南海东部由地行风引起的冬季涡旋外文翻译资料

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南海东部由地行风引起的冬季涡旋

摘要

通过利用约化重力模型，研究了1999年8月至2002年7月期间的冬季南海（SCS）东部中尺度涡的形成。研究发现，由冬季的东北季风以及南海东部山区岛链缺口引起的地形风可以引起气旋涡和反气旋涡。结果表明，直接的风强迫可能是南海丰富的涡旋活动的重要生成机制，若要模拟这种机制，则风强迫的分辨率必须足够高，以分辨受地形效应引起的风射流。

1. 前言

南海（SCS）是西北太平洋最大的半封闭边缘海（图1）。南海的大尺度环流主要受东亚季风驱动，在其北部受黑潮影响显著（Qu2000;Su2004）。冬季在南海的深海盆区域一般是呈气旋式环流，夏季12°N以北仍为气旋式环流，以南盛行反气旋式环流。对于这种大尺度环流的基本特征和动力学，已经有使用不同的风产品驱动的各种数值模型进行了研究（如Metzger和Hurlburt2001;Liu等2001;Metzger2003）。

通讯作者地址：王桂华博士，卫星海洋环境动力学国家重点实验室，第二海洋研究所，国家海洋局，杭州，中国。

电子邮件：guihua_wanggh@yahoo.com.cn 水文数据（Chu等1998;Su等1999）和高度计产品（Shaw等1999;Hwang和Chen2000;Wang等2003）都表明在海盆尺度环流中存在大量中尺度涡。1992至1997年这5年高度计数据显示，南海10°N以北有两个条带区域有非常显著的中尺度变化（Wang等2000）两个条带中。其中一条沿着大陆坡上2000米等深线附近的深盆地北部/西部边界。另一条是东北-西南走向的条带，宽约450公里，从吕宋海峡延伸到越南海岸。一般而言，北部条带的平均中尺度变化往往比南部条带的变化更强，因为更多d的涡旋沿北部边界向西传播(Wang，2000，2003）。

利用1993至2000年的融合的海面高度异常（SSHA）数据集，Wang等（2003）发现，南海大多数的涡旋发源于台湾西南部，菲律宾吕宋岛的西部以及越南中部的东部地区。产生于南海东部的涡旋，形成区水深一般超过2000米，所有这些涡旋在形成后都大致沿向西的方向迁移。

DOI：10.1175/2007JPO3868.1

copy;2008年美国气象学会

图1.南海地图（P1：吕宋海峡;P2：马尼拉湾;H：海南岛）。两条等深线分别为200和2000米。圆形和星号分别表示1993年1月-2002年7月期间的冬季在南海东部生成的气旋和反气旋涡的初始位置。

在可能的范围内，Wang等（2003）也使用次表层水文数据，同样可以识别出高度计数据识别出的几个涡旋。Wang等（2005）进一步指出，在冬季风期间，台湾西南部和马尼拉湾以北地区以反气旋涡旋为主，吕宋岛西北部和马尼拉湾以南地区主要为气旋性涡旋（图1）。他们还提出，这些反气旋和气旋涡旋的聚类分布分别与地形效应引起的强烈的负的和正的风应力旋度相关。

以前的几项研究已经证实了南海东部的一些中尺度涡旋与风强迫有关。例如，Wang和Chern（1987）提出，在1974年的水文调查中观测到台湾西南部的反气旋涡旋可能是冬季风和黑潮的共同作用造成的。Qu（2000）和Metzger（2003）都指出，在冬季，吕宋岛西北部存在一个气旋涡，并指出它可能与那里的正的风应力旋度有关。Yang和Liu（2003）认为，吕宋岛西北部的气旋涡更像风强迫的罗斯贝波。

长期以来，人们已经知道垂直于海岸的地形风射流可以产生涡旋[例如，见Willett等（2006）对墨西哥特万特佩克东南沿海涡旋的综述]。Willett等（2006）也回顾了可能有助于涡旋产生的其他机制。由于地形风导致南海东部成为中尺度涡产生的温床的一般情况尚不清楚，在那里产生的涡旋的空间分布还需要进一步探索。在本文中，我们将利用卫星数据和数值模式实验来研究风应力旋度作为冬季南海东部中尺度涡的产生机制的效应。

