海洋涡旋探测

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当山中的小溪流过一块突起的岩石，在这岩石的下游会产生旋转的水环，这些水环会随着小溪欢快有续地流向远方。在经典流体力学中，这种现象被称为卡门涡街，这些旋转的水环被称为涡旋。

经典流体力学通常是指研究非旋转坐标系下的密度均匀的流体运动。海水运动已经超出经典流体力学的范畴，首先，海水的运动是在地球自转的旋转坐标系中，其次，海洋是一个层化的流体，海水运动的研究属于地球流体力学或者行星流体力学。海上现场观测和卫星遥感图像都显示，在海洋这个旋转层化的流体中，存在着大量涡旋。图1.1.1显示的是海面高度计观测的西北印度洋2012年7月20日的海面起伏状况，可以看出，此时海洋表面有多个中尺度涡旋。

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图 １.１.１　2012 年7月 20 日卫星高度计海面起伏的异常场快照

注:颜色是海面起伏异常,矢量是由海面起伏异常推导的地转速度场,

资料来源于 http :// www.aviso.com /

在相当长的时间里，海洋涡旋的研究并未得到重视。通常认为海洋环流由缓慢的大洋内部流动和较快的西边界流组成。然而，这只是时间平均下的场景。任何一张海洋表面高分辨率快照图像，比如卫星高度计海面高度、海面温度遥感图片和高分辩率的数值模拟结果，无不显示海洋充满了几公里到上百公里的涡旋。

其中半径为10~100km量级(即第一斜压罗斯贝半径的量级)的涡旋被称为中尺度涡旋;而半径小于第一斜压罗斯贝半径且大于边界层湍流尺度的涡旋被称为次中尺度涡旋，半径0.1~10km 的量级。中尺度涡旋的寿命，即从产生到衰亡的时间，通常长达几个星期到几个月，甚至几年的时间。在其生命期中，涡旋会移动几十公里到几百公里的距离。基于其旋转的特征，涡旋又分为气旋涡和反气旋涡。北(南)半球，在气旋涡中，海水呈逆 (顺)时针旋转;在反气旋涡中，海水呈顺(逆)时针旋转。无论在南、北半球，由于地球自转诱导的科里奥利力，气旋涡 (反气旋涡)伴随着局地的辐聚 (辐散)，从而导致上升流(下沉流)。一般情况下，局地的上升流 (下沉流)会使得涡旋表面的海水温度低(高)于周围的海水温度，因此，气旋涡 (反气旋涡)又称为冷(暖)涡。最近有研究发现，气旋涡中也有可能包裹暖水，而反气旋涡包含冷水，我们称之为异常涡旋。

海洋涡旋携带极大的动能，其海水运动速度比洋流平均流速快几倍甚至一个量级。涡旋的垂向深度会影响到几十米到几百米，甚至上千米，从而将海洋深层的冷水和营养盐带到表面，或将海表暖水压到较深的海洋中，从而影响海洋上混合层、密度跃层甚至更深的海洋。涡旋的高旋转速度和伴随着的强剪切，使其具有很强的非线性，从而具有保持自身特征的记忆性和保守性，使其在全球海洋物质、能量、热量和淡水等的输运和分配中起着不可忽视的作用。因而，这些在海洋中无处不在的高能量、强穿透性的海洋涡旋对海洋环流、全球气候变化、海洋生物化学过程和海洋环境变迁中都起着非常大的作用。因此，海洋涡旋的研究具有非常重要的科学意义和应用价值。海洋中尺度和次中尺度涡旋的研究改变着人们对海洋的传统认识。随着高分辨率海洋卫星遥感技术的发展和高分辨率海洋数值模拟结果的完善，我们正处在物理海洋科学研究飞速发展和理论突破的时代，而海洋涡旋研究正是这一突破的排头兵。

 

涡旋自动探测方法，包括从欧拉型和拉格朗日型数据中自动探测表面二维涡旋和从三维数值模拟的流场中自动探测三维涡旋。本文遴选了三维涡旋探测技术，供读者参考。

 

三维涡旋探测技术介绍

Nencioli等(2010)发展了一套用于高分辨率数值模式结果的涡旋自动探测方法，首先用于南加州区域，后来用于对夏威夷岛屿尾流、海表高度异常数据以及SST 驱动的热成风速度场的涡旋探测 (Dong，et al.,2011)等方面。该方法基于中尺度涡旋的一些几何特性 ( Dickey，et al.,2008)，如近似涡旋的中心具有速度最小值，涡旋的切向速度沿着中心点线性增加，到某处达到最大值后线性减小等。

