崔 偉，周超杰，李 永，楊俊鋼，3，*

（1.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.浙江大學(xué) 海南研究院，海南 三亞 572000；3.自然資源部海上絲路海洋資源環(huán)境組網(wǎng)觀測技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 266580；4.中國石油大學(xué)（華東） 海洋空間與信息學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

海洋和大氣一樣是一個基本的湍流系統(tǒng)。我們對海表面變化觀察可以發(fā)現(xiàn)，最明顯的是在海洋各處充滿了各種中尺度的渦旋（eddies）和蜿蜒的曲流（menders）。這種環(huán)流實際是由中尺度海洋現(xiàn)象變化所主導(dǎo)的，主要包括海洋渦旋、孤立的偶極子、曲流以及鋒面、射流等[1-3]。中尺度渦是以長期封閉環(huán)流（渦旋）為特征的大尺度穩(wěn)定環(huán)流的一種擾動，時間尺度從數(shù)天到數(shù)百天，空間尺度從幾十千米到幾百千米[1，4]。海洋中尺度渦根據(jù)其流場旋轉(zhuǎn)方向的不同，可以分為反氣旋渦（anticyclonic eddy）和氣旋渦（cyclonic eddy）。在北半球，逆時針旋轉(zhuǎn)的氣旋渦在科式力的作用下，海表面處的水體向外輻散，海表面高度為負(fù)異常，并在渦旋中心形成垂直而上的水體運動，使得其內(nèi)部水體降溫；對于順時針旋轉(zhuǎn)的反氣旋渦則相反，海表面高度為正異常，內(nèi)部水體增溫。

所以，氣旋渦也往往稱之為冷渦，反氣旋渦被稱之為暖渦。對南半球中尺度渦而言，反氣旋渦逆時針旋轉(zhuǎn)，氣旋渦順時針旋轉(zhuǎn)，其他特征均與北半球一致。

自1992年Topex/Poseidon 衛(wèi)星發(fā)射以來，衛(wèi)星高度計已經(jīng)提供了時間序列超過30年、全球覆蓋、高精度的海面高度場和海洋環(huán)流數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代海洋研究中，高度計常與其他衛(wèi)星任務(wù)、現(xiàn)場測量以及數(shù)值模式聯(lián)合，為海洋現(xiàn)象觀測做出了重大貢獻(xiàn)[5-8]。根據(jù)海面高度場的變化特征，渦旋中心海面高度表現(xiàn)為正異常則為反氣旋渦，負(fù)異常則為氣旋渦。多源海面高度融合產(chǎn)品可以有效提高對海洋中尺度現(xiàn)象的觀測，基于多源高度計數(shù)據(jù)融合的海面高度產(chǎn)品研究顯示中尺度渦在全球海洋中盛行[9-11]。

印度洋在北半球沒有中高緯度的大洋，北印度洋最北端僅延伸到北緯25°。北印度洋在西部和東部有兩大海灣，分別是阿拉伯海和孟加拉灣。印度洋最南端通過南極繞極流與大西洋和太平洋相通。印度洋環(huán)流主要有南印度洋的亞熱帶環(huán)流以及熱帶和北印度洋的季風(fēng)環(huán)流所控制。南印度洋的阿古拉斯流（Agulhas Current）及其回流區(qū)（Agulhas Return Current）具有全球最大的渦動能，并且其渦旋強度也最強，垂向影響深度可以超過1 km[12-13]。胡冬等（2017）[14]利用衛(wèi)星高度計和ARGO 浮標(biāo)資料研究了南印度洋區(qū)域的中尺度渦的分布、表層特征以及三維溫鹽結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)南印度洋南緯18°～30°是中尺度渦高發(fā)地帶，這些地方的渦旋多由澳大利亞西岸海域產(chǎn)生，向西運動可以橫跨整個南印度洋到達(dá)非洲海岸。

PALASTANGA 等（2006）利用高度計資料對馬達(dá)加斯加周邊的中尺度渦進行了研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的渦旋低頻活動與印度洋大尺度的年際變化相關(guān)。WEI 和WANG（2023）[15]利用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)，結(jié)合中尺度渦旋軌跡圖集產(chǎn)品（META）和全球海洋中尺度渦旋大氣-海洋-生物相互作用觀測數(shù)據(jù)集（GOMEAD），分析了印度洋和大西洋交匯處的阿古拉斯流區(qū)域中尺度渦旋特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)阿古拉斯環(huán)流區(qū)域具有豐富的中尺度渦活動，其引起的局地海表高度變化超過1 m 以上，并且會導(dǎo)致明顯的溫度和鹽度異常。VARNA 等（2023）[16]利用長達(dá)26年的高度計數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，研究了阿拉伯海中尺度渦的特征和動力學(xué)，研究發(fā)現(xiàn)阿拉伯海北部和南部是中尺度渦的高發(fā)區(qū)。

