沙 松，鄭彤彤，金紹華

（1.中國(guó)人民解放軍 92150部隊(duì)，浙江 舟山 316000；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；5.海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋與測(cè)繪系，遼寧 大連 116018）

0 引言

中尺度渦是海洋中一種顯著且普遍存在的渦旋運(yùn)動(dòng)[1]，空間尺度可達(dá)幾十至幾百千米，時(shí)間尺度為幾十至幾百天，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可將其分為冷渦和暖渦兩類，在北半球，冷渦為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦旋，海表面的水體受科氏力作用向外輻散使海表面高度降低，渦旋中心形成上升流；暖渦順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，海表面水體向渦內(nèi)輻聚，海表面高度升高，渦旋中心為下降流[2]。中尺度渦的垂直影響深度可以達(dá)到上千米，并且在移動(dòng)過(guò)程中裹挾渦內(nèi)的水體與其他區(qū)域的水體進(jìn)行物質(zhì)能量交換[3-4]。因此，中尺度渦在海洋動(dòng)力學(xué)、熱鹽和能量的輸送以及其它生物、化學(xué)過(guò)程中都起著非常重要的作用[5-6]，其相關(guān)研究也受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視。但由于缺乏大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的海洋觀測(cè)資料，人們對(duì)海洋中尺度形成機(jī)制及過(guò)程了解較少，對(duì)中尺度渦三維結(jié)構(gòu)特征的研究亦未得到較為清晰、統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[7]。

目前用于中尺度渦分析的數(shù)據(jù)源主要包括實(shí)測(cè)資料、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和數(shù)值模式數(shù)據(jù)等[8]，這些數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)處理方法不盡相同，研究人員經(jīng)常需要結(jié)合不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)研究。為了清楚地了解數(shù)據(jù)質(zhì)量和所研究參數(shù)的分布，有時(shí)還需要繪制專題圖。ODV作為一款海洋專業(yè)應(yīng)用軟件，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)擴(kuò)充性，能夠方便地直接讀取包括地形數(shù)據(jù)（ETOPO）、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（NetCDF）、Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、模式數(shù)據(jù)（HYCOM、SODA等）、海洋儀器調(diào)查數(shù)據(jù)（CTD、XBT等）在內(nèi)的不同格式的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化分析。ODV具有5種可視化分析模式，可繪制出Map圖、站點(diǎn)圖、散點(diǎn)圖、斷面圖和等值面圖等[9]，得到的圖像簡(jiǎn)潔精美、信息完善，大大提高了科研工作的工作效率和效益[10]。利用 ODV挖掘中尺度渦每日變化、移動(dòng)模式以及精細(xì)化垂直分布結(jié)構(gòu)等，對(duì)中尺度渦的生消機(jī)制、分布規(guī)律及移動(dòng)特征的認(rèn)知具有重要意義。

西太平洋是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，是全球物質(zhì)和能量交換最強(qiáng)烈的海區(qū)之一，在該海區(qū)有復(fù)雜的中尺度渦過(guò)程，是研究中尺度渦的理想海區(qū)[11-13]。因此，基于ODV軟件的應(yīng)用，本文主要從3個(gè)方面對(duì)西太平洋中尺度渦展開研究：通過(guò)導(dǎo)入海平面高度異常數(shù)據(jù)資料繪制平面圖，分析較大背景區(qū)域上較高經(jīng)緯度分辨率的中尺度渦表層演化情況及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，導(dǎo)入 HYCOM 模式數(shù)據(jù)繪制斷面圖實(shí)現(xiàn)中尺度渦垂直分布在 ODV中的可視化，平面圖與斷面圖兩者結(jié)合，準(zhǔn)確直觀地得出中尺度渦的時(shí)空分布和結(jié)構(gòu)特征；通過(guò)導(dǎo)入實(shí)測(cè)溫度鹽度數(shù)據(jù)與 HYCOM 進(jìn)行對(duì)比，為海洋科學(xué)工作者研究中尺度渦以及進(jìn)行不同數(shù)據(jù)間的對(duì)比提供一種簡(jiǎn)捷、快速的方法和思路。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)

海平面高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）資料來(lái)自法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO），數(shù)據(jù)存放格式為NetCDF格式，經(jīng)度范圍選在 120°E–139°E，緯度范圍為 20°N–32°N，時(shí)間區(qū)間為2022年4月24日–6月26日?？臻g分辨率為1/4°×1/4°，時(shí)間分辨率為1天。下載地址：http：//resources.marine.copernicus.eu。SLA數(shù)據(jù)主要用于ODV平面圖的繪制，具體繪圖流程如圖1所示，判別中尺度渦在海洋表層的空間分布結(jié)構(gòu)并進(jìn)行中尺度渦的捕捉和運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)分析。

