禹樂樂， 曹川川， 王璇，3， 陳戈，2

1. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)部海洋技術(shù)學(xué)院, 青島 266100;2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室, 青島 266237;3. 濰坊學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院, 濰坊 261061

1 引 言

海洋中尺度渦旋是空間尺度在十公里至數(shù)百公里不等的渦旋水體（Bryden 和Brady，1989；Chelton 等，2011a），中尺度渦在海洋中廣泛分布且能量活躍，在海洋內(nèi)部和海氣界面的能量與物質(zhì)傳送中起著重要作用（Han 等，2021）。中尺度渦根據(jù)其對應(yīng)的極性不同，可分為暖核心的反氣旋渦AE（Anticyclonic Eddy）和冷核心的氣旋渦CE（Cyclonic Eddy）。前人利用衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)觀測對中尺度渦旋的三維結(jié)構(gòu)有了較為清晰的認(rèn)知（Pallàs-Sanz 等，2007；Chaigneau 等，2011；Chen等，2011；Zhang等，2013；Wang等，2015；Yang等，2015；Zhan等，2019；Wang等，2019），并基于觀測與數(shù)值模擬分別從形態(tài)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面開展了深入的研究（Fu，2009；Fu等，2010；Amores等，2018；Chen等，2019，2021a，2021b）。渦旋除受到風(fēng)應(yīng)力、地形和流場等環(huán)境變化驅(qū)動(dòng)的作用外，渦—渦相互作用也是對海洋渦旋及其生態(tài)效應(yīng)的一個(gè)重要調(diào)制因素（Toner 等，2003）。特別地，當(dāng)兩種極性相反的渦旋相互作用并處于穩(wěn)定伴隨狀態(tài)時(shí)，即形成偶極子渦旋結(jié)構(gòu)。

海洋學(xué)者們對偶極子渦的研究最早可追溯至二十世紀(jì)八十年代，由于受到觀測資料的限制，多采用目視解譯的方法從衛(wèi)星圖像上辨別偶極子渦旋，初步了解了偶極子渦旋的結(jié)構(gòu)和特性（Ahln?s 等，1987；Simpson 和Lynn，1990）。早期的測高衛(wèi)星主要觀測海平面高度變化，隨著衛(wèi)星高度計(jì)的觀測精度與時(shí)空采樣分辨率的顯著提升，衛(wèi)星觀測的海平面高度數(shù)據(jù)為海洋偶極子渦的特征識別與追蹤統(tǒng)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。Ridderinkhof 等（2013）利用AVISO（Archiving，Validation，and Interpretation of Satellite Oceanographic）衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)分析了馬達(dá)加斯加?xùn)|南洋流的偶極子的對稱性及年際變化；L’Hégaret 等（2014）利用實(shí)驗(yàn)水文數(shù)據(jù)與海表面高度異常（SLA）數(shù)據(jù)分析了地中海三對偶極子渦旋的初始狀態(tài)，位置變化和水文特性；裘是等（2020）基于衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)和HYCOM 海洋模式的模擬數(shù)據(jù)模擬出2012 年中南半島近海偶極子的演變過程。偶極子渦旋相較于單體渦旋，有更顯著的動(dòng)力調(diào)制作用。

偶極子通過渦旋變形和鋒生作用增強(qiáng)其內(nèi)部的水體垂直運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)海洋中熱量、能量和有機(jī)質(zhì)的傳播和分布，能夠調(diào)制全球的生物化學(xué)過程（Ni 等，2020；Li 等，2021）。渦旋在海洋中通常以10 km/d 以內(nèi)的速度進(jìn)行傳播（Fu，2009），但偶極子結(jié)構(gòu)的存在可能會(huì)加快渦旋的傳播速度。Hughes 和Miller（2017）在南極繞極流地區(qū)發(fā)現(xiàn)多個(gè)傳播速度約為十倍第一斜壓模羅斯貝波速的渦旋對，速度高達(dá)17 km/d。偶極子渦旋的形成也會(huì)影響渦旋的垂直混合和浮游植物的分布情況，當(dāng)AE 與CE 耦合時(shí)，由于物理性質(zhì)不同產(chǎn)生的溫鹽鋒面促使浮游植物大量聚集，進(jìn)而也會(huì)影響與其相關(guān)的浮游動(dòng)物群組（Salas-de-León 等，2004；Wei等，2018；Durán-Campos等，2019）。

