韓玉康，周林，吳炎成（.解放軍理工大學　氣象海洋學院，江蘇　南京　0；.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇　江陰　443）

基于HYCOM的南海中尺度渦數值模擬

韓玉康1，周林1，吳炎成2
（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101；2.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

結合AVISO（Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data）高度計資料，利用改進的NERSCHYCOM（Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model）大洋環(huán)流模式，對南海中尺度渦進行數值模擬研究，主要包括中尺度渦的三維結構、南海EKE（Eddy Kinetic Energy,渦動動能）的垂向變化、黑潮中尺度渦的脫落以及渦旋近岸時的結構變化等。模式再現(xiàn)了2007年2月-3月菲律賓西側海域的一次暖渦過程，探究了其生命期中各階段的特征物理量的變化，對其成熟時期的渦旋結構研究表明，中尺度渦的結構呈現(xiàn)不對稱性，渦旋兩側的流場空間范圍和流場強度均不相同，渦旋的半徑和中心位置隨深度不斷變化，并且由渦旋作用產生的升降流的中心與渦旋自身中心并不重合，二者之間有一定距離。初步探索EKE的垂向分布情況，認為南海年平均EKE在垂向變化上呈現(xiàn)三段式，主要部分分布在300m以淺深度，但同時垂向又能達到海洋深層。分析了一次黑潮中尺度渦脫落的模式模擬個例，推測黑潮中尺度渦脫落原因：黑潮流徑西移、外海中尺度渦對黑潮的強迫、地形作用，并且結果表明從黑潮脫落的中尺度渦可以攜帶大量高溫高鹽水體進入南海，對南海的溫鹽性質產生很大的影響。初步探索渦旋近岸時的結構變化，渦旋靠近岸界時，受岸界擠壓，流速在一段時間內會增大，繼續(xù)靠近岸界，由于岸界的摩擦、海底的拖曳，導致能量耗散，流速減小，最終渦旋消亡。

中尺度渦；數值模擬；黑潮；南海

中尺度渦是時間尺度在數天至數月之間、空間尺度在數十到數百公里之間的渦旋。中尺度渦以長期封閉的環(huán)流為主要特征，是海洋物理環(huán)境的一個重要組成部分。它不僅直接影響海洋的溫鹽結構和流速分布，而且蘊藏巨大的能量（Robinson，1983），對海洋動能、熱量的輸運發(fā)揮著重要作用。因此，中尺度渦自發(fā)現(xiàn)以來就是海洋學家十分關注的一個重要物理現(xiàn)象。

南海大致位于98.5-122.5°E，0-24.5°N之間，是西北太平洋面積最大的一個半封閉邊緣海，最大水深5 000 m。南海地形相當復雜，并且通過眾多海峽與外海和大洋相連。由于地形復雜，又是季風區(qū)，以及黑潮的作用，南海成為中尺度渦的多發(fā)海域。從南海中尺度渦發(fā)現(xiàn)以來，人們的研究逐步深入。蘇紀蘭等（1992）、許建平等（1996）對冬春季呂宋冷渦進行了報道研究，蘇紀蘭等（1999）報道了夏季越南外海的越南冷渦。程旭華等（2005）研究表明，南海中尺度渦存在明顯的季節(jié)變化。黃企洲（1994）、方文東等（1997）對南海南沙海域的冬夏季相反的南沙氣旋式渦和南沙反氣旋式渦做了比較深入的研究分析。

近年來，在南海開展的有利于中尺度海洋過程研究的觀測越來越多，為中尺度渦過程的研究提供了許多十分寶貴的資料（NaN et al，2011），讓人們對中尺度渦三維結構的研究更加豐富。Wang等（2012）利用WOA05資料和高度計資料，分析了南海渦動動能的季節(jié)變化進行，Hu等（2011）利用觀測資料對南海西南部的一個冷渦進行研究，探討了其三維結構，Chen等（2010）通過衛(wèi)星高度計資料和Argo資料相結合的方式，對呂宋暖渦的垂向結構及演變過程進行了研究。

現(xiàn)場觀測資料由于觀測范圍不夠廣、時間序列不夠長，并且比較稀少，無法得到連續(xù)的海洋信息及其變化。衛(wèi)星遙感僅能提供中尺度渦的海面資料，無法得到海洋下層的信息以及用于海洋表層以下物理過程的研究。而SODA（Simple Ocean Data Assilimation）等再分析資料，雖然比較豐富，但是主要是用于研究世界大洋環(huán)流的大尺度氣候變化的，其時空分辨率都比較低，不適合于中尺度渦研究。隨著高分辨率海洋環(huán)流模式的不斷發(fā)展，數值模擬逐漸成為中尺度渦研究的重要手段，越來越受到大家的關注。Xiu等（2010）利用ROMS模式對南海1993-2007年間的中尺度渦進行了統(tǒng)計，并與衛(wèi)星高度計資料進行比較，結果顯示非常接近。Wu等（2007）利用POM模式研究了南海北部中尺度渦，指出呂宋海峽附近產生并向西傳播的中尺度渦與斜壓Rossby波具有相同的傳播速度。

對于中尺度渦的研究仍然存在很多疑問，例如，黑潮在呂宋海峽是否會脫落出中尺度渦進入南海，如果可以，脫落過程是怎么樣的？中尺度渦在發(fā)生發(fā)展過程中自身能量是如何變化的？中尺度渦與背景場有哪些作用？這些前人已有一部分工作（Wang et al，2008；Zu et al，2013），但是很多問題沒有解決。

