刘婷甄，郑少军,2,3，严 厉,2,3

(1.广东海洋大学海洋与气象学院/近海海洋变化与灾害预警实验室，广东 湛江 524088；2.广东海洋大学/广东省高等学校陆架及深远海气候、资源与环境重点实验室，广东 湛江 524088；3.自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室，北京 100081)

中尺度涡旋是全球海洋能量循环的重要组成部分，在海洋中输送质量、热盐和生物地球化学示踪物[1-4]，以及海气相互作用方面发挥着至关重要的作用[5-8]。南大洋是唯一完全环绕地球未被大陆分割的大洋，是涡旋活动最频繁的区域之一，其最主要的环流是南极绕极流，上层大气是强烈的西风带。研究不同极性涡旋的数量变化对涡旋输运研究具有重要意义。Sabu 等[9]利用2012—2013 年水文观测数据和2004—2012 年Argo 数据研究南大洋的印度洋扇区亚热带海域的2个中尺度涡旋对水团的影响。南大洋中尺度涡的空间特征和涡动能的变化规律方面亦被广泛研究[9-13]。在南大洋，较高的涡动能（Eddy kinetic energy，EKE）主要集中在南极极峰带海域[13]。在过去几十年里，南半球西风显著增强[14-16]。前人在南大洋EKE对西风增强和大尺度海气模态的响应方面进行相关研究[11,17-18]。增强的西风对南大洋能量循环具有重要影响。不断增加的风应力激发的涡旋热通量可能是南大洋变暖的一个重要原因[19]。增强的西风使EKE、平均动能、涡旋有效势能和平均有效势能增强，其中以EKE 的增强最为显著（约为30%）[20]。卫星测高数据和数值模拟结果表明，增强的西风会使EKE 增强，其中太平洋扇区和印度洋扇区的EKE 变率最为显著[21]。南大洋EKE 在南半球冬季较小，夏季较大，但季节调整幅度较小[22-23]。近年来，涡旋数的季节、年际以及年代际变化的问题备受关注[24-27]。在孟加拉湾涡旋生成数春季多夏季少[24]，在北太平洋涡旋生成数在冬季多夏季少[25]。在南海和东北太平洋中尺度涡数的年代际和长期趋势研究表明，东北太平洋的中尺度涡数与太平洋年代际振荡和北太平洋环流振荡相关[26]。南海的中尺度涡数的年代际变化则与厄尔尼诺-南方涛动变化引起的风应力旋度有关[27]。此外，Pegliasco 等[28]研究表明在全球范围内涡旋数约占涡旋统计数量的2%。在南大洋海域，前人研究多集中在涡旋能量方面[11,17,29]，而关于中尺度涡活动规律的研究较少。本研究主要利用META3.2DT版本的中尺度涡轨迹数据集，研究南大洋（0—360°，40°—70°S）1993—2020 年中尺度涡出现数（Eddy occurrence number，EON）的季节变化，并结合ERA-5 的风场资料和CMEMS 流速资料探讨南大洋EON季节变化的可能机制，以期更好了解南大洋中尺度涡活动规律。

