戈玉宇,廖光洪

(河海大學(xué) 海洋學(xué)院,江蘇 南京 210013)

0 引言

1958年,英國海洋學(xué)家SWALLOW et al[1]研制了能在大洋一定水深中自由漂浮的“中性浮子”,并利用其在大西洋灣流區(qū)開展海流觀測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)海流不僅比預(yù)想的快了十幾倍,還出現(xiàn)反向流動。這種“反?！钡默F(xiàn)象激發(fā)了人們的探索熱情,最終發(fā)現(xiàn)了大洋中尺度渦。自20世紀90年代衛(wèi)星高度計應(yīng)用以來,大量中尺度渦旋(水平尺度與羅斯貝變形半徑相當(dāng)) 被觀測發(fā)現(xiàn)[2],從而掀起了海洋中尺度渦研究的熱潮。

海洋中渦旋包括流速最大值出現(xiàn)在表層的渦旋和流速最大值出現(xiàn)在次表層的渦旋。由于衛(wèi)星高度計的廣泛應(yīng)用,對表層渦旋的研究已取得極大進展,但對海洋次表層渦旋的發(fā)現(xiàn)基本是偶然的。隨著漂流浮標(biāo)、自主水下滑翔機、地震圖像等技術(shù)的成熟和應(yīng)用,在全球許多海域才陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了次表層渦旋。如在地中海、加利福尼亞海域、亞丁灣海域、黑潮延伸體等全球大洋的許多區(qū)域都觀測到了次表層渦旋[3-6]。隨著觀測技術(shù)的進步,海洋觀測采樣的時空分辨率越來越高,人們還發(fā)現(xiàn)了大量 1 km 尺度的渦旋結(jié)構(gòu)和細絲狀流場廣泛活躍于海洋表層和次表層。1985年,MCWILLIAMS[7]首次發(fā)現(xiàn)和命名了次中尺度相干渦旋(submesoscale coherent vortices,SCVs),這類渦旋水平尺度小于中尺度渦旋,即小于羅斯貝變形半徑,結(jié)構(gòu)緊致(能移動很長的距離而保持結(jié)構(gòu)不變)。相干渦旋壽命長,可攜帶生成地的水團到遙遠的海域,這使得其對全球海洋環(huán)流、上層海洋熱量、鹽分和生物地球化學(xué)示蹤劑通量的傳輸都有著不可忽視的作用。

本文綜述了自20世紀80年代以來海洋次表層SCVs(次表層強化且具有相干性的中尺度和次中尺度渦旋)的觀測研究進展,包括次表層SCVs的結(jié)構(gòu)特征、分布特征、生成機制以及它們對一些海洋過程的影響,最后提出了尚未解決的問題和未來的研究方向。

1 次表層SCVs的特征

1.1 水文特征

早期研究次表層SCVs主要基于現(xiàn)場水文觀測資料。次表層SCVs往往遠離生成區(qū)域,并且保留了其生成區(qū)域的水團屬性,與周圍水體相比較,具有混合良好的熱鹽異常性質(zhì),等密度線呈透鏡狀,流場呈現(xiàn)渦旋狀結(jié)構(gòu)[8],因此,可以根據(jù)溫鹽和動力高度異常描述次表層SCVs的垂直結(jié)構(gòu)。當(dāng)前報道的次表層SCVs主要以反氣旋式渦旋為主,表現(xiàn)為弱層結(jié),中心為低位渦異常的均勻水體,流場主要是水平的,且在次表層內(nèi)部有一個流速最大值[7]。次表層SCVs的壽命可達幾個月至數(shù)年,這是因為次表層SCVs在其生命期內(nèi)與周圍水體的混合過程相對較弱,可以減緩其衰亡。

1.2 動力學(xué)特征

渦旋的相干性用旋轉(zhuǎn)速度與平移速度之比進行度量,表征了渦旋水團的孤立性。如果渦旋的旋轉(zhuǎn)速度與平移速度的比值大于1,表示該渦旋具有強烈非線性,也表明該渦旋沿其路徑能保持其相干結(jié)構(gòu)[9-10]。次表層SCVs屬于強烈非線性結(jié)構(gòu)的SCVs。SCVs的垂直結(jié)構(gòu)特征比中尺度渦旋更容易受到局地海洋情況的影響,通?？梢杂烧龎汉偷谝恍眽耗B(tài)很好地表示[11]。MCWILLIAMS[7]提出,可根據(jù)羅斯貝變形半徑(R)和伯格數(shù)(B)兩個動力學(xué)參數(shù)識別SCVs,參數(shù)定義為

R=N/(fl)

(1)

B=[NH/(fL)]2

(2)