目前，偶極子渦旋引起了海洋學(xué)者的廣泛關(guān)注，但仍缺乏定量的判據(jù)來提取偶極子特征。Rodríguez-Marroyo 和Viúdez（2009）認(rèn)為偶極子渦是兩個(gè)鄰近的垂直渦度相反的渦旋，并沒有提出具體的參數(shù)條件判據(jù)；Chen 等（2010）認(rèn)為局部海區(qū)內(nèi)壽命大于1個(gè)月，直徑不小于150 km，且多年穩(wěn)定出現(xiàn)的一對極性相反的渦旋為偶極子渦；Ni 等（2020）認(rèn)為兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的渦旋中心距離小于其半徑總和，且它們之間只有一個(gè)速度極值點(diǎn)的情況為偶極子結(jié)構(gòu)。此外，多數(shù)現(xiàn)有的研究都以一個(gè)或幾個(gè)偶極子渦旋為研究對象分析其特性，針對全球尺度、長時(shí)間伴隨，以及在運(yùn)動(dòng)軌跡上的渦—渦耦合研究十分欠缺。因此，本文以全球大洋范圍內(nèi)的渦旋識別與追蹤數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了偶極子渦旋數(shù)據(jù)集，對比渦旋全生命周期內(nèi)的耦合與非耦合狀態(tài)的形態(tài)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，系統(tǒng)性和定量化地挖掘偶極子結(jié)構(gòu)對渦旋的調(diào)制作用，拓展了對海洋中尺度渦的認(rèn)知。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 高度計(jì)數(shù)據(jù)

本研究使用的海平面高度異常數(shù)據(jù)為AVISO發(fā)布的多星融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品（https：//www.aviso.com/［2021-11-09］），涵蓋的高度計(jì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)有T/P，Jason-1，Jason-2，Jason-3 和Envisat 等。數(shù) 據(jù) 的時(shí)間跨度為28 年（1993 年—2020 年），空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 d。

2.2 渦旋識別與追蹤數(shù)據(jù)

渦旋識別的方法主要來自Tian 等（2020），對其優(yōu)化后主要包含以下4個(gè)步驟：（1）采用緯向半徑為10°、徑向半徑為5°的高斯濾波器對全局SLA數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，從而確定有效種子點(diǎn)（局地極值點(diǎn)）。（2）將全球SLA 場按照緯（經(jīng)）向間距45°（36°）劃分為規(guī)則的矩形塊。（3）以0.25 cm為間隔計(jì)算SLA 等高線，提取最大地轉(zhuǎn)流速對應(yīng)的渦旋邊界。（4）拼接所有矩形塊，并消除重復(fù)的渦旋。

渦旋追蹤數(shù)據(jù)是基于渦旋識別數(shù)據(jù)的集合。首先對于第一天確定的每個(gè)渦旋，為了找到距離它最近的渦旋，在其質(zhì)心以0.5 倍半徑搜索第二天的渦旋。如果在搜索范圍內(nèi)有多個(gè)渦旋，則為每個(gè)候選渦旋根據(jù)計(jì)算的一組無量綱相似性參數(shù)（距離、振幅、面積和渦動(dòng)能），一致性最優(yōu)的即為目標(biāo)渦旋。同時(shí)，沒有與第一天渦旋匹配上的渦旋看作是新渦旋，將渦旋追蹤過程繼續(xù)迭代執(zhí)行，直到遍歷完所有的渦旋。詳情參見Sun 等（2017）?；谏鲜龇椒ㄉ闪艘粋€(gè)全球海洋綜合渦旋數(shù)據(jù)集，目前更新至2020 年，數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲?。篽ttp：//data.casearth.cn/［2021-11-09］（數(shù)據(jù)ID：XDA19090202）。

