燕丹晨，仉天宇，李云，王延强，卢勇夺

（国家海洋环境预报中心，国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081）

基于WA方法的2013年夏秋越南东南外海暖涡初步分析

燕丹晨，仉天宇，李云，王延强，卢勇夺

（国家海洋环境预报中心，国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081）

使用WA涡旋自动识别方法对2013年夏秋两季越南东南外海暖涡进行识别和追踪，同时利用同期CTD资料对该暖涡的内部结构和性质进行分析。结果显示：该暖涡于2013年夏初初步形成、呈单核结构，主要体现在跃层之下、100m以深处，受暖涡影响的水体呈高温、低盐、低密特性，温盐等值线明显下凹。经过整个夏季的发展壮大，该暖涡在8—9月达到强盛且演化为双核结构，其西侧涡核强于东侧涡核，东侧涡核发育更快。发育最充分时涡旋纬向直径可达427 km，中心海平面高度异常达28.75 cm，最大振幅达6.04 cm，最大涡动能为384 cm2/s2，而涡旋强度则在涡旋形成之初达到最大值1.59×10-2cm2/s2km2。与夏初相比，秋季该暖涡的垂向上界提升到40m，且在90—100m最为显著。在100m以浅，双核结构中西侧涡核更加强大、发育更加充分；从110m层开始，西侧涡核中心北移且强度开始减弱，东侧涡核有所加强；在140m层以下海域，西侧涡核基本消失，但东侧涡核仍然继续存在，其对盐度的影响持续到190m层，对温度和密度的影响在200m层仍可见。

WA方法；海平面高度异常（SLA)；越南东南外海暖涡

1引言

南海南部、尤其是越南东南外海是中尺度涡的频发区，中尺度涡的存在不仅改变了该海域的动力特征，而且在极大程度上影响了海水的热、盐和物质输送。以往的研究表明，在越南东南外海常年存在一季节性暖涡，我们称之为“越南东南外海暖涡”，该暖涡常于夏初出现、秋末消失，并与北面的冷涡构成偶极子结构。杨海军等[1]、管秉贤等[2]、Wang等[3]、Gan等[4]均曾指出该暖涡的存在。Chen等[5]认为该暖涡为季节性涡旋，常于6月下旬或7月初出现于越南外海，8—9月发展壮大，10月减弱并消失，发育最充分时范围可达7°—10.5°N，109°—114°E。对于该暖涡的成因，西南季风期间在越南沿岸存在较强的西边界流和东向离岸流，海流之间的相互作用加之与地形的作用可能是越南东南外海暖涡产生和发展的重要原因[5-7]。Xie等[8]认为夏季越南沿岸的强东向射流是驱动该暖涡形成的原因。

越南东南外海暖涡的存在在一定程度上影响了海水的温盐属性。Liu等[9]指出，南海季节内尺度的温跃层升降与两方面因素有关，一是表面净热通量，二是中尺度涡的存在。Wang等[3]通过分析南海中部和北部的3个ATLAS浮标，发现温跃层深度和海表面高度异常（Sea Surface Height Anomaly，SSHA）存在相关性，当SSHA最高时温跃层深度最低，即暖涡的存在会导致温跃层的下沉。Chen等[5]指出，1997年8月越南偶极子的存在导致上380m层的海水温度异常和上150m层的海水盐度异常，气旋涡使等温线上移且温跃层深度变浅，而反气旋涡使等温线下移且温跃层深度加深。

尽管许多学者已对越南东南外海暖涡展开相关研究，但从研究手段来看往往基于数值模式、浮

标和直观的SSHA比对，未见采用涡旋自动识别方法（如WA方法）研究该暖涡的演化；从研究内容来看，人们对该暖涡演化过程的整体特征已有一定了解，但该暖涡在演化过程中的内部结构发生了哪些变化、内部温盐属性有何差异却极少提及。针对以上两点，本文采用WA（Winding-angle）涡旋自动识别方法，对2013年夏秋越南东南外海暖涡的演化特征做了初步分析，并结合CTD实测资料，对比验证WA涡旋自动识别方法的可靠性，并分析该暖涡内部性质和结构的变化及差异。