本文利用改進的挪威版的HYCOM海洋模式，對南海的中尺度渦現(xiàn)象進行數值模擬研究，并結合高度計資料和SODA再分析資料，以期更好地理解和揭示南海中尺度渦的結構特征、能量以及與背景場的相互作用。

1　數據和方法

1.1資料介紹

本文采用AVISO提供的2000-2008年9年的T/P、Jason和ERS1/2等衛(wèi)星高度計融合的海面高度異常（SLA）數據。該數據采用墨卡托投影，空間分辨率1/3°×1/3°，時間分辨率7 d，空間覆蓋范圍南北緯82度之間。

SODA是分析1950年至今的上層海洋的溫度、鹽度和海流資料得到的產品。用于同化的資料包括WOA94的溫度、鹽度（MBT、XBT、CTD、站點資料），以及其他水文、海表溫度、海表高度資料。空間分辨率1/2°×1/2°，空間范圍75.25°S-89.25°N，0-360°。時間分辨率逐周。

1.2模式介紹

所用到的模式是由挪威的南森環(huán)境遙感中心基于標準版HYCOM模式而改進的NERSC-HYCOM。HYCOM數值模式是全球海洋環(huán)流模式，最大的特點是采用z坐標，sigma坐標和等密度坐標相結合的垂向混合坐標，即在開闊海域采用等密度坐標，在近岸海域采用sigma坐標，在混合層和層結不穩(wěn)定的海域采用z坐標。模式的另外一個特點是嵌入多種湍混合模塊以供選擇，如K-T方案、KPP方案等。近年來，HYCOM模式被廣泛應用與大洋和區(qū)域海洋的研究之中。

模式采用嵌套技術，分為內外兩層模式區(qū)域。外部大區(qū)域為S20°以北的太平洋，范圍99°E-289°E，20°S-65°N，水平分辨率1/2°×1/2°；內部小區(qū)域為西北太平洋和中國近海，范圍99°E-148°E，10°S-52°N，水平分辨率1/8°×1/8°（圖1）。大區(qū)域邊界采用牛頓松弛邊界，邊界上松弛寬度為20個網格，時間松弛尺度為20d。為減小地形劇烈變化產生的計算不穩(wěn)定，將地形進行一次平滑，平滑后的地形避免了大洋中一些復雜地形海域的地形劇烈變化。中國近海小區(qū)域模式嵌套于1/2°×1/2°分辨率的太平洋區(qū)域模式，每天從大區(qū)域獲取一次邊界條件。

圖1　模式區(qū)域設置

模式的垂向分層在原模式22層的基礎上進行改進，設置為28層，各層的參考目標位密值為17.0，17.5，18.0，18.5，19.0，19.5，20.0，20.5，21.0，21.5，22.0，22.5，23.25，24.0，24.75，25.5，26.25，26.65，26.90，27.04，27.17，27.29，27.52，27.65，27.70，27.75，27.78，27.80。前10層的位密值都不大于21.5，使得大部分海域上層的z坐標達到10層，增加上混合層的z坐標層數，提高上混合層分辨率。同時加密海洋深層的垂向層數，提高深層海洋的分辨率。改進后的28層模式較先前的22層模式的模擬效果有很大的改進。垂向混合方案采用KPP方案。

模式的溫鹽初始場采用了對極具有高質量的PHC（Polar Science Center Hydrographic Climatology）溫鹽資料，該資料是利用Levitus’1998 WOA資料和AOA（the EWG Arctic only climatology）資料處理得來的，PHC與Levitus資料相比在極地地區(qū)分辨率更高。并且在試驗中發(fā)現(xiàn)PHC比Levitus資料具有更好的初值穩(wěn)定性。高頻強迫場資料采用了歐洲中心提供的ERA-I（ERA-Interim）資料，該數據為ECMWF研制的最新的全球大氣再分析產品高頻強迫資料，該資料覆蓋全球，空間分辨率達到了0.5°×0.5°，每6 h輸出一次資料，包括風場、海表面溫度場、蒸發(fā)降水場、凈海面輻射通量場以及相對濕度場。

大區(qū)域氣候態(tài)運行20年后，模式穩(wěn)定，將第16-20年的結果作為小區(qū)域的背景場；小區(qū)域氣候態(tài)運行5年，模式穩(wěn)定，得到氣候態(tài)結果；將小區(qū)域第5年的結果作為模式高頻運行的背景場，模式進行2000-2008年的高頻強迫，得到結果。

1.2中尺度渦的判定方法

中尺度渦的形狀通常不是規(guī)則的圓形，受各種地形和海流的影響，中尺度渦的切向速度往往不對稱，其形狀也是不規(guī)則的圓形或者橢圓形，而且中心位置和形狀也不是一成不變的，這給識別中尺度渦帶來一定困難。目前，大致有三類識別中尺度渦的方法：物理參數法、幾何形狀法和混合法。物理參數法如 O-W方法 （Okubo，1970；Weiss，1991），通過海表面高度或者溫度場的信息來識別中尺度渦，將這些物理場以參數形式表示，當該參數超過一個閾值時就識別為中尺度渦，其缺點是容易誤識別。幾何形狀法則使用流線上的各點的累計旋轉角度來判別，它首先要將速度場表達為流線的形式，當流線上點的累計旋轉角度值大于等于2π時則判定為渦旋（Sadarjoen et al，2000）。該方法誤識別率較小但是計算量很大，提取速度過慢?；旌戏ㄊ腔趲缀涡螤罘ㄖ系?，邊界確定用的幾何形狀法，但是為了節(jié)省計算時間，查找渦旋中心的判據用SLA的極值代替，這使用到了物理參數法，因此混合方法是一個折中的方法，計算時間和效果都能得到一定改善，但是仍然會造成誤識別。