1 数据和方法

1.1 全球中尺度涡轨迹数据集

本研究使用Mason 等[30]发布的1993 年1 月至2021 年8 月中尺度涡旋轨迹数据集3.2 版本（META3.2DT）和Chelton 等[31]发布的中尺度涡轨迹数据集2.0 版本（META2.0DT）。META3.2DT 数据集使用的涡旋检测算法是py-eddy-tracker（PET）算法，涡旋识别程序基于绝对动力地形（Absolute dynamic topography，ADT）。在PET 算法中，找到ADT 极值后通过检测封闭等高线轮廓来确定涡旋[30]。META2.0DT 数据集是通过Chelton 等[31]开发的源自俄勒冈州大学（OSU）算法的一种新的涡旋识别算法生成的，涡旋识别程序基于海表面高度异常（Sea level anomaly，SLA）。OSU 算法会使得一个涡旋内可能有多个SLA 极值，而PET 算法则可避免出现这个问题。Pegliasco 等[28]通过对SLA 和ADT检测到的涡旋比较，发现在非均匀的平均动力地形（Mean dynamic topography，MDT）区域，基于ADT检测到的涡旋比SLA 检测到的表现更好。蕴含着较高能量的强流区的MDT 梯度较大，比如南极绕极流、黑潮、湾流和厄加勒斯流等。META3.2DT 数据集提供3 种涡旋轨迹数据，分别为轨迹持续时间超过10 d、轨迹持续时间少于10 d 以及未跟踪，本研究使用轨迹持续时间超过10 d 的涡旋轨迹数据集。有关此数据集的更详细描述可在该网站上得到（https://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/valueadded-products/global-mesoscale-eddy-trajectoryproduct.html）。

1.2 其他数据集

本研究还使用来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代再分析数据（ERA-5）的月平均海表面风场的数据[32-33]，时间是1993 年1 月至2019 年12 月，与涡旋识别数据集时间相同。ERA-5 数据具有0.25°经度×0.25°纬度的水平分辨率。用于描述南大洋地形特征的水深数据是从ETOPO2的全球地形中获得（http://dss.ucar.edu/dsszone/ds759.3/etop2_2006apr.raw.gz）。每日海表面流速数据由ECMWF的第五代海洋再分析数据集（ORAS5）提供，哥白尼海洋环境监测服务处（CMEMS）分发（https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_031/INFORMATION），具有0.25° 经度× 0.25° 纬度的水平分辨率，时间是1993 年1 月至2002 年12 月。月平均地转流异常数据由全球海洋卫星高度计（AVISO）提供，CMEMS分发（https://resources.marine.copernicus.eu/productdetail/SEALEVEL_GLO_PHY_L4_MY_008_047/INFORMATION），具有0.25° 经度× 0.25° 纬度的 水平分辨率，时间是1993 年1 月至2020年12月。

1.3 指标选择

EKE 可用于衡量海洋中尺度扰动的强度，EON用于衡量区域中尺度涡的活跃程度，本研究选择EKE 和EON 分别作为能量和运动学指标来描述中尺度涡活动。

2 南大洋中尺度涡季节变化特征

2.1 EON 和EKE 多年平均的空间分布及EON 季节变化

图1（b）是南大洋每1°×1°的月平均EON，空间分布格局与前人研究一致[31]。中尺度涡活动在南半球表现明显（图1(b、c)），特别是在南极绕极流区域。南大洋海域表现为高EKE，特别是厄加勒斯暖流（40°S—55°S，10°E—70°E）和巴西暖流（40°S—55°S，60°W—30°W），这使得南大洋海域成为全球范围的EKE 高值区。同时，在南半球副热带高压南侧西风带（40°S—60°S）常年盛行五六级的西风（图1(a)）。ACC 和西风带蕴含的巨大能量为中尺度活动提供良好基础，南大洋（40°S—70°S，0—360°）中尺度涡活动频繁。除了靠近南极海冰覆盖的海域（约60°S 以南）和“涡旋沙漠”（50°S，95°W）,中尺度涡在南大洋无处不在[34]。

图1 1993-2020年期间海洋深度和海表面风场，涡旋出现数与涡动能Fig.1 Bathymetry and sea surface wind fields,eddy occurrence number and eddy kinetic energy during 1993-2020

