马里亚纳海沟东西两侧海域中尺度涡的海面高度计观测研究

李熙泰，张钟哲，王喜风

(大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连116023)

海洋中尺度涡是指时间尺度在数天到数月之间、空间尺度在直径数十到数百千米的涡旋。它们广泛存在于海洋各处，相当于大气的风暴系统，所以也称为天气尺度涡旋。这些涡旋中，既有气旋式冷涡，也有反气旋式暖涡，且涡旋中的流速也较大，垂直向下的伸展可及整个水柱。中尺度涡的能量很大，在海洋能量谱中是一个明显的峰区［1］，能量可以比平均流高出一个量级或者更大，对海洋动力学的影响极大。20世纪90年代以前，由于受到观测手段的限制，对中尺度涡的研究主要基于现场观测，所以对涡旋的形成、传播、消失过程不甚明了。近年来，随着卫星遥感技术的发展，对中尺度涡的研究提升到新的高度。卫星遥感可提供大覆盖、准同步、长时间序列的海洋观测数据，而这些数据都适合用于海洋中尺度现象的研究，卫星遥感数据为中尺度涡的研究提供了丰富的资料。

国内外基于现场观测及卫星遥感数据的中尺度涡研究有很多报道，如对台湾西南海域的中尺度强涡的季节变化［2］，黑潮延伸区中尺度涡的强度规律［3-4］，吕宋海峡两侧中尺度涡的形成、西移、消散规律［5］，北太平洋副热带环流涡动能的季节变化及中尺度涡的西向传播速度［6-10］，中尺度涡对日本海及东海的影响［11］等。很多研究发现，黑潮延伸区海域和副热带逆流区是中尺度涡形成较多的海域。但是，迄今为止的研究主要集中在西边界及中纬度海域［2-5，8，12-14］。程旭华等［15］研究发现，在北纬22°和35°存在两条涡带，而且有学者［6-9］对涡带及附近海域的涡旋进行了研究。本研究中，作者使用2001—2006年的卫星海面高度计数据对涡带内中尺度涡的传播过程及其强度变化进行了研究。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域

本研究中选取15° ～25°N、120° ～160°E 的低纬度海域作为研究空间范围，使用从2001—2006年的卫星海面高度计数据和现场观测水温数据，来研究该海域中尺度涡的传播特性及其强度变化特征。图1 为研究海域及其地形图，研究区域的西侧为台湾岛以及菲律宾群岛，东侧有强西边界流黑潮流过。沿着东经143°经线有北马里亚纳群岛，在其东侧有世界上最深的海沟——马里亚纳海沟。

图1 研究海域及海底地形Fig.1 The area and topography in the study

1.2 数据来源

1.2.1 海面高度距平 本研究中使用的2001—2006年卫星海面高度计数据，是由美国宇航局(NASA)的Goddard Space Flight Center和Ssalto/Duacs(Jason-1 数据;AVISO，2004)卫星发布的由TOPEX/POSEIDON(T/P)观测的海面高度距平(sea surface height anomalies)数据和由Jason -1 观测的延时更新海平面距平(delayed -time updated sea level anomalies)数据。这两颗卫星搭载的海面高度计观测的时间间隔均为9.92 d，在中纬度的轨道间距为300 km。参照Ichikawa［16］用最适内插法网格化的时间和空间分辩率，本研究中使用时间间隔为7 d、空间分辨率为1/4° ×1/4°的数据。

1.2.2 海表面水温 作为辅助数据，使用美国国家海洋学数据中心(NODC)提供的AVHRR(advanced very high resolution radiometer)Pathfinder version 5 的海表面温度数据(SST)，数据覆盖全球，空间分辨率为4 km，时间间隔为7 d。为了与海面高度计数据对应，选取了2001—2006年间的部分数据，以与海面高度计数据网格点相距最近的点的水温作为该网格点的水温。

1.3 数据处理

1.3.1 地转流场 首先对研究区域内的各数据去除全时段(2001—2006年)的平均值。然后，为了消除海面高度的季节性变动(热力学成分)，假定海面高度变化的季节性变动是正弦性的，选用离散傅立叶方法去除季节性的变动，得到海面高度距平的时间序列。利用海面高度距平计算地转流速的公式推导如下:

利用式(3)对式(1)、(2)作进一步的简化得到地转流速的计算公式为

其中:u 为地转流速的东西向分量;v 为地转流速的南北向分量;f 为科氏力;h 为海面高度距平;g为重力加速度。

1.3.2 均方根 一般用海面高度距平的均方根或涡动能的大小及空间分布来表征海洋中尺度涡变化的强弱。李燕初等［17］曾利用海面高度距平均方根的时空分布研究了南海东北部海域中尺度涡的季节和年际变化，本研究中参考其中尺度涡的研究方法，所使用的均方根公式为