經過大量的試驗，同時考慮到計算區(qū)域范圍和渦旋的識別效率，本文采用Nencioli等.（2010）提出的基于流場的中尺度渦自動識別方法對南海中尺度渦進行自動識別，該方法是基于中尺度渦的速度場的一些幾何特征來識別中尺度渦，因此屬于第二類方法：幾何形狀法。

2　結果分析

2.1模式模擬效果驗證

2.1.1南海流場

分別取2月份和8月份的模式模擬結果，作為冬季和夏季的南海流場，與SODA資料進行比較，驗證模式對南海流場的模擬效果。冬季，受冬北季風的作用，整個南海是被一個大的氣旋式環(huán)流所控制，海水主要向西南方向流動，在南海的西部和北部都有較強的西邊界流。在呂宋海峽，有較強的黑潮海水流入現(xiàn)象，黑潮入侵流進入南海后分為兩部分，一部分轉向向西流動，匯入南海的大的氣旋式環(huán)流中，另一部分繼續(xù)向北，進入臺灣海峽，成為南海暖流的重要組成部分。這與前人的研究結論是一致的（蔡怡等，1999；張婷婷，2008）。

夏季，在西南季風的作用下，南海的環(huán)流形式與冬季大致相反，成一反氣旋式環(huán)流。黑潮水的入侵不如冬季明顯，整個臺灣海峽都是自北向南的海水流動。在西邊界，向北流動的海水在越南東部海域產生分支，形成東北方向的離岸流。與方國洪等（2009），利用改進的MOM2模式，模擬計算得到西邊界流場形式相同。而產生離岸流的位置大約在北緯11度附近，與翟麗等（2004），利用ECOM-si模式得到的數值結果相同。這也驗證了HYCOM模式的模擬效果。

總的來說，模式對南海表層環(huán)流的模擬與SODA資料以及前人的已有研究成果十分貼近，其主要環(huán)流特征都得到了很好的體現(xiàn)，驗證了模式對于南海流場具有很好的模擬能力。同時，HYCOM的模擬結果也存在一定的不足：黑潮模擬中，黑潮的流幅過窄，流速偏大；南海各個海峽處的水體流動模擬效果不是太好，這可能是受模式分辨率以及地形的分辨率局限所造成的。

2.1.2南海海表面高度場

海表面高度場（SSH）是上層海洋環(huán)流動力結構的真實體現(xiàn)，代表了深度平均流的水平分布，因此對于海面高度的研究是上層海洋環(huán)流研究的關鍵問題之一。從圖3可以看出，模式模擬的南海月平均海表面高度異常，與AVISO資料是十分接近的，和Cheng等（2010）的研究結果相同。冬季，在Ekman輸運的作用下，海水在西海岸堆積，海面高度升高，特別是泰國灣海域最為明顯。最低的海表面高度異常出現(xiàn)在南海深海盆的東北部，呂宋海峽的西南側，可以達到-15cm左右。其次，在越南東南海域，也存在一海表高度的異常負值，強度較弱，在-7.5cm到-10cm之間。說明冬季在呂宋海峽西南側和越南東南部海域有較強的中尺度現(xiàn)象。在這兩個異常負值之間，越南東部，存在一海表面高度的異常正值，在5cm左右。

模式模擬結果和AVISO資料之間也存在一定的差異，在南海北部，模式的模擬結果數值偏低，而在南海南部，AVISO資料顯示有很大一部分海域存在-5cm左右的海表面高度異常，而模式并沒有模擬出來。模擬存在誤差的可能原因是AVISO資料的海表高度異常的時間序列為1993年至今，而模式資料時間范圍是2000-2008年，海表面高度異常的年際變化信號在一定程度上被濾掉了。其次，在某些海表面高度變化微弱的海域，衛(wèi)星資料的信號誤差是模式與觀測不一致的因素之一（Simth et al，2000）。夏季與冬季南海海表面高度異常的形式相反，在呂宋海峽西南海域以及越南東南部海域，都存在海表面高度的正的異常，南海東部海表面高度要高于西部海域。

圖2　2月份和8月份南海表層流場（單位，m/s）（左圖為SODA資料結果，右圖為HYCOM模式結果）

2.2渦旋的三維結構

中尺度渦的三維結構一直都是人們研究的熱點問題。Peng等（2012），Guan等（2012），林夏艷等（2013）分別利用不同海洋模式通過數值模擬的方法來分析中尺度渦的三維結構，這些研究都大大加深了人們對于三維中尺度渦的認識。受林夏艷的方法啟發(fā)，本文將其用于HYCOM海洋模式，對菲律賓西側海域的一次中尺度暖渦過程進行研究探討。