圖1 平面圖繪制流程Fig.1 Plan mapping process

1.2 HYCOM模式數(shù)據(jù)

HYCOM 再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室，該數(shù)據(jù)采用多變量最優(yōu)插值方法同化了衛(wèi)星高度計(jì)反演的SLA、衛(wèi)星遙感SST、Argo 浮標(biāo)和錨系浮標(biāo)觀測(cè)的溫度和鹽度的垂直剖面資料[14]。本文所使用的溫度、鹽度數(shù)據(jù)存放格式為NetCDF格式，經(jīng)度范圍為 120°E–139°E，緯度范圍為20°N–32°N?？臻g水平分辨率為 1/12°×1/12°，時(shí)間分辨率為3 h。下載地址：https：//www.hycom.org/。HYCOM 模式數(shù)據(jù)主要用于中尺度渦垂直分布結(jié)構(gòu)在ODV中的可視化顯示（繪制流程見(jiàn)圖2）。利用ODV中繪制垂直斷面分布圖可進(jìn)行中尺度渦精細(xì)化垂直分布結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)根據(jù)需要可以在ODV界面中進(jìn)行編輯或者圖幅整飾，使得繪制出的圖像更加精美。

圖2 斷面圖繪制流程Fig.2 Cross-sections mapping process

1.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)測(cè)溫度、鹽度數(shù)據(jù)來(lái)源于西太平洋海區(qū)布放的水下滑翔機(jī)所攜帶的海鳥公司（Sea-Bird Scientific）的 GPCTD傳感器，傳感器采樣間隔 1 m/s，采取連續(xù)觀測(cè)方式，各剖面間隔 2.5 h。通過(guò)預(yù)處理將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化生成 ODV可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式（.csv格式或.o4x格式），導(dǎo)入到ODV中，最終生成斷面圖。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于與 HYCOM 數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，觀測(cè)數(shù)據(jù)格點(diǎn)的位置、時(shí)間與模式數(shù)據(jù)基本保持一致。

2 利用ODV分析中尺度渦的具體運(yùn)用

2.1 中尺度渦平面特征分析

ODV平面分布圖可在特定參數(shù)分布面上顯示其他給定參數(shù)的分布特征，依據(jù)此優(yōu)勢(shì)可以將海表面高度異常數(shù)據(jù)及流場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ODV中繪制多參數(shù)平面分布圖來(lái)綜合研判中尺度渦的表面分布特征。ODV界面可直接顯示觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度位置坐標(biāo)，及流速、海表面高度異常等參數(shù)信息。通過(guò)與渦心共線的2個(gè)邊緣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，即可計(jì)算出該中尺度渦的空間水平尺度，其中選擇圍繞渦心的最外層封閉的流線作為渦邊緣[15]。以2022年4月24日西北太平洋某一中尺度渦為例，利用ODV的平面分布圖顯示中尺度渦的具體位置和影響范圍，同時(shí)判斷中尺度渦的類型是暖渦還是冷渦。其流場(chǎng)數(shù)據(jù)與海平面高度異常數(shù)據(jù)疊加繪制平面圖如圖 3所示。定義該中尺度渦為A，由圖像可判斷出該渦渦心位置在134.5°E，29.5°N附近，空間水平尺度在217 km左右，渦心附近海表面抬升50 cm左右，渦旋運(yùn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)方向，渦邊緣最大流速0.82 m/s，渦心流速在0.16 m/s左右，可以判斷出是A渦是暖渦。

圖3 A中尺度渦2022年4月24日平面分布特征Fig.3 Horizontal distribution characteristics of Mesoscale Eddy A on sea surface on 24th April，2022

2.2 中尺度渦運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)追蹤

也可利用ODV進(jìn)行專題圖繪制，將每日（周）SLA數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪制出每日（周）的中尺度渦的運(yùn)動(dòng)及連續(xù)變化，判斷中尺度渦的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)及規(guī)律，進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。對(duì) A渦的發(fā)展變化進(jìn)行跟蹤研究，由于中尺度渦的存續(xù)時(shí)間為幾十至上百天不等，為方便演示，本文只將 A渦 5–6月份每周的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ODV中進(jìn)行可視化顯示，用于分析A中尺度渦 5–6月份在西北太平洋海區(qū)的周際運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律特征，如圖4所示。

圖4 A中尺度渦5－6月份海平面高度異常與海表面流速周變化Fig.4 Anomaly of sea level height and weekly variation of sea surface velocity of Mesoscale Eddy A from May to June

