李志超，郭俊如，宋 军*，白志鹏，富砚昭，蔡 宇，王喜风
(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；
2.大连海洋大学 应用海洋学研究所，辽宁 大连 116023；
3.61741部队，北京 100094)
海洋中的中尺度涡一般指的是具有几十天至几百天的生命周期、直径达到几十甚至几百公里的海洋涡旋[1-2]，出现较为频繁，具有较强的非线性特征[3]。它不仅对海洋中的物质和能量的输运起着重要作用，还对海水的垂直混合、海洋生产力以及海洋的生物化学过程等皆有较大的影响[1, 4-5]。
东海是我国三大边缘海之一，北与黄海相接，南经台湾海峡与南海北部相连，西邻中国大陆，东被日本九州岛、琉球群岛围绕[6]。黑潮起源于菲律宾以东海域，经吕宋海峡，从中国台湾以东进入东海，具有流速高、流量大、高温和高盐等特点[7-8]。东海黑潮指的是黑潮在东海中流经的部分，复杂的水温特征以及海水动力环境造成东海黑潮路径沿线海域经常出现大量涡旋[9-10]，这些涡旋在黑潮-东海陆架之间的水交换和动力学过程中起着非常重要的作用[11-13]。因此，研究东海黑潮周边涡旋是研究黑潮-东海陆架相互作用不可或缺的一部分。
基于1984年水文调查资料，郭炳火 等[14]发现了一个经常在东海黑潮南端、西侧出现的气旋涡。YUAN et al[15]采用三维海流诊断模式计算不同年份和季节东海黑潮的特征时发现，黑潮沿东北方向流向台湾东北海域时做气旋式弯曲, 并分成主流和一个分支,气旋式涡出现在它们之间。于洪华 等[16]通过分析中日黑潮调查获得的水文资料发现，彭佳屿以东黑潮进入东海时，在其东侧出现反气旋式暖涡。袁耀初 等[17]研究发现东海黑潮主轴在做反气旋弯曲通过吐噶喇海峡前会伴随出现一个反气旋涡。金宝刚[18]则利用卫星高度计数据揭示了台湾以东和台湾东北海域存在的偶极子环流结构，指出对应台湾以东的气旋涡(反气旋涡)会在台湾东北海域形成一个反气旋涡(气旋涡)。LIU et al[19]通过对Global drifter Program (GDP)数据集中探测到的海洋涡旋分析，发现沿陆坡稳定流动的东海黑潮海域的海洋涡旋分布不对称,气旋涡(反气旋涡)分布在黑潮的西(东)侧。
由于观测资料的限制，前人对东海黑潮周边海域涡旋研究主要运用单点式、单区域的方法，缺乏系统性、整体性的涡旋分布特征分析。另外，东海黑潮周边涡旋的形成机理、运动规律也需要进一步探究。为此，本文将东海黑潮周边涡旋分为黑潮弯曲海域和黑潮中段海域进行研究，重点讨论生命周期大于14 d的中尺度涡，对两部分涡旋的分布特征、运动路径以及涡运动过程中的物理参数进行统计分析，剖析两者不同的生成机制。
1.1 中尺度涡旋数据集
本文使用的涡旋资料是由法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心(AVISO)在法国空间研究中心(CNES)的支持下与地中海高级研究所(IMEDEA)合作提供的海面高度中尺度涡旋数据集(META3.1exp DT)。数据集采用了基于MASON et al[20]在2014年提出的一种基于海面高度的海洋中尺度涡跟踪算法，由Data Unification and Altimeter Combination system(DUACS)系统处理。算法步骤如下：(1)定义涡旋直径范围为100～300 km，利用低通滤波器消除海平面高度场较大尺度的可变异性；
(2)使用一阶Lanczos滤波器对绝对动力地形(Absolute Dynamic Topography,ADT)场进行平滑处理，将计算出的大尺度变异性结果从原始ADT数据中剔除，生成仅包含中尺度变化的高通过滤网格数据；
(3)对过滤后的ADT闭合轮廓进行扫描，扫描间隔0.2 cm，扫描范围为-100～100 cm，寻找符合规定标准的闭合轮廓，将其标记为中尺度涡旋。
涡旋数据集的时间范围是1993年1月1日—2019年12月31日，时间分辨率为1 d。数据包括涡旋中心位置坐标、涡旋振幅、有效半径、涡旋相关轮廓等。
1.2 流速及海平面高度数据
流速及海平面高度数据均采用哥白尼海洋环境监测中心(Copernicus Marine Environme-nt Monitoring Service, https:// resources.marine.copernicus.eu/product-detail/GLOBAL_REANA-LYSIS_PHY_001_031/INFORMATION)提供的全球海洋融合物理再分析L4型数据。数据的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 d，时间范围是1993年1月1日—2019年12月31日；
