基于船载和遥感的黑潮延伸体海域典型强中尺度冷涡演变及结构分析

李敏华, 程灵巧,2*, 范锦晓, 胡松,2, 周相乾

(1. 上海海洋大学 海洋科学学院海洋科学与技术系，上海 201306；2. 上海海洋大学 大洋渔业资源可持续利用省部共建教育部重点实验室，上海 201306)

引 言

西北太平洋是世界上中尺度涡旋高发的海域之一。在该海域，由于黑潮及其延伸体所拥有的强流速，它们的流轴与周围水体之间形成不稳定的强流速剪切，为中尺度涡的产生提供动量来源。以往研究表明，表征涡旋活动程度的涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)在黑潮主轴与黑潮延伸体区域存在明显的峰值带[1]。自1993年的22年卫星高度计融合数据反映，期间在西北太平洋区域共检测出生命周期超过30 d的涡旋数量多达6600余个[2]，主要集中于16°N以北海域[3]。胡冬等[4]统计分析发现，黑潮延伸体邻近海域内中尺度涡的平均生命周期在9—11周，平均半径约为70 km。另有研究发现，由于β效应，在黑潮延伸体区域产生的涡旋绝大部分向西移动，移动速度随着纬度的增加而变慢甚至发生转向的情况[5]。

目前依靠卫星数据给中尺度涡的研究带来了便利，然而仅仅从海表面研究分析海洋涡旋是不全面的，其内部海水的水文三维结构是研究中尺度涡对海洋内部物质交换和能量输送以及化学、生物过程影响的关键。早在1991年，Babu等[6]在孟加拉湾观测到一个半径100 km的冷涡系统，在其涡流中心观测到与周围环境4 ℃的温度差异，涡旋的垂向影响范围在50～300 db之间。中尺度涡结构复杂，乔方利等[7]根据2001年在东海观测到的冷涡发现营养盐高值区并不位于冷涡中心，推测出冷涡上升流呈环状结构，强上升流区位于距离中心的一定距离处。在黑潮延伸体海域，Chen等[8]利用较高空间分辨率的XCTD与ADCP观测数据研究了该区域一个冷涡的温、盐三维结构特征，结果显示涡旋范围内等温线整体抬升且靠近涡旋中心等温线抬升更加明显，涡中心冷核温度较气候态平均值异常达到-6.5℃，温度、盐度垂直结构表明涡旋的影响深度超过1000 m。

尽管对涡旋的研究已经积累了一定的成果，但是目前针对该海域中尺度涡旋的研究大多是对涡旋探测与追踪的统计分析[9-11]，而针对具体的单个涡旋的生命过程和三维水文结构的研究较少。其中，虽然已有学者利用Argo等浮标数据[12-13]与模型数据[14]对此地区涡旋进行研究，并给出涡旋的温度、盐度结构，但与生物生产力相关的溶解氧等海洋要素和涡旋范围内的生物分布特征并未涉及[15]。为了探究黑潮延伸体区域的涡旋精细结构，本文利用2019年3月在黑潮延伸体区域的船测资料，结合卫星遥感数据，重现了一个冷涡系统的生命史过程，研究分析了该冷涡的温度、盐度、密度、溶解氧的垂直结构特征，给出了涡旋区域浮游动物分布特征，以期对生物生态方面的研究提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据

首先，2019年3月上海海洋大学“淞航号”对西北太平洋进行了生物地球环境综合调查(图1)。各站点利用温盐深仪(SBE911plus CTD)测量海表至300 m深处的温度、盐度、溶解氧等参数。在此基础上，使用温深仪(RBR-TDR 2050)对黑色三角站位进行更深水层的温度测量。如图1所示，黑色三角站位测量深度为750～1000 m，其余站位为300 m。3月20日在涡旋中心西北侧站位(F05)进行了各参数垂向剖面观测。数据质量控制方面，利用实验室盐度计(Guildline 8400B Autosal)对整个航次的Niskin采水器所获水样进行盐度检测，所获结果用于矫正现场CTD观测盐度数据。

图1 观测站位图。黑色圆点为普通站位，观测深度0～300 m，黑色三角形为重点站位，观测深度为750～1000 m。图中颜色表示2019年3月月平均海表面高度(SSH)。