圖3　HYCOM模式模擬和AVISO資料的南海月平均海表面高度異常（單位，m）（左圖為2月份，右圖為8月份）

2.2.1渦旋的演變過程

（1）渦旋過程的模式再現(xiàn)

從圖4中可以看出，模式模擬的流場、渦旋與高度計資料結果有很好的時空匹配性，在局部區(qū)域和一些細節(jié)之處有所差異。從模式模擬的結果來看，該暖渦產生于2007年2月7日，歷時6個多周，在2月28日達到強盛時期，在3月21日消亡。渦旋位置位于菲律賓西側海域，整個過程中渦旋略向西移動，但是整體還是在此區(qū)域，平均位置東經118.75度，北緯15.25度。從高度計資料結果來看，渦旋西行的移動速度和距離比模式模擬結果稍大，平均位置東經118.00度，北緯15.25度，渦旋的生命周期和發(fā)展過程與模式模擬較好的吻合。綜上所述，模式基本能夠對此次中尺度暖渦過程有比較好的模擬。

（圖待續(xù)）

圖4　菲律賓西部海域一次暖渦過程的數值模擬與高度計觀測（左側是高度計結果，右側是模式結果；彩色填充部分是海表面高度異常（單位：cm），矢量是地轉流，黑線代表渦旋邊界，☆代表渦旋中心位置）

圖5　渦旋生命期中的特征物理量變化（藍色虛線表征物理量在整個生命過程的均值）：（a）渦動動能，單位cm2/s2；（b）能量密度，單位cm2/s2/km2；（c）剪切形變、拉伸形變，單位10-6/s；（d）渦度，單位10-6/s

（2）特征物理量的變化

圖5為渦旋生命過程中各物理特征量隨時間的變化。

其中U，V分別是渦旋緯向和經向的速度；

圖a可以看出，在渦旋整個生命期中，渦動動能隨時間先變大，在渦旋生命中期達到最大，在450 cm2/s2附近，隨后不斷減小，直至渦旋消亡，分布基本呈拋物線形狀，渦動動能的平均值在305 cm2/s2左右。圖b是渦旋的能量密度隨時間的變化。渦旋生命初期，半徑不斷增大，但是渦旋的渦動動能增加速度很慢（如圖a），因此能量密度在初期有一個減小的過程；渦旋生命中期，半徑基本不再變化，而此時渦旋的渦動動能仍不斷增加，致使渦旋的能量密度不斷增加；渦旋生命后期，半徑不斷減小，渦動動能也不斷減小，二者同步變化，而能量密度幾乎不變，最后穩(wěn)定在0.425 cm2/s2km-2附近，整個渦旋生命期能量密度的均值大約為0.034 cm2/s2km-2。圖c的2個物理量表征渦旋的形變信息。可以看出剪切和拉伸形變的正負和大小在渦旋的整個生命過程中都不斷變化，表征渦旋并不是一成不變的，形狀不斷改變而不是保持圓形。圖d是渦旋的渦度隨時間的變化?？梢钥闯鰷u度有兩個較大值，一次出現(xiàn)在渦旋初期，大約-6.8×10-6s-1，一次出現(xiàn)在渦旋的衰退消亡期，大約為-0.75×10-6s-1。在渦旋生命中期渦度較小，最小值為-2×10-6s-1。渦旋整個生命過程的渦度先減小后增大，均值為-4.25×10-6s-1。

2.2.2渦旋的三維結構

為更清楚的認識此次中尺度渦過程，本文利用HYCOM模式資料，對渦旋在強盛時期（2007年2 月28日）的三維結構進行研究分析。我們的模式識別方法在250 m深度以下不再能夠識別出中尺度渦結構，所以我們認為此時渦旋的垂向深度為250 m。

（1）流場結構

從圖6中可以看出，渦旋流場，無論是經向流速還是緯向流速，都具有同一個特點：不對稱，包括流場空間范圍不對稱和流場強度不對稱，與Chu等通過探溫儀得到的情況相類似（1998）。在圖a中，渦旋南側流場范圍較窄，而北側較寬；南北兩側最大流速均為0.3 m/s，南側最大流速只出現(xiàn)在海洋表層一小部分，北側的最大流速大部分出現(xiàn)在海表面以下位置，而且范圍較大。在圖b中，緯向流速的結構不對稱更加明顯，渦旋西側流場范圍寬廣，最大流速0.3 m/s只出現(xiàn)與海洋表層很小區(qū)域，0.1 m/s等值線只達到海面以下125 m深度；渦旋東側流場范圍較小，只為西側部分的一半，最大流速0.3 m/s并不在海洋表層，而是出現(xiàn)在50 m深度附近，0.1 m/s等值線達到海面以下200 m深度，比西側深75 m。

圖6　流場剖面圖（單位，m/s）:（a）沿119oE斷面流速u，正值代表方向向東；（b）沿15oN斷面流速v，正值代表方向向北

（2）半徑和中心位置

圖7　渦旋半徑和中心位置隨深度的變化（a）渦旋半徑隨深度的變化，o代表模式的計算層；（b）渦旋中心位置隨深度的變化，·代表渦旋中心的經度，☆代表渦旋中心的緯度

從圖7可以明顯看出，渦旋的半徑和中心位置都隨深度不斷變化。圖a中，在海表面渦旋的半徑為62 km，在海面以下15 m渦旋半徑突然增大，約為77 km。隨著深度繼續(xù)加深，渦旋半徑逐漸減小，至250 m深度，渦旋半徑達到最小，為45 km。整個渦旋的形狀上大下小，像一個碗狀（Dong et al，2012）。圖b中，渦旋中心位置從上到下并不垂直。中心經度隨著深度基本呈減小形式，從118.75°E到118.125°E，表明渦旋隨深度增加向西偏移；中心緯度在50 m以淺，隨深度減小，50 m以深隨深度而增大，表明渦旋隨深度增加先向南側偏移，再向北側偏移。綜合來看，渦旋隨深度增加先向西南偏移，再向西北偏移。