整体而言，META3.2DT 和META2.0DT 两种数据集的结果相似，即南大洋EON 在2 月最大，9 月最小，夏季大，春季小（图2(d、f)）。3.2DT 版本的数据集相较于2.0DT 版本的不同之处在于引入涡旋寿命大于10 d 且小于30 d 的涡旋。两个不同版本的数据集显示的南大洋EON 变化规律一致，但META3.2DT 数据集识别到的涡旋是META2.0DT的约两倍。主要原因有两个，一是META3.2DT数据集的涡旋检测程序基于PET 算法，比META2.0DT所使用的OSU 算法能检测到更多的涡旋（1.7 倍多），二是META3.2DT 数据集使用的是重叠跟踪法追踪涡旋，比META2.0DT 所使用的限制区域法跟踪得到轨迹更长的涡旋[28]。除此之外，对比META2.0DT 版本检测的涡旋EON（图2(e)），META3.2DT 版本检测到的气旋涡比反气旋涡多（图2(c)）。由于META3.2DT 使用的是ADT 地图而META2.0DT 使用的是SLA 地图，使用ADT 地图可更好地反映能量较大的强流区以及岛屿附近的涡旋，也更能突出涡旋的极性[28]，而使用SLA 地图检测涡旋会使气旋涡和反气旋涡分布更为均一[28]。

图2(a、b)对比图2(c、d)，可见3.2DT版本中寿命大于10 d 的EON 和寿命大于30 d 的EON 季节变化不一样。寿命大于10 d 的EON 在1 月和3 月最多，9月最少，整体而言季节变化不明显（图2(b)）。寿命大于10 d 的气旋涡（cEON）的季节变化较小，反气旋涡（aEON）的季节变化则比较明显（图2(a)），而总的EON季节变化不明显（图2(b)）。

无论是3.2DT 版本还是2.0DT 版本，寿命大于30 d 的EON 季节变化一致，即2 月最大，9 月最小，夏季大，春季小（图2(c—f)）。不同之处在于两个版本检测的EON数量不一样，主要原因是两个版本采用的涡旋检测方法不同。3.2DT 比2.0DT 检测到的气旋涡比反气旋涡多（图2(a、c)）。由于两个版本数据中寿命大于30 d的EON季节变化一致，后续内容基于META3.2DT 版本研究南大洋EON 季节变化，且重点研究寿命大于30 d的中尺度涡。

图2 1993-2020年期间南大洋EON月平均时间序列Fig.2 Monthly value of the Southern Ocean EON during 1993-2020

2.2 三个海区EON的季节变化

本节研究南大洋太平洋扇区（110°E—75°W，图1 红色区域）、印度洋扇区（15°E—115°E，图1蓝色区域）和大西洋扇区（75°W—0°，0°—15°E，图1棕色区域）中尺度涡旋的季节变化。南大洋的三个海区中以太平洋扇区最为宽广，印度洋海区次之，大西洋海区最小。图3(a、c、e)的月平均时间序列显示，太平洋扇区的cEON、aEON 和总EON 是印度洋扇区和大西洋扇区的两倍多。虽然三个海区的EON数量相差较大，但是三个海区的EON 季节变化一致，即EON 在1 月或2 月最多，8 月或9 月最少，夏季多，春季少，cEON和aEON也有相同变化规律。

图3 1993-2020年期间南大洋三个海区EON月平均时间序列Fig.3 Monthly values of EON in three Southern Ocean sectors during 1993-2020

2.3 EON与EKE季节变化的时间序列

EKE 与EON 息息相关，一般情况下，区域中EKE 越大则EON 越多。EKE 和EON 相结合能较全面反映区域内涡旋活动的状况。图4显示研究时间内南大洋EKE 和EON 的月平均时间序列，可见南大洋EKE 在2 月最大，8 月最小，即夏季大，冬季小；EON在2月最大，9月最小；EKE和EON的季节变化基本一致。这说明在南大洋中EKE 大的季节海洋能为中尺度涡提供更多能量，有利于中尺度涡的产生和维持，从而使中尺度涡的出现数变多（即EON变大）。EKE达到最小值时，EON 并不是立刻响应，比如EKE在8月最小，EON在9月最小，原因可能是涡旋能量和数量有良好的对应关系但存在超前滞后的现象。