基于涡旋速度场的几何特性，设定如下4个约束条件:

1.沿涡旋中心点东西方向的速度分量U_y在远离中心点的两侧数值符号相反，大小随距中心点的距离线性增加;

2.沿涡旋中心点南北方向的速度分U _x在远离中心点的两侧数值符号相反，大小随距中心点的距离线性增加;

3.在选定区域内找到速度最小值近似为涡旋中心点;

4.在近似涡旋中心点附近，速度矢量的旋转方向必须一致，即两个相邻的速度矢量方向必须位于同一个象限或相邻的两个象限。

满足以上4个约束条件的点定义为涡旋的中心点。确定涡旋中心点后，采用以下3种方法定义涡旋边界:

1.自涡旋中心开始，网格点切向速度应大致与其距中心的距离成正比;

2.速度开始衰减的区域不记为涡旋区，继而可由最大速度围成大致的涡旋边界;

3.计算流函数，判定最大的闭合流函数线为涡旋边界，并用上一条结果核实其位置。

确定涡旋的边界和形状后，对单个的涡旋进行轨迹追踪，分为5步骤:

1.基于数据集的时空分辨率和平均流场，定义追踪范围;

2.假设t时刻找到一个涡旋，则在t+1刻于该追踪范围内寻找同类型(气旋型或反气旋型)、距离最近的涡旋;

3.若在t+1追踪范围内未找到t刻的涡旋，为避免遗漏将于t+2以1.5追踪范围来寻找同类型的涡旋;

4.若仍未找到，则认为该涡旋已消亡;

5.判别过程中，若同时找到多个同类型涡旋，则取其中心离t时刻最近的一个。

至此，就得到了包含涡旋各项时间和空间性质的数据集，如涡旋极性、边界、生命周期、位置等。利用各层的数据集，我们依次从表层向下追踪涡旋，从而得到它们的三维结构。这里所包含的假设为在垂向50的间距中，涡旋中心点的位置漂移的距离不超过涡旋半径的1/ 4。利用模式产品，通过上述涡旋探测方法， Dong 等 (2012)发展了一套三维涡旋探测方法，可以得到涡旋的三维数据集。具体步骤如下:

1.通过涡旋在表层( 10m )的信息，如涡旋中心点位置P_１( X_１，Y_１)，出现时间(T)，涡旋半径 (R_１)以及涡旋极性 (气旋/反气旋)，查找下一层(层间隔50m)，以涡旋中心点 P_１ 为圆心，0.25R_１ 为半径的范围内，相同时间是否存在相同极性的涡旋。

2.如果我们在50m 层没有找到相应的涡旋，则认为该涡旋的最大深度小于50m ，向下搜索停止。而如果相同时间内，在搜索半径里找到相同极性的涡旋，那么就把该涡旋在这层的中心点位置 P_２(X_２，Y_２)，半径 R_２，出现时间以及其他参数信息都保存下来。

3.接下来利用上一步得到的50m层涡旋的中心点位置P_２(X_２，Y_２)、半径R_２、出现时间、极性来查找 100m处相同时间是否存在有相同信号的涡旋。具体方法与步骤1类似，100m层以P_２(X_２,Y_２)为中心，0.25R_２为半径的范围内是否存在相同极性的涡旋。

4.重复上述的步骤直到最后一层。需要指出的是，插值的间隔和深度取决于研究区域涡旋的特征以及模式在垂向及底层的分辨率。以南加州湾的涡旋研究为例 ( Dong，et al.，2012 )，我们插值10、50、100、150、200、250、300、350、400m 共9 层，这样就得到定量的涡旋三维信息，包括涡旋在各层的中心点位置 (P_１， P_２，…，P_９ )，涡旋各层半径 ( R_１，R_２，…R_９ )以及其他参数。通过这些步骤，我们得到一个垂向分辨率为50m 的离散三维涡旋数据集。当然，如果有更多的垂向层，能够得到更为细致的涡旋垂向结构。

全球涡旋数量和深度分布

Williams 等 (2011)应用模式数据进行全球涡旋统计，这里我们仅介绍深度的分布,其他变量的统计特征参见 Petersen 等 (2013)。

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图 ４.３.２　 全球海表高度异常分布及涡旋、涡旋厚度分布

注:( a )为 POP (parallel ocean program )模式结果;( b )为 AVISO 卫星高度计结果;( c )为全球海洋涡旋数据集计算得到的涡旋数量在 １°×１° 的格点的空间分布; ( d )为全球涡旋平均厚度的空间分布,一个涡旋信号从表到底的深度。在湾流、黑潮和南极绕极流区域,涡旋的平均厚度可以达到5000m （Williams, et al., 2011）