其次，本文采用的海表面高度数据、海表面异常高度数据(Sea Surface Anomaly，SLA)、海表面地转异常流速数据、海表面温度数据均来自COPERNICUS海洋环境监测服务中心。SSH、SLA数据与海表面地转异常流速数据来自近实时全球海洋网格L4表面高度产品，为Jason-3、Sentinel-3A、HY-2A，Saral/Altika等多颗卫星数据融合，通过最优化插值得到。SST数据选用全球ARMOR3D L4数据库。以上数据空间分辨率均为(1/4)°×(1/4)°，海表面高度数据时间分辨率为1个月，SLA数据、海表面异常流场流速数据与SST数据时间分辨率均为1d，选取2019年1月10日(冷涡生成)至7月4日(冷涡消失)时间段海表面异常流速数据计算涡旋相对涡度、涡能量密度与形变率参数。另外，2019年3月的气候态月平均数据用以计算温度与盐度的异常值。该数据来源于World Ocean Atlas 2013(WOA13)数据库，空间分辨率为(1/4)°×(1/4)°。

1.2 涡旋探测方法

本文采用董昌明等提出的涡旋探测方法[16-17]。此方法基于流场的几何特征来定义涡旋，且根据涡旋速度场特征提出了相应的四个约束条件。满足这四个约束条件的点即被定义为涡旋中心位置，它们分别是：(1)在选定区域内找到速度最小值点近似为涡旋中心；(2)沿涡旋中心点东西两侧速度分量v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)沿涡旋中心点南北两侧速度分量u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；(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象限或相邻的两个象限。

确定涡旋中心之后，用流函数的等值线定义涡旋边界,围绕中心点的最外围等值线即为该涡旋的边界。涡旋的轨迹由相临两个时刻涡旋中心点的连线获得。

1.3 涡旋特征参数

中尺度涡旋的特征可以由它的一些参数来表征。这里我们用以下的几个参数来描述此中尺度冷涡的特征[18-19]。

涡旋半径定义为涡旋边界上的点到涡旋中心点的平均距离，由此可确定计算涡旋各参数时的涡旋范围。某一时刻的涡旋平均相对涡度定义为该时刻涡旋范围内涡度的平均值。

(1)

式中：u'、v'分别为东西向和南北向的地转异常流速；x、y分别为东西向与南北向的坐标值。

涡动能的计算公式为：

(2)

涡动能密度定义为涡旋范围内平均涡动能除以涡旋的面积，即：

(3)

涡旋的形变率可用来判断涡旋的拉伸-收缩情况，散度用来判断涡旋是否处于稳定的状态。剪切形变率：

(4)

拉伸形变率：

(5)

散度：

(6)

2 目标冷涡特征

2.1 近半年涡旋统计

黑潮延伸体及其邻近海域中尺度涡旋数量众多，特征不一。本文统计了2019年上半年研究区域内中尺度涡旋情况，根据追踪方法中的日期差，共筛选出19个生命周期超过28 d的涡旋(图2)。根据涡旋生成日期的先后顺序，将此19个涡旋进行编号。由统计结果可知，目标涡旋(2号)是2019年上半年唯一一个生命周期超过150 d的中尺度涡旋，大部分涡旋生命周期未超过90 d。从平均涡能量密度来看，目标涡旋平均涡能量密度达到4.7×10-1cm2/(s2·km2)，其强度远超过该时间段内绝大部分涡旋。目标涡旋是在黑潮延伸体与周围水体的强流速剪切条件下“脱落”而来，并一直沿黑潮延伸体主轴向西移动，整个过程中流速较大，涡动能较强。因此，本文所研究目标涡旋是研究区域内一个典型的寿命长、强度大的冷涡。

图2 研究区域内2019年上半年生命周期大于28 d中尺度涡数量统计结果黑色实线表示生命周期，灰色虚线表示平均涡能量密度。

2.2 涡旋的生成与消亡

在北半球气旋式涡旋生成时，涡旋流场呈现出逆时针旋转的状态。涡旋范围内表层海水向外辐散，导致涡旋内部海平面高度出现负异常的情况。图3显示了本研究目标涡旋在各个生命节点所对应的SLA、海表面流场异常、涡旋边界和移动轨迹(a-d)，3月20日船舶在涡中心位置观测时的涡旋状态(e)，及整个生命周期内涡旋中心的SLA和SST时间序列变化(f)。该冷涡系统生成于2019年1月10日，此时涡旋中心位置位于34.5°N，151.95°E，涡旋半径为68 km。涡旋生成时对应涡中心SLA值为-0.2 m，SST为18 ℃ (图3f)。此后SLA出现持续负向增长，同时SST也持续降低。3月20日船舶在涡中心附近(F05站点)观测前后，中心SLA达到最大，此时涡旋中心相较于平均海平面出现-1 m的高度差。而SST于4月9日达到最低值13.98 ℃，此时较周围环境水体SST小3.5 ℃。

