东海陆架区中尺度涡运动路径的统计特征分析

张 桃，李君益*，谢玲玲，郑少军，郑慧源

(1.广东海洋大学 广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室，广东 湛江 524088；2.南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 南海资源大数据中心，广东 湛江 524088)

0 引言

中尺度涡旋是全球海洋中几乎随处可见的一种物理现象[1]，其广泛存在于海洋之中，自身很强的非线性[1-2]使其能携带着水团运动[3]。中尺度涡不仅包含了海洋中约90%的动能[4-5]，更是能量级串中连接大尺度和小尺度的重要中间环节[6]，对能量传输有着巨大的贡献[7]，被认为是上层海洋最重要的动力过程之一[8]。同时，海洋涡旋的出现也使得传统的海洋热盐环流与传送带理论受到了挑战[9]。海洋中尺度涡生成机制复杂，局地产生的波动[10-11]、流场中垂向剪切造成的斜压不稳定[12]、流场水平剪切造成的正压不稳定以及风应力旋度的输入[6]等都可能诱发涡旋形成。海洋中尺度涡的生成不仅能够传递海洋能量、热量，也能对海洋内部乃至于深层环流产生作用[12-14]，对海洋的垂向混合、物质输运以及生态环境等皆有举足轻重的影响。

东海是我国一个较为开阔的边缘海，北接黄海，东经朝鲜海峡与日本海相邻，南经台湾海峡与南海北部相连[15]。东海面积宽广，东西方向宽约740 km[16]，其中，东海大陆架尤为发育，面积约为52.99万km2，具有复杂陡峭的海槽式地形，大陆架面积约占东海面积的66%[17]，是世界最宽的陆架之一。东海陆架区存在浙闵沿岸流、上升流、台湾暖流等复杂流系，同时还受到北太平洋西边界流——黑潮的入侵。鲍献文 等[18]研究发现，黑潮在冬季会以黑潮分支的形式向北侵入东海陆架，而在夏季则以大陆边缘流形式侵入东海陆架。同时，东海内还存在着锋面涡旋、内波等现象，海洋现象丰富多变、动力环境十分复杂。另外，陆架海区是潮汐运动、洋流运动活跃的区域，是海洋中大量能量的汇集处，陆架海同时也贡献了全球初级生产力的15%～30%。因此，研究东海陆架海区的动力环境也是研究东海海洋动力环境中不可或缺的一部分。

东海向来是中尺度涡旋频发之地，修树孟 等[19]在研究中指出：在台湾东北海域产生的中尺度暖涡向海岸或陆架附近运动时，其外部流场会诱导出上升流；MA et al[20]在对黑潮回流区的涡旋特征进行分析后发现：中尺度涡以4.0～9.9 cm/s的速度向西或西南方向传播；程建婷 等[21]研究发现，中尺度涡活动在东海的台湾以东区域十分活跃，并且指出不同类型的中尺度涡会对黑潮的路径产生明显弯曲或减弱入侵、流速增加或减弱等影响。前人的研究多侧重于东海中尺度涡的时空分布、生成机制以及中尺度涡对黑潮、海流的影响[22-23]，而对携带着大量能量从深海来到东海陆架上的中尺度涡运动路径及其特征却鲜少涉及[24]。本文对东海从深海到达陆架的中尺度涡以及东海陆架上生成的中尺度涡的季节、空间分布特征，物理参数特征及其运动路径进行了统计分析。

1 数据与方法

1.1 中尺度涡追踪数据集

所用中尺度涡旋资料来源于法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data，AVISO)提供的涡旋追踪数据集，其基于CHELTON et al[1]在2011年提出的海洋涡旋识别方法，后经Data Unification and Altimeter Combination System(DUACS)系统处理。数据处理步骤大概如下：(1)由于涡旋直径范围被定义为100～300 km，利用低通滤波剔除海平面异常场较大尺度的可变异性；(2)使用二阶Lanczos筛选器进行平滑处理，计算出大尺度的变异性；(3)将上述结果从原始海表高度异常数据中减去，生成一个仅包含中尺度变化的网格；(4)探测海平面异常场的极值，来估计出涡旋的位置和性质。

该数据集主要包含中尺度涡振幅、旋转速度、半径、涡旋中心位置的经纬度坐标、运动时间等信息。数据集的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 d。