從圖4可以得出，5月1日A中尺度渦渦心位置在 134.2°E，29.5°N 附近，使海表面抬升約51 cm，渦心流速 0.16 m/s，渦邊緣最大流速0.8 m/s，水平空間尺度在170 km左右；5月8日A渦渦心位置在134.0°E，29.6°N附近，使海表面抬升約49 cm，渦心流速0.17 m/s，渦邊緣最大流速0.74 m/s，水平空間尺度在167 km左右；5月15日A渦渦心位置在133.8°E，29.8°N附近，使海表面抬升約49 cm，渦心流速0.09 m/s，渦邊緣最大流速0.66 m/s，水平空間尺度在195 km左右；5月22日A渦渦心位置在134.0°E，30.1°N附近，使海表面抬升約50 cm，渦心流速0.08 m/s，渦邊緣最大流速0.60 m/s，水平空間尺度在168 km左右；5月29日A渦渦心位置在134.1°E，30.0°N附近，使海表面抬升約45 cm，渦心流速0.15 m/s，渦邊緣最大流速0.45 m/s，水平空間尺度在200 km左右。從5月周際變化來(lái)看，A渦月平均海表面高度異常在48 cm以上，渦心位置基本未發(fā)生變化，渦強(qiáng)度呈現(xiàn)出由強(qiáng)變?nèi)踉僮儚?qiáng)的過(guò)程，到5月底該渦有分散成2個(gè)渦的趨勢(shì)。

6月 5日 A 中尺度渦渦心位置在 134.0°E，29.7°N 附近，使海表面抬升約 51 cm，渦心流速0.05 m/s，渦邊緣最大流速 0.57 m/s，水平空間尺度在222 km左右；6月12日A中尺度渦渦心位置在134.1°E，30.8°N附近，使海表面抬升約54 cm，渦心流速0.07 m/s，渦邊緣最大流速0.58 m/s，水平空間尺度在248 km左右；6月19日A中尺度渦渦心位置在 133.8°E，29.8°N 附近，使海表面抬升約 55 cm，渦心流速 0.12 m/s，渦邊緣最大流速0.48 m/s，水平空間尺度在 212 km 左右；6月 26日A中尺度渦渦心位置在133.7°E，29.9°N附近，使海表面抬升約54 cm，渦心流速0.05 m/s，渦邊緣最大流速0.46 m/s，水平空間尺度在242 km左右。6月份A渦月平均海表面高度異常在54 cm以上，渦心位置呈現(xiàn)出向西變化趨勢(shì)，渦強(qiáng)度也存在由強(qiáng)變?nèi)踉僮儚?qiáng)的現(xiàn)象，到6月19日渦強(qiáng)度比其余三天強(qiáng)度有所減弱，但水平影響范圍均在200 km以上。

從整體強(qiáng)度來(lái)看，5月份A中尺度渦表面強(qiáng)度小于6月份，A中尺度渦5–6月份周際變化整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)過(guò)消散的情況，可能是因?yàn)樵诤诔备浇脑騕16-17]，且到5月29日和6月12日該中尺度渦有分散成2個(gè)渦的趨勢(shì)，之后又匯聚成一個(gè)渦，從運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)來(lái)看，渦心位置從5月初134.2°E，29.5°變化到 6月末 133.7°E，29.9°N，整體渦旋運(yùn)動(dòng)呈向西且靠近黑潮運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

2.3 中尺度渦垂直分布特征分析

ODV斷面圖主要用于分析斷面內(nèi)3個(gè)變量X，Y，Z的對(duì)應(yīng)關(guān)系，常見(jiàn)于Z變量在X，Y變量確定的斷面上的分布情況。通過(guò)斷面定義菜單，用戶可在 Map地圖上畫任意一條軌跡，該軌跡與垂直于海面的鉛垂線組成的面即為斷面。斷面圖可以非常直觀地查看海洋參數(shù)的垂直分布情況。以 6月 12日A渦為例，利用ODV繪制斷面圖分析中尺度渦的具體垂直分布結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)3.1節(jié)中A渦平面分布特征找到該中尺度渦渦心位置及渦范圍后，導(dǎo)入該渦 HYCOM 模式數(shù)據(jù)的溫度、鹽度資料，在該渦范圍內(nèi)定義斷面，本文選擇從渦邊緣通過(guò)渦心至另一側(cè)渦邊緣連成的面作為研究斷面，除此之外還可以取渦邊緣至渦心（或渦心至渦邊緣）連成的斷面作為研究斷面。