数据的经纬度范围是22°N—35°N，118°E—132°E；
数据在垂向上包含0～100 m层的海流数据。
2.1 东海黑潮弯曲海域与黑潮中段海域选定标准
图1为1993—2019年27 a间东海平均流速场，黑潮沿中国台湾岛东岸、琉球群岛西侧向北流动，在九州岛西南侧分为东南向反气旋弯曲的主流和一个北向分支流。根据图1中黑潮路径的特点，本文将研究区域分为黑潮弯曲海域和黑潮中段海域两部分。其中黑潮弯曲海域为黑潮以及黑潮分支发生弯曲的5个区域(图1中黄色和红色实线框中的区域)，黑潮中段海域为介于125°E—128°E之间的黑潮部分(图1中黑色实线之间的区域)。
2.2 黑潮弯曲海域涡旋分布规律及其生成机制
表1为1993—2019年黑潮弯曲海域涡旋特征统计，从表中可以看出，在区域1、3、5识别出了大量反气旋涡，未发现气旋涡；
在区域2、4识别出了大量气旋涡，未发现反气旋涡。涡旋平均直径大部分集中在110 km左右，平均周期为40 d，只有区域3的涡旋有更长的生命周期以及更大的平均直径，涡旋数较少。通过对图1中黑潮路径的观测可见，区域3中的黑潮弯曲程度相较于其他区域更为剧烈，这可能是此处涡旋具有更大直径的缘由。
图1 1993—2019年基于全球海洋融合物理再分析数据的东海平均流速场Fig.1 The East China Sea average field of 1993—2019 based on the Global Ocean Fusion Physical Reproduction Data(红色、黄色的实线框分别为黑潮反气旋式、气旋式弯曲海域,实线框内数字代表区域序号。黑色实线之间的黑潮部分为黑潮中段海域。)(The solid red and yellow frames are the anticyclone and cyclone Kuroshio curvedarea, respectively, the number represents the area serial number in the solid line box. The area between the black solid lines is the sea area of the Kuroshio.)
表1 1993—2019年黑潮弯曲海域中尺度涡特征统计表Tab.1 Statistical table of mesoscale eddy characteristics in the meander of Kuroshio from 1993 to 2019
依据流场数据和中尺度涡数据集，对比得出了黑潮弯曲区域涡旋分布图(图2)。当黑潮主轴流经台湾东北海域时先呈反气旋式弯曲，黑潮水由北转向东流动，接着黑潮主轴向东北呈气旋式弯曲，黑潮水则由东转向东北方向流动，这一结果与鲍献文 等[21]对黑潮路径的分析一致。黑潮主轴反气旋式弯曲的东侧海域容易出现反气旋涡(图1中区域1)，气旋式弯曲的西侧海域则容易出现气旋涡(图1中区域2)。同时,在奄美大岛以西海域,当东海黑潮呈反气旋式弯曲通过吐噶喇海峡前，黑潮主轴东侧也容易产生反气旋涡(图1中区域3)。另外，黑潮分支向北前进时，在32°N左右发生了气旋式弯曲，流经济州岛西南侧时则发生了反气旋式弯曲，同样在黑潮分支气旋式弯曲西侧(图1中区域4)和反气旋式弯曲东侧(图1中区域5)分别容易出现气旋涡和反气旋涡。
机载合成孔径雷达聚束SAR模式可远距离地提供地面一定范围内感兴趣区域高分辨的成像信息，可用于对地面重点目标进行监视和识别，掌握目标态势，为人类活动提供准确的信息支持。本文基于定点、滑动两种聚束方式，针对机载合成孔径雷达常规聚束SAR工作模式战技指标要求，提出了基于定点、滑动两种聚束方式的机载合成孔径雷达聚束SAR模式波束控制设计方法，并结合试验验证，提供了工程实践的可行性。
图2 东海黑潮弯曲海域中尺度涡分布Fig.2 Distribution of mesoscale eddies in the meander of Kuroshio in the East China Sea(黄色圆点：气旋涡；
红色圆点：反气旋涡。)(Yellow dots: cyclonic eddies；
Red dots: anticyclonic eddies.)
