黑潮延伸体区域脱落涡旋研究

发布时间：2020-11-14 02:38

　　 黑潮延伸体区域是中纬度海气相互作用的关键区域,也是海洋涡旋最活跃的区域之一。脱落涡旋的研究在分析和理解海洋中物质和能量的输送以及海-气相互作用等方面起着重要的作用,但是之前的研究并没有很好的区分出该区域从流轴脱落的涡旋、“蛇形”(meanders)以及其他的中尺度涡。本文基于1993-2015年AVISO卫星高度计融合数据,参照WA(Winding-Angle)方法人工统计了从黑潮延伸体流轴脱落的涡旋,并系统分析了该区域脱落涡旋的空间分布特征、运动属性以及季节、年际和类年代际变化特征。23年间共追踪到242个气旋涡,276个反气旋涡,脱落的涡旋主要分布在沙茨基海脊以西区域。从脱落涡旋的源地空间分布来看,气旋涡的形成区域有两个高发区,一个位于黑潮延伸体流轴稳定弯曲处,即144~oE-146~o E之间的上游区域;另一个位于沙茨基海脊西侧156~o E处。而反气旋涡的形成区域也有两个高发区,一个位于沙茨基海脊以西的下游区域,另一个位于148~o E处。这些脱落的涡旋大多向西移动,反气旋涡和气旋涡向西移动的平均速度分别为3.52 cm/s和3.89 cm/s,其中有88%的涡旋再次被流轴吸收。脱落涡旋的平均生命周期为50天,气旋涡和反气旋涡平均半径分别为92.4 km和103.9 km,平均振幅分别为35 cm和32 cm。脱落涡旋的数量显示出了明显的年际和类年代际变化,在流轴的上下游区域,类年代际和年际变化分别占主导地位。在上游区域,脱落涡旋的类年代际变化与黑潮延伸体的强度呈负相关。在季节变化上,夏季脱落形成的涡旋最多,冬季最少。基于脱落涡旋的统计特征,结合Argo浮标资料、日本国家海洋科学与技术研究中心(JAMSTEC)船测资料数据集和WOA13 v2气候态温盐数据,采用客观分析插值法,合成了黑潮延伸体区域脱落涡旋的三维温盐结构,并估算出相关的热量输运。脱落的气旋(反气旋)涡呈现明显的位势温度负(正)异常,自西向东脱落的气旋(反气旋)涡引起的位温异常极值深度逐渐变浅(深)、位温异常值减小。140°-150°E脱落的冷涡由于低位势涡度的副热带模态水的存在,有“双核”结构特征。脱落的气旋(反气旋)涡在小于600 m深度有相对强的负(正)盐度异常;大于600 m深度气旋(反气旋)涡有相对弱的正(负)盐度异常。黑潮延伸体各区域合成脱落涡旋的温、盐异常的影响程度并不完全相同,可能与各区域背景流强度和温盐场有关。脱落涡旋对温盐的平均影响深度可达1 000 m以上。基于涡旋运动轨迹来计算涡旋运动导致的热量输送结果表明,脱落涡旋的经向热量输送值约为0.03 PW,该估算量占黑潮延伸体急流所处纬度的涡旋经向热量输送的三分之一,对北太平洋经向涡旋热量输送有重大贡献。最后,研究了北太平洋副热带西部模态水(NPSTMW)的分布特征以及脱落涡旋对其影响。研究表明黑潮延伸体区域反气旋涡中平均混合层深度和NPSTMW的厚度均大于气旋涡,这也间接证明了,反气旋涡中更易生成模态水。低位势涡度水的强度在合成的脱落涡旋中的分布表明,脱落的反气旋涡中NPSTMW明显强于气旋涡,并且在反气旋涡的东侧有高位涡水体向南输运,而低位涡水体被限制在反气旋涡中心。脱落的反气旋涡中的捕获深度(Trapped Depth)高达950 m,气旋涡中为800 m。
【学位单位】：自然资源部第三海洋研究所
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P731.27
【部分图文】：

图 1.1 西北太平洋副热带和副极地环流相关的流场示意图（引自 Qiu, 2001）ig. 1.1 Schematic current patterns associated with subtropical and subarctic gyres in the western NPacific Ocean (from Qiu, 2001)从 KE 流轴脱落的涡旋携带着其源头的各项特性，可移动上百，甚至上，生命史可长达数月甚至数年。因此，综合利用多源卫星数据（例如卫星数据和海表面温度数据等）以及现场观测资料（Argo 数据和 CTD 数据等 KE 区域脱落涡旋的分布和属性进行长时间序列的研究，并进一步分析其环境的影响（包括热量和盐量的传输等），具有重要的科学价值和实际意落涡旋的经向热量对 SST 有重大的影响，从而通过海-气相互作用对大气气候变化产生影响，对气候预测有指导意义。下面分别从遥感数据及其应 区域中尺度涡研究进展和北太平洋副热带西部模态水三个方面介绍研究

图 1.2 研究区域的气候态动力地形（等值线，cm）和海底地形（填色，m）。等值线的间隔是 10 cm，黑色等值线代表 KE 流轴。IR 和 SR 分别代表伊豆脊海岭（Izu Ridge）和沙茨基海脊（Shatsky Rise）Fig.1.2 Climatological absolute dynamic topography (contour, cm) and geography (color, m) of researchregion. The contour interval is 10 cm, and the black contour indicate the KE jet axis. IR and SR denote theIzu Ridge and the Shatsky Rise, respectively1.2 研究进展1.2.1 卫星遥感数据及其应用卫星遥感数据具有全天候、全天时、大面积同步观测等优势，为海洋中尺度涡的研究提供了有力的数据支撑。上世纪 70 年代以来高速发展的地球观测卫星为全球尺度海洋中尺度现象的研究开辟了一个新时代[19]。由于中尺度涡强烈地影响着海表属性，所以人们能从海表面温度（SeaSurfaceTemperature, SST），水色、合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）图像中发现它们。但当中尺

海表以下的信息至关重要。船载走航的现场观测数面数据[23]以及模式数据[24][25]等均能用于合成中尺度涡三，随着 Argo 浮标、漂流浮标等数据的积累，自从 2001 年学者们研究中尺度涡的结构、分类以及其对海洋环境影响8]。但受限于 Argo 浮标数据的时空分布不均等问题，一般度大的海域，或是基于 Argo 浮标跟踪和研究单一中尺的过程。足海洋的应用需求，卫星高度计测量海面高度的精度要求尺度涡一般能表现出明显的海表高度变化（图 1.3 是一个面示意图），卫星高度计数据无疑是目前对区域性或全球研究的最佳数据源，以下我们先介绍以高度计数据为主要提取和跟踪算法。
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本文编号：2882967