雖然一些研究學(xué)者在印度洋開展了不少中尺度渦調(diào)查研究，但是缺少針對整個印度洋區(qū)域長時間序列的中尺度渦統(tǒng)計分析以及區(qū)域?qū)Ρ确治?，而且缺乏對中尺度渦遙感調(diào)查結(jié)果的驗證。因此，為詳細(xì)掌握整個印度洋海洋中尺度渦運動特征，增強人們對印度洋中尺度過程的認(rèn)識，本研究采用1993-2020年長達(dá)28年的衛(wèi)星高度計海面高度融合數(shù)據(jù)，開展印度洋中尺度渦遙感調(diào)查，從長時序的海面高度數(shù)據(jù)中識別并對中尺度渦進行移動軌跡追蹤，統(tǒng)計分析中尺度渦屬性特征，對比分析中尺度渦區(qū)域變化，最后對印度洋中尺度渦遙感調(diào)查結(jié)果進行驗證。

1 中尺度渦遙感調(diào)查數(shù)據(jù)和識別方法

1.1 中尺度渦遙感調(diào)查數(shù)據(jù)

海面高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）是海面高度相對于平均海平面的偏差，其表示海洋動力過程相對于大尺度定常環(huán)流的擾動，其可以用于海洋中尺度渦識別。衛(wèi)星高度計海面高度融合數(shù)據(jù)（SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP_OBSERVATION_008_47）由法國國家空間研究院衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）制作，并通過歐洲哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)中心（CMEMS）對外分發(fā)。該數(shù)據(jù)是研究大洋環(huán)流、中尺度渦旋和海氣相互作用以及海洋數(shù)值業(yè)務(wù)預(yù)報最常用、使用最廣泛的衛(wèi)星測高資料。海面高度融合數(shù)據(jù)主要由TOPEX/Poseidon、ERS-1/2、Envisat、Geosat Follow On、Jason-1/2/3、Cryosat-2、SARAL/AltiKa、Sentinel-3A 和HY-2A 等多顆高度計衛(wèi)星資料通過最優(yōu)插值方法融合而成，空間分辨率為0.25°，時間分辨率為1 d。本研究所用數(shù)據(jù)時間范圍從1993年1月1日-2020年12月31日，時間序列長達(dá)28年。

1.2 中尺度渦識別方法

根據(jù)融合得到的海面高度異常網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，采用海面高度異常等值線方法[10，17]來對中尺度渦進行自動識別，確定中尺度渦的位置、尺度和類型。具體而言，海面高度異常等值線方法首先在一個1°×1°經(jīng)緯度移動窗口內(nèi)通過尋找內(nèi)部海面高度異常最?。ㄗ畲螅┲祦砼袛嗫赡艿臍庑郎u（反氣旋渦）中心；之后，對于每一個可能的氣旋渦（反氣旋渦）中心，從其內(nèi)部以1 cm 的增幅（減幅）向外尋找海面高度異常的閉合等值線；最外那條包含著渦旋中心的閉合等值線即為渦旋的邊界[10]。針對空間分辨率為0.25°的海面高度融合數(shù)據(jù)，海洋中尺度渦的具體識別條件如下：

1）海面高度異常等值線閉合；

2）渦旋內(nèi)的網(wǎng)格點數(shù)量最少不小于8 個，最多不超過1 000 個；

3）渦旋內(nèi)僅有1 個局地海面高度異常最大（小）值；

4）渦的中心與最外層閉合等值線的海面高度異常差不小于3 cm；

5）渦旋的中心位置水深大于200 m。

中尺度渦類型判別條件：海面高度異常等值線高中心的為反氣旋渦（暖渦），低中心的為氣旋渦（冷渦）。中尺度渦空間尺度通常通過渦旋半徑來描述。渦旋半徑R為中尺度渦等面積圓的半徑。中尺度渦振幅用渦旋中心海面高度異常和邊界海面高度異常的差值來表示。