式中:N為浮力頻率,f為科氏參數(shù),l為垂直波數(shù),L為水平尺度,H為垂直尺度。滿足渦旋半徑

2 次表層SCVs識別方法

通常海表中尺度渦旋是從海面高度異常特征中識別出來的。由于次表層海洋渦旋在海洋的表層特征信號較弱,無法通過衛(wèi)星高度計觀測數(shù)據(jù)進行識別,通常根據(jù)水文特征和動力學(xué)特征進行診斷識別。圖1給出了當(dāng)前識別次表層SCVs的幾種常用觀測方法。這些觀測方法直接獲取的是水文或生化要素資料,需要根據(jù)次表層SCVs的特征,利用識別技術(shù)和方法從這些資料中識別出次表層SCVs。在 圖1a 中,通過走航觀測的高分辨率溫度、鹽度、溶解氧和熒光劑剖面揭示了次表層的水團異常,即呈現(xiàn)明顯的高鹽、高溫、低氧和高熒光,符合次表層SCVs的特征,渦旋半徑為15 km[14]。圖1b中的觀測資料是Argo浮標(biāo)的觀測結(jié)果,其中顯示出一個高鹽透鏡體結(jié)構(gòu)[15],結(jié)果在溫度剖面圖中同樣表現(xiàn)出透鏡體結(jié)構(gòu),符合典型的SCVs結(jié)構(gòu)特征。圖1c為通過滑翔機觀測到的一個次表層反氣旋渦[4],這個渦旋具有異常澀度、弱分層的透鏡狀水團結(jié)構(gòu),水團核心流向相反。圖1d是地震反射率剖面,在600～1 400 m深度之間明顯存在一個透鏡體[16],直徑約為50 km,根據(jù)它的深度范圍和尺度大小推測它是一個次表層SCVs。目前,由于缺乏大范圍水平和垂直分辨率的原始觀測資料,僅能采用高分辨率模式數(shù)據(jù)來研究海洋次表層SCVs的三維結(jié)構(gòu)。

圖1 當(dāng)前幾種常用觀測手段所識別出的次表層SCVs

2.1 OKUBO-WEISS參數(shù)識別法

OKUBO-WEISS參數(shù)識別法[17-18]在中尺度渦旋自動探測中應(yīng)用最為廣泛,可以應(yīng)用到海洋次表層SCVs的識別中。OKUBO-WEISS參數(shù)識別法是利用速度場資料,通過識別旋轉(zhuǎn)特征量(W)來表征渦旋的存在,W定義為

(3)

2.2 最小位渦識別法

利用觀測的剖面水文數(shù)據(jù),例如由大量Argo浮標(biāo)測量的垂直溫鹽剖面計算厄特爾位渦(或稱為廣義位渦)q的極小值為渦旋中心,q的計算公式如下:

(4)

由于海洋中通常滿足f?ξ,在缺乏速度場數(shù)據(jù)的情形下,可以忽略相對渦度的計算,公式(4)簡化成尋找垂向均勻水團來識別次表層SCVs,但這種方法缺乏水平方向信息,無法獲知水平尺度,難以捕捉次表層SCVs的完整生命過程,因此該方法多用于合成分析。最小位渦識別法也可以使用浮標(biāo)陣列、走航、滑翔機等具有較高水平分辨率的觀測數(shù)據(jù)來計算相對渦度,但通常也僅能捕捉到個別渦旋,且觀測的成本非常高。

2.3 流速特征識別法

次表層SCVs的流場內(nèi)部有一個流速最大值。在已獲知水團異常、低位渦的前提下,在缺少直接的測流資料時,可以采用溫度和鹽度剖面資料計算兩個相鄰剖面之間的動力高度差,從而獲取地轉(zhuǎn)流速的估計值。局地的水平速度異常,可以通過計算次表層SCVs剖面和氣候態(tài)剖面資料的動力高度異常H′(z)獲得,計算公式如下:

(5)

式中:z為深度,p為壓強,pz表示深度為z處的壓強,pref為參考壓強,ρcast為觀測密度值,ρclim為氣候態(tài)密度值。首先根據(jù)次表層SCVs的特性,從溫、鹽觀測資料中確定次表層SCVs垂直范圍,再尋找是否存在動力高度異常或地轉(zhuǎn)流函數(shù)最大值,則可確定次表層SCVs是否存在[19]。

在次表層SCVs識別分析中,通常是綜合應(yīng)用上述三種方法進行相互驗證。由于現(xiàn)場觀測資料在空間分布和時間連續(xù)性方面都存在不足,對于全面認識次表層SCVs的三維結(jié)構(gòu)和演化過程是困難的。隨著海洋數(shù)值模擬水平的提高,特別是同化技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者采用模式再分析數(shù)據(jù)來研究和認識次表層SCVs。再分析數(shù)據(jù)具有完整的、長時間序列的三維物理場,可聯(lián)合上述三種方法對次表層SCVs進行識別,且能在渦旋的整個生命期進行追蹤,也可以捕捉一定區(qū)域內(nèi)的大量渦旋,還可深入開展機制研究。但當(dāng)前模式數(shù)據(jù)只能分辨較大的渦旋,模式數(shù)據(jù)是否能真實再現(xiàn)海洋狀態(tài)也是需要考慮的問題。筆者使用Bluelink再分析(BRAN2020)數(shù)據(jù),在黑潮延伸體區(qū)域探測次表層SCVs,結(jié)果顯示2013年2月11日,在157.0°—159.5°E,37.0°—39.5°N,300～600 m深度范圍存在一個低鹽且?guī)缀蹙鶆虻乃畧F,在該水團位置深度,位勢溫度和位勢密度圖上都展現(xiàn)出透鏡狀結(jié)構(gòu)(圖2)。進一步從三維位勢溫度和鹽度結(jié)構(gòu)(圖3)可以看出,在表層(10 m水深處)無渦旋結(jié)構(gòu)出現(xiàn),200 m水深處能看到明顯的渦旋結(jié)構(gòu),隨著水深增大渦旋有加強的趨勢,到了500 m水深,渦旋的直徑超過165 km。渦旋垂直影響深度超過900 m。