2 资料与方法

2.1 卫星高度计资料

本文所使用的卫星高度计资料为AVISO提供的最新版（DUACS2014）格网化延时MSLA（Delay Time，Maps of Sea LevelAnomaly）产品。该产品融合了TOPEX/Poseidon、Jason-1、ERS-1/2等多颗卫星数据，数据间的相互校准不仅保证了融合产品的精度和一致性，也使长时间序列的海平面高度异常数据（Sea LevelAnomaly，SLA）成为可能。与之前版本不同的是，该版本使用1993—2012年共20 a的平均海平面高度来计算SLA，延时产品的时间分辨率提高到1 d，空间分辨率为1/4°，投影方式为Cartesian投影并采用新的格点公约。而之前的版本仅使用1993—1999年共7a的平均海平面高度来计算SLA，延时产品的时间分辨率为7 d，空间分辨率为1/3°，投影方式为墨卡托（Mercator）投影。DUACS2014版MSLA数据拥有更高的数据质量和精度，并且经过了潮汐、逆气压等地球物理参数订正，是现阶段研究中尺度涡的最有效手段之一。

2.2 WA涡旋自动识别方法

WA涡旋自动识别方法是Sadarjoen等[10]于2000年首次提出的基于流线几何特性自动识别涡旋的一种方法，该方法主要通过挑选闭合流线并将它们聚类而达到探测涡旋的目的。该方法的优势在于即使流线形状不规则，但只要整体旋转方向保持一致并且闭合便可自动识别涡旋，因此对涡旋边缘的识别精度较其他自动识别方法更高，对于尺度较小、较弱或形状不规则的涡更是如此。但此方法的缺点在于计算量大，计算过程复杂。

本文使用的WA方法为Chaigneau等[11]提出的改进版WA方法，具体流程如图1。该方法主要分为以下四部分：（1）涡旋中心的提取。采用1°×1°的移动窗口（该移动窗口大小可视具体情况而调整）寻找局地SLA最小值（最大值），从而确定可能的气旋涡（反气旋涡）中心。依据中尺度涡的常见半径范围（30—250 km），可将距离小于0.5°的同性可能中心点再次归并；（2）从每0.25°×0.25°格网点释放虚拟质点计算流线，并利用WA准则和距离准则挑选闭合的流线；（3）流线聚类。将属于同一个涡旋中心的流线簇聚类；（4）辨认涡旋的边缘。

值得关注的是，计算流线时所使用的步长和步数是WA方法识别涡旋的关键。步长过大会导致计算精度下降，甚至不能准确计算闭合的流线，而步长过小又会导致计算量过大，计算时间较长。而步数也要根据步长的大小而调整，以保证足够的流线长度。

图1 WA涡旋识别算法流程图

3 结果与分析

3.1 WA方法涡旋识别结果

利用WA方法，我们对2013年夏（6、7、8月）、秋（9、10、11月）两季越南东南外海暖涡进行了识别和追踪（见图2）。实验结果表明（见表1），该暖涡于夏初（6月15日—7月12日）已初步形成，呈单涡结构，中心位于（10.7°N，110.7°E），涡动能（Eddy Kinetic Energy，EKE）相对较大（333 cm2/s2），而直径和面积较小，因此能量较为集中、涡旋强度（Eddy Intensity，EI）大；到了7月中下旬，该暖涡的纬向直径已明显扩大（约76 km），中心位置向东移动了约1°，中心SLA和振幅均有所增加，但EKE下降，EI也随之降低。需要注意的是，EKE的变化是多种因素叠加的结果[12]，暖涡的存在与发展在一定程度上会影响EKE，但其他因素如越南西边界流、东向离岸流、风应力旋度等亦会引起EKE的改变；8月，该暖涡演化为双核结构，两个涡核中心分别位于（9.4°N，110.4°E）和（10.6°N，112.9°E），从中心SLA和振幅来看，西侧涡核要明显强于东侧涡核，涡旋的整体EKE达到最大（384 cm2/s2），径向和纬向范围也均达到最大，涡旋整体向东南方向移动；进入秋季（9月），该暖涡依然为双核结构，两个涡核的中心SLA均明显增加（西侧涡核增加8 cm，东侧涡核增加10.5 cm），振幅却增减不一（西侧涡核减小1.2 cm，东侧涡核增加2.6 cm），这说明西侧涡核的整体强度虽然仍大于东侧涡核，但其发育和增长速度却不及东侧涡核。从图2也可以看出，东侧涡核位置和范围基本不变，西侧涡核范围减小且向东北方向移动。涡旋整体位置基本保持不变，但径向和纬向范围较8月有所减小（径向减小约110 km，纬向减小约87 km）；10月，该暖涡的双核结构已经消失而演化为单核结构，涡旋中心向东南移动至（10.1°N，113.1°E），中心SLA和振幅均减弱，EKE也显著下降，涡旋纬向直径达到最小（153 km），EI也随直径减小而增大，说明涡旋的能量密度又重新增强；到了11月，该暖涡在平均SLA图上已基本消失。