在大洋中，海洋渦旋一旦形成，這種穩(wěn)定的中尺度結(jié)構(gòu)便可以維持相當(dāng)長的時間，因此，中尺度渦識別出來之后，可以在時間上連續(xù)的海面高度場中對其進行追蹤。這里采用中尺度渦屬性最相似方法對印度洋中尺度渦移動軌跡進行追蹤。該方法將一定空間范圍內(nèi)的相鄰時間渦旋屬性最相近的2個中尺度渦認(rèn)為是同一個渦旋[10]。渦旋生命周期被定義為渦旋從出現(xiàn)到消亡時所維持的時間長度。渦旋移動距離被定義為渦旋出現(xiàn)位置與消亡位置的空間距離。在渦旋軌跡追蹤過程中，為保證獲取的中尺度渦結(jié)構(gòu)的一致性以及避免短暫小尺度海洋湍流信號的干擾，往往生命周期小于30 d 的渦旋軌跡被忽略[18]。

2 印度洋中尺度渦遙感調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析

2.1 印度洋中尺度渦屬性特征

基于1993-2020年印度洋生命周期超過30 d的中尺度渦追蹤結(jié)果，對印度洋中尺度渦屬性特征進行統(tǒng)計分析。為統(tǒng)計印度洋中尺度渦數(shù)量空間分布，這里將印度洋區(qū)域劃分成經(jīng)緯度1°×1°的網(wǎng)格矩陣，分別統(tǒng)計每個1°×1°網(wǎng)格內(nèi)的中尺度渦數(shù)量，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯途暥瘸嗟绤^(qū)域外，印度洋各區(qū)域均有中尺度渦分布。不過，中尺度渦數(shù)量空間分布結(jié)果顯示印度洋中尺度渦在一些區(qū)域比較集中，比如南印度洋南極繞極流區(qū)域、澳大利亞西部海域、莫桑比克海峽、阿拉伯海以及孟加拉灣的西部海域。特別是在非洲南岸的阿古拉斯洋流及其回流區(qū)，經(jīng)常伴隨著流的變異脫落出一系列的高振幅和高動能的中尺度渦。另外，在莫桑比克海峽，由于地形和流的相互作用，經(jīng)常會有較多中尺度渦出現(xiàn)。在東南印度洋，澳大利亞西部海域經(jīng)常會產(chǎn)生一些長生命周期的中尺度渦，這些渦旋會一直持續(xù)向西移動，跨越整個南印度洋，到達(dá)非洲東岸。在北印度洋的紅海、西阿拉伯海以及孟加拉灣區(qū)域，伴隨著季節(jié)性的環(huán)流和地形作用，中尺度渦分布也較多。

圖1 印度洋中尺度渦數(shù)量空間分布Fig.1 Spatial distribution of mesoscale eddy number in the Indian Ocean

另外調(diào)查顯示，在北印度洋低緯區(qū)域（阿拉伯海和孟加拉灣外海區(qū)域）、南印度洋中低緯度區(qū)域（南緯25°以北）、南緯35°～45°緯度帶以及澳大利亞西部海域，中尺度渦極性傾向于氣旋渦；而在阿拉伯海和孟加拉灣中部海域、南印度洋中緯度南緯25°～35°區(qū)域、以及南極繞極流南緯45°以南區(qū)域，中尺度渦極性傾向于反氣旋渦。印度洋中尺度渦在非洲南岸阿古拉斯洋流及其回流區(qū)具有非常高的振幅，其值可以超過50 cm；另外在阿拉伯海和孟加拉灣的西部海域、澳大利亞西部海域以及南極繞極流區(qū)域，中尺度渦振幅也較高，其振幅一般在10～30 cm；一般在大洋中部渦旋振幅較低。同樣，在渦旋振幅較高的區(qū)域，中尺度渦旋轉(zhuǎn)速度和渦動能也較高。印度洋中尺度渦半徑空間分布顯示，在低緯度區(qū)域中尺度渦半徑較大，在低緯度區(qū)域中尺度渦半徑較小，這與Rossby 波變形半徑的經(jīng)向變化基本一致。

為研究印度洋中尺度渦屬性統(tǒng)計特征，這里對1993-2020年生命周期超過30 d 的中尺度渦屬性特征進行統(tǒng)計分析，分別繪制了印度洋中尺度渦振幅和半徑頻次分布圖，結(jié)果如圖2所示。整體而言，印度洋中尺度渦振幅基本集中在20 cm 以下的低值區(qū)間，說明這里的中尺度渦仍然是以低振幅的中尺度渦為主。不過一些中尺度渦在高振幅區(qū)間仍有分布，這些高振幅的中尺度渦主要集中在南印度洋的阿古拉斯洋流及其回流區(qū)。