 

他们用350张全球每天的数据快照来计算并建立全球数据集。首先将全球划分成１°×１°的区域，统计每张快照中每个１°×１°区域中的涡旋数量，然后在该区域中进行350天的平均。从图４.３.２(c)可以看出，大西洋西部的湾流、以及西太平洋的黑潮和南极绕极流区域有很强的涡旋活动。 此外，因为通过图像来简单地进行涡旋性质的统计,所以与观测数据的定性对比来证实其有效性就较容易。图４.３.２(a)和图4.3.2(b)是通过POP模式和AVISO 卫星高度计算的海表高度异常的空间分布。涡旋的判定依据为，它会使得海表面有一个明显的隆起或凹陷。从图４.３.２(a)和图４.３.２(b)可以看出，涡旋活动强烈的区域与文中用涡旋数据集得到的结果一致 [图４.３.２(c)]。

涡旋的表层特性通过对卫星高度计数据的分析被大家熟知，然而关于涡旋的深度却鲜有观测。利用模式数，William等 (2011)计算了涡旋的平均厚度，即从涡旋表面到底部的深度。从图４.３.２(d)可以看到在湾流、黑潮和南极绕极流区域,涡旋具有最大厚度。在大西洋，有相当一部分涡旋的厚度大于或等于5000m ,这意味着涡旋从海洋表层一直到达海底，而更多的涡旋约为海洋深度一半。

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图 ４.３.３　 西北大西洋涡旋场简图及相应涡旋场二维空间分布

注:( a )为涡旋场简图，气旋涡和反气旋涡分别用蓝色和红色圆柱体在垂向上的分布表示。为了更清楚地给出涡旋的垂向特征，次表层气旋涡用蓝色圆柱体上方叠加黑色圆柱体表示，次表层反气旋则是红色圆柱体叠加黑色圆柱体表示。绿色半透明层代表温跃层；( b )为涡旋场二维空间分布彩色方块代表能穿透温跃层的涡旋，即涡旋最小深度在温跃层以上而最大深度在温跃层以下；蓝色代表气旋涡,红色为反气旋涡。不能穿透温跃层的涡旋，即温跃层以上或者以下的涡旋，用灰色表示。该区域温跃层深度约为 700m （Williams, et al., 2011）

 

图４.３.３(a)是西北大西洋涡旋垂向分布的简图，从图中可以看到，部分涡旋能够穿透温跃层。涡旋的形状和厚度用圆柱体来表示,厚度即为圆柱体的顶部到底部的深度，位置用涡旋内部最大涡度所在点来表示。为了避免过多的信息造成视觉干扰，所有涡旋的半径是一致的。即便在这样的简图中，我们也可以得到一些明显的特征。例如，有的涡旋从表层可以一直向下延伸到很深。为了更清楚了解这些穿透温跃层的涡旋在哪里产生，给出二维分布图[图４.３.２(b)]，图中蓝色代表气旋涡，红色代表反气旋涡,灰色代表那些不能穿透温跃层的涡旋,在温跃层以上或者以下,西北大西洋的温跃层深度约为700m。

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图 ４.３.４　 南大洋涡旋场简图及相应涡旋场二维空间分布

注:在该区域,温跃层深度约为 500m .( Williams  et al., 2011)

图４.３.４给出南大洋三维涡旋的空间分布,强的南极绕极流区域集中分布着相当数量的从表层一直到深海海底的涡旋,与图４.３.２(d)全球涡旋厚度的空间分布结果一致。

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本文由安静摘编自董昌明编著《 海洋涡旋探测与分析》第1、4章，内容有删减。题目为编者所加。

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978-7-03-046078-3

 

当人们认识到我们这个星球的海洋中充满中尺度涡旋，一个迫切要求就是探测并分析这些涡旋，海洋学家为此做了很大努力，而且取得了显著成果。《 海洋涡旋探测与分析》回顾中尺度海洋涡旋的多种探测方法，重点介绍基于流场矢量几何特征的涡旋探测方法，包括从欧拉型观测和数值模拟资料及拉格朗日型数据中探测涡旋。还介绍从合成孔径雷达图片和水色卫星图片中寻找涡旋的方法，探测三维涡旋的方法，基于涡旋数据库的涡旋分析和应用，大气对海洋涡旋的响应,海洋涡旋研究的一些前沿问题。

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