图4 1993—2020年期间南大洋EKE和EON月平均时间序列Fig.4 Monthly values of EKE and EON in the Southern Ocean during 1993-2020

2.4 2月和9月的EON空间分布

本节研究EON 季节变化在空间分布上的差异。南大洋中EON高值区空间分布情况：太平洋扇区主要在东北部，小部分在西南部（40°S—55°S，180°—79°W 和60°S—65°S，180°—120°W），印度洋扇区和大西洋扇区主要在中部和南部（50°S—65°S，0—120°E 和50°S—62°S，50°W—5°W）（图5(a、b)）。EON 在2 月和9 月的差异主要体现在EON 高值区，即EON 在9 月最少2 月最多。南半球2 月是夏季，靠近南极圈的地方有冰雪融化现象，即在60°S—70°S 区域随着冰雪融化会露出原本被冰盖覆盖的海洋表面，因此，2 月EON 更多（图5(c)下部红色部分）。图5(a)对比图5(b)，可见EON主要在高值区中减少。图5(c)蓝色部分显示，9月部分区域EON 比2月多，但从EON总数上看，仍是2月最多，9月最少。

图5 2月和9月南大洋日平均EON及2月和9月的EON差值Fig.5 Daily average EON in the Southern Ocean in February and September and the EON difference between February and September

2.5 2月和8月的EKE空间分布

因为EON 和EKE 的季节变化较为一致，本节分析EKE季节变化下的空间分布特征。图6(a、b)显示，南大洋EKE 有明显的高值区，即ACC 主轴及其周围的强流区、厄加勒斯暖流（40°S—55°S，10°E—70°E）和巴西暖流（40°S—55°S，60°W—30°W）都是明显的EKE高值区。EKE在2月最大8月最小，2月EKE 比8 月增加最明显的海域位于EKE 高值区，如上述的厄加勒斯流和巴西暖流（图6(c)左上方和右上方红色部分）。

图6 2月和8月南大洋日平均EKE及2月和8月的EKE差值Fig.6 Daily average EKE in the Southern Ocean in February and August and the EKE difference between February and August

2.6 涡旋性质季节变化的时间序列

南大洋中尺度涡除了EON 存在季节变化，与之相关的中尺度涡性质也有明显的季节变化，如振幅、半径、转速和强度（图7）。南大洋中尺度涡整体振幅在9 月达到最高值0.077 m，2 月达到最低值0.072 m（图7(b)）。气旋涡和反气旋涡的振幅变化规律一致，然而气旋涡的平均振幅比反气旋涡的更大，且在各个月份都比反气旋涡的大（图7(a)）。除了涡旋振幅以外，涡旋转速和强度都有相似的变化规律（图7(a、e、g)）。总体上，南大洋中尺度涡振幅在2 月最小，9 月最大，即春季大，夏季小，和EON 季节变化规律相反。南大洋中尺度涡整体转速在2月达到最小值0.19 m/s，9月达到最大值0.21 m/s，即春季大，夏季小（图7(f)）。南大洋中尺度涡强度在3月达到最小值，10 月达到最大值，即春季大，秋季小（图7(h)）。可见，涡旋振幅、转速和强度的季节变化总体而言都比较相似，在2 月或3 月达到最小值，在9月或10月达到最大值。而南大洋中尺度涡半径呈现的季节变化规律则不明显，半径整体在4—9月都比较大，在2月和11月达到两个极小值（图7(d)）。

图7 1993-2020年期间南大洋中尺度涡主要性质的月平均时间序列Fig.7 Monthly value of the major properties of the Southern Ocean mesoscale eddies during 1993-2020

3 涡旋活动季节变化机制

3.1 风场的“涡旋消亡”作用

前人研究表明海表面风能够显著减弱中尺度海洋涡旋，特别是在能量充沛的西部边界洋流区和南大洋[35]，并且海表风通过涡旋消亡机制对小于260 km 尺度的海洋表面过程进行能量耗散[36]。因此“涡旋消亡”的季节性与海表面风强度的季节性密切相关[36]，基于此，本节进一步探讨南大洋涡旋EON与风速的关系。