圖2 再分析數(shù)據(jù)探測到的黑潮延伸體區(qū)域次表層SCVs結(jié)構(gòu)

圖3 應(yīng)用再分析數(shù)據(jù)探測到的黑潮延伸體區(qū)次表層SCVs的三維結(jié)構(gòu)

3 次表層SCVs的分類及分布

3.1 次表層SCVs的分類

在某些特定區(qū)域,海洋學(xué)家對海洋次表層SCVs賦予了特殊的名稱,例如溫躍層內(nèi)渦旋(intrathermocline eddies,ITEs)[20]、溫躍層下渦旋(subthermocline eddies,STEs)[6],模態(tài)水渦旋[21]等。表1列出了當(dāng)前一些特殊海域發(fā)現(xiàn)的具有獨特名稱的次表層SCVs。

表1 在全球觀測發(fā)現(xiàn)的典型次表層SCVs

3.1.1 溫躍層內(nèi)渦旋

溫躍層內(nèi)渦旋(ITEs)由DUGAN et al[20]1982年首先觀測提出,后來被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于世界大洋中。它由溫躍層內(nèi)的均勻水團構(gòu)成,呈透鏡狀,直徑為10～100 km;熱鹽性質(zhì)與周圍環(huán)境差異很大,通常是反氣旋結(jié)構(gòu),速度場呈現(xiàn)圓周對稱性且最大流速出現(xiàn)在渦旋內(nèi)部[22]。ITEs通過平流遠離其生成區(qū)域,它的壽命較長,且在整個生命期保留生成區(qū)域的水文特性。ITEs通常具有相當(dāng)或大于內(nèi)部羅斯貝變形半徑的水平范圍[21]。ITEs通常是孤立渦旋,偶見它們嵌入或被困在較大尺度的渦旋內(nèi)部,THOMAS[22]在墨西哥灣觀測到這一現(xiàn)象(圖4)。

圖4 在墨西哥灣海域發(fā)現(xiàn)的3個溫躍層內(nèi)渦旋(ITE01、ITE02、ITE03)[27]

3.1.2 溫躍層下渦旋

溫躍層下渦旋是位于永久溫躍層之下,具有均勻水體屬性,呈反氣旋透鏡結(jié)構(gòu)的另一類特殊海洋渦旋,它的反氣旋性渦度和弱層結(jié)的特點使其核心的位渦呈現(xiàn)為低值。STEs的水平尺度通常在10 km量級,小于第一斜壓變形半徑,其信號在海洋表面基本不可見。在全球的許多海域都觀測到了溫躍層下渦旋,根據(jù)不同的生成區(qū)域和水團特征,STEs又可以分為地中海渦旋(Mediterranean eddies,Meddies)[29],加利福尼亞潛流渦旋(California undercurrenteddies,Cuddies)[37],黑潮延伸體渦旋(Kuroshio extension intermediate-layer eddies, Kiddies)[6]等。

3.1.2.1 地中海渦旋

1978年MCDOWELL et al[29]在西北大西洋巴哈馬海域的溫躍層下觀測到水體結(jié)構(gòu)具有地中海中層水特性的透鏡體,他們命名這種特殊透鏡體為“Meddies”。Meddies的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們極大的興趣。Meddies早期出現(xiàn)在北大西洋,為密集的、高鹽、弱分層的地中海海水斑片,并呈反氣旋式旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)速度可達30 cm/s。隨后從源地移動超過6 000 km進入東大西洋,并依然保持水體性質(zhì)不變。在東大西洋因其顯著的溫度、鹽度和速度異常而被觀測到,Meddies的溫度異?？蛇_到1.4 ℃[30]。Meddies的生成和西向傳播對大西洋的熱鹽通量分布有重要影響。