1.3.3 中尺度涡的选取方法 中尺度涡在海面高度距平分布中可分为中心部海面高于周围的暖涡和中心部海面低于周围的冷涡，由地转流平衡可知，暖涡的旋转方向为顺时针，冷涡的旋转方向为逆时针。本研究中参考郭景松等［5］和程旭化等［14-15］的标准来识别中尺度涡，选取标准如下:1)在海面高度距平分布图中要有闭合的等值线;2)涡旋中心的水深要大于1 000 m;3)涡旋的直径大于150 km;4)涡旋的存在时间大于1 个月;5)将涡旋中20 cm(-20 cm)等值线的出现及消失定义为涡旋存在的初期与末期。

选取标准识别的原因基于以下几点:1)在海面高度距平分布图中，涡旋在形态上表现为一系列封闭的等值线;2)涡旋中心的等值线值与最外层等值线值的高度差和水平距离反映了涡旋的强度和水平尺度;3)在海面高度距平分布图中，可以很清晰地识别中尺度涡，但涡旋的形成期和消失期却很难分辨，所以把涡旋存在时期作为研究对象。

2 结果

2.1 中尺度涡的西向传播特性

本研究中将海面高度距平分为正异常(海面高度距平正值)及负异常(海面高度距平负值)。图2 为从2002年4月10日—2003年1月8日约9个月的海面高度距平分布中屏蔽了绝对值小于10 cm等值线的时间序列，相邻各图之间的时间间隔为14 d。从图2可以看出:起始时间涡旋A(正异常)的中心位置在北纬21.6°、东经151.7°处，直径为150 ～200 km，中心的海面高度距平值大于20 cm;涡旋A 持续了40 个周期约280 多天，最后中心位置移动到了北纬21.2°、东经131.8°处。在移动过程中，涡旋中心的海面高度距平的最大值为38 cm，南北向移动仅为0.4 个纬度(约40 km)，东西向移动则为20 个精度(约2 200 km)，涡旋A的西向传播速度大致可以由涡旋移动的距离除以涡旋持续的时间求出，得出涡旋A 的传播速度大约为9 cm/s。在北纬20°，第一斜压模式下Rossby 长波的传播速度大约为10 cm/s，因此涡旋A 的传播速度略小于Rossby 长波的传播速度。

图2 海面高度距平的时间序列Fig.2 The time series of the sea surface height anomaly

图3 典型涡旋A 存在期开始与结束时的地转流场Fig.3 The geostrophic velocity field of the typical eddy A beginning and ending

由海面高度距平分布，利用地转流速方程计算出最初和最后的表层地转流场(图3)，能更直观的看清涡旋中的流速。从图3 -a可以看出，涡旋A是顺时针旋转的反气旋涡旋，即暖涡，涡旋A内的最大流速为60 cm/s，而且涡旋中心的流速要小于涡旋的外层。从图3 -b可以看出，涡旋内的最大流速为40 cm/s，涡旋中心的流速为20 cm/s。中尺度涡的西向传播已经在理论上得到很好的解释，反气旋式涡旋和气旋式涡旋在β 效应下向西传播［18-19］。

另外，还选取了16 个涡旋，其中暖涡和冷涡各8 个。涡旋的传播距离由起始和终止位置的经度来确定，传播速度可以由涡旋传播距离除以涡旋的持续时间来算出［3］。经计算:冷涡的传播速度最小约为6 cm/s，最大约为13 cm/s，平均传播速度为9 cm/s;暖涡的传播速度最小约为9 cm/s，最大约为12 cm/s，平均传播速度约为10 cm/s。在统计涡旋传播过程时，发现在马里亚纳海沟以东形成的很多涡旋，强度较小时不能越过马里亚纳岛链，而强度较大的涡旋越过岛链向西传播，大部分涡旋在台湾以东的黑潮边界消散。

2.2 中尺度涡的面积变化

中尺度涡的暖涡，在海面高度距平图中表现为正值，中尺度涡冷涡表现为负值。由于整个研究区域的数据为分布均匀的1/4° ×1/4°的网格数据，所以涡旋内网格点的个数可以近似代表涡旋的面积。图4 为6年间的海面高度距平图中上述网格点的数量随时间的变化。

从图4可以清晰地看出，点线的峰值在6年的全时段上明显大于短横线的峰值，说明暖涡的面积大于冷涡的面积。而且大体可以看出，当点线的值较小时，短横线的值较大，表明暖涡与冷涡的面积是交替变化的。即暖涡面积较大时冷涡面积较小，反之亦然。暖涡面积的变化具有明显的季节性特征(本研究中定义1—3月为冬，4—6月为春，7—9月为夏，10—12月为秋)，在夏季达到最大值。冷涡的面积变化也具有季节性，最大值出现在冬春季，但是2004年情况比较特殊，冷涡面积的最大值出现在秋季。图4 中实线代表了海面高度距平的正异常和负异常的总和，代表整个研究区域中尺度涡的面积变化，可以看出，2004年的中尺度涡面积最大。2004年出现的特殊现象是否与当年发生的黑潮大弯曲有关，还有待进一步考证。