圖2 印度洋中尺度渦振幅（a，b）和半徑（c，d）頻次分布Fig.2 Frequency distribution of mesoscale eddy amplitude（a，b）and radius（c，d）in the Indian Ocean

具體而言，北印度洋中尺度渦更加集中在10 cm 以下的低振幅區(qū)間，氣旋渦和反氣旋渦平均振幅分別為6.5 cm 和6.3 cm；相比而言，南印度洋有更多大振幅中尺度渦的分布，氣旋渦和反氣旋渦的平均振幅分別為9.1 cm 和7.9 cm。南印度洋中尺度渦平均振幅明顯大于北印度洋，并且南印度洋氣旋渦和反氣旋渦平均振幅相差更大。北印度洋中尺度渦半徑基本集中分布在30～150 km 之間，南印度洋中尺度渦半徑集中在30～100 km 之間，更加傾向于更小的空間尺度。北印度洋氣旋渦和反氣旋渦平均半徑分別為94 km 和98 km，而南印度洋氣旋渦和反氣旋渦平均半徑分別為65 km 和66 km。北印度洋中尺度渦平均半徑明顯大于南印度洋中尺度渦，這主要是由于北印度洋僅存在低緯度的阿拉伯海和孟加拉灣，中尺度渦在低緯度區(qū)域空間尺度更大。

2.2 印度洋中尺度渦移動特征

基于每天的中尺度渦識別結(jié)果，在印度洋對中尺度渦的移動軌跡進行了追蹤。圖3 給出了印度洋1993-2020年生命周期超過360 d 的中尺度渦移動軌跡?？梢钥闯觯m然中尺度渦在印度洋中廣泛存在，不過長生命周期的中尺度渦更加集中分布在南印度洋（南緯20°以南），在北印度洋分布較少。北印度洋少量長生命周期的中尺度渦主要出現(xiàn)在阿拉伯海和孟加拉灣的西部沿岸。這主要是由于北印度洋僅有阿拉伯海和孟加拉灣2 個有限的近海海域，而且它們被印度半島分開，北印度洋中尺度渦生命周期以及移動距離均要明顯小于南印度洋中尺度渦。南印度洋長生命周期氣旋渦和反氣旋渦均有分布，尤其是中緯度南印度洋（南緯20°～40°），中尺度渦多出現(xiàn)在澳大利亞西部的東南印度洋，然后橫跨整個南印度洋向西運動，最終消失在非洲東部海岸，其整個生命周期在1年以上。一般而言，生命周期越長的中尺度渦移動距離越遠(yuǎn)。南印度洋生命周期短的中尺度渦往往集中在低緯度區(qū)域和阿古拉斯環(huán)流及其回流區(qū)。

圖3 生命周期≥360 d 的中尺度渦移動軌跡，藍(lán)線表示氣旋渦，紅線表示反氣旋渦Fig.3 Mesoscale eddy trajectories with lifetime ≥ 360 days.Blue lines indicate cyclonic eddies，and red lines indicate anticyclonic eddies

就中尺度渦移動方向而言，印度洋大部分區(qū)域的中尺度渦均西向移動，僅在南印度洋的阿古拉斯流回流區(qū)、南大洋東向的南極繞極流區(qū)域、北印度洋的孟加拉灣以及阿拉伯海西部的近岸海域，中尺度渦東向移動。這些東向移動的渦旋基本伴隨著東向的海流向東移動。而且由于南印度洋東向南極繞極流的存在，南印度洋東向移動中尺度渦數(shù)量和比例明顯高于北印度洋。在北印度洋，中尺度渦軌跡均呈現(xiàn)出向赤道（南）的移動傾向。南印度洋氣旋渦軌跡呈現(xiàn)出向極地（南）的移動傾向，反氣旋渦呈現(xiàn)出向赤道（北）的移動傾向，尤其是對長生命周期渦旋而言。向極地移動的氣旋渦以及向赤道移動的反氣旋渦主要分布在澳大利亞西部和南部海域。

3 中尺度渦遙感調(diào)查結(jié)果驗證

海洋中尺度渦不僅僅體現(xiàn)在海洋表層，其可以穿透溫躍層或鹽躍層抵達(dá)海洋深處，引起內(nèi)部水團溫鹽特征變化[9，18]。ARGO 浮標(biāo)廣泛分布在全球大洋中，其可以獲取海洋上層2 000 m 深度的垂向溫鹽剖面。因此通過ARGO 獲取的海洋垂向溫鹽數(shù)據(jù)與遙感獲取的中尺度渦調(diào)查結(jié)果進行時空匹配，可以對遙感識別的中尺度渦表層特征與ARGO 提供的海洋垂向溫鹽特征進行相關(guān)性分析，繼而對遙感獲取的中尺度渦調(diào)查結(jié)果進行驗證。