黑潮水进入东海后与周边的东海水在流速上存在巨大差异。为了更好地解释黑潮气旋弯曲西侧(反气旋弯曲东侧)容易产生气旋涡(反气旋涡)的现象，假设黑潮周边东海水静止，暂不考虑海气热交换以及与海底摩擦效应。在弯曲处，高速黑潮水相对周边东海水进行绕流运动，两者之间会产生边界层(如图3所示)，在黑潮水交界壁面处沿流向取x轴，沿法线方向取y轴，根据郭永怀[22]提出的边界层动量方程，在壁面处：
(1)
图3 边界层分离示意图Fig.3 Schematic diagram of boundary layer separation(虚线表示边界层的外缘。图片改绘自文献[23]。)(The dotted line indicates the outer edge of the boundary layer.It is modified from reference[23].)
黑潮在发生反气旋式弯曲时，在逆压减速区内，主流和边界层海水动能会受到逆压差消耗，而右侧边界层黑潮水还会受到周边海水的粘性力阻碍。因此，在动能消耗到一定程度时，边界层表面流体就不再能克服阻力继续流动。由于流体连续性的要求，下游的海水必须倒流回来。此时，边界层被下游的回流抬起，发生边界层分离现象，在下游回流的作用下黑潮弯曲东侧产生大量的反气旋涡。同理，当黑潮发生气旋式弯曲时，在黑潮的西侧则容易脱落出气旋涡。
2.3 黑潮中段海域涡旋分布规律及其生成机制
东海黑潮中段海域涡旋分布在黑潮主轴两侧，呈两极对称分布的特征(图4)。黑潮主轴西侧为气旋涡，共有134个，平均直径为124.4 km，平均周期为34 d。黑潮主轴东侧为反气旋涡，共有137个，平均直径为100.8 km，平均周期为23 d。主轴西侧的气旋涡尺度明显大于主轴东侧的反气旋涡，这可能与轴两边的流速大小有关。
图4 东海黑潮中段海域中尺度涡分布Fig.4 Distribution of mesoscale eddies in the middle of the Kuroshio in the East China Sea(黄色圆点：气旋涡；
红色圆点：反气旋涡。图中黑色实线为垂直于黑潮主轴的剖面。)(Yellow dots: cyclonic eddies; Red dots: anticyclonic eddies. The solid black line in the figure is the vertical profile of the Kuroshio main axis.)
为了研究黑潮中段两侧中尺度涡旋的分布规律，利用海平面高度数据集对黑潮中段海域平均流和涡流场之间的能量交换进行研究。根据DEWAR et al[25]和BERLOFF et al[26]提出的方法，在正压不稳定过程中，正压能量转化率(BT)在[t0,t0+T]定义为：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
式中：g为重力加速度，f为地转参数，h(x,y,t)为海平面高度值。根据公式(2)，正压能量转换率(BT)与水平速度切变成正比。此外，OLIVEIRA et al[27]指出，BT可以代表涡能的产生速率，因此，正值表示从平均流到涡流场的能量转移，负值表示从涡流场到平均流的能量转移。图5中的黑色实线框区域表示黑潮中段海域 27 a 平均正压能量转化率的空间分布。由图5可以看出，大部分黑潮中段海域BT值为正值，表明该地区明显存在正压不稳定，大量能量由平均流转移到涡流场，进而产生涡旋。
图5 1993—2019年平均正压能量转化率的空间分布Fig.5 Spatial distribution of average positive pressure energy conversion rate from 1993 to 2019(黑色实线框内为黑潮中段海域的正压能量转化率。)(The black solid frame is the positive pressure energy conversion rate in the middle of the Kuroshio sea area.)