2.3 偶極子渦旋數(shù)據(jù)集的建立方法

全球渦旋特征的統(tǒng)計(jì)研究表明，渦旋的動(dòng)力與生態(tài)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)通常分布在2 倍半徑范圍以內(nèi)（Chelton 等，2011b；Chen 等，2021a）。因此，本研究將距離判據(jù)設(shè)置為2 倍半徑之和，即AE 依次與臨近的CE 匹配，當(dāng)二者渦心距離小于它們的2 倍半徑之和時(shí)，將此對渦旋視為偶極子候選者。同時(shí)，在此距離判據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)定時(shí)間判據(jù)，即累計(jì)伴隨時(shí)間超過60 天，滿足條件的渦旋對構(gòu)成偶極子渦旋數(shù)據(jù)集。相較于前人，本文中的判據(jù)以渦旋尺度為參考，空間距離條件更加合理，同時(shí)，累計(jì)伴隨時(shí)間超過60 天的判據(jù)與前人已有判據(jù)相比更大程度上保證偶極子狀態(tài)的穩(wěn)定。以該時(shí)空判據(jù)為基礎(chǔ)得到的偶極子渦旋數(shù)據(jù)集可以兼顧研究樣本數(shù)據(jù)量的可靠性與偶極子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)以下步驟建立全球偶極子渦旋數(shù)據(jù)集，首先利用全球海深數(shù)據(jù)對渦旋數(shù)據(jù)集進(jìn)行質(zhì)量控制，因?yàn)闇\水區(qū)地形調(diào)制作用顯著，影響形成偶極子結(jié)構(gòu)特性的準(zhǔn)確評估，所以去除淺水區(qū)數(shù)據(jù)（水深＜200 m）；再依照上文提出的時(shí)空判據(jù)對偶極子渦旋進(jìn)行篩選與提取。此外，需要說明的是當(dāng)偶極子中的一個(gè)渦旋消亡或者二者伴隨關(guān)系結(jié)束，存活的渦旋也可與其他渦旋構(gòu)成新的偶極子結(jié)構(gòu)。圖1 為提取偶極子渦的技術(shù)路線圖，獲取1993 年—2020 年的偶極子渦旋數(shù)據(jù)，共計(jì)67550對偶極子渦旋。

圖1 偶極子渦提取技術(shù)路線圖Fig. 1 Structure chart of extracting dipole eddies

為了保證偶極子數(shù)據(jù)集渦旋的精度，本文對渦旋伴隨時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)Chelton 等（2011a）的研究，可以被連續(xù)追蹤超過4周以上的渦旋是較為穩(wěn)定的渦旋，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)偶極子渦旋數(shù)據(jù)集中有99.99%的渦旋至少保持連續(xù)30 天的伴隨狀態(tài)。偶極子渦旋數(shù)據(jù)集的精度足以支撐進(jìn)一步的研究分析。

3 偶極子渦旋特征時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析

3.1 偶極子渦旋典型案例

為了清晰地展示偶極子渦的伴隨與傳播狀態(tài)，從偶極子渦數(shù)據(jù)集中選取了較長壽的渦旋進(jìn)行展示（圖2）。圖2 中的三角形代表渦旋的渦心，點(diǎn)虛線代表渦旋的最大地轉(zhuǎn)流邊界和渦旋軌跡（加密效果），灰色圓形表示由渦旋邊界擬合得到的幾何形態(tài)（伴隨狀態(tài)開始時(shí)刻的偶極子渦旋），灰色直線為渦心之間的連線。在圖2（a）中，AE 與CE均為西向傳播，其中AE 壽命為266 天，在第42 天時(shí)，其北部出現(xiàn)一個(gè)CE，其壽命為224 天，每隔40 天標(biāo)示出渦旋在傳播過程中的渦心，二者共同伴隨傳播224 天，伴隨關(guān)系隨著它們的消亡而終止，伴隨關(guān)系貫徹CE 的全生命周期。圖2（b）中的AE 西向傳播，壽命為652 天，在它的生命周期中先后與兩條CE形成了偶極子結(jié)構(gòu)：在第110天時(shí)，AE 與其北部出現(xiàn)的CE1 開始伴隨，當(dāng)兩者伴隨傳播170 天后，AE 與CE1 間距離變大，不再符合偶極子渦旋的判定條件，二者的偶極子關(guān)系結(jié)束；在第444 天時(shí)，AE 與CE2 再次結(jié)合成偶極子結(jié)構(gòu)，二者伴隨傳播175天后逐漸消亡。