图4 海面高度距平网格点个数的时间序列Fig.4 The time series of the numbers of grid points by the sea surface height anomaly

2.3 中尺度涡强度变化的时间特征

为了进一步说明中尺度涡强度变化的时间特征，笔者计算了月际和年际的海面高度距平的均方根值。在计算过程中，将海面高度距平数据按月和年分段，计算出各网格点各时间段的均方根值，然后在整个研究区域内作空间平均，结果见图5。

从图5可见:在海面高度距平均方根的月际变化中，超过10 cm 的高值出现在5月份至9月份，其他月份则相对较低，说明春季和夏季的中尺度涡强度要大于秋季和冬季，并且在6月份强度最大，12月份最小;在海面高度距平均方根的年际变化中，中尺度涡强度在2004年出现最大值，在2001年出现最小值，这与图4 中的粗实线的变化相符，即中尺度涡的面积变化在某种程度上也可代表其强度变化。

图5 海面高度距平均方根值的月变化和年变化Fig.5 The monthly and annual variation in the RMS of the sea surface height anomaly

2.4 中尺度涡强度变化的季节特征

为了分析中尺度涡强度变化的季节特征，首先将各网格点的海面高度距平数据按季节范围作平均，然后再将6年间的季节平均数据再按4 个季节作平均，求出各季节的平均值。从图6可以看出:春季16 cm 以上的均方根高值区主要分布在台湾岛的东侧、马里亚纳海沟附近及其东侧;夏季台湾岛东侧的高值区向南延伸，马里亚纳海沟附近及其东侧的高值区消失，并且夏季高值区的幅值和面积，即中尺度涡的强度是四个季节中最大的;秋季高值区集中在东经131°以西，南边延伸到了菲律宾群岛东侧，但幅值较小，最高只有16 cm;冬季高值区主要在台湾岛与马利亚纳岛链之间，菲律宾群岛东侧的高值区消失。

除此之外，从图6 还可以看出，除了春季外，均方根的高值区大部分集中在马里亚纳岛链的西侧。在台湾岛和菲律宾群岛的东侧，海底地形为阶梯状分布，而海面高度距平均方根的分布也相应地呈现阶梯状分布，即深度越深，均方根值也越大。

图6 海面高度距平均方根值的季节变化Fig.6 The seasonal variation in the sea surface height anomaly RMS

3 讨论

图7 为6年间平均海面高度距平均方根的空间分布图。从全时段的海面高度距平均方根值的空间分布来看，中尺度涡高值区主要分布在台湾岛以东19°N 以北、140°E 以西海域。图中有两个均方根值大于18 cm 的最高值区，形成涡旋状结构，中心位置分别在(23.5°N、125.5°E)附近和(22°N、135°E)附近。总的来说，马里亚纳岛链东侧的均方根值小于西侧的均方根值。可以认为，本研究中中尺度涡主要形成于岛链以东，然后向西传播，中尺度涡的能量也由东向西传播到西侧，并汇集形成中尺度涡能量集聚区。

图7 海面高度距平均方根的空间分布Fig.7 The spatial distribution of the sea surface height anomaly RMS

将20° ～25°N、120° ～140°E 的海域作为中尺度涡能量集聚区，比较6年间能量集聚区与整个研究海域的海表面平均水温(图8)，结果表明，能量集聚区的海表面平均水温与整个研究海域的峰值相差不大，但是振幅较大。

图8 海面水温的时间序列Fig.8 The time series of sea surface temperature

4 小结

本研究中通过对2001—2006年的高度计数据进行分析，研究了马里亚纳海沟东西两侧中尺度涡的传播特性和强度变化，得到如下结论:

1)中尺度涡的西向传播特性得到了验证，其传播速度与第一斜压模式下Rossby 长波的传播速度基本一致。

2)从中尺度涡的面积变化来看，6年间暖涡的强度大于冷涡的强度，并且冷涡和暖涡的强度交替变换。

3)从海面高度距平的均方根值来看，中尺度涡的强度有季节和年际变化特征。

4)中尺度涡强度的高值区主要分布在台湾岛和菲律宾群岛的东侧海域，其空间分布随季节发生变化，有与海底地形相应的阶梯状分布。

5)从全时段中尺度涡强度的空间分布来看，在台湾岛的东侧海域形成能量集聚区。

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