具體而言，我們選擇相同時間（同一天）的中尺度渦結(jié)果與ARGO 剖面數(shù)據(jù)進行空間匹配，選擇位于中尺度渦邊界內(nèi)的ARGO 溫度剖面數(shù)據(jù)進行計算中尺度渦水下溫度特征。這里為了表示中尺度渦引起的水下溫度變化，ARGO 垂向溫度剖面數(shù)據(jù)中移除了對應(yīng)季節(jié)的氣候態(tài)季節(jié)溫度場，得到ARGO 溫度異常數(shù)據(jù)因為中尺度渦引起的垂向溫度變化主要集中在溫躍層，這里我們采用水下100～500 m 深度處的平均溫度變化作為中尺度渦水下溫度特征。結(jié)果顯示，印度洋共匹配到6 525個位于中尺度渦內(nèi)的ARGO 剖面數(shù)據(jù)，中尺度渦表層海面高度異常SLA 信號與水下溫度異常信號相關(guān)性分析如圖4所示。可以看出遙感獲取的中尺度渦表層SLA 信號與ARGO 獲取的水下溫度異常信號具有很好的一致性。氣旋渦一般在海表面呈現(xiàn)SLA 負(fù)值，其在水下溫躍層一般也具有負(fù)的溫度異常信號。反氣旋渦在海表面呈現(xiàn)SLA 正值，其在水下溫躍層一般也具有正的溫度異常信號?？傮w而言，遙感獲取的中尺度渦表層SLA 信號和ARGO獲取的水下溫度異常信號相關(guān)性約為0.77。

圖4 印度洋中尺度渦海面高度異常SLA 信號和ARGO 浮標(biāo)垂向平均溫度異常信號的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of SLA signal and ARGO vertical-averaged temperature anomaly signal in mesoscale eddies in the Indian Ocean

同時，多源海洋三維再處理ARMOR3D 數(shù)據(jù)提供了海洋三維溫鹽數(shù)據(jù)。通過遙感獲取的中尺度渦識別結(jié)果與ARMOR3D 再處理數(shù)據(jù)進行匹配分析，同樣可以得到中尺度渦內(nèi)的水下溫度變化特征。圖5 給出了中尺度渦表層SLA信號與ARMOR3D再處理數(shù)據(jù)的水下溫度異常信號相關(guān)性分析。同樣可以看出，遙感獲取的中尺度渦表層SLA信號與ARMOR3D再處理數(shù)據(jù)的水下溫度異常信號具有很好的一致性，二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.87，遙感獲取的中尺度渦結(jié)果的表層特征與ARGO 浮標(biāo)和ARMOR3 的再處理數(shù)據(jù)提供的垂向溫度信號特征均呈現(xiàn)非常好的一致性，中尺度渦表層特征和水下溫度異常信號的高相關(guān)性基本驗證了遙感獲取的中尺度渦的準(zhǔn)確性。

圖5 印度洋中尺度渦海面高度異常SLA 信號和ARMOR3D 再處理數(shù)據(jù)的垂向平均溫度異常信號的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of SLA signal and ARMOR3D vertical-averaged temperature anomaly signal in mesoscale eddies in the Indian Ocean

4 結(jié)束語

為掌握印度洋海洋中尺度渦運動特征，增強人們對印度洋海洋中尺度過程的認(rèn)識，本研究基于1993-2020年時間序列長達(dá)28年的衛(wèi)星高度計海面高度融合數(shù)據(jù)，開展了印度洋中尺度渦遙感調(diào)查和屬性特征分析。結(jié)果顯示，印度洋中尺度渦主要分布在南印度洋南極繞極流區(qū)域、澳大利亞西部海域、莫桑比克海峽、阿拉伯海以及孟加拉灣的西部海域。北印度洋由于空間區(qū)域所限，其中尺度渦生命周期和移動距離均較??；而南印度洋存在大量長生命周期的中尺度渦，部分渦旋可以橫跨整個南印度洋運動。最后，基于ARGO 現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)以及多源海洋三維再處理ARMOR3D 數(shù)據(jù)，開展了其與中尺度渦遙感調(diào)查結(jié)果的時空匹配，對中尺度渦遙感調(diào)查結(jié)果進行了驗證，證明了遙感獲取的中尺度渦的可信度。