沙 松，鄭彤彤，金紹華

（1.中國人民解放軍 92150部隊，浙江 舟山 316000；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東 青島 266071；5.海軍大連艦艇學院 軍事海洋與測繪系，遼寧 大連 116018）

0 引言

中尺度渦是海洋中一種顯著且普遍存在的渦旋運動[1]，空間尺度可達幾十至幾百千米，時間尺度為幾十至幾百天，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可將其分為冷渦和暖渦兩類，在北半球，冷渦為逆時針旋轉(zhuǎn)的渦旋，海表面的水體受科氏力作用向外輻散使海表面高度降低，渦旋中心形成上升流；暖渦順時針旋轉(zhuǎn)，海表面水體向渦內(nèi)輻聚，海表面高度升高，渦旋中心為下降流[2]。中尺度渦的垂直影響深度可以達到上千米，并且在移動過程中裹挾渦內(nèi)的水體與其他區(qū)域的水體進行物質(zhì)能量交換[3-4]。因此，中尺度渦在海洋動力學、熱鹽和能量的輸送以及其它生物、化學過程中都起著非常重要的作用[5-6]，其相關(guān)研究也受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注和重視。但由于缺乏大范圍、長時間的海洋觀測資料，人們對海洋中尺度形成機制及過程了解較少，對中尺度渦三維結(jié)構(gòu)特征的研究亦未得到較為清晰、統(tǒng)一的認識[7]。

目前用于中尺度渦分析的數(shù)據(jù)源主要包括實測資料、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和數(shù)值模式數(shù)據(jù)等[8]，這些數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)處理方法不盡相同，研究人員經(jīng)常需要結(jié)合不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行科學研究。為了清楚地了解數(shù)據(jù)質(zhì)量和所研究參數(shù)的分布，有時還需要繪制專題圖。ODV作為一款海洋專業(yè)應(yīng)用軟件，具有較強的數(shù)據(jù)擴充性，能夠方便地直接讀取包括地形數(shù)據(jù)（ETOPO）、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（NetCDF）、Argo實測數(shù)據(jù)、模式數(shù)據(jù)（HYCOM、SODA等）、海洋儀器調(diào)查數(shù)據(jù)（CTD、XBT等）在內(nèi)的不同格式的數(shù)據(jù)，并進行可視化分析。ODV具有5種可視化分析模式，可繪制出Map圖、站點圖、散點圖、斷面圖和等值面圖等[9]，得到的圖像簡潔精美、信息完善，大大提高了科研工作的工作效率和效益[10]。利用 ODV挖掘中尺度渦每日變化、移動模式以及精細化垂直分布結(jié)構(gòu)等，對中尺度渦的生消機制、分布規(guī)律及移動特征的認知具有重要意義。

西太平洋是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，是全球物質(zhì)和能量交換最強烈的海區(qū)之一，在該海區(qū)有復(fù)雜的中尺度渦過程，是研究中尺度渦的理想海區(qū)[11-13]。因此，基于ODV軟件的應(yīng)用，本文主要從3個方面對西太平洋中尺度渦展開研究：通過導(dǎo)入海平面高度異常數(shù)據(jù)資料繪制平面圖，分析較大背景區(qū)域上較高經(jīng)緯度分辨率的中尺度渦表層演化情況及運動規(guī)律，導(dǎo)入 HYCOM 模式數(shù)據(jù)繪制斷面圖實現(xiàn)中尺度渦垂直分布在 ODV中的可視化，平面圖與斷面圖兩者結(jié)合，準確直觀地得出中尺度渦的時空分布和結(jié)構(gòu)特征；通過導(dǎo)入實測溫度鹽度數(shù)據(jù)與 HYCOM 進行對比，為海洋科學工作者研究中尺度渦以及進行不同數(shù)據(jù)間的對比提供一種簡捷、快速的方法和思路。

1 數(shù)據(jù)準備

1.1 衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)

海平面高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）資料來自法國國家空間研究中心衛(wèi)星海洋學存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO），數(shù)據(jù)存放格式為NetCDF格式，經(jīng)度范圍選在 120°E–139°E，緯度范圍為 20°N–32°N，時間區(qū)間為2022年4月24日–6月26日?？臻g分辨率為1/4°×1/4°，時間分辨率為1天。下載地址：http：//resources.marine.copernicus.eu。SLA數(shù)據(jù)主要用于ODV平面圖的繪制，具體繪圖流程如圖1所示，判別中尺度渦在海洋表層的空間分布結(jié)構(gòu)并進行中尺度渦的捕捉和運動態(tài)勢分析。