1994—1995年在地中海西北部,1997—1998年在阿爾及利亞海盆(地中海南部海盆)開展了兩個大型漂流浮標(biāo)觀測實驗,分別揭示了SCVs在西地中海北部和南部的存在,半徑均約為5 km,壽命均超過1年。RICHARDSON et al[30]用浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計出90%的Meddies的平均壽命約為1.7年,最終與海山相互作用而消亡。實驗首次揭示了在利翁港海灣(Gulf of Lion)內(nèi)生成的深對流水可以通過Meddies傳播到遠離生成區(qū)數(shù)百公里的區(qū)域[20],表明Meddies對地中海西部大范圍的熱鹽環(huán)流和深層通風(fēng)過程有重要作用[21]。DRILLET et al[51]使用模式實驗再現(xiàn)了Meddies的主要特征。BARBOSA et al[31]分析了長達20年的高分辨率模擬地中海的模型輸出結(jié)果,并跟蹤了大量Meddies的生命史。2006年首次在地中海西北部部署了滑翔機[3],BOSSE et al[3]從滑翔機的連續(xù)觀測中發(fā)現(xiàn)了利古里亞海小尺度次表層SCVs的存在(圖5)。他們觀測到異常暖而咸的溫躍層下渦旋的生命史遠大于兩個月,揭示了特殊的次表層SCVs運輸對該海域的物理性質(zhì)有顯著的影響,它們可能對地中海中層水的擴散和利翁港的深對流有重要作用,從而有利于冬季垂直混合。2016年BOSSE et al[32]揭示了西北地中海深對流產(chǎn)生的氣旋式SCVs可以存活到下一個冬季,對混合層的加深產(chǎn)生重大影響,通過擴散作用,對深層水生成的貢獻達30%。BOSSEet al[33]描述了冬季地中海西北部發(fā)生對流事件后生成的SCVs,由于強烈旋轉(zhuǎn)設(shè)置了渦旋內(nèi)外水交換的屏障,渦旋內(nèi)初級生產(chǎn)力高于渦旋外,證明了SCVs對營養(yǎng)鹽分布和浮游植物群落的重要影響。

圖5 水下滑翔機觀測在地中海海域發(fā)現(xiàn)的溫躍層下渦旋[3]

3.1.2.2 加利福尼亞潛流渦旋

在北太平洋東部也發(fā)現(xiàn)了位于溫躍層之下的溫暖、高鹽、呈透鏡狀的反氣旋式低位渦水團,因為它們起源于加利福尼亞州,存在于加利福尼亞潛流內(nèi),因此被稱為“Cuddies”[37]。北美西海岸的近海和夏威夷海都觀測到過Cuddies。Cuddies與Meddies相似,只是位置相對較淺,也不如Meddies強大。

3.1.2.3 黑潮延伸體渦旋

2014年,ZHANG et al[42]在副熱帶西北太平洋上利用Argo浮標(biāo)觀測到冷核和暖核兩種結(jié)構(gòu)的STEs,LI et al[6]利用Argo溫鹽資料對黑潮延伸體區(qū)域的冷核STEs進行了特征和時空變化分析,并建議將黑潮延伸體附近的STEs命名為“Kiddies”。

其他出現(xiàn)在次表層的SCVs,包括北冰洋的拉布拉多海流渦旋[50]、波弗特海渦旋[48]、紅海的溢出水產(chǎn)生的渦旋[5]、秘魯-智利潛流渦旋[10]、在南太平洋副熱帶發(fā)現(xiàn)的赤道13 ℃渦旋[15]都與STEs非常相似,此處不再贅述。

3.1.3 模態(tài)水渦旋

還有一部分次表層SCVs與模態(tài)水有關(guān),稱作模態(tài)水渦旋。ZHANG et al[21]提出了模態(tài)水渦旋的垂直結(jié)構(gòu)類似“三明治”(圖6),模態(tài)水被夾在兩層明顯不同性質(zhì)的水團中間。MCGILLICUDDY et al[34]在大西洋西北部觀測到模態(tài)水渦旋,其特殊的次表層等密度面的透鏡狀結(jié)構(gòu),有利于營養(yǎng)物質(zhì)向真光層輸送,極大地促進初級生產(chǎn)力和深海碳源輸送。WEN et al[38]研究了冬季渦旋對北太平洋次表層低位渦水團的影響,發(fā)現(xiàn)冬季渦旋通過改變湍流熱通量影響低位渦水體的生成,是模態(tài)水渦旋的生成機制。許麗曉 等[52]系統(tǒng)總結(jié)分析了有關(guān)模態(tài)水潛沉和輸運的主要研究成果,認為海洋次中尺度過程對模態(tài)水的生成和耗散具有重要影響。

圖6 次表層模態(tài)水渦旋捕獲流體的示意圖[21]

3.2 次表層SCVs的分布

在全球多個海域均有次表層SCVs的相關(guān)報道。MCCOY et al[19]基于全球Argo浮標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)對次表層SCVs進行了識別,并分區(qū)域?qū)Υ伪韺覵CVs進行了統(tǒng)計分析,結(jié)果揭示了東邊界上升流系統(tǒng)、邊緣海溢流和外海鋒面模態(tài)水生成區(qū)是次表層SCVs生成的重要位置(圖7)。本文將以MCCOY et al[19]的工作為基礎(chǔ),按照各大洋分別闡述已發(fā)現(xiàn)的次表層SCVs的分布情況。