1.2 流速数据

流速数据来源于哥白尼海洋环境监察服务网(Copernicus Marine Environment Monitoring Service, http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/?option=com_csw&view=details&product_id=MULTIOBS_GLO_PHY_REP_015_004)，为融合数据及Ekman海流模式运算数据的4级再分析全流场数据。数据空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 d，时间跨度为1993年1月1日—2017年1月6日；数据覆盖范围为21.5°N—33°N，117.5°E—131°E；数据包含0 m 层及15 m层的海流数据。

1.3 背景场涡度的计算

涡度(本文指地转相对涡度)又称作旋度，代表着流体的旋转速率，是涡旋最重要的物理属性之一，涡度的大小可以表示海洋涡旋的强弱[13]。将涡度记为ζ，定义如下：

(1)

其中：u′、v′分别代表纬向(y方向)、经向(x方向)的水平地转流速。

1.4 研究区域选取范围及涡旋样本选定标准

选取中国东海(21.5°N—33°N，117.5°E—131°E)为研究区域(图1)，因东海陆坡处陡峭，将陆架浅海区定义为水深为1 000 m以浅的海区，东海1 000 m以深的海域定义为深海区。陆架区的涡旋选取准则为：从深海运动至东海陆架区，涡旋中心位置入侵东海陆架海区1 000 m等深线的涡旋以及生成时涡旋中心位置位于东海陆架区内部的涡旋。对于生成自太平洋并通过琉球岛链进入东海的涡旋也同样进入统计。

图1 中国东海地形Fig.1 Topographic map of the East China Sea

2 结果与讨论

2.1 涡旋路径分类及空间分布特征

1993—2017年期间在东海陆架区或自西北太平洋产生并传播到东海海区的中尺度涡旋共计594个，按照不同运动路径分为6类，其空间分布特征如下：(1)东海陆架浅海生成，往深海运动型(简称浅海生成型)。这种类型的反气旋式涡集中分布在东海东北偏北的陆架边缘(28°N—31°N，127°E—132°E 之间)；而气旋式涡在东海的分布较为平均。此类涡数量共计148个，占总数的24.9%。(2) 深海生成，往东海陆架浅海运动型(简称深海生成型)。这种类型的中尺度涡中，反气旋涡数量更多(23个)，约为气旋式涡数量的2倍。同时，反气旋涡在东海陆架海区的入侵距离比气旋式中尺度涡更远、生命周期更长、且更容易到达靠近陆地的浅海海区。此类涡数量共计35个，占总数的5.9%。(3) 沿等深线运动型。这种类型的气旋式、反气旋式涡主要在200和1 000 m等深线附近产生，沿着东海200和1 000 m等深线运动，少数在200 m以浅陆架区产生，沿着等深线方向运动。此类涡数量共计180个，占总数的30.3%。(4) 徘徊型。路径为在原地打转的徘徊型中尺度涡具有明显的空间分布特征：反气旋式涡主要集中分布在东海200和1 000 m等深线附近，而在200 m以浅的浅海区较少分布；气旋式涡则多分布在200 m以浅海区。此类涡数量共计121个，占总数的20.4%。(5) 外来入侵到达陆架型(简称外来入侵陆架型)。这种类型的中尺度涡自西北太平洋海区生成并入侵东海陆架海区，大部分是气旋式涡，起源地离东海海域较远，故而其生命周期较长、从起源地向消亡地运动的距离较长。此类涡共计25个，占总数的4.2%。(6) 外来入侵到达东海型(简称外来入侵东海型)。这种类型的中尺度涡自西北太平洋海区生成，而后进入东海深海海区，在海区内消失，大部分为气旋式涡，起源地离东海海域较远，生命周期较长。相较于外来入侵陆架型涡而言，此类涡旋的起源地距离东海海区更远，长距离传播带来的能量耗散可能是其未能到达陆架海区的原因之一。此类涡共计85个，占总数的14.3%。上述各类型涡旋的典型个例运动路径如图2所示，各类型涡旋的所有路径分布如图3所示。

图2 不同类型中尺度涡的典型个例运动路径示例Fig.2 Example of the moving path for six types of the mesoscale eddy (中尺度涡轨迹中圆圈与星号分别代表中尺度涡生成时与消亡时所处的位置。) (The circles and asterisks indicate the position for eddy generation and dissipation, respectively.)

图3 不同类型中尺度涡的路径分布图Fig.3 Distribution of the moving path for six types of the mesoscale eddy (中尺度涡轨迹中圆圈与星号分别代表中尺度涡生成时与消亡时所处位置。) (The circles and asterisks indicate the position for eddy generation and dissipation, respectively.)