圖1 平面圖繪制流程Fig.1 Plan mapping process

1.2 HYCOM模式數(shù)據(jù)

HYCOM 再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)來自美國海軍研究實驗室，該數(shù)據(jù)采用多變量最優(yōu)插值方法同化了衛(wèi)星高度計反演的SLA、衛(wèi)星遙感SST、Argo 浮標和錨系浮標觀測的溫度和鹽度的垂直剖面資料[14]。本文所使用的溫度、鹽度數(shù)據(jù)存放格式為NetCDF格式，經(jīng)度范圍為 120°E–139°E，緯度范圍為20°N–32°N?？臻g水平分辨率為 1/12°×1/12°，時間分辨率為3 h。下載地址：https：//www.hycom.org/。HYCOM 模式數(shù)據(jù)主要用于中尺度渦垂直分布結(jié)構(gòu)在ODV中的可視化顯示（繪制流程見圖2）。利用ODV中繪制垂直斷面分布圖可進行中尺度渦精細化垂直分布結(jié)構(gòu)分析，同時根據(jù)需要可以在ODV界面中進行編輯或者圖幅整飾，使得繪制出的圖像更加精美。

圖2 斷面圖繪制流程Fig.2 Cross-sections mapping process

1.3 實測數(shù)據(jù)

實測溫度、鹽度數(shù)據(jù)來源于西太平洋海區(qū)布放的水下滑翔機所攜帶的海鳥公司（Sea-Bird Scientific）的 GPCTD傳感器，傳感器采樣間隔 1 m/s，采取連續(xù)觀測方式，各剖面間隔 2.5 h。通過預(yù)處理將實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化生成 ODV可識別的數(shù)據(jù)格式（.csv格式或.o4x格式），導(dǎo)入到ODV中，最終生成斷面圖。實測數(shù)據(jù)主要用于與 HYCOM 數(shù)據(jù)進行比對分析，觀測數(shù)據(jù)格點的位置、時間與模式數(shù)據(jù)基本保持一致。

2 利用ODV分析中尺度渦的具體運用

2.1 中尺度渦平面特征分析

ODV平面分布圖可在特定參數(shù)分布面上顯示其他給定參數(shù)的分布特征，依據(jù)此優(yōu)勢可以將海表面高度異常數(shù)據(jù)及流場數(shù)據(jù)導(dǎo)入ODV中繪制多參數(shù)平面分布圖來綜合研判中尺度渦的表面分布特征。ODV界面可直接顯示觀測點的經(jīng)緯度位置坐標，及流速、海表面高度異常等參數(shù)信息。通過與渦心共線的2個邊緣點經(jīng)緯度坐標，即可計算出該中尺度渦的空間水平尺度，其中選擇圍繞渦心的最外層封閉的流線作為渦邊緣[15]。以2022年4月24日西北太平洋某一中尺度渦為例，利用ODV的平面分布圖顯示中尺度渦的具體位置和影響范圍，同時判斷中尺度渦的類型是暖渦還是冷渦。其流場數(shù)據(jù)與海平面高度異常數(shù)據(jù)疊加繪制平面圖如圖 3所示。定義該中尺度渦為A，由圖像可判斷出該渦渦心位置在134.5°E，29.5°N附近，空間水平尺度在217 km左右，渦心附近海表面抬升50 cm左右，渦旋運動方向為順時針旋轉(zhuǎn)方向，渦邊緣最大流速0.82 m/s，渦心流速在0.16 m/s左右，可以判斷出是A渦是暖渦。

圖3 A中尺度渦2022年4月24日平面分布特征Fig.3 Horizontal distribution characteristics of Mesoscale Eddy A on sea surface on 24th April，2022

2.2 中尺度渦運動態(tài)勢追蹤

也可利用ODV進行專題圖繪制，將每日（周）SLA數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪制出每日（周）的中尺度渦的運動及連續(xù)變化，判斷中尺度渦的運動態(tài)勢及規(guī)律，進行科學統(tǒng)計分析。對 A渦的發(fā)展變化進行跟蹤研究，由于中尺度渦的存續(xù)時間為幾十至上百天不等，為方便演示，本文只將 A渦 5–6月份每周的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ODV中進行可視化顯示，用于分析A中尺度渦 5–6月份在西北太平洋海區(qū)的周際運動變化規(guī)律特征，如圖4所示。

圖4 A中尺度渦5－6月份海平面高度異常與海表面流速周變化Fig.4 Anomaly of sea level height and weekly variation of sea surface velocity of Mesoscale Eddy A from May to June