圖7 1997年8月—2020年1月基于Argo浮標(biāo)識別出的所有次表層SCVs的分布[19]

在大西洋中最著名的次表層SCVs是生成于地中海出?？诘腗eddies,它們將高鹽的地中海海水傳輸?shù)礁睙釒Т笪餮蟆?013年,BARBOSA et al[31]利用20多年的高分辨率數(shù)值模擬數(shù)據(jù),分析了地中海Meddies的生成、傳播,并跟蹤、記錄了渦旋的生命史。研究發(fā)現(xiàn)Meddies的生成是循環(huán)往復(fù)的,寬廣的生成區(qū)域使它們的結(jié)構(gòu)可以自由演化。大量研究結(jié)果表明最長壽的Meddies向西北方向傳播,但大部分反氣旋在一段時間后轉(zhuǎn)向西南,其半徑隨著遠離生成地有逐漸增大的趨勢。在北大西洋東部,PIETRI et al[12]通過系泊和滑翔機兩種觀測平臺在東邊界上升流區(qū)的潛流中發(fā)現(xiàn)了一個具有極低位勢渦度和均勻溫鹽性質(zhì)的孤立水團,從而揭示了渦旋的結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)渦旋內(nèi)部和周圍的生產(chǎn)力均很高。2018年,MEUNIER et al[27]在墨西哥灣用自主水下滑翔機觀測到了尺度較小的溫躍層內(nèi)渦旋,這些小渦旋位于一個大的反氣旋渦下面,溫躍層內(nèi)渦旋的核心和周圍渦旋的溫鹽性質(zhì)相似,表明這些溫躍層內(nèi)渦旋可能生成于強烈混合事件后的羅斯貝調(diào)整過程。2019年,GULA et al[28]利用地震反射數(shù)據(jù)和滑翔機剖面數(shù)據(jù)在美國東海岸墨西哥灣流鋒面附近捕捉到次表層SCVs,并利用海洋區(qū)域模式對墨西哥灣流區(qū)域進行高分辨模擬,再現(xiàn)了與觀測結(jié)果相一致的次表層SCVs,其產(chǎn)生機制為墨西哥灣流與查爾斯頓隆起地形的相互作用。

在太平洋加利福尼亞流系統(tǒng)中,加利福尼亞潛流內(nèi)部產(chǎn)生的次表層SCVs是加利福尼亞溫暖、高鹽水水平輸送的重要動力機制之一,在近海加利福尼亞潛流水的輸運中占相當(dāng)大的比例。在南太平洋副熱帶回流的東北部發(fā)現(xiàn)了具有弱分層的反氣旋次表層SCVs,水體屬性與赤道海域的低溫、高鹽水體相似,它們很可能來自于東邊界的向極地流動的潛流[30]。赤道西太平洋棉蘭老流區(qū)域也多次觀測到次表層SCVs[43,46-47],該區(qū)域內(nèi)的大部分次表層SCVs可能起源于赤道南太平洋以西[44-45]。在黑潮延伸體區(qū)域也多次觀測到次表層SCVs[40-42],渦核內(nèi)部的溫鹽性質(zhì)表明它們可能起源于日本南部的亞北極鋒和黑潮上游[53]。GORDON et al[36]在日本海中觀測到存在直徑約100 km,深度約 100 m 的溫躍層內(nèi)渦旋。HOGAN et al[39]利用 HYCOM 模擬數(shù)據(jù)研究了日本海的溫躍層內(nèi)渦旋和生成機制。

現(xiàn)場觀測到的次表層SCVs,大都是反氣旋結(jié)構(gòu), 也存在少量的氣旋結(jié)構(gòu)。MAREZ et al[26]在阿拉伯海觀測到具有大羅斯貝數(shù)的強氣旋性次表層SCVs,它們生成于亞丁灣口,裹挾高鹽的紅海海水向阿拉伯海輸送。2001年,在馬達加斯加?xùn)|南部200 m水深處觀測到兩個高鹽、高氧中心的溫躍層內(nèi)渦旋,它們的水文性質(zhì)與周圍溫躍層水有明顯的區(qū)別,生成于遙遠的亞熱帶南印度洋區(qū)域[24]。2015年,VIC et al[25]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,分析了波斯灣水團平流到阿曼灣海域的機制,揭示了流-地形相互作用導(dǎo)致的次表層SCVs是輸運波斯灣水體到阿曼灣的主要原因。

格陵蘭海是早期在高緯度觀測到次表層SCVs的地區(qū)之一,在永久性密躍層下方可以明顯看到核心水團的異常,化學(xué)示蹤劑確定了渦旋的水體來源[54]。格陵蘭海次表層SCVs的一個顯著特征是它們的垂直延伸范圍很大,能達到2 500 m,研究者認為它與深對流相關(guān),可以向深海輸送表層水。2001年,LILLY et al[50]從長期錨碇陣列數(shù)據(jù)觀測到拉布拉多海的次表層SCVs,其溫鹽特性表明它們是拉布拉多海內(nèi)部冬季深對流的產(chǎn)物。