在东海识别出的涡旋中，存在着相当一部分数量可观的由浅海海区(主要生成于陆架海区)向深海海区运动的中尺度涡，这与传统认为的中尺度涡由深海海区产生向陆架海区运动，并在陆架上发生耗散、从而消亡的理论是相悖的[24]。

2.2 涡旋季节分布特征

按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)及冬季(12月—次年2月)4个季节进行划分，对中尺度涡数量进行季节分类，结果如图4所示。(1)浅海生成型的反气旋涡数量在春、夏、秋、冬4个季节分布较为平均(平均为17个/季)；气旋涡在夏季数量最少(为13个)，在春季和冬季数量较多。(2)深海生成型涡无论是反气旋型还是气旋型均在春、秋季数量最少(平均为2个/季)，在夏、冬季生成最多(平均为6个/季)。(3)沿等深线运动型涡在春、夏季的数量高于秋、冬季。(4)徘徊型涡在春、夏季分布较为平均(平均为15个/季)；反气旋式中尺度涡在冬季最多(20个)，秋季最少(11个)；气旋涡在秋、冬季的分布与反气旋涡数量分布相反，在冬季最少(9个)，秋季最多(22个)。(5)外来入侵陆架型反气旋涡数量在春季最多(5个)，其他3个季节分布较少(平均仅为1个/季)；气旋涡数量在春季最少(仅为1个)，在其余3个季节数量较多，该类型气旋涡数量在夏季达到峰值(7个)，在秋、冬季数量分别为5个和3个。(6)外来入侵东海型的气旋涡在春、夏季数量较少(平均为12个/季)，在秋、冬季数量较多(平均为17个/季)；反气旋涡在春、夏、秋季数量较多(平均为9个/季)，在冬季数量最少(仅为3个)。

图4 不同类型中尺度涡的季节分布特征Fig.4 Seasonal distribution of six moving types for the mesoscale eddy

2.3 涡的物理参数特征

对6种类型中尺度涡到达东海陆架海区后的生命周期、振幅以及直径进行统计(表1)后发现：外来入侵东海型涡的平均振幅、生命周期及直径3项物理参量数值均为6类不同运动路径涡中的最小值，其中，涡旋生命周期为13±13 d，振幅为8.7±4.5 cm，直径为98±30 km，这可能意味着这类涡从太平洋生成、经过琉球岛链传播到东海海区后能量很快耗散，强度变弱、振幅变小。而同样源自西北太平洋的外来入侵陆架型涡的平均直径与其它几类中尺度涡相比，为最大值(122±19 km)，与浅海生成型涡的平均振幅均为最大值，为13.2 cm。不过，由于外来入侵到达陆架型和外来入侵到达东海型中尺度涡的各项参数均从涡旋进入东海才计入统计，因此，加上涡进入东海之前的生存时间，外来入侵陆架型涡的实际平均生存时间最长，外来入侵东海型涡的生存时间也大于30 d。

其它4种类型中尺度涡均为东海本地生成。从涡的生存时间看，徘徊型涡的生存时间最长，平均达44 d；深海生成型涡的生存时间最短，平均为35 d；其它2类涡旋的生存时间平均为38 d。从中尺度涡的振幅看，浅海生成型涡振幅最大，为13.2±6.4 cm。东海本地生成的中尺度涡平均直径在110～115 km之间。

从上述涡旋的物理参数特征可以看出，东海本地生成与外来入侵东海型中尺度涡特征明显不同。

表1 不同运动路径类型中尺度涡的参量统计Tab.1 Parametric statistics of mesoscale eddy with different motion path types

3 东海中尺度涡旋与黑潮的相互作用

黑潮是东海的主要流系之一，它对东海的自然环境有着极其重要的影响。东海黑潮分支主段基本沿着陆坡向东北流动，相对稳定。本文统计结果显示，沿等深线运动型中尺度涡占讨论涡总数量的30.3%，可以看出东海涡旋的运动主要受黑潮分支的影响。黑潮主轴冬半年靠近东海陆架，对陆架的入侵较强；夏半年远离陆架，入侵较弱，并且伴随着陆架边缘处的气旋式环流结构[25]。本文统计结果也显示出东海的涡旋数量呈现明显的季节分布，浅海生成型涡在冬半年的数量多于夏半年的数量；深海生成型涡在夏、冬季的数量多于在春、秋季节的数量。同时，黑潮在夏半年入侵作用较弱，在冬半年入侵作用较强，对应了夏半年外来入侵陆架型的涡数量较多，冬半年较少。涡旋数量的季节变化使得涡旋对黑潮在台湾东北入侵的季节变化产生贡献，在冬季，气旋式涡多于反气旋式涡[26]，这与外来入侵东海型涡的季节分布一致。