從圖4可以得出，5月1日A中尺度渦渦心位置在 134.2°E，29.5°N 附近，使海表面抬升約51 cm，渦心流速 0.16 m/s，渦邊緣最大流速0.8 m/s，水平空間尺度在170 km左右；5月8日A渦渦心位置在134.0°E，29.6°N附近，使海表面抬升約49 cm，渦心流速0.17 m/s，渦邊緣最大流速0.74 m/s，水平空間尺度在167 km左右；5月15日A渦渦心位置在133.8°E，29.8°N附近，使海表面抬升約49 cm，渦心流速0.09 m/s，渦邊緣最大流速0.66 m/s，水平空間尺度在195 km左右；5月22日A渦渦心位置在134.0°E，30.1°N附近，使海表面抬升約50 cm，渦心流速0.08 m/s，渦邊緣最大流速0.60 m/s，水平空間尺度在168 km左右；5月29日A渦渦心位置在134.1°E，30.0°N附近，使海表面抬升約45 cm，渦心流速0.15 m/s，渦邊緣最大流速0.45 m/s，水平空間尺度在200 km左右。從5月周際變化來看，A渦月平均海表面高度異常在48 cm以上，渦心位置基本未發(fā)生變化，渦強度呈現(xiàn)出由強變?nèi)踉僮儚姷倪^程，到5月底該渦有分散成2個渦的趨勢。

6月 5日 A 中尺度渦渦心位置在 134.0°E，29.7°N 附近，使海表面抬升約 51 cm，渦心流速0.05 m/s，渦邊緣最大流速 0.57 m/s，水平空間尺度在222 km左右；6月12日A中尺度渦渦心位置在134.1°E，30.8°N附近，使海表面抬升約54 cm，渦心流速0.07 m/s，渦邊緣最大流速0.58 m/s，水平空間尺度在248 km左右；6月19日A中尺度渦渦心位置在 133.8°E，29.8°N 附近，使海表面抬升約 55 cm，渦心流速 0.12 m/s，渦邊緣最大流速0.48 m/s，水平空間尺度在 212 km 左右；6月 26日A中尺度渦渦心位置在133.7°E，29.9°N附近，使海表面抬升約54 cm，渦心流速0.05 m/s，渦邊緣最大流速0.46 m/s，水平空間尺度在242 km左右。6月份A渦月平均海表面高度異常在54 cm以上，渦心位置呈現(xiàn)出向西變化趨勢，渦強度也存在由強變?nèi)踉僮儚姷默F(xiàn)象，到6月19日渦強度比其余三天強度有所減弱，但水平影響范圍均在200 km以上。

從整體強度來看，5月份A中尺度渦表面強度小于6月份，A中尺度渦5–6月份周際變化整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)過消散的情況，可能是因為在黑潮附近的原因[16-17]，且到5月29日和6月12日該中尺度渦有分散成2個渦的趨勢，之后又匯聚成一個渦，從運動態(tài)勢來看，渦心位置從5月初134.2°E，29.5°變化到 6月末 133.7°E，29.9°N，整體渦旋運動呈向西且靠近黑潮運動趨勢。

2.3 中尺度渦垂直分布特征分析

ODV斷面圖主要用于分析斷面內(nèi)3個變量X，Y，Z的對應(yīng)關(guān)系，常見于Z變量在X，Y變量確定的斷面上的分布情況。通過斷面定義菜單，用戶可在 Map地圖上畫任意一條軌跡，該軌跡與垂直于海面的鉛垂線組成的面即為斷面。斷面圖可以非常直觀地查看海洋參數(shù)的垂直分布情況。以 6月 12日A渦為例，利用ODV繪制斷面圖分析中尺度渦的具體垂直分布結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)3.1節(jié)中A渦平面分布特征找到該中尺度渦渦心位置及渦范圍后，導(dǎo)入該渦 HYCOM 模式數(shù)據(jù)的溫度、鹽度資料，在該渦范圍內(nèi)定義斷面，本文選擇從渦邊緣通過渦心至另一側(cè)渦邊緣連成的面作為研究斷面，除此之外還可以取渦邊緣至渦心（或渦心至渦邊緣）連成的斷面作為研究斷面。