数据和模式

这里使用的主要风场数据集来自美国国家航空航天局（NASA）的快速散射计（QuikSCAT）太空任务中的Seawinds散射计的观测，这是能得到的分辨率最高的风场数据之一。为了构建一组具有不同时间和空间分辨率的风强迫数据，我们首先将数据在空间上平均为0.25°、0.5°、1°和2°的正方形，然后以1、7、15、30天的间隔对它们进行时间平均，共产生16个不同时间序列的风场。该研究的标准情况是时间分辨率为1天，空间分辨率为0.25°纬度*0.25°经度。这里考虑的另一种风产品来自国家环境预测中心（NCEP）的应用较多的再分析数据。该数据集的时间分辨率为1天，空间分辨率为1.875°，是高斯网格的产品。NCEP产品先前已广泛应用于南海的研究中（例如，Shaw等,1999;Metzger,2003）。

我们还在本研究中使用高度计测量的SSHA数据进行涡旋识别和模式数据的比较。该数据集由Collecte定位卫星（CLS）的空间海洋部门构建，基于来自海洋地形实验（TOPEX）/波塞冬（T/P）、欧洲遥感卫星（ERS）和环境卫星（ENVISAT）上的多个高度计。它是一种1/3°*1/3°的网格化数据，时间分辨率为7天。利用全球多重传播交叉最小化方法（LeTraon和Ogor，1998），从SSHA时间序列中去除了轨道误差。全球潮汐模型也用于消除潮汐信号（Ray,1999）。SSHA数据以及上述风场数据涵盖了1999年8月至2002年7月的时间段。在本文中，北半球冬季被定义为10月1日至3月31日期间，因为冬季风从10月开始覆盖整个南海地区，1月充分发展（本月风速达到峰值），1月至3月减弱，4月结束。

这里使用一层半非线性约化重力模式来模拟风力驱动的上层海洋动力学，特别是由地形效应引发的风力射流引起的南海东部深水区的涡旋。许多研究已经证明了这种简单模型研究深水涡旋产生的动力学的有效性（Reszka和Swaters,1999;Arruda等2004;Zamudio等2006）。Willett（2006）总结了它在模拟由于山间隙或地峡风喷射的地形风激流而产生涡旋中的作用。许多已有的对南海上层环流的研究也采用了这种简单的模型（Metzger和Hurlburt1996;Liu等2001;Wang等2006），包括通过来自黑潮的涡度平流而产生涡旋的研究（Liu和Su1992）。

我们的模型边界沿着200米的等深线（图1）。为了关注南海地区的区域动力学，我们大部分实验中关闭了吕宋海峡。然而，在几个具体的模拟中，我们开放吕宋海峡，包含黑潮的驱动。约化重力设定为0.03m/s²，侧向摩擦系数为500m²/s，初始温跃层深度为200m。模型网格为0.25°*0.25°。网格尺寸小于南海深海盆的气候态平均的第一斜压Rossby变形半径，该变形半径是大于50km的（Gan和Cai,2001）。模式的启动阶段，风在一个月内从静止慢慢变为1999年8月1日的风的分布。然后该模型使用1999年8月1日至2000年7月31日全年的风力数据反复驱动四年，直到海洋环流达到准平衡状态。最后，用1999年8月1日到2002年7月31日的QuikSCAT或NCEP风场数据驱动该模型，并将QuikSCAT风场插值到不同的分辨率上。

结果

中尺度涡的集群分布和强风应力旋度区

图1描绘了在1993-2002冬季期间从高度计数据中所确定的在南海东部产生的中尺度涡的初始位置。用于识别涡旋的初始位置的方法已由Wang等人（2003年）描述。反气旋涡主要分布在两个区域，即台湾西南和马尼拉湾以西。气旋涡旋也主要聚集在两个区域，即吕宋岛西北部和马尼拉湾西南部。很明显，这四个区域沿着南海的东边界从北到南交替排列。

图2a显示了冬季平均的QuikSCAT风向量和风应力旋度场。一条东北–东南向的零旋度等值线大致从台湾海峡延伸到越南中部的近海区域，将南海地区分为风应力旋度为正的东南地区和风应力旋度为负的西北地区。沿着南海的东边界，在深度超过200米的水域上有两个小区域，具有强烈的负风应力旋度。每个区域南部对应一个强的正风应力旋度的小区域。比较图1和2a，我们看到反气旋和气旋涡旋的分布分别对应于负的和正的风应力旋度。这种良好的相关性表明，在冬季风期间，风场可能在南海东部这些涡旋的产生中起重要作用。

在图2a中，高度超过500米的岛屿山脉以黑色阴影显示。显然，这些高山阻挡和改变了东北季风。狭窄且强烈的风吹过山脉的缝隙，形成地峡风射流。吹过模型区域的这些射流中的两条在图2a中标记为粗蓝色实线。与这些地峡风脉相关联的是风应力旋度的偶极子（射流北部负的旋度，南部为正的旋度），它们共同在南海的东边界形成一系列具有交替符号的中尺度风应力旋度区域。