圖2 偶極子渦旋的傳播軌跡與伴隨關(guān)系Fig. 2 Propagation and concomitant effect of dipole eddies

利用壽命較長的渦旋展示偶極子狀態(tài)下渦旋特征參數(shù)的變化，主要對比振幅（Amplitude）、半徑（Radius）、渦動(dòng)能（Eddy Kinetic Energy， EKE =其中Ug和Vg分別代表地轉(zhuǎn)流速的緯向分量和經(jīng)向分量）和渦度（Vorticity，4 個(gè)核心參數(shù)。如圖3 所示，AE 壽命為398天，CE 壽命為362 天，在AE 獨(dú)自傳播的第170 天時(shí)，CE 出現(xiàn)與之伴隨至AE 消亡，而后CE 存活134 天后也消亡。從圖3（a）中可以發(fā)現(xiàn)：渦旋在偶極子時(shí)期的振幅要明顯高于非偶極子時(shí)期，表明渦—渦之間的相互作用影響渦旋的振幅變化波動(dòng)；在伴隨過程中，偶極子對的半徑存在著負(fù)相關(guān)的對應(yīng)關(guān)系，說明AE 與CE 耦合緊密，它們之間發(fā)生了擠壓形變；偶極子形成后，AE 的EKE 出現(xiàn)了明顯的提升，在伴隨階段AE 的EKE高于CE，這與Simpson 和Lynn（1990）觀察的一個(gè)中尺度偶極子渦的特征一致，隨著渦旋的衰減EKE 也逐漸減??；AE 與CE 的渦度在伴隨過程中的變化趨勢相同，二者渦度變化具有較高的相關(guān)性。

圖3 一條偶極子渦傳播過程中的參數(shù)變化情況Fig. 3 Parameters’ variations of one dipole eddy

通過以上對個(gè)體案例的分析可以發(fā)現(xiàn)偶極子會(huì)增強(qiáng)渦旋的動(dòng)能和振幅，對半徑和渦度也起到了一定的調(diào)制作用。因此，為了更為清晰地獲知偶極子結(jié)構(gòu)對渦旋特征的調(diào)制影響，將利用全球的偶極子渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 全球偶極子渦旋特征統(tǒng)計(jì)

首先分析偶極子渦旋的數(shù)量分布特征，圖4（a）展示了全球偶極子渦旋數(shù)量的緯度分布與偶極子渦旋的占比情況（1°分辨率）。由于渦旋數(shù)量過少會(huì)對統(tǒng)計(jì)分析造成誤差，因此剔除渦旋數(shù)量少于最高值3%的緯度帶，1°緯度帶內(nèi)的平均偶極子渦旋數(shù)量為43900（圖4（a）中灰色線）。偶極子渦旋集中分布在10°N—60°N 以及11°S—66°S 的范圍內(nèi)，數(shù)量分布呈現(xiàn)出高、低緯海域較少，中緯度地區(qū)多的特點(diǎn)，且南半球大洋內(nèi)的偶極子渦旋數(shù)約為北半球大洋偶極子數(shù)量的二倍。從全球偶極子渦旋的分布概率來看，在南北緯10°向極地方向出現(xiàn)偶極子的比率超過了20%，且在20°S—40°S 以及20°N—50°N 范圍內(nèi)，出現(xiàn)偶極子渦旋的比率超過了30%，在30°S 偶極子渦旋比率達(dá)到最高，可達(dá)38%。圖4（b）展示了全球偶極子渦旋（偶極時(shí)期的AE 與CE 的數(shù)量總和）占全部渦旋（AE 與CE 的數(shù)量總和）的比例分布，結(jié)果顯示北太平洋東部、南太平洋和大西洋偶極子渦占比較高，偶極子渦旋占比與該區(qū)域渦旋的數(shù)量成正相關(guān)。