采用橫穿渦心和縱穿渦心2個方式，定義2個斷面分別為橫、縱斷面，進行比對，如圖5所示。從橫縱2個斷面（圖5（b），圖5（e））比對可以看出，該渦海表面溫度在 22.8℃左右，200 m深溫度在19.7℃左右，400 m深溫度在17.5℃左右。200～600 m發(fā)現(xiàn)該中尺度渦產(chǎn)生明顯等溫線下沉特征，并且在200 m以上等溫線有輕微的上凸，這2個特征在縱斷面中表現(xiàn)得更為明顯。鹽度斷面顯示，A渦在100 m至接近400 m存在高鹽區(qū)域，鹽度為34.9，600～900 m存在低鹽區(qū)域，鹽度低至34.1，并且鹽度極值中心向東南方向偏移。根據(jù)LIN等人總結(jié)的3種中尺度渦類型的溫鹽分布特點，A渦為不完全對稱的鏡片式渦結(jié)構(gòu)（lens-shaped）[18]?；谀Ｊ綌?shù)據(jù)，ODV用于中尺度渦垂向分布結(jié)構(gòu)及渦類型的分析具有極大的可操作性和便捷性。

圖5 A渦6月12日溫度、鹽度橫縱斷面分布圖Fig.5 Horizontal and vertical cross-section distribution of temperature and salinity of Mesoscale Eddy A on 12th June

2.4 實測資料與模式數(shù)據(jù)的對比分析

除了HYCOM等模式數(shù)據(jù)以外，ODV還可以導(dǎo)入浮標、溫鹽深儀（CTD、MVP）等海洋觀測儀器獲取的實測數(shù)據(jù)。基于水下滑翔機所攜帶的GPCTD的觀測溫度、鹽度數(shù)據(jù)，本文對發(fā)生于2022年6月西太平洋某一中尺度渦進行分析，并將其與模式數(shù)據(jù)進行對比，如圖 6所示，其中橫軸為距離滑翔機出發(fā)點的距離，也代表時間的推移。在圖6（a）、（c）中，可以看出滑翔機所觀測的溫度鹽度等值線具有較大的波動起伏性，鹽度在100～250 m存在高值區(qū)域，在500～600 m存在明顯且不連續(xù)的低值中心，溫度從海表到 600 m逐層遞減。在HYCOM數(shù)據(jù)的溫度鹽度剖面中，等值線變化較為平緩，基本上不產(chǎn)生波動峰值。其溫度在80～220 m具有高值區(qū)域，與實測數(shù)據(jù)所在深度基本對應(yīng)，深層的低鹽區(qū)域也與實測數(shù)據(jù)符合良好。HYCOM 溫度等值線隨距離（時間）的變化非常緩慢，在100～600 m有輕微抬升的趨勢，溫度值隨深度的分布與實測數(shù)據(jù)相對應(yīng)。HYCOM 沒有捕捉到實測數(shù)據(jù)所顯示的波動性可能有2方面原因：1）HYCOM數(shù)據(jù)時間精度比實測數(shù)據(jù)要低；2）HYCOM模式數(shù)據(jù)中不包含潮汐特征[19]。但總的來說，實測數(shù)據(jù)與HYCOM數(shù)據(jù)較為符合。后續(xù)可以使用HYCOM數(shù)據(jù)來對該中尺度渦進行區(qū)域性的研究。本文的重點在于利用ODV進行實測數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)的對比，展示ODV軟件的便捷性并為科研工作者提供使用 ODV的新思路，因此在此不再使用HYCOM數(shù)據(jù)對該渦的分布或演變特點進行探究。

圖6 水下滑翔機觀測數(shù)據(jù)與HYCOM模式數(shù)據(jù)對比圖Fig.6 Comparison between temperature and salinity observed by glider（a，c）and data from HYCOM（b，d）

3 結(jié)束語

基于西太平洋2個中尺度渦實例，分析了利用ODV工具繪制流場與海表面高度異常疊加圖捕捉中尺度渦的可操作性，ODV繪制平面圖可用于判斷中尺度渦冷暖渦類型、分析中尺度渦周際運動趨勢；斷面分布圖可用于分析中尺度渦的垂直分布特點、判斷中尺度渦垂直結(jié)構(gòu)類型。此外斷面圖還可以快捷清晰地實現(xiàn)水下滑翔機實測數(shù)據(jù)與模式數(shù)據(jù)對應(yīng)性的對比分析。結(jié)果表明：ODV能對不同類型數(shù)據(jù)進行廣泛的處理并能繪制出精美的圖像，能準確的顯示所需參數(shù)的時空分布特征，不需要計算機編程，操作簡單、便捷，可為海洋工作者對中尺度渦后續(xù)研究和信息獲取提供幫助。