（3）溫鹽結構

圖8　渦旋的溫鹽剖面結構（a）沿15°N溫度斷面，單位℃；（b）沿15°N鹽度斷面，單位PSU

圖8為沿15°N的溫鹽剖面，受中尺度渦作用，溫度和鹽度等值線都向深層彎曲。如果把22℃等溫線定義為溫躍層的深度，在渦旋中心，22℃等溫線位于115 m深度，在渦旋邊緣位于85 m深度，同一深度，渦旋內外，具有1.5℃左右的溫度差異，和0.15 PSU左右的鹽度差異。由于升降流量級很小，難以直接觀測，并且在診斷計算時也會因插值、差分和邊界的選取而產生很大的誤差（楊少磊，2008），所以有很多學者通過溫鹽等海洋物理要素的分布情況來研究升降流現(xiàn)象（許金電等，2013；蔡尚湛等，2010），如果采用這種方法，下降流的中心應該位于溫鹽等值線的最低點。從此次渦旋的溫鹽結構來看，從50 m深度到200 m深度，下降流中心從118.75°E向東偏至119.25°E。而圖6已得出結論，渦旋中心在50 m深度到200 m深度之間，是從118.6°E向西偏至118.125°E，可見渦旋導致的下降流中心與渦旋中心并不重合，而是相距一定距離。張慶華等（2002）通過計算認為上升流在離開中心某一距離處最大，而渦旋中心仍然存在上升流，同時喬方利等（2008）在對東海冷渦的研究過程中也指出上升流在離開渦旋一定距離處最大，這些與本文所得結果一致。南海中尺度渦升降流情況和東海是否相同，模式模擬結果與實際是否一致，這還有待進一步研究。

2.2.3南海EKE的垂向變化

中尺度渦在海洋能量交換中扮演著重要角色，其渦動動能（EKE）占據了海洋表層地轉流場動能的90%。人們對各個大洋的中尺度渦渦動動能都進行了很多探索。何忠杰（2007）對西北太平洋副熱帶逆流區(qū)的中尺度渦渦動動能進行研究，認為該海域渦動能主要分布在22°N附近，冬夏季渦動能較高，冬季最低。張文霞等（2011）研究了南極繞極流區(qū)的渦動能的年際變化，得到其原因是南半球環(huán)狀模相關的風應力變化。近些年，對于南海的此項研究也越來越多，并取得了很多成果（Chen et al，2009；2010），使人們對中尺度渦渦動動能得到了進一步的了解。但是，至今為止，認為對于渦動能的研究僅僅局限于海洋表層，對其垂向分布的研究十分稀少，認識不足。本文受王大奎等（2011）研究的啟發(fā)，利用HYCOM模式模擬結果，對南海中尺度渦動能的垂向變化作一簡單探索。

圖9　南海EKE的垂向變化（實線表示EKE，虛線表示EKE變化的斜率）

圖9是南海整個海域1 000 m以淺，中尺度渦年平均的渦動動能隨深度的變化?？梢钥闯鰪谋韺又辽顚? 000 m深處，EKE隨深度增加而減小，整個過程可以分為3部分。第一部分，從海面至100m深度，EKE的值從310 cm2/s2減小到125 cm2/s2，并且呈線性遞減關系，遞減率每米1.85 cm2/s2。第二部分，從300 m深度至1 000 m深度，也是呈線性遞減關系，從35 cm2/s2減小到10 cm2/s2左右，遞減率每米0.036 cm2/s2，在這一段深度，EKE已經很小，并且隨深度減小也很慢了。第三部分，介于上述二者之間，100 m至300 m深度，EKE從125 cm2/s2減小到35 cm2/s2，遞減呈非線性形式，遞減率由1.85 cm2/s2減小到每米0.036 cm2/s2。

從上圖還可以看出，一方面EKE主要分布在海洋上層海表面至300 m深度，300 m以深，EKE的值和變化都很??；另一方面渦動動能所能達到的垂向深度也較深，在1 000 m出仍然有一部分存在。本文HYCOM模式的模擬結果與王大奎等ROMS的模擬結果基本一致。

2.3黑潮的中尺度渦脫落

近年來，就上層水交換而言，人們逐漸認識到黑潮在呂宋海峽的行為在很大程度上是一個中尺度問題。水團分析的結果表明，南海北部海域經常觀測到接近黑潮水水體性質，而明顯有別于周邊水體的高溫高鹽水。但這種特征并非完全由水團的平均流輸運所導致，進一步的分析表明，黑潮水體以高頻渦動的方式逸入南海內部是其影響南海的重要方式之一（Wang et al，2008；李燕初等，2002；Jia et al，2004）。