图3 涡旋在各个生命节点所对应的SLA(颜色)、海表面流场异常(箭头)、边界(黑色虚线)和移动轨迹(黑色实线)(a-d)，3月20日船舶在涡中心位置观测时的涡旋状态(e)，及整个生命周期内涡旋中心的SLA(黑色曲线)和SST(红色曲线)时间序列变化(f)(绿色虚线对应时间3月20日)。

从移动速度来看，消亡期之前，涡旋移动缓慢，进入消亡期之后，涡旋移动速度明显增加。整个生命过程涡旋移动距离为1201.6 km，平均移动速度为8.13 cm/s，在该区域涡旋典型移动速度(1～10 cm/s)[20]范围之内。该涡旋存在时间为175 d，远超于该区域涡旋寿命平均水平(约77 d)[4]。

2.3 涡旋的运动学特征

图4给出了该冷涡的半径、散度、相对涡度、涡能量密度、剪切形变率以及拉伸形变率的时间序列图。在涡旋生成的初期，涡旋半径在几天之内迅速增大。与前人结果较为不同的是，涡旋半径的峰值阶段与最小值皆出现于涡旋生成期，并且此时半径的波动较为剧烈，这可能是由于涡旋生成时处于不稳定状态，导致探测的涡旋边界出现误差。进入稳定期后，涡旋半径趋于稳定，而从稳定期中后期开始，半径逐渐减小。此中尺度涡平均半径为58.37 km,小于胡冬等[4]在此区域统计的涡旋平均半径(69.5 km)。涡旋的散度表示了涡旋的稳定性。在涡旋生成初期，散度变化较为剧烈，说明了涡旋处于不稳定状态，与半径变动剧烈对应。而在稳定期与消亡期，散度变化较小且接近于0，涡旋处于稳定状态，也意味着涡旋在单位时间单位体积内的流量损失很小。

图4 涡旋半径和散度 (a)、相对涡度和涡能量密度(b)以及拉伸形变率与剪切形变率 (c)的时间序列图

相对涡度的大小代表了涡旋剪切的强弱，整个生命过程中平均相对涡度为3.44×10-5/s。相对涡度、涡能量密度与半径之间存在明显的对应性，整体而言随着半径减小相对涡度与涡能量密度逐渐增加。涡动能密度表明了涡旋动能的强度(图4b)。该涡旋平均涡动能密度为4.7×10-1cm2/(s2·km2)。涡旋生成期，涡动能密度较小，稳定期涡动能密度逐渐增大，涡旋强度不断增加。涡旋消亡期初期，涡能量密度短时间内增大，出现此种情况是由于该冷涡寿命长、强度大，该冷涡稳定期相比统计学上所划分时间要长。

涡旋的剪切率表示涡旋在东北-西南方向与西北-东南方向上的形变强度。当剪切率为正值时，表示涡旋于东北-西南方向拉伸，西北-东南方向压缩，此时涡旋呈椭圆状，长半轴位于东北-西南方向，反之亦然[21]。类似的，涡旋的拉伸率表示涡旋在东-西方向与南-北方向的形变强度。当拉伸率为正值时，表示涡旋于东-西方向拉伸，南-北方向压缩，此时涡旋同样呈椭圆状，长半轴位于东-西方向。从图4c来看，在涡旋生成的初期，剪切率为正值，拉伸率为负值，且均出现快速波动的现象，与散度变化所显示涡旋生长期处于极不稳定状态相对应，此时涡旋呈椭圆状且在东北-西南方向与南-北方向拉伸，长半轴位于东北-西南方向，与海表面异常流场结果一致。在涡旋的稳定期，涡旋形变强度较大，拉伸率由负值变为正值，涡旋在东西方向拉伸。在涡旋的消亡期，剪切率由正值变为负值，涡旋向西北-东南方向拉伸。