4 次表層SCVs的影響

4.1 水體運輸?shù)闹匾緩?/h3>

次表層SCVs的物理和生物化學(xué)示蹤物特征(例如鹽度和溶解氧)與周圍水體存在顯著差異,表明它們起源于外來水團,對水團起到了輸運作用。次表層SCVs自身的旋轉(zhuǎn)特性建立起與外界的輸運壁壘,大大減少了其核心和周圍水體之間的側(cè)向交換[55]。次表層SCVs的生命期可長達數(shù)年,能有效地輸運營養(yǎng)物質(zhì)和其他水體屬性到距離其生成海域數(shù)千千米的海域, 這些渦旋在海盆尺度上重新分配水團,對于海洋熱、鹽和化學(xué)示蹤物在海洋的分布有非常重要的影響。著名的地中海渦旋,穩(wěn)定地存在于1 000 m左右深度,它向大西洋輸送地中海高鹽水,可以占地中海出流輸運量的40%左右[7]。PELLAND et al[4]估算出加州潛流中高達44%的熱量和鹽分損失是次表層SCVs造成的。西北太平洋廣泛存在的次表層SCVs具有很強的非線性,能夠裹挾源地的水體運動,從而影響中層水的物質(zhì)、能量交換[56]。顯然,與連續(xù)運動的海流相比,次表層SCVs這種水體輸運具有更加離散化的特征,水團性質(zhì)在生成和運輸過程中基本上保持在次表層SCVs內(nèi),僅與周圍環(huán)境發(fā)生微弱的交換。

4.2 對海洋環(huán)流的影響

20世紀90年代,科學(xué)家通過拉格朗日浮標(biāo)揭示了次表層SCVs在深層水生成過程中扮演了重要的角色[49-50,57-58]。在格陵蘭海[49]、拉布拉多海[50]和地中海西部[57-58]長期存在次表層SCVs。GASCARD et al[49]認為格陵蘭海次表層SCVs可能是另一種深對流模式。在北冰洋西部的波弗特海,次表層SCVs的分布覆蓋了20%～30%的海域[48],這意味著從太平洋到北極的水體輸運主要是通過次表層SCVs進行的。從加利福尼亞潛流流出的次表層Cuddies[59]或從秘魯-智利潛流[13,15]流出的溫躍層內(nèi)渦旋均將異常咸、暖、貧氧和富營養(yǎng)鹽的水從海岸裹挾走,輸運至副熱帶環(huán)流內(nèi)部,從而改變其性質(zhì)。2016年,BOSSE et al[32]通過滑翔機等手段在地中海西北部進行了大量的現(xiàn)場觀測,揭示了次表層SCVs對于大量新生成的深層水的擴散發(fā)揮著重要作用,此處的次表層SCVs可以存活到下一個冬季,因此它們可能是加深混合層的重要機制。

4.3 對生態(tài)環(huán)境的影響

次表層SCVs與周圍水域的隔離為其提供了一種不同于當(dāng)?shù)厮臈l件的生物化學(xué)環(huán)境,渦旋內(nèi)的生態(tài)過程及特征與當(dāng)?shù)仫@著不同。東邊界上升流區(qū)的低氧次表層SCVs已被證明是固態(tài)氮損失[60]和生成一氧化二氮[12,61]的熱點區(qū)域。LUKAS et al[14]在夏威夷群島北部探測到一種半徑至少為15 km的次表層SCVs,整個渦旋核心的溶解氧幾乎全被耗盡。LEHAHN et al[62]發(fā)現(xiàn)次表層SCVs會影響營養(yǎng)物質(zhì)、浮游植物和浮游動物幼蟲的側(cè)向和垂向運輸。SCHüTTE et al[35]發(fā)現(xiàn)存在于熱帶北大西洋東部外海的低氧“死亡區(qū)”與次表層SCVs的動力過程有關(guān)。“死亡區(qū)”范圍從東邊界大陸架延伸到38°W,南北跨度為4°N—22°N,在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)數(shù)量驚人的低氧、低鹽次表層SCVs。由流向北極方向的東邊界潛流的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的這些SCVs,向西傳播至副熱帶環(huán)流內(nèi)部,形成了罕見的極端低氧事件。缺氧條件有利于反硝化作用和厭氧代謝生物群落的繁衍。

4.4 對聲傳播的影響

海洋鋒、中尺度渦、內(nèi)波等中尺度海洋現(xiàn)象會造成海洋水文環(huán)境在時空上顯著非均勻分布,使海下聲場特性復(fù)雜多變,難以預(yù)測[63-64]。特別是次表層SCVs,它的表層信號很弱甚至幾乎沒有,但它的出現(xiàn)會造成海洋內(nèi)部水文特性的改變,擾動水下聲場,這將對聲吶探測、潛艇作戰(zhàn)等產(chǎn)生巨大影響。鑒于不同類型、不同季節(jié)次表層SCVs的不規(guī)則性和多樣性,目前很難將不同海區(qū)、不同類型次表層SCVs影響下的聲傳播效應(yīng)進行歸納和分類。隨著多種海洋觀測資料的不斷發(fā)展,對次表層SCVs生成機制研究探索,將進一步加深我們對次表層SCVs對聲傳播影響的理解。