2.3.1黑潮侵入南海

圖10給出了呂宋海峽的緯向速度的垂向斷面，圖a為Liang等（2003）1991-2000年的觀測結果，圖b為本文HYCOM模式的模擬結果?？梢钥闯觯诔痹趨嗡魏{的侵入與流出主要是在海峽的北半部分，20°N-22°N，海峽南半部分流速很小，在此不做討論。黑潮水的侵入主要在20°N-21.25°N，300 m以淺流速基本大于0.1 m/s，最大流速達到0.4 m/s。本文模擬結果與前人觀測結果基本形式一致，但最大流速的位置有所差別，由100 m深度層一直延伸至海表面。在出流部分，21.25°N-22°N，本文模擬的出流強度0.4 m/s，比前人觀測結果大0.1 m/s左右。存在差異的可能原因：觀測結果時間為1991-2000年，而模式結果的時間為2000-2008年，其中一部分差異是由于流場的年際差異造成的。

圖10　呂宋海峽300 m以淺流速垂向斷面（單位，m/s）（a）Sb-ADCP 1991-2000年觀測結果；（b）HYCOM模式結果

綜上所述，HYCOM模式對黑潮侵入南海和出流的模擬都是比較好的，可以較好刻畫出南海和黑潮在呂宋海峽水體交換的位置和強度。

2.3.2中尺度渦脫落過程

因為實測資料的缺乏，渦旋脫落現(xiàn)象的難以捕捉等原因，中尺度渦從黑潮脫落這個問題至今還沒有詳實、充分的實測資料來用以研究。鑒于這點，本文單純從模式模擬的角度來對這個問題進行探討。通過模式模擬出的一次2月至3月份的，為時40 d左右的黑潮中尺度渦脫落現(xiàn)象，來初步探討中尺度渦從黑潮脫落進入南海的過程和可能的動力機制，以及其進入南海后對南海溫、鹽場的影響，增進對黑潮水侵入南海這一海洋物理現(xiàn)象的認識。

如圖11所示，本文將此次中尺度渦脫落過程共劃分為五個階段，時間分別表示為第10 d、第20 d、第25 d、第30 d和第40 d。剛開始，黑潮流徑正常，在臺灣島南段，有一部分黑潮水進入南海，后分為兩部分：一部分沿臺灣島西側繼續(xù)北上，進入臺灣海峽，成為臺灣暖流的重要組成部分；另一部分轉向西行，進入南海。第10 d，黑潮流徑開始發(fā)生彎曲，在臺灣島南側形成圓弧形狀。第20 d，黑潮流徑彎曲加強，在21°N和22°N之間，伸出一條高SSH水舌，形成流套；同時黑潮主軸彎曲進入南海中。第25 d，黑潮流套繼續(xù)向西伸展，最西端達到東經118.5度以西，并向中尺度渦旋轉變；同時，黑潮流軸恢復正常，直接跨越呂宋海峽而不進入南海。第30 d，中尺度渦生成，并從黑潮脫落。第40 d，中尺度渦繼續(xù)向西移動，進入南海，繼續(xù)發(fā)展。綜上所述，此次中尺度渦的脫落過程，可以歸納為以下5個階段：流軸彎曲、流套形成、流套-中尺度渦轉化、中尺度渦形成并脫落、進入南海。渦旋從第25 d到第40 d，向西移動約1.5個經度，平均移動速度為11 cm/s左右，與郭景松等（2013）通過Argos浮標資料得到的脫落渦旋的西移速度10 cm/s十分接近。

圖11　一次中尺度渦旋從黑潮脫落過程（海表面高度單位，m；☆代表渦旋形成后的中心位置）

對于產生此次黑潮中尺度渦脫落的動力機制，我們主要考慮了流場、外海渦旋以及地形等因素。第一是黑潮流軸的季節(jié)變化（如圖2）。冬季黑潮流軸西移，在呂宋海峽北部，可以達到東經121度以西，為黑潮流的一部分掠過臺灣海峽南端，形成流套創(chuàng)造了條件。第二，黑潮東側西行的中尺度渦強迫影響。從圖中可以看出，黑潮東側西行的中尺度渦，到達呂宋海峽東側時，受黑潮的阻擋，不能繼續(xù)西行進入南海。但是卻將自身的一部分能量或者說不穩(wěn)定的擾動，傳遞到黑潮，黑潮對中尺度擾動具有不穩(wěn)定性，迫使其流軸彎曲，形成流套。第三，海底地形的影響。臺灣海峽南端是水深較淺的恒春海脊，由于地形的抬升作用，使黑潮的能量和不穩(wěn)定擾動在上層加強，進一步促進了流套的發(fā)展以及中尺度渦的形成。而海峽南側水深較深，地形對上層海水的影響比較小。除此之外，可能黑潮的斜壓不穩(wěn)定、冬季強勁的冬季風、其他海洋物理過程的影響等條件也可能是黑潮中尺度渦旋脫落的重要原因，對此本文尚未做研究。

2.3.3黑潮脫落的中尺度渦對南海溫、鹽場的影響

由于黑潮水與南海水體在溫、鹽性質方面存在很大的差異，因此，從黑潮中脫落的中尺度渦，攜帶黑潮的高溫高鹽水體，必定會對南海海洋環(huán)境，尤其是臺灣海峽南端和中國大陸沿岸海域，產生很大的影響。此次脫落過程階段較多，由于文章篇幅所限，本文主要關注中尺度渦脫落進入南海以后的溫鹽場變化，也就是上述階段的最后一個，對脫落過程中的變化不做一一研究。