2.4 纬向断面水文结构

根据2019年3月的船测数据(涡旋处于稳定期)，图5给出了经过涡旋中心附近(F05站位)的F断面的位温、盐度、位密、溶解氧的垂直断面结构。在所有特征断面中，F05站点上的等值线都有明显抬升，对应冷涡引发上升运动的特征。

图5 位温、盐度、位密、溶解氧的垂直断面结构。其中(a)、(b)等值线数值表示位温、盐度大小，颜色表示温度、盐度的异常值(空白区域无数据)。

从位温断面可以看出，在F05站点，极强的上升流作用将深层冷水带至更浅的水层，内部等温线整体抬升(图5a等值线所示)。上层60 m以内，位温垂向分布均匀，表征该深度范围内海水混合充分。在60～300 m的深度范围内，水温从14 ℃锐减至7 ℃。涡旋范围内水体与周围环境水体(以F04站点为界限)存在明显的水平温差。在300 m深度，涡旋中心与涡旋西侧水体(F02、F03站点)的温度差异达到了10 ℃以上。在涡旋的南(E断面)、北(G断面)边界处，水体垂向水文特性变化小，被认为受到涡旋的影响较小(未给出)。涡旋中心诱发的上升流同样引发盐度等值线的明显抬升(图5b等值线所示)。与位温分布类似，该观测点的60 m以浅深度盐度趋于垂向均一。60～300 m的深度范围内，水体盐度从34.5 psu减少至34 psu。涡旋范围内水体盐度与外界水体盐度差异明显，在300 m深度上，涡旋中心盐度值为34 psu，而涡旋西侧水体盐度值在34.8 psu左右。

测量的温度(盐度)数据减去3月气候态平均温度(盐度)得到温度(盐度)的异常值(图5a和图5b颜色所示)。温度(盐度)在涡旋中心附近均表现出负异常的特征，从F断面温度、盐度的异常来看，在0～300 m深度内，涡旋中心区域温度(盐度)负异常随着深度的增加而逐渐增强。温度在F05站点处300 m深度上的异常值达到了-7.5 ℃，盐度异常值达到了-0.5 psu。

涡旋的密度结构与温度、盐度结构类似，近中心处等密度线向上抬升(图5c)。F05站点上，表层密度σ为25.6 kg/m3，300 m水深处密度为26.6 kg/m3，差值达到1 kg/m3。图5d为F断面的溶解氧垂直结构。在冷涡范围内由于深层贫氧海水向上涌升，导致150 m以下出现明显的溶解氧含量的低值区，300 m处的溶解氧低至4 ml/L。而在涡旋范围内的表层50 m以内则出现了明显的溶解氧含量的高值区，达到了F断面内的最大值(5.5 ml/L)。

2.5 经向断面温度结构

图6显示了A05—G05经向断面上各站点由温深仪采集的温度剖面。结果表明，F05站位之外的各站点上，0～200 m的深度范围内，除了极易受大气影响的表层外，温度维持在17 ℃到19 ℃之间；从200 m到700 m，温度从17 .5℃下降到7 ℃，表现为0.021℃/m的垂向平均温度梯度。而进入冷涡中心区域(F05站位)，海表混合层不再明显，温度从表层的23.5 ℃逐渐减少到700 m深的4 ℃，表现为0.028 ℃/m的垂向平均温度梯度。900 m深度时，涡旋中心附近温度为3.3 ℃，相较于涡旋范围外的4.7 ℃左右，温度差异达到1.4 ℃，表明该深度海水依然受到涡旋中心海水向上抽吸作用的影响。由此推测，此涡旋影响深度超过900 m，与Chen等[13]在此区域观测到的冷涡影响深度基本一致。

图6 特殊站位断面A05-G05各站点温度剖面图(左)与温度异常值剖面图(右)。左图中黑色实线为F05站点温度剖面，灰色实线为其他站点温度剖面；右图中黑色实线为F05温度异常值剖面，灰色实线为其他站点温度异常值剖面。

从温度的异常值来看，冷涡中心区域表现出明显的负异常现象，而冷涡的南北侧上方0～300 m的水层与周围环境水体皆表现出正异常的现象。观测期间该涡旋的冷核中心位于F05站点的250～350 m水层，温度异常最大值在此处达到了-6.2 ℃，与Chen等[13]在该海域得到的-6.5 ℃类似。