5 次表層SCVs生成機制

對次表層SCVs的生消機制及其影響的認識還不完整,特別是次表層SCVs產(chǎn)生的動力機制及其作用。當(dāng)前有關(guān)次表層SCVs的生成機制主要有以下幾種:次表層潛流導(dǎo)致的斜壓不穩(wěn)定[56,65]、模態(tài)水的生成[22,52]、底部摩擦或者內(nèi)波破碎導(dǎo)致的跨密度面混合誘導(dǎo)[11-12]、海岬附近的側(cè)向摩擦效應(yīng)等[48,66]。

次表層SCVs的生成必須滿足兩個條件:一是必須要有低位渦水團的來源;二是低位渦水團以間斷的方式生成,這樣可使得低位渦水團在空間上與周圍水體隔離。低位渦水團的生成是次表層SCVs產(chǎn)生的核心,因此從理論上探討次表層SCVs的生成機制可以從位渦方程入手。位渦方程如下:

(6)

絕對渦度方向的浮力梯度強迫將在絕對渦度方向產(chǎn)生層化,從而改變位渦,等密度面上的摩擦力矩也會改變位渦。根據(jù)方程(6),海洋中的斑片狀跨密度混合事件通過地轉(zhuǎn)調(diào)整過程可生成次表層SCVs[7],在這個機制中,非絕熱過程改變了流體的位渦。作用于海底部邊界流的阻力產(chǎn)生的摩擦力矩可以驅(qū)動次表層SCVs的生成,在海洋上層鋒面區(qū),沿鋒方向的風(fēng)所施加的摩擦力降低了鋒面露頭面邊界內(nèi)的位渦,這也為次表層SCVs的低位渦水提供了來源[22]。低位渦水沿著鋒面露頭俯沖到分層內(nèi)部時產(chǎn)生次表層SCVs,在俯沖過程中,由于位渦守恒和渦旋擠壓,導(dǎo)致生成了反氣旋環(huán)流[67]。

5.1 鋒面區(qū)模態(tài)水的俯沖

當(dāng)水平尺度為數(shù)百千米、水平流速遠大于平均流速的海洋中尺度渦旋向西運動,經(jīng)過混合層深度鋒區(qū)(混合層深度的水平梯度最大值區(qū))時,反氣旋渦的東側(cè)存在自北向南的流可能將深混合層里的水輸運到淺混合層下的溫躍層,生成模態(tài)水[52]。在冬季混合層中,溫躍層在洋面上露頭,模態(tài)水俯沖到溫躍層時,并不總是能進入內(nèi)部混合,有時會生成孤立的透鏡結(jié)構(gòu)(圖8)。這些透鏡體的特征是其水文性質(zhì)在垂向上均勻嵌在溫躍層上層,因此被命名為“溫躍層內(nèi)渦旋”。例如,日本海的溫躍層內(nèi)渦旋[35]表現(xiàn)為反氣旋式旋轉(zhuǎn),位于溫躍層上層200 m處,水平和垂向范圍分別為100 km和150 km,是由冬季混合層水沿副極地鋒南邊緣的鋒面匯聚和俯沖生成的。

圖8 鋒面區(qū)模態(tài)水俯沖生成次表層SCVs示意圖[52]

5.2 海流與地形相互作用

灣流、邊界流遇到海底凸起或大陸斜坡,由于地形尾跡中的摩擦效應(yīng)和強烈混合生成渦流[35],這些次表層SCVs可以遠距離輸送深混合層底部的水(圖9),它們對熱量和鹽度分布的凈影響還有待量化。地中海、紅海溢流渦旋產(chǎn)生的機制是出流水流經(jīng)海峽或岬角時,強烈的渦流從主流中分離出來,并擴散到海洋內(nèi)部。例如,地中海出流水在遇到伊比利亞半島沿岸地形時,分離出大量反氣旋渦,這些地中海渦旋向西南方向和正西方向擴散然后進入北大西洋,保持其高鹽特性長達數(shù)年時間,它們將大量的高鹽水帶入北大西洋[31]。紅海出流水亦是全球高鹽度水的來源之一,高鹽度、高密度的紅海出流水俯沖流過海峽時會發(fā)生強烈的混合。波斯灣水團的擴散與地中海水團向外擴散的機制有所不同,阿拉伯?；钴S的中尺度渦旋傳播到阿曼灣,與地形相互作用,產(chǎn)生的次表層SCVs捕獲波斯灣水團,在阿曼灣進行重新分配[25]。最近的高分辨率模擬表明,如果流沿開爾文波傳播方向流動,則位勢渦度在邊界層減小,觸發(fā)離心失穩(wěn),可能生成反氣旋次表層SCVs;如果流朝著與開爾文波相反的方向流動,產(chǎn)生正位勢渦度,觸發(fā)水平剪切失穩(wěn),可能生成氣旋式次表層SCVs[66,68-69]。流場與復(fù)雜的地形作用可以直接將能量傳遞給次表層SCVs,或者通過背風(fēng)波和邊界層陷波產(chǎn)生次表層SCVs[70]。