南大洋整体风速呈双峰型的变化，在4 月和10月达到极大值，在1 月和6 月达到极小值（图8(a)）。由于南大洋的风大部分是纬向风，经向风的贡献较小（图8(b)对比图8(c)），故纬向风速和整体风速一致，也是双峰型。在2 月，南大洋风速较小，风强度较小，“涡旋消亡”现象变弱，有利于涡旋的产生与维持，EON 变大。在9 月，南大洋风速较大，风强度大，“涡旋消亡”现象明显，不利于涡旋产生与维持，EON变小。

图8 1993-2020年期间南大洋逐月平均风速、纬向风风速和经向风风速Fig.8 Monthly mean wind speed,zonal wind speed and meridional wind speed in the Southern Ocean during 1993-2020

由南大洋2 月和9 月的风速空间分布情况可见，风速高值区集中在40°S—60°S 区域，太平洋扇区、印度洋扇区和大西洋扇区都有高值中心。南大洋风速在2 月（EON 最大的月份）和9 月（EON 最小的月份）有较大差异，2 月的风速在整个南大洋几乎都比9 月的小，太平洋扇区东北部（120°W—70°W，40°S—53°S）和大西洋扇区北部（60°W—0°，40°S—50°S）除外（图9(c)）。这说明南大洋EON 的季节变化（即2 月大，9 月小）部分原因在于南大洋风速的季节变化。当风弱时（2 月），“涡旋消亡”现象减弱，有利于涡旋产生与维持，EON 就变大，反之亦然。

图9 2月和9月南大洋月平均风速及2月和9月风速差值的空间分布Fig.9 Monthly average wind speed in the Southern Ocean in February and September and the wind speed difference between February and September

3.2 正压不稳定的作用

正压不稳定（Barotropic Instability,BT）、斜压不稳定和风力强迫是产生海洋中尺度涡旋的主要机制[37-40]。在西边界流和ACC 等强流系统中，能量路径比较复杂，强的正压不稳定在将能量从背景流中转移到涡旋中发挥着重要作用[41-43]。从图10 可见，BT 整体在秋季高，春季低，在3 月达到最高值，在9月达到最低值。整体而言，EON 与BT 的季节变化趋势基本一致。原因在于，在BT 值较大时，背景流动能向涡旋动能转换，这有利于涡旋的产生与维持。

图10 1993—2020年期间南大洋EON与正压不稳定的月平均时间序列Fig.10 Monthly values of EON and barotropic instability in the Southern Ocean during 1993-2020

4 结论

本研究利用1993—2020 年的中尺度涡轨迹数据集和对应的大气海洋再分析数据来探讨南大洋EON 的季节变化及其可能的动力学机制，得到以下结论：

1）南大洋EON 在2 月达到最大值，9 月达到最小值，即夏季大春季小的季节变化。同时，南大洋涡旋的振幅、转速和强度等性质的季节变化总体比较相似，在2 月或3 月达到最小值，在9 月或10 月达到最大值。

2）EKE的季节变化和EON几乎一致，EKE在2月达到最大值，在8月达到最小值。强EKE 有利于涡旋的生成和维持，进而使EON也增多，反之亦然。

3）机制分析表明南大洋EON 季节变化的两个原因一个是“涡旋消亡”现象，另一个是南大洋BT的季节变化。南大洋风强度的季节变化影响“涡旋消亡”现象的强度进而影响EON的大小。从涡旋能量来源的角度分析，BT 的季节变化趋势和EON 的较为一致，当BT 高的时候，涡旋从背景流中获取更多能量，有利于涡旋的产生于维持，进而使EON 也变大。此外，EON 对“涡旋消亡”现象和BT 变化都不是立即响应的，这其中存在超前滞后的现象值得后续继续研究。