的羅斯貝波，部分能量繼續(xù)向北傳播在伊洛瓦底江三角洲尖端處釋放形成一個(gè)中尺度渦源區(qū)[17]，剩余能量繼續(xù)傳播，總體上形成了環(huán)繞安達(dá)曼海和孟加拉灣逆時(shí)針?lè)较虻难匕堕_(kāi)爾文波[17]。

圖9以2005年為例，展示了5°N斷面海表面高度異常變化，從中顯示出了西傳的信號(hào)。HUANG et al[35]和CHENG et al[20]指出5°N確實(shí)存在較強(qiáng)的渦狀結(jié)構(gòu)，明確其是西傳的羅斯貝波。

圖9 2005年5°N斷面海表面高度異常的時(shí)間-經(jīng)度圖Fig.9 Time-longitude map of the sea surface height anomaly at the 5°N section

3.3.1 風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)

風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫是中尺度渦生成的重要機(jī)制之一[36]。圖10為1993—2007年氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)及其旋度場(chǎng)季節(jié)分布。冬季，蘇門答臘島北部尖端附近風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生了顯著的正旋度。正的風(fēng)應(yīng)力旋度能誘發(fā)氣旋式中尺度渦，從而可以較好地解釋冬季氣旋渦在源區(qū)占據(jù)主導(dǎo)地位這個(gè)特征。

圖10 1993—2017年氣候態(tài)季節(jié)風(fēng)場(chǎng)及其旋度場(chǎng)Fig.10 Climatic seasonal wind field and its curl field from1993 to 2017

對(duì)源區(qū)中尺度渦的風(fēng)場(chǎng)影響包括局地風(fēng)場(chǎng)和赤道風(fēng)場(chǎng)。與局地風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫相比，赤道風(fēng)場(chǎng)是該源區(qū)渦動(dòng)能的更重要來(lái)源。CHEN et al[19]指出該區(qū)域風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫對(duì)渦動(dòng)能的貢獻(xiàn)為51%，冬季赤道風(fēng)場(chǎng)貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于局地風(fēng)場(chǎng)。局地風(fēng)場(chǎng)雖然不是源區(qū)冬季中尺度渦能量的主要來(lái)源，但是能誘發(fā)中尺度渦的極性。

3.3.2 地形影響

4 結(jié)論

本文采用了2.0版本的Chelton中尺度渦數(shù)據(jù)集，通過(guò)溯源的方法得到孟加拉灣中尺度渦的源地分布，指出以(5°N，94°E)為核心的蘇門答臘島西北海域(3°N—6°N、92°E—95°E海域)是中尺度渦生成密度最高的海域。從源地特征來(lái)看，孟加拉灣西邊界流北部產(chǎn)生的中尺度渦存活時(shí)間較長(zhǎng)且振幅較大，而孟加拉灣西南部產(chǎn)生的中尺度渦半徑較大。

蘇門答臘島西北海域是中尺度渦集中生成的區(qū)域。1993—2017年間源區(qū)平均每年產(chǎn)生3.9個(gè)中尺度渦，其中氣旋渦2.3個(gè)，反氣旋渦1.6個(gè)，大部分渦旋向西移動(dòng)。從月份看，2月、9月和12月產(chǎn)生的中尺度渦較多；從季節(jié)看，冬季生成的中尺度渦最多，且以氣旋渦為主；從年份看，2005年生成的中尺度渦最多。中尺度渦平均存活天數(shù)為42.0 d，平均振幅為4.2 cm。反氣旋渦的半徑整體上大于氣旋渦，而氣旋渦的振幅整體上大于反氣旋渦。

該源區(qū)中尺度渦生成受到風(fēng)場(chǎng)和地形的共同作用。赤道風(fēng)場(chǎng)引發(fā)的赤道開(kāi)爾文波撞擊了蘇門答臘島后折向北，形成了環(huán)繞安達(dá)曼海和孟加拉灣逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ难匕堕_(kāi)爾文波。它在北傳的過(guò)程中在蘇門答臘島北部尖端部分釋放出大量能量，形成了5°N斷面西傳的羅斯貝波，在地形作用下，增強(qiáng)了斜壓不穩(wěn)定，這可能是中尺度渦集中產(chǎn)生的主要原因。大氣強(qiáng)迫提供的能量主要來(lái)源于赤道風(fēng)場(chǎng)，但局地風(fēng)場(chǎng)能誘導(dǎo)中尺度渦的極性，能夠解釋該源區(qū)冬季氣旋渦相對(duì)反氣旋渦偏多這一特征。

本研究不僅豐富了對(duì)研究海域中尺度渦生成的理解，而且有助于促進(jìn)孟加拉灣大尺度環(huán)流、風(fēng)場(chǎng)與中尺度渦的能量傳遞的認(rèn)識(shí)。未來(lái)研究中可利用模型實(shí)驗(yàn)對(duì)源區(qū)產(chǎn)生大量中尺度渦的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行更加詳細(xì)地探索。

致謝哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心(http:∥marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/)提供海表面高度異常數(shù)據(jù)；Aviso網(wǎng)站(https:∥www.aviso.altimetry.fr/no_cache/en/my-aviso-plus.html)提供中尺度渦數(shù)據(jù)集；遙感系統(tǒng)(Remote Sensing Systems)提供CCMP風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(www.remss.com/measurements/ccmp)。