图6 垂向不同深度到5 m水深处流轴速度分布Fig.6 Flow axis velocity distribution from different vertical depths to 5 m water depth
3.1 东海黑潮周边涡旋运动轨迹
图7为27 a来黑潮弯曲区域涡旋轨迹图。从 图7a 可以看出，在台湾东北部的反气旋涡(图1中区域1)明显做徘徊运动，整个生命周期都在黑潮弯曲附近海域，并没有明显的向外发散现象，这与宫古、石垣等群岛的阻拦以及黑潮主轴强流限制抑制了涡的扩散运动有关。从图7b中可以看出，台湾东北部的气旋涡(图1中区域2)则沿黑潮主轴向东北方向运动，该区域的涡明显比其他区域的涡旋运动得更远，周期更长(表1)。被高流速的黑潮带动是其运动的重要因素，这也极大地限制了其东西向的扩散运动。图7c中，奄美大岛以西海域的中尺度涡(图1中区域3)总体来说还往东北方向运动。通过对27 a平均流速场的观测，发现当黑潮主轴通过吐噶喇海峡后，会形成环奄美大岛的一个大的环流。由此推断，该区域涡的移动是由于西侧东北向的环流提供了动力，但受到奄美大岛以及黑潮主轴的限制，造成其起源地到消亡地距离较短。从图7d可以看出，黑潮支流弯曲处的气旋涡(图1中区域4)明显沿着支流流向，朝西北方向运动。该区域涡的运动距离相对较长，这可能与其流经海域地形较为平坦有关。图7e中，济州岛东侧、九州岛西侧的反气旋涡(图1中区域5)的运动路径还是以徘徊型运动为主，在很短的位移内涡旋就会消失，岛礁阻碍与强流封锁是主要因素。
图7 黑潮弯曲海域涡旋轨迹图Fig.7 Eddy trajectory in the meander of the Kuroshio(黄色圆点、红色圆点分别代表气旋涡、反气旋涡生成时的位置。绿色十字代表涡旋消亡时所处的位置。细蓝线表示涡旋的移动路径。)(The yellow dots and red dots represent the positions of these cyclonic eddies and anticyclonic eddies when they are formed. Green crosses represent the positions of these eddies when they are died. Thin blue lines represent the moving paths of these eddies.)
通过对黑潮弯曲处中尺度涡的运动轨迹研究以及涡运动平均位移的统计(表1)，发现在黑潮弯曲处产生的气旋涡明显具有更长的运动路径，台湾东北部海域的气旋涡平均位移达到了87.6 km。黑潮弯曲处的反气旋涡大多做徘徊运动，平均位移分别为22.8、34.0和22.5 km。对比涡旋移动的轨迹发现：气旋涡产生以及移动的过程中海域海底地形比较平坦，基本没有岛礁的阻碍和限制，受东海强黑潮流的带动，一般沿黑潮流动方向运动，移动路径较长，生命周期也更长；
反气旋涡由于受到黑潮强流的封锁以及岛礁的阻碍，造成了涡运动轨迹的徘徊特性。
从东海黑潮中段涡旋运动轨迹(图8)可以看出，黑潮中段海域东侧和西侧的涡旋生成后基本沿黑潮主轴向东北方向移动，并在移动过程中消亡，这可能是黑潮强流的东北向强迫以及横向上黑潮流封锁涡旋运动通道造成的。黑潮主轴西侧气旋涡的平均位移为54.6 km，黑潮主轴东侧反气旋涡的平均位移为40.1 km。通过对比发现气旋涡明显具有更长的移动位移。除此之外，相较于弯曲海域的反气旋涡，中段海域的反气旋涡基本上沿陆架坡折移动,没有呈现出徘徊运动的特征， 这归因于此处的黑潮流比较稳定，移动路径上的岛礁非常少[21,29]。
图8 黑潮中段海域涡旋轨迹图Fig.8 Eddy trajectory in the middle of the Kuroshio(黄色圆点、红色圆点分别代表气旋涡、反气旋涡生成时的位置。绿色十字代表涡旋消亡时所处的位置。细蓝线表示涡旋的移动路径。)(The yellow dots and red dots represent the positions of these cyclonic eddies and anticyclonic eddies when they are formed. Green crosses represent the positions of these eddies when they are died .The thin blue lines represent the moving path of these eddies.)