圖4 偶極子渦旋數(shù)量及占比分布圖Fig. 4 Distributions of dipole eddies number and ratio

基于全球偶極子渦旋的識別結(jié)果，圖5利用振幅、半徑、渦動(dòng)能和渦度4個(gè)參數(shù)分別展示了偶極子狀態(tài)對渦旋的影響，其中變化比例為偶極子狀態(tài)下的渦旋參數(shù)值相對于渦旋全生命過程的平均參數(shù)值。從圖5（a）可以看出，偶極子結(jié)構(gòu)增大渦旋振幅，影響幅度約在5%—14%，偶極子對CE的影響高于對AE 的影響，峰值在60N°和60S°附近，在20°N 和20°S 向赤道方向半徑的增大幅度主要大于9%，這表明偶極子的結(jié)合增強(qiáng)了渦旋內(nèi)部的垂向動(dòng)力，從而增加了表面振幅；在圖5（b）中，偶極子對于渦旋半徑的影響與振幅相似，影響幅度都在低緯度地區(qū)達(dá)到最低值，對半徑也起到了增大的作用，但增大的幅度低于振幅，分布在2%—9%；在圖5（c）中，渦動(dòng)能在偶極子的作用下也出現(xiàn)一定程度的增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度約在4%—13%，增強(qiáng)幅度隨緯度波動(dòng)較大，與振幅和半徑相同的是，CE的變化幅度都要高于AE，并且都是在低緯地區(qū)達(dá)到最低值；圖5（d）顯示，偶極子對渦旋渦度的影響程度在AE和CE中均小于其余3個(gè)參數(shù)，變化幅度在3%以內(nèi)，而且偶極子的形成減小了大部分中緯度的渦旋的渦度。

圖5 偶極子渦旋引起的參數(shù)變化Fig. 5 Parameter variation ratios caused by dipole eddies

對于中尺度渦旋，以北半球?yàn)槔?，CE 的流體旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，由于渦旋引起艾克曼抽吸，底層海水向上抬升，而AE 相反（McGillicuddy，2016）。水平動(dòng)力與垂向動(dòng)力相互聯(lián)結(jié)，因此，當(dāng)偶極子結(jié)構(gòu)形成時(shí)，表層海水（高壓與低壓）相互耦合，從而加強(qiáng)渦旋的垂向輸運(yùn)，是偶極子強(qiáng)化渦旋動(dòng)力調(diào)制的可能原因。圖5的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也揭示了偶極子結(jié)構(gòu)顯著強(qiáng)化了渦旋動(dòng)力特征，且高值主要分布在中高緯度地區(qū)。此外，CE 的參數(shù)變化稍強(qiáng)于AE，Chen 等（2021b）的評估結(jié)果也指出CE 對海洋躍層深度變化的調(diào)制作用要強(qiáng)于AE，這與本文在偶極子渦結(jié)構(gòu)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相呼應(yīng)。

從整體上來看，偶極子結(jié)構(gòu)對于渦旋參數(shù)具有不同程度的調(diào)制作用。從全球緯度平均上來看，振幅的增強(qiáng)幅度為11.09%，半徑的增強(qiáng)幅度為7.33%，動(dòng)能的增強(qiáng)幅度為8.58%，偶極子傾向于減小渦旋的渦度，緯度平均的作用幅度為1.34%。在偶極子結(jié)構(gòu)的調(diào)制影響中，CE 的變化幅度相較于AE更大，表明CE對于渦旋的耦合響應(yīng)更加劇烈。