采用橫穿渦心和縱穿渦心2個(gè)方式，定義2個(gè)斷面分別為橫、縱斷面，進(jìn)行比對(duì)，如圖5所示。從橫縱2個(gè)斷面（圖5（b），圖5（e））比對(duì)可以看出，該渦海表面溫度在 22.8℃左右，200 m深溫度在19.7℃左右，400 m深溫度在17.5℃左右。200～600 m發(fā)現(xiàn)該中尺度渦產(chǎn)生明顯等溫線下沉特征，并且在200 m以上等溫線有輕微的上凸，這2個(gè)特征在縱斷面中表現(xiàn)得更為明顯。鹽度斷面顯示，A渦在100 m至接近400 m存在高鹽區(qū)域，鹽度為34.9，600～900 m存在低鹽區(qū)域，鹽度低至34.1，并且鹽度極值中心向東南方向偏移。根據(jù)LIN等人總結(jié)的3種中尺度渦類型的溫鹽分布特點(diǎn)，A渦為不完全對(duì)稱的鏡片式渦結(jié)構(gòu)（lens-shaped）[18]。基于模式數(shù)據(jù)，ODV用于中尺度渦垂向分布結(jié)構(gòu)及渦類型的分析具有極大的可操作性和便捷性。

圖5 A渦6月12日溫度、鹽度橫縱斷面分布圖Fig.5 Horizontal and vertical cross-section distribution of temperature and salinity of Mesoscale Eddy A on 12th June

2.4 實(shí)測(cè)資料與模式數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

除了HYCOM等模式數(shù)據(jù)以外，ODV還可以導(dǎo)入浮標(biāo)、溫鹽深儀（CTD、MVP）等海洋觀測(cè)儀器獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。基于水下滑翔機(jī)所攜帶的GPCTD的觀測(cè)溫度、鹽度數(shù)據(jù)，本文對(duì)發(fā)生于2022年6月西太平洋某一中尺度渦進(jìn)行分析，并將其與模式數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖 6所示，其中橫軸為距離滑翔機(jī)出發(fā)點(diǎn)的距離，也代表時(shí)間的推移。在圖6（a）、（c）中，可以看出滑翔機(jī)所觀測(cè)的溫度鹽度等值線具有較大的波動(dòng)起伏性，鹽度在100～250 m存在高值區(qū)域，在500～600 m存在明顯且不連續(xù)的低值中心，溫度從海表到 600 m逐層遞減。在HYCOM數(shù)據(jù)的溫度鹽度剖面中，等值線變化較為平緩，基本上不產(chǎn)生波動(dòng)峰值。其溫度在80～220 m具有高值區(qū)域，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所在深度基本對(duì)應(yīng)，深層的低鹽區(qū)域也與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合良好。HYCOM 溫度等值線隨距離（時(shí)間）的變化非常緩慢，在100～600 m有輕微抬升的趨勢(shì)，溫度值隨深度的分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。HYCOM 沒(méi)有捕捉到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所顯示的波動(dòng)性可能有2方面原因：1）HYCOM數(shù)據(jù)時(shí)間精度比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)要低；2）HYCOM模式數(shù)據(jù)中不包含潮汐特征[19]。但總的來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與HYCOM數(shù)據(jù)較為符合。后續(xù)可以使用HYCOM數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)該中尺度渦進(jìn)行區(qū)域性的研究。本文的重點(diǎn)在于利用ODV進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)的對(duì)比，展示ODV軟件的便捷性并為科研工作者提供使用 ODV的新思路，因此在此不再使用HYCOM數(shù)據(jù)對(duì)該渦的分布或演變特點(diǎn)進(jìn)行探究。

圖6 水下滑翔機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)與HYCOM模式數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.6 Comparison between temperature and salinity observed by glider（a，c）and data from HYCOM（b，d）

3 結(jié)束語(yǔ)

基于西太平洋2個(gè)中尺度渦實(shí)例，分析了利用ODV工具繪制流場(chǎng)與海表面高度異常疊加圖捕捉中尺度渦的可操作性，ODV繪制平面圖可用于判斷中尺度渦冷暖渦類型、分析中尺度渦周際運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；斷面分布圖可用于分析中尺度渦的垂直分布特點(diǎn)、判斷中尺度渦垂直結(jié)構(gòu)類型。此外斷面圖還可以快捷清晰地實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模式數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)性的對(duì)比分析。結(jié)果表明：ODV能對(duì)不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛的處理并能繪制出精美的圖像，能準(zhǔn)確的顯示所需參數(shù)的時(shí)空分布特征，不需要計(jì)算機(jī)編程，操作簡(jiǎn)單、便捷，可為海洋工作者對(duì)中尺度渦后續(xù)研究和信息獲取提供幫助。