3 生物结果分析

中尺度涡旋的存在对生物分布有着重要影响。图7为浮游动物生物量调查结果。总体来看，三个断面上大部分站位(78 %)的浮游动物生物量在40 mg/m3以下。而涡旋东侧F06站点处浮游动物生物量达到最大值80 mg/m3。这可能与F06站点所处位置刚好位于冷涡与外界水体交汇的东边界处有关。虽然冷涡中心强大的抽吸能力将营养物质从下层水体带入表层，但是可能由于冷涡中心温度较低，所以冷涡与周围水体交汇所产生的温度锋区域带存在更多的浮游动物。

图7 2019年3月E01-E06站点(a)、F01-F06站点(b)、G01-F06站点(c)浮游动物生物量调查结果

从涡旋南侧断面看(图7a)，浮游动物生物量较低且均匀，而在穿过涡旋中心的F断面纬度上(图7b)，浮游动物生物量空间分布差异大，而涡旋西侧站点(F04)与东侧站点(F06)生物量相差大。在涡旋北侧(图7c)，存在两个明显的峰值站点(G03、G06)，其余站点生物量则较低。

4 结论和展望

本文结合卫星遥感数据与2019年3月开展的现场观测资料，研究了西北太平洋黑潮延伸体海域一个冷涡的生消过程及其稳定期涡旋中心的温、盐、密以及溶解氧结构，为该海域中尺度涡精细结构研究，及中尺度涡旋对生物生产影响方面的研究提供参考依据。具体结论如下：

(1)目标冷涡出现在2019年1月10日到7月4日期间，整个过程持续175 d，远超该海域涡旋的平均寿命(约77 d)，是2019年上半年寿命最长的典型强冷涡。涡旋稳定期的SLA最低值达到-1 m，SST的最低值为13.89℃。该涡旋总体向西移动。整个生命过程中，涡旋移动距离为1201.6 km，平均移动速度为8.13 cm/s。

(2)涡旋的平均半径为58.37 km。涡旋的相对涡度、涡能量密度均与半径呈现负对应关系。整个过程中涡旋呈现不对称的椭圆状。涡旋生成的初期阶段，涡旋向东北—西南方向拉伸。涡旋的消亡期，涡旋向西北—东南方向拉伸。

(3)船测结果显示出了冷涡中心极强的上升流作用。涡中心海表至60 m深，各水文要素表现出明显的垂向均一性，溶解氧含量达到最大(5.5 ml/L)。而在60～300 m的深度范围内，水温从14 ℃锐减至7 ℃，盐度从34.5 psu减至34 psu，溶解氧从5.2 ml/L减少到4 ml/L。涡旋中心300 m处深度海水温度与周围同等深度环境水体存在-10 ℃的温度差异，盐度差异达到0.8 psu。经向的温度剖面结构显示，温度从表层到900 m的深度范围内下降约20 ℃。在900 m处，冷涡中心与周围水体的温度差异依然有-1.4 ℃，表明该冷涡影响深度超过900 m。另外，观测期间涡旋的冷核中心位于F05站位的250到350 m水层。

(4)浮游动物生物量统计发现，涡旋东边界处，冷涡与外界环境水体交汇的地方生物量最为丰富。

中尺度涡对小范围内生态系统的影响一直是研究的热点问题。冷涡存在期间营养物质出现快速积累，随后由于浮游植物大量繁殖而快速减少的过程[22]。另外，近年来研究表明，冷涡中心往往出现叶绿素的高值区或者叶绿素的环状结构[23-24]。根据此次的溶解氧调查结果显示，涡旋范围内50 m溶解氧出现明显高值区，除了冷涡抽吸作用将下层冷水带至表层，能吸收更多溶解氧外，生物作用因素不可忽视。初步的生物调查结果显示，冷涡中心东侧浮游动物生物量明显较高，且涡旋东、西两侧生物量差异明显，造成这种现象的原因与冷涡中心营养物质变化、中心水体的温度等因素的关系还需要更丰富的调查资料和更细致的分析。因此，中尺度涡对局部海域生态系统如叶绿素等的影响将是未来研究的一部分。