考慮到渦旋所處的壽命階段會(huì)直接影響渦旋參數(shù)，因此計(jì)算了壽命歸一化下的偶極子渦旋的4 個(gè)特征參數(shù)的變化情況，如圖6 所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果同樣支持圖5的結(jié)論，即偶極子狀態(tài)下，渦旋的振幅、半徑和動(dòng)能都有所增加，而渦度略有減小。據(jù)計(jì)算，在渦旋的歸一化壽命中，振幅的平均增強(qiáng)幅度為12.68%，半徑的平均增強(qiáng)幅度為7.88%，動(dòng)能的平均增強(qiáng)幅度為11.43%，渦度的影響幅度為1.51%。此外，圖6 揭示了在渦旋的不同生命狀態(tài)，偶極子的調(diào)制強(qiáng)度不同，其中渦旋的初始（壽命＜0.2）與消亡（壽命＞0.8）階段偶極子的調(diào)制作用較弱，而在渦旋的壽命中間階段，偶極子結(jié)構(gòu)對渦旋參數(shù)的調(diào)制作用最為顯著。

4 偶極子渦旋運(yùn)動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)

4.1 傳播速度

本文將渦旋在一天內(nèi)經(jīng)過的距離定義為渦旋的傳播速度（單位為：km/d），據(jù)統(tǒng)計(jì)，偶極子渦旋的平均傳播速度為3.28 km/d，并且越靠近赤道速度越大，逐漸向兩極遞減，這與渦旋的傳播速度的分布趨勢相同。為了對比偶極子渦旋與非偶極子渦旋的傳播速度差異，本文統(tǒng)計(jì)了每條追蹤到的渦旋在偶極子狀態(tài)相對于非偶極子狀態(tài)的傳播速度變化率，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，偶極子狀態(tài)下渦旋的傳播速度增加，且越靠近赤道區(qū)域越顯著，這一特征與田豐林等（2021）提出的觀點(diǎn)一致。在南北緯30°向極地區(qū)域，偶極子傳播速度的影響較小，保持在3%以內(nèi)，而在南北緯30°以內(nèi)偶極子對渦旋的傳播速度的影響增強(qiáng)，最大可超過10%。此外，在顯著的強(qiáng)流區(qū)（如南極繞極流和黑潮區(qū)等），偶極子渦旋的傳播速度變化較小。

圖7 渦旋傳播速度變化地理分布Fig. 7 Geographical distribution of propagation velocity variation of eddies

4.2 地轉(zhuǎn)流速

利用衛(wèi)星高度計(jì)觀測的海平面高度數(shù)據(jù)與地轉(zhuǎn)關(guān)系可以計(jì)算渦旋內(nèi)部海流旋轉(zhuǎn)的平均地轉(zhuǎn)流速度，它是表征渦旋內(nèi)部流場穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)了偶極子與非偶極子狀態(tài)下渦旋的地轉(zhuǎn)流速（區(qū)分AE 與CE），如圖8（a），4 條曲線的分布特征相似，70%的渦旋的地轉(zhuǎn)流速分布在5—15 cm/s范圍內(nèi)，且地轉(zhuǎn)流速分布的眾數(shù)約為7 cm/s。特別地，非偶極子CE（藍(lán)色虛線）與非偶極子的AE（紅色虛線）有最為顯著，而偶極子狀態(tài)的AE（紅色實(shí)線）與CE（藍(lán)色實(shí)線）有更一致的分布特征。歸一化壽命對應(yīng)的地轉(zhuǎn)流速分布也支持這一結(jié)論，如圖8（b）所示，渦旋壽命在0.1—0.9 范圍對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)流速更大，而在渦旋生成與消亡階段旋轉(zhuǎn)流速更小。兩條虛線和實(shí)線都表明CE 的地轉(zhuǎn)流速都略高于AE。在偶極子狀態(tài)下，AE 與CE 的地轉(zhuǎn)流速變化趨勢保持一致，且數(shù)值上更為接近，而非偶極子時(shí)期兩類渦旋的地轉(zhuǎn)流速差異較大，這揭示了偶極子結(jié)構(gòu)會(huì)調(diào)制渦旋內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出使其趨向一致的渦—渦相互作用。圖8（c）為渦旋地轉(zhuǎn)流速在偶極子影響下的變化比例圖，可以發(fā)現(xiàn)渦旋地轉(zhuǎn)流速顯著增加的區(qū)域（比例＞30%）對應(yīng)海洋中的強(qiáng)流區(qū)，核查發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的渦旋數(shù)量發(fā)現(xiàn)偶極子渦旋的占比接近50%，因此這并非渦旋數(shù)量差異帶來的結(jié)果，認(rèn)為強(qiáng)流背景的疊加效應(yīng)可能會(huì)加劇偶極子的調(diào)制作用。