图2 利用WA方法对2013年夏秋季越南东南外海暖涡的识别和追踪

3.2 2013年夏初越南东南外海暖涡的水文资料验证

关于WA方法在2013年夏初（6月15日—7月12日）识别的越南东南外海暖涡，我们在同期的CTD大面分布图中也找到了相对应的暖涡结构，其半径和位置与WA方法识别出的暖涡基本一致。该暖涡在100m层以浅的CTD大面图中并不明显，但从100m层开始（见图3）该暖涡逐渐显现，并随着深

度的增加越来越显著，到了200m层该暖涡仍持续存在，这与Chen等[5]的结果不甚一致。Chen等[5]曾指出，越南外海暖涡在100m层以上最为强盛，其上界可达表层。但在我们的研究中发现，该暖涡于夏初形成时（6月底7月初）在100m层以浅并没有显著体现，相反其上界是从100m层开始，并在100—200m层较为强盛。

图4为150m层CTD大面图，由图4可知受该暖涡影响的海水呈高温、低盐、低密性质。虽然与盐度和密度等值线相比，温度等值线相对稀疏、梯度变化相对较小，但内侧等值线明显大于外侧等值线，证明了暖涡的存在。而盐度等值线则较为密集，梯度较大，等值线大小由外向内不断减小。密度等值线的稀疏程度及梯度大小介于温度和盐度之间，在增温减密和降盐减密的双重作用下，密度等值线由外向内不断减小。

表1 2013年夏秋越南东南外海暖涡基本特征

图3 2013年夏季航次100m层温、盐、密大面图

图4 2013年夏季航次150m层温、盐、密大面图

图5 为2013年夏季航次沿10.5°N的温盐密纬向断面图。从该图可以看出，盐跃层深度大约在40—80m，温跃层和密跃层深度大约在60—90m，而暖涡对温盐密场垂直分布的影响主要体现在跃层以下、100m以深处，这也再次映证了“夏初时越南外海暖涡体现于100m以深处”的说法。在暖涡的影响下，温度等值线在100—200m之间的暖涡中心处出现了明显的下凹，拿20℃等温线来说，其在

涡旋中心及边缘的深度差可达28m；盐度等值线和密度等值线在100—200m之间的涡旋中心处也有明显的下凹，拿34.25 psu盐度等值线和24.4 kg/ m3密度等值线来说，它们均下凹了约30m。这一方面再次证实了暖涡的存在，另一方面也与CTD大面图所体现的暖涡的性质有很好的对应。

图5 2013年夏季航次沿10.5°N的0—200m层纬向断面图

图6 2013年秋季航次100m层温、盐、密大面图

3.3 2013年秋季越南东南外海暖涡的水文资料验证

由3.1可知，越南东南外海暖涡在秋季演化为双涡核结构，范围增大且向东南方向移动。我们在同期的CTD大面分布图中也清晰地识别出了该双核暖涡结构（见图6），其涡旋中心（西侧涡核中心于100m以浅体现，东侧涡核中心于110m以深体现）、形状及面积与WA方法识别的涡旋中心、形状及面积基本对应。

比较夏秋两个航次的CTD大面分布图可以看出，与夏季相比，秋季越南东南外海暖涡整体向东南方向移动且范围增大，这与用WA方法识别出的涡旋结果一致。受该双核暖涡结构影响的水体较周围水体呈高温、低盐、低密的特性，这与夏初时该暖涡对周围水体的影响保持一致。但与夏初时越南东南暖涡仅在100m以深水域有所体现不同，该双核结构在40—100m层的温盐密大面图中均有很好的体现（图略），且以90—100m层最为显著，这也充分说明了越南东南外海暖涡不仅在水平方向上发育充分，在垂直方向上的穿透深度也显著加强。在100m层以浅，西侧涡核更加强大，发育也更加充分（见图6），这与WA涡旋识别结果中西侧涡核的中心SLA及振幅更大相吻合。从110m层开始，双核结构中西侧涡核的影响范围明显减小，其中心北移且强度开始减弱，东侧涡核则有所加强，图7为130m层的温度、盐度、密度大面图，对比图6和图7我们可以明显地看出双核暖涡内部结构随深度发生的变化。

在140m层以下的温盐密场中，双核结构中的西侧涡核基本消失，但东侧涡核仍然继续存在。东侧涡核对温度的影响未随深度的增加发生显著改变，到了200m层，该涡核对温度的影响仍然存在。但与西侧涡核相比，东侧涡核对温度的影响较弱，温度等值线梯度变化较小，等温线也稀疏许多（见图8a）。对于盐度，东侧涡核的影响深度持续到190m层，且在180m层的盐度分布图中仍十分明显（见图8b），盐度等值线密集、梯度变化大。对于密度，东侧涡核对密度的影响在200m层仍清晰可见，