如圖13.a所示，此次過程對南海溫度場的影響在海洋表層很難看出，整個表層幾乎都是25℃以上的水體。從經向或者緯向斷面來看，以北緯21.25°，東經117.5°為中心，周圍有很大一部分水體溫度明顯高于附近海水，也就是說脫落的渦旋造成了臺灣海峽南端上層的水體升溫。從圖b來看，這部分水體的溫度性質與121°E以東的黑潮流域海水十分相近，但是，這些高溫水體的出現(xiàn)，是渦旋從黑潮攜帶而來的還是暖渦的下沉運動導致的，我們還不能定論，需要結合鹽度場進一步分析。

圖12　溫度斷面分布（單位：℃）（a）東經117.5度斷面溫度分布；（b）北緯21.25度斷面溫度分布

如圖13.b所示，與高溫海水的中心相吻合，在此區(qū)域的海水呈現(xiàn)出高鹽的特性，特別是在海面以下50 m至300 m之間，最大鹽度值達到34.7 PSU。但是這個區(qū)域的海洋50 m以上及其附近海域，鹽度都是要低于34.5 PSU的，也就是說，這些高鹽水體不是由于下沉流導致的，而是由脫落的中尺度渦從黑潮流域攜帶而來的，解決了我們在上文所提出的問題。圖14為渦旋內部水體和渦旋周圍的南海水體的T-S點聚圖?？梢钥闯觯诤Ｑ笊蠈?，渦旋水體和南海水體的溫鹽性質存在很大差異，渦旋內部水體相對于南海水體具有高溫高鹽的性質，也驗證了上文的結論，二者不是同一水體。

同時，也發(fā)現(xiàn)圖13中，在海面到100 m之間，圍繞在高鹽水體的周圍，存在一圈鹽度很低的水體。結合流場以及渦旋的運動來看，這些水體是由于渦旋表層的高速旋轉，將呂宋島西北海域的低鹽海水吸入渦旋中來的，并伴隨渦旋向西移動。而渦旋的深層，由于旋轉速度較慢，因此并沒有將低鹽水吸入。

綜上所述，從黑潮脫落的中尺度渦，將黑潮高溫高鹽的水體帶入南海，并且還吸入了一定量的呂宋島西北部海域的低鹽水體。這些水體將對南海溫、鹽場產生很大的改變，甚至因此改變其他的海洋物理過程。

圖13　鹽度斷面分布（單位，PSU）：（a）東經117.5度斷面鹽度分布；（b）北緯21.25度斷面鹽度分布

圖14　渦旋內外水體的T-S點聚圖

（紅點代表渦旋內部水體，藍點代表渦旋外部，既南海水體，黑線代表其平均狀態(tài)）

2.4渦旋進入淺水、近岸的結構變化

中尺度渦并不是一個孤立的系統(tǒng)，它時刻與外界有著相互作用。一方面，中尺度渦可以攜帶熱量和動能，并輸送物質（Benitez et al，2007），影響海洋的物理環(huán)境；另一方面，中尺度渦在發(fā)生發(fā)展過程中也不斷與外界發(fā)生作用，例如渦渦相互作用（Zhangetal，2013）、渦流相互作用（馬文龍，2013）以及岸界對中尺度渦產生影響（Frolov et al，2004）等等。所以對于中尺度渦的研究，離不開渦旋與其周圍環(huán)境的相互作用。早期的研究就認為海岸、邊界對中尺度渦具有耗散作用，Wright等對大西洋的研究中指出，其西邊界區(qū)域的海底地形拖曳是渦場能量耗散的主要原因（Wright et al，2012）。但目前針對南海中尺度渦的耗散作用的研究很少，在南海，海岸、邊界會對中尺度渦產生什么樣的影響，渦旋的結構會產生怎樣的改變，人們還很不清楚。

本文通過將模式資料與高度及資料對比，找出2008年8月13日到2008年10月8日，在海南島南部海域的一次中尺度渦過程，對此開展研究。此次中尺度渦過程共歷時8個周，在2008年9月3日靠近海岸附近，并且達到渦旋發(fā)展的最強期。圖15為9月3日的模式流場和高度計流場圖。從圖中可以看出，相比高度計資料，模式模擬整體效果較好，渦旋中心位置向東偏離約0.75度左右。

圖15　近岸中尺度渦流場（圖中☆代表本時刻9月3日的渦旋中心位置，·代表下一時刻9 月10日渦旋中心位置，高度計資料只畫水深大于100m的區(qū)域）：（a）模式模擬結果；（b）高度計資料結果

圖16　沿渦旋中心的速度剖面（單位，m/s）：（a）9月3日緯向速度u；（b）9月3日經向速度v；（c）9月10日緯向速度u；（d）9月10日經向速度v

如圖16的a，b所示，從9月3日沿渦旋中心的垂向速度剖面來看，緯向速度u和經向速度v具有相同的特點：靠近海岸、淺水的一半，相對于遠離海岸的一半，流場范圍較小，流速較大。圖a中，速度u在近岸側達到0.5 m/s，而離岸側大部分區(qū)域在0.2 m/s左右；圖b中，速度v在近岸側也達到0.5m/s，而在離岸側最大速度只達到0.3 m/s。原因可能是渦旋靠近海岸，受到岸界的擠壓，導致近岸側流場空間范圍減小，空間范圍被壓縮以后導致了流速的加快。