圖8 偶極子渦旋的地轉(zhuǎn)流速統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Geostrophic velocity distribution of dipole eddies

5 結(jié) 論

偶極子結(jié)構(gòu)是海洋中廣泛存在的渦旋現(xiàn)象，對于海洋中熱量、能量以及有機(jī)質(zhì)的分布有重要作用。本文基于1993 年—2020 年衛(wèi)星高度計(jì)獲取的渦旋識別與追蹤數(shù)據(jù)集，結(jié)合偶極子判據(jù)：渦旋渦心距離的空間判據(jù)與伴隨時(shí)長的時(shí)間判據(jù)，建立了一套偶極子渦旋數(shù)據(jù)集。分別從偶極子渦旋引起的渦旋動(dòng)力參數(shù)變化和偶極子渦旋運(yùn)動(dòng)特征兩個(gè)角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

偶極子狀態(tài)是海洋中尺度渦旋生命周期中的常態(tài)，基于統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)偶極子結(jié)構(gòu)的形成頻率與渦旋的數(shù)量和分布特征存在關(guān)系，偶極子渦旋主要分布在南北緯10°—70°緯度范圍內(nèi)，多形成于渦旋密集的區(qū)域，總體來看偶極子渦旋的形成頻率大于20%，在20°N—50°N 以及20°S—40°S 的范圍內(nèi)，出現(xiàn)偶極子渦旋的比率超過了30%。

偶極子結(jié)構(gòu)顯著調(diào)制了渦旋的參數(shù)，對渦旋振幅有增大的影響，幅度范圍在5%—14%；對渦旋半徑增大的幅度略小，幅度保持在2%—9%；偶極子結(jié)構(gòu)對渦旋動(dòng)能也有增強(qiáng)的作用，增強(qiáng)幅度為4%—13%；偶極子結(jié)構(gòu)對渦旋主要呈現(xiàn)減小的影響，影響幅度較其他參數(shù)小，保持在3%以內(nèi)。偶極子渦旋的調(diào)制作用與渦旋的緯度分布和生命周期相關(guān)。

在渦旋運(yùn)動(dòng)特征方面，偶極子狀態(tài)下的渦旋傳播速度和地轉(zhuǎn)流速都呈現(xiàn)增大的趨勢。渦旋的傳播速度增大的幅度集中在10%以內(nèi)，幅度由兩極向赤道遞增。偶極子渦旋對地轉(zhuǎn)流速的影響呈現(xiàn)增大的趨勢，在強(qiáng)流地區(qū)變化比例較高，可達(dá)30%左右。

本文建立時(shí)空判據(jù)對全球范圍內(nèi)的偶極子渦旋進(jìn)行提取并加以統(tǒng)計(jì)分析，將偶極子結(jié)構(gòu)對渦旋的調(diào)制作用定量化，深化了對偶極子渦旋和渦—渦相互作用的認(rèn)知。未來的工作將嘗試結(jié)合理論機(jī)制，利用海洋數(shù)值模式與實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，深入挖掘渦旋耦合的動(dòng)力機(jī)制，及其引起的生態(tài)與化學(xué)效應(yīng)，從而豐富和完善海洋偶極子渦旋的理論。