对比6种不同类型涡对应的背景流场和涡度场后发现，在东海海区东侧的琉球群岛岛链处，黑潮分支特征在不同类型涡背景流场中均最为明显，流速约为0.5～2 m/s，表现出黑潮分支流速强的特点。6类不同运动路径涡背景流场在黑潮分支主轴上的流速大小有所不同；6类涡背景涡度场相似，靠近东海陆架坡折(1 000 m等深线)浅海的涡度为正，岛链(124°E以东)两侧涡度均为负。图5为所有浅海生成型涡在整个生命期内的平均流场及涡度场，图中粉色实线区域包围的浅海为负涡度，而东侧粉色虚线包围的深海区为正涡度。这可能与黑潮入侵东海后在惯性作用下大量水体涌入大陆坡，由于位涡守恒产生负涡度并造成黑潮主轴由向北转为向东运动有关[14]，故而浅海(粉色实线区域)涡度场呈现出负涡度，而在25.5°N—26.5°N、124.5°E—126.0°E海域，陆架坡折走向突然向东北转变，水深变大，从而产生正涡度(粉色虚线区域)，且正涡度的产生可能与黑潮主体由向东运动转为向东北运动有关。

图5 浅海生成型对应的中尺度涡流场和涡度场Fig.5 Average current and vorticity field for the mesoscale eddy generated on the continental shelf of the ECS (颜色代表平均涡度场，箭头代表平均流速场。粉色实线和虚线框分别为负涡度和正涡度区。) (Color codes represent average vorticity field. Arrows represent average current field. The pink solid and dotted frame indicate the negative and positive vorticity area, respectively.)

4 小结

本研究采用1993—2017年共25 a卫星高度计中尺度涡识别数据集，统计了东海594个涡，其中有318个气旋涡和276个反气旋涡。根据其运动路径将中尺度涡分为东海陆架浅海生成往深海传播型(浅海生成型，148个)、深海生成向东海陆架浅海传播型(深海生成型，35个)、沿等深线运动型(180个)、徘徊型(121个)、外来入侵到达东海陆架型(外来入侵陆架型，25个)及外来入侵到达东海深海型(外来入侵东海型，85个)。计算了各类型涡的空间、季节分布及物理特征参量，并结合对应背景流场、涡度场图分析造成涡呈不同路径运动的原因，得到以下结论：

(1)沿等深线运动型的涡数量最多(占30.3%)；自西北太平洋产生并入侵东海陆架海区的涡数量最少(占4.2%)；在陆架浅海区生成，向深海区运动型的涡数量也较为可观(占24.9%)。

(2)东海的中尺度涡数量具有明显的季节分布特征。浅海生成型涡的季节分布较为平均，气旋式涡在夏季数量最少，在春季和冬季数量较多。沿等深线运动型涡在春、夏季的数量高于秋、冬季。徘徊型涡在春、夏季分布较为平均；反气旋涡在冬季最多，秋季最少；气旋涡在秋、冬季的分布与反气旋涡数量分布相反，在冬季最少，秋季最多。各个类型气旋、反气旋涡的季节分布特征均不相同。

(3)浅海生成型及外来入侵陆架型中尺度涡具有最大的平均振幅，为13.2 cm；外来入侵陆架型涡具有最大的直径，为122 km；外来入侵东海型涡的生命周期、振幅和直径在数值上均为最小；徘徊型涡的平均生命周期最长，约为44 d。不过由于外来入侵陆架型涡的各项参数均从涡旋进入东海才计入统计，实际上，该类型中尺度涡旋的平均生存时间最长。

由于中尺度涡的生成机制众多，东海海区的大陆架及地形结构十分复杂多变，本文仅对东海中尺度涡旋的运动路径进行了分类分析，发现黑潮入侵与东海各类型涡的季节分布有关，然而在研究分析过程中未考虑深层流场、风场以及地形β效应等因素对中尺度涡路径造成的影响。下一步工作将详细分析上述因素对于中尺度涡路径的影响，以期更深刻地剖析中尺度涡的运动规律及动力过程。