西北太平洋中尺度涡旋研究

发布时间：2020-04-24 06:04

【摘要】：西北太平洋是海洋环流系统最复杂的区域之一，而普遍存在于世界各大洋中的中尺度涡旋，在这一区域也是十分活跃的。作为西北太平洋重要的物理过程，中尺度涡旋已经成为近些年研究的重点。中尺度涡旋在海洋动力学以及热盐、能量的输送和其它生物、化学过程中都起着非常重要的作用，进而影响着该海域大洋环流，温度、盐度以及叶绿素等的垂直与水平分布。所以，无论在大洋动力学等理论研究方面还是国防军事等实际应用方面，西北太平洋中尺度涡都具有很高的研究价值。利用超过15年的卫星高度计资料，本文首先使用三种不同的涡旋探测方法(SSHA, Okubo-Weiss; OW,和Winding-Angle; WA)对西北太平洋中尺度涡的基本特征进行了统计分析，并对这三种方法得到的结果进行了比较。在此基础上，结合Argo温盐数据，重点对西北太平洋中尺度涡旋的三维结构特征（温、盐和流）进行了系统的研究。最后，对涡旋基本特征和三维结构的季节以及年际变化进行了比较和讨论。本文组织结构和主要结果如下：我们首先采用SSHA方法对于西北太平洋(115°-140°E,5°-30°N)中尺度涡旋的基本特征进行了统计。研究发现，在西北太平洋绝大多数涡旋都集中在16°N以北，气旋涡（CE）和反气旋涡（AEs）的分布较为均匀。大多数涡旋的生命周期都小于12周，半径大于100km。平均每年产生涡旋51个，而且在大多数年里AEs的数量要略多于气旋涡。之后，利用OW涡旋探测方法，，我们进一步对副热带西北太平洋涡旋较多区域(122°-148°E,12°-28°N)进行了统计分析。结果表明，涡旋信号在17o-24oN之间较为活跃。绝大多数涡旋的半径都在40-70km之间。气旋涡(反气旋涡)的平均半径和生命周期分别为59.4km和8.5周(57.7km和8.9周)。总体来说，半径越大的涡旋其总能量越大，但是涡旋强度却越小。利用第三种涡旋探测方法WA，我们对西北太平洋副热带逆流区(122°-170°E,12°-28°N)的中尺度涡旋进行了统计分析。结果显示，涡旋的发生频率和EKE在19°-26°N之间的副热带逆流带上较大，并且在吕宋-台湾沿岸显著增加。在绝大多区域反气旋涡是占主导地位的，只有在19°-22°N之间的纬度带上气旋涡的数量相对较多。大多数涡旋的半径在80-180km之间，生命周期小于10周。涡旋产生之后，气旋涡和反气旋涡均向西运动，涡旋西传的平均速度为7.2cm s~(-1)，最后在吕宋-台湾沿岸处随黑潮向北移动。通过比较三种涡旋探测方法的结果，可以看出，它们探测到的涡旋特征在某些方面存在相似之处。例如，大多数涡旋生命周期都小于10周，并且都探测到了生命周期大于24周的长生命周期涡旋；对于不同生命周期的涡旋来说，反气旋涡的数量要明显多于气旋涡；涡旋在产生后都会向西传播，并在抵达西边界后随黑潮向北移动。虽然上述三种涡旋探测方法都是基于海表面高度异常场的物理或几何算法的涡旋自动探测方法，但是它们探测到的涡旋特征还是存在一定的差异。OW方法探测到的涡旋平均半径不足60km，且随纬度变化较大；而SSHA与WA方法得到的大多数涡旋半径大于100km，且WA结果显示涡旋半径基本与纬度无关。对于长生命周期的涡旋来说，由于OW方法存在较高的涡旋错误识别率，导致了OW方法得到的涡旋性质演化规律性相对较差；而WA方法得到的结果具有很强的规律性。此外，OW方法得到的涡旋平均移动速度只有WA方法得到的速度的一半,后者更接近前人的研究结果。因此，我们认为在西北太平洋，WA方法探测涡旋更加准确，得到的结果也更加可信。为了比较和追踪涡旋三维结构在西传过程中的区别，我们按照不同经度将研究区域(122°-170°E,18°-26°N)划分为五个连续的子区域，使用Argo温盐数据与WA方法探测到的涡旋进行匹配，进而重建和研究了各个子区域涡旋的三维结构。结果显示，合成涡旋能够产生较大的温跃层垂向移动。由于主温跃层中存在北太平洋副热带模态水(STMW)，气旋涡(反气旋涡)引起水体的上升(下沉)拉伸(压缩)了较厚的STMW，从而产生了更加(不那么)明显的温度异常双核结构。由于北太平洋热带水(NPTW)和北太平洋中层水(NPIW)的垂直分布，涡旋引起的盐度异常呈“类三明治”结构，并且在反气旋涡中更显著。此外，涡旋在西传过程中其三维结构存在显著的差异：在向西移动过程中涡旋引起了更大的温度、盐度和地转流异常，其影响深度也逐渐加深，这一点在反气旋涡上更加突出。另外，我们的分析表明，这一区域存在的副热带锋面对合成涡旋的温盐异常结构存在一定的影响，但其引起的经向差异明显小于涡旋西传过程中的纬向差异。进一步，根据涡旋EKE的季节(年际)变化特征，我们分别定义了涡旋的强/弱季节(年)，并合成气旋涡和反气旋涡来比较分析涡旋温盐结构的季节(年际)变化特征。气旋涡和反气旋涡的EKE季节变化较为同步，即在春夏季节(4-6月)较强，而在秋冬季节(11-1月)较弱。结果显示，气旋涡(反气旋涡)在强季节和弱季节引起的温度和盐度异常差异主要集中在100dbar以上。气旋涡和反气旋涡的年际变化并不完全同步：气旋涡的EKE在2003年1月-2006年9月较强，而在2006年9月-2011年12月较弱；反气旋涡的EKE在2003-2007年较强，而在2009-2011年较弱。涡旋在强年引起的温度和地转流异常幅度和影响深度要明显大于弱年。但由于海表面盐度在强年和弱年存在明显的东西向差异，使得气旋涡和反气旋涡在强、弱年引起的盐度异常差异主要体现在200dbar深度以上。
【图文】：

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图 1.1 涡旋的涡动能 (EKE) 占全球海洋涡动能总量的百分比：(a) 为生命周期大于 16 周的涡旋； (b)为生命周期大于 4 周的涡旋 (引自 Chelton et al., 2011)。近几十年，西北太平洋中尺度涡旋的研究受到了越来越多国内外海洋学家的关注。因其所处的特殊地理位置，使得西北太平洋区域具有复杂的西边界流系统(e..g. Qu et al., 1998; Qu et al., 1999; Qu and Lukas, 2003; Zhai and Hu, 2013) 和来自不同海域的水团 (e.g. Reid, 1965; Cannon, 1966; Masuzawa, 1969; Talley, 1993

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论文研究框架图
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（海洋研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P731.2

【参考文献】