圖9 海流流過海底地形通過摩擦力矩作用生成次表層SCVs示意圖

由于地形阻力在向極流中產(chǎn)生長壽的反氣旋渦在東邊界流中很常見。東邊界上升流系統(tǒng)中的次表層流通過海角或海岬附近,流與地形產(chǎn)生側(cè)向摩擦剪切,經(jīng)歷次表層的流動分離,隨之產(chǎn)生次中尺度不穩(wěn)定并卷入次表層SCVs[51,66]。

5.3 海洋表層的再層化

HOGAN et al[39]應(yīng)用海洋模式闡明了日本海上層海洋水柱的再分層是溫躍層內(nèi)渦旋的主要生成機制。3月份,日本海受到冷空氣影響,副極鋒以南的混合層加深,這種深度混合導(dǎo)致渦旋的去層化,使得表層到溫躍層內(nèi)部的渦旋水團性質(zhì)均勻。同時,相對低溫高鹽的水通過對馬海峽進入日本海,隨著混合等密度線下沉。5月份開始,表層熱量增加,次表層SCVs頂部凸起結(jié)構(gòu)初步發(fā)展。7月份,表層高溫低鹽的水流入,熱通量持續(xù)增加,上層水柱重新分層,發(fā)展成凸起的ITEs頂部結(jié)構(gòu)。9—11月層結(jié)性最強,溫躍層內(nèi)渦旋的表層被高溫低鹽水覆蓋,高溫高鹽水向溫躍層內(nèi)渦旋內(nèi)部輸送,溫躍層內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)生成。到了1月份,低溫低鹽水輸入,俯沖作用垂向混合破壞了溫躍層內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論與展望

對海洋次表層SCVs的研究需要精細的觀測,并增加對單個渦旋的高分辨率采樣。但由于觀測成本高、難度大,很難獲得長期的連續(xù)高分辨率數(shù)據(jù)集,尤其對南大洋海區(qū)的次表層SCVs觀測基本處于空白。2020年,MCCOY et al[19]通過對全球海平面異常資料的分析、結(jié)合Argo數(shù)據(jù)資料,尋找次表層SCVs并統(tǒng)計了它們在全球的分布,但鑒于Argo數(shù)據(jù)在時空上的不均勻性,無法對次表層SCVs的發(fā)生進行系統(tǒng)性統(tǒng)計和評估。除了明顯受限于現(xiàn)場觀測資料的不足,對海洋次表層SCVs的研究還存在許多難題,建議今后從以下幾個方面開展次表層SCVs的研究。

1)不同極性次表層SCVs在全球大洋的分布。次表層SCVs主要是以反氣旋式結(jié)構(gòu)存在,隨著觀測增多,也有氣旋式次表層SCVs見諸報道。不同極性的次表層SCVs對水體的分布影響并不相同?；诖伪韺覵CVs對于海洋熱鹽環(huán)流、物質(zhì)輸送、生態(tài)環(huán)境、人類活動等的重要影響,有必要對不同海區(qū)、不同極性的次表層SCVs的分布特征進行全面的統(tǒng)計研究。如對黑潮延伸體中間層的不同極性渦旋特征以及它們對于黑潮的影響方面的研究。

2)次表層SCVs在各生命階段的特點和影響。對于次表層SCVs的生成機制已有一些研究,但對于其消亡的機制研究尚不足。由于次表層SCVs具有保守性、長壽命的特點,有必要對其各個生命階段的特點和影響展開詳細深入的研究,從而加深次表層SCVs對海洋環(huán)境影響的認識。

3)學(xué)科交叉研究。研究者經(jīng)常通過一些生物示蹤物(例如葉綠素)來研究海洋渦旋。相反,也可以通過微生物生態(tài)過程與海洋渦旋動力過程的結(jié)合來研究海洋生物群落特征及其動態(tài)發(fā)展以及次表層SCVs的特征對于海洋生境的影響。這些微小過程可以通過逐級生物鏈發(fā)展成對高級捕食者生存的適應(yīng)影響,直至影響人類生活。渦旋對于海洋生產(chǎn)力具有重要影響,是否可以發(fā)展物理-生物耦合模型來模擬和預(yù)測這些影響,從而實現(xiàn)漁情的準確預(yù)報?不僅如此,渦旋對于海洋沉積過程將產(chǎn)生怎樣的影響?對于海洋化學(xué)過程又將產(chǎn)生怎樣的影響?這些科學(xué)問題都有待進行學(xué)科交叉研究進行解決。

隨著觀測技術(shù)的進步,高分辨率觀測資料和高質(zhì)量模式資料的運用,上述問題會逐一得到解答,從而加強人們對海洋的認識和理解。