3.2 涡旋运动的物理参数变化特征
根据涡旋数据集计算了黑潮周边生成涡旋直径以及振幅的频率分布(图9)。由图9可看出，直径在100～150 km之间的涡旋最多，占总数的64%。以此区间为中心，随着直径的增大和减小，涡旋数量相应减少。涡旋振幅主要集中在2～6 cm，无论振幅相对增大或减小，涡旋数量都会随之减少。
图9 黑潮周边海域涡旋直径(a)和振幅(b)的出现频率分布Fig.9 Frequency distribution of eddy diameter (a) and amplitude (b) in the sea area around the Kuroshio
为了进一步探究涡旋生消过程中物理参数变化规律，分别对黑潮弯曲(650个涡)以及黑潮中段(271个涡)海域涡旋直径和振幅沿生命周期的平均演变过程进行统计分析(图10)。由图10可看出，涡旋通常表现出由生长、成熟和衰变阶段组成的三步演化规律。这一结果与KURIAN et al[30]对加利福尼亚洋流系统中涡旋物理参数变化的研究结论一致。涡旋在运动过程中振幅变大(小)时，通常会具有更大(小)的涡直径，两者在整个生命周期的变化趋势具有相似性，但直径和振幅的变化与涡旋的寿命长短无关。
图10 涡旋直径和振幅沿生命周期的平均分布Fig.10 Average distribution of eddy diameter and amplitude along the life cycle
本文将东海黑潮周边涡旋分为黑潮弯曲海域和黑潮中段海域两部分进行研究。分析1993—2019年共 27 a 的中尺度涡数据集，发现在黑潮弯曲海域产生了650个涡，其中有312个气旋涡和338个反气旋涡；
在黑潮中段海域共产生了271个涡，其中有134个气旋涡和137个反气旋涡。通过对生成涡旋的空间分布、移动路径以及生消机制的研究，得到以下结论：
(1)东海黑潮发生气旋式弯曲时，弯曲内侧往往产生气旋式涡旋；
发生反气旋式弯曲时，弯曲内侧则容易产生反气旋涡。由于高速的黑潮水进入东海，当其路径发生弯曲时，黑潮边界层的海水会发生边界层分离现象，从而导致内侧海水倒流，形成涡旋。除此之外，黑潮弯曲程度也会影响生成涡旋的直径和生命周期。东海黑潮中段海域涡旋呈现出规律的对称分布特征(气旋涡在黑潮主轴西侧、反气旋涡在黑潮主轴东侧)，这与奄美大岛以西或冲绳岛以西海域存在的黑潮逆流有关。
(2)黑潮弯曲海域产生的反气旋涡往往做徘徊运动，气旋涡则有更长的移动路径。东海黑潮呈反气旋式弯曲的海域往往被岛礁围绕，这极大限制了涡旋的扩散运动。气旋涡流经的海域在黑潮的西侧，基本没有岛礁的限制，在黑潮水的带动下，往往具有更长的生命周期和移动路径。黑潮中段海域生成的气旋涡和反气旋涡都沿黑潮主轴向东北方向移动。强大的黑潮流轴封锁，导致东海黑潮周边生成的涡旋不能够穿过黑潮主轴，只进行东西向的扩散运动。
(3)通过对涡旋直径和振幅的统计，发现直径在100～150 km之间的涡旋数量最多，涡旋振幅主要集中在2～6 cm。在涡旋的生消过程中，涡旋通常表现出由生长、成熟和衰变阶段组成的三步演化规律，其直径和振幅呈同步变化趋势。
本文对黑潮周边生成的涡旋分布、移动规律和生成机制进行了初步讨论，然而在研究过程中并没有着眼于不同涡旋与黑潮之间的相互作用，也未涉及深层流场、海底地形对涡旋运动产生的影响。下一步工作将着重从这两方面入手，以求更深层次地对东海黑潮周边涡旋进行剖析。
猜你喜欢 中尺度旋涡涡旋 基于PM算法的涡旋电磁波引信超分辨测向方法北京航空航天大学学报(2022年7期)2022-08-06涡旋压缩机非对称变壁厚涡旋齿的设计与受力特性分析流体机械(2021年12期)2021-02-16四川盆地极端短时强降水中尺度对流系统组织类型成都信息工程大学学报(2021年6期)2021-02-12南海中尺度涡的形转、内转及平移运动研究海洋通报(2020年5期)2021-01-14基于深度学习的中尺度涡检测技术及其在声场中的应用海洋信息技术与应用(2020年1期)2020-06-11基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性析分热带海洋学报(2020年3期)2020-05-25大班科学活动：神秘的旋涡山西教育·幼教(2020年2期)2020-03-07旋涡笑脸作文小学中年级(2019年6期)2019-07-25山间湖扬子江(2019年1期)2019-03-08光涡旋方程解的存在性研究中央民族大学学报（自然科学版）(2018年1期)2018-06-27