从密度等值线的疏密程度和梯度变化来看，东侧涡核对密度的影响未随深度增加而显著减弱（见图8d）。值得注意的是，在西侧涡核消失后的180m层盐度大面图中，在西侧涡核的位置出现了盐度高值区（图8b）；在东侧涡核对盐度影响消失后的200m层盐度大面图中（图8c），在东侧涡核的位置也出现了盐度高值区，但对于产生此现象的原因，还有待于进一步研究。

图7 2013年秋季航次130m层温、盐、密大面图

图8 2013年秋季航次温、盐、密大面图

4 结论

本文首次使用WA涡旋自动识别方法对2013年夏秋两季越南东南外海暖涡进行了识别和追踪。该暖涡于2013年夏初（6月底7月初）已初步形成、呈单核结构，经过整个夏季的发展壮大，于8—9月达到强盛且演化为双核结构，其西侧涡核

强于东侧涡核，但东侧涡核发育更快。到了10月该暖涡开始减弱并退化为单核结构，11月基本消失。在整个演化过程中，涡旋整体向东南方向移动。发育最充分时，涡旋的纬向直径可达427 km，中心SLA达28.75 cm，最大振幅6.04 cm，最大EKE为384 cm2/s2，而EI则在涡旋形成之初达到最大值1.59×10-2cm2/s2km2。

我们在夏初和秋季的同期CTD大面、断面分布图中也发现了该暖涡的存在，其涡旋位置、范围、演化特征等与WA方法的识别结果基本吻合。夏初时，该暖涡主要体现在跃层之下、100m以深处，受暖涡影响的水体呈高温、低盐、低密特性，温盐等值线明显下凹；到了秋季，该暖涡已离开原先的位置向东南方向移动，面积增大且已演化为双核结构，受双核暖涡影响的水体仍然呈高温、低盐、低密的特性。与夏初相比，该暖涡在垂直方向上的深度已由100 m以深提高到40m以深，且在90—100m层最为显著。在100m层以浅海域，双核结构中西侧涡核更加强大、发育更充分；从110m层开始，西侧涡核的影响范围明显减小，其中心北移且强度开始减弱，东侧涡核则有所加强；在140m层以下海域，西侧涡核基本消失，但东侧涡核仍然继续存在，其对盐度的影响持续到190m层，对温度和密度的影响在200m层仍可见。

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Prelim inary analysisof the anti-cyclonic eddy off southeast Vietnam byWA method during summer and autumn in 2013

YAN Dan-chen,ZHANGTian-yu,LIYun,WANGYan-qiang，LUYong-duo
(NationalMarine Environmental Forecasting Center,Key Laboratory ofResearch onMarine Hazards Forecasting,Beijing 100081China)

The anti-cyclonic eddy off southeast Vietnam during summer and autumn in 2013 w ith satellite altimeter data and WA automated method is identified and tracked.At the same time,the interior structure and properties of the eddy are analyzed w ith CTD data.The anti-cyclonic eddy had a single core below 100m in the early summer,w ith high temperature,low salinity and density,and deepened the isotherm and isohaline.The anti-cyclonic eddy was developed through summer and evolved into dual-core structure during the strongest period in August and September.The west core of the eddy was stronger than the east,and the east core was developed faster than the west.The largest zonal diameter,central sea level anomaly,amplitude,eddy kinetic energy,and eddy intensity of the eddy were 427 km,28.75 cm,6.04 cm,384 cm2/s2and 1.59×10-2cm2/s2km2, respectively.The upper bound of the eddy was 100m in summerwhile it rose to 40m in autumn.Itwas strongest at90-100m depth in autumn,and thewest corewasmore powerful compared w ith the eastat the upper 100m. However,the west core was weakened and its centermoved northward while the east core strengthened below 110 m.Below 140m,the west core disappeared but the east core still existed.The impact of the east core on salinity remained to 190m andmore deep on temperatureand density.

WAmethod;Sea LevelAnomaly(SLA);theanti-cyclonic eddy offsoutheastVietnam

P731.21

A

1003-0239（2015）05-0053-08

2014-10-30

国家高技术研究发展计划(2012AA12A406)；中国科学院海洋环流与波动重点实验室开放基金课题（KLOCAW1410）

燕丹晨(1989—)，女，硕士研究生，主要从事中尺度涡识别和分析研究，E-mail:yan_danchen@163.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.007