從海表面流場圖（圖15）中可以看出，從9 月3日到9月10日，渦旋的移動方向為西南方向，這樣，渦旋北側遠離海南島岸界，而東側更加靠近越南岸界。對比圖16的a圖與c圖，可以看出，渦旋北側開始遠離岸界，不再受岸界擠壓，流場空間和渦旋結構都恢復相對正常狀態(tài)，只是流速減小。對比b圖與d圖，可以看出，渦旋的西側更加靠近岸界，海岸的擠壓更加嚴重，流場空間變得更小，但是流速并沒有隨空間的縮小而增大，反而不斷減小。

綜合以上現(xiàn)象，本文推測，中尺度渦在靠近海岸、淺水時，受岸界擠壓，近岸側流場空間會壓縮，流速在一段時間內會增大；當渦旋繼續(xù)靠近海岸，流場空間會不斷被壓縮，同時，由于岸界的摩擦增大，海底的拖曳強度加大，對中尺度渦的能量會產生很大的耗散作用，導致渦旋流速減小，最終致使渦旋消亡。

3　結論與展望

本文利用HYCOM海洋模式，對南海中尺度渦進行數值模擬，研究中尺度渦旋的三維結構和能量，分析了一次黑潮中尺度渦脫落的模式模擬個例，以及其對南海溫鹽場的影響，并對渦旋近岸時的結構變化問題作了簡單探尋，得到如下結論：

（1）本次渦旋生命過程中，各特征物理量的變化趨勢：EKE先變大后減??；能量密度先變小，再變大，最后基本保持不變；剪切形變和拉伸形變的正負和大小都不斷變化；渦度基本先減小再變大。

（2）中尺度渦的結構呈現(xiàn)不對稱性，并且渦旋的半徑和中心位置都會隨深度而變化；由渦旋作用產生的升降流的中心與渦旋中心并不完全重合，二者之間有一定距離。

（3）南海EKE隨深度的變化呈現(xiàn)為三段式，主要部分分布在300m以淺深度，但同時垂向又能達到海洋深層。

（4）黑潮中尺度渦脫落原因可能有以下三點：黑潮流徑西移，外海中尺度渦對黑潮的強迫，地形作用。渦旋從黑潮脫落，會將高溫高鹽水體帶入南海，對南海溫鹽性質產生很大影響。

（5）中尺度渦靠近岸界時，受岸界擠壓，流速在一段時間內會先增大；繼續(xù)靠近岸界，由于岸界的摩擦，海底的拖曳，導致能量耗散，流速減小，最終渦旋消亡。

中尺度渦在海洋中十分豐富，它對海洋的物理環(huán)境以及能量都有著很大的影響。但是由于資料的稀少，人們對中尺度渦的結構、能量以及其他很多方面的研究都還很不成熟，還是一個個待解之謎。今后會對本文中提出的問題和觀點做進一步的研究和證實，增進對中尺度渦的更加全面的認識。也相信隨著資料的豐富，模式的改進，人們研究的深入，在不久的將來，一定能夠解開海洋中尺度渦之謎。

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（本文編輯：岳心陽）

Numerical simulation of the mesoscale eddy in the South China Sea based on HYCOM

HAN Yu-kang1,ZHOU Lin1,WU Yan-cheng2
（1.College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China; 2.China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China）

In combination with Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data（AVISO）, numerical studies have done on the mesoscale eddy in the South China Sea using the NERSC-HYCOM,including the three-dimensional structure of mesoscale eddy,the vertical variation of Eddy Kinetic Energy（EKE）and the process of the mesoscale eddy falling off the Kuroshio and its structure changing when close to the coast.The model reveals the process of a warm eddy off the west coast of the Philippines from February to March,2007,and some characteristics in the whole life.Through the analysis of its structure at the mature stage,we can see the structure of mesoscale eddy isn't symmetrical and the space and intensity of vector on eddy's both sides are different.Its radius and center are changing with depths.The center of upwelling and downwelling produced by the eddy isn't identical with the eddy's center and there is a distance between them.A preliminary exploration on the vertical distribution of EKE has indicated that the vertical structure of EKE in SCS can be divided into three sections,and its main part is at the upper 300meters of the ocean but can reach the deep sea.The reason why the mesoscale eddy can fall off the Kuroshio can be inferred from a numerical case,including the westward moving of the Kuroshio,the force to the Kuroshio by eddies from northwest Pacific and the role of terrain.The results also show the eddy falling off the Kuroshio can bring much water with high temperature andsalt into SCS and has a big effect on its thermohaline properties.When the eddy moves near the coast,with the force from the coast,its flow velocity will increase in a period of time.But when the distance becomes much smaller,the friction of coast and drag of seafloor will cause eddy's energy dissipation and velocity decrease and the eddy will die finally.

mesoscale eddy；numerical simulation;Kuroshio；South China Sea

周林，教授，電子郵箱：Zhou_Lin@163.com。

P731.2

A

1001-6932（2016）03-0299-18

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.009

2015-04-15；

2015-06-02

國家自然科學基金（41306010）。

韓玉康（1990-），男，碩士研究生，主要研究海洋環(huán)流數值模擬研究，電子郵箱：yukang_han@163.com。