冬季南海东部中尺度涡的成因

图3b显示了由QuikSCAT风驱动的模型得到的冬季平均温跃层深度异常。很明显，南海东部的冬季平均环流由一系列交替的反气旋和气旋式环流或涡旋组成。气旋涡产生于吕宋岛以西和马尼拉湾以南，反气旋涡产生于台湾西南部和马尼拉湾以北。尽管它们的形状和大小不同，这种交替的涡旋也能从高度计测量的平均SSHA场中看到（图3a）。毫不奇怪，这些（平均）涡旋与南海东部观测到的平均风应力旋度之间存在强烈的对应关系（图2a）。因此，冬季南海东部的涡旋很可能是由于通过岛链间隙的地峡风射流引起的风应力旋度所致。在离岸风射流轴线两侧的气旋和反气旋涡的产生可归因于Ekman抽吸（McCreary等1989;Willett等2006）。事实上，越南中部的夏季涡旋也受到地形风射流的作用（Xie等,2003;Wang等,2006）。其他地方也观察到类似的地形诱导的温跃层深度和流场的特征（Xie等,2001）。涡旋一旦产生，就会由于beta;效应和冬季气旋式环流向西的平流输运而向西传播，正如冬季平均的观测结果和数值结果中的细长涡旋特征所示。

图2.1999年8月-2002年7月冬季平均的（a）QuikSCAT和（b）NCEP风矢量（ms-1）及风应力旋度场（Nm-2，颜色部分）。（a）中海拔高度超过500m的地形用黑色表示，南海东边界水深大于200米处的窄的风射流用两个粗实线表示。

上述结果表明，局部风应力旋度可能是南海东部中尺度涡旋的主要驱动力。然而，大多数这些涡旋在以前的南海模型中没有得到很好的再现。可能的解释是，用于这些模型的风强迫的分辨率不足以进行真实模拟（Metzger,2003）。图2b显示了NCEP风的冬季平均风向量和风应力旋度。与图2a中所示的QuikSCAT风场相比，中尺度特征在低分辨率的NCEP风产品中被抹去。南海东部不再存在交替分布的风应力旋度（图2b），也没有地峡风射流的存在。实际上，由NCEP风驱动的模式得到的冬季平均的环流（图3c）不再具有如图3b所示的那种中尺度涡旋模态。为了进一步评估风强迫的分辨率对涡旋产生的影响，我们使用了如第2节所述的16个不同的时间和空间分辨率的风场进行了另一组模型实验。涡旋的产生对于风场的空间分辨率比对其时间分辨率更加敏感。特别是，当空间分辨率大于2°时，即使是使用最高时间分辨率的风场，马尼拉湾南部的气旋涡也模拟不出来。在下文中，我们对模拟结果的所有讨论将仅限于由QuikSCAT最高空间和时间分辨率的风场所驱动的模式。

尽管模式模拟的结果与观测结果大体上相同，两者仍存在明显不同（图3a和3b），特别是在模式模拟区域的北部边界附近。此外，与观察到的结果相比，模式产生的涡旋及其细长轨迹会稍微向南偏移。造成这种不一致的一个可能原因是在参照试验中关闭了吕宋海峡，它阻止了黑潮进入南海。为了研究黑潮的潜在影响，我们打开了吕宋海峡，并在18°N，122°-124.5°E的纬向剖面上指定了黑潮输入。开边界条件与Hurlburt和Thompson（1980）设置相同。该实验的结果（图3d）没有显示出太大的改善，除了在北边界附近，在没有黑潮（图3b）情况下的过强的变化大大减少。毫无疑问，我们的简单模型无法很好地模拟黑潮通过吕宋海峡入侵的动力学。我们将200米等深线定义为固体边界也使我们难以模拟边界附近的真实的环流。

图3.(a)高程观测海面高度异常(cm)，模型温跃层深度异常(m)受(b)QuikSCAT风，(c)NCEP风，(d)QuikSCAT风和黑潮驱动。这些都是1999年8月至2002年7月冬季的平均值。

模拟的冬季平均温跃层深度异常（图3b）是1999年8月1日至2002年7月31日三个冬季的平均值。我们的数值模型大体上成功地模拟了单个涡旋的起源、传播和消散。表1说明了风力驱动机制可以在多大程度上解释在南海东部中观察到的单个涡旋的产生。在这期间的冬季高度计数据中观察到的13个涡旋中，有9个通过我们简单的数值模型得到了再现。这9个模拟涡旋的初始位置相对于观测偏南。这可能部分是由于在我们的模型中将200米的等深线设置为固体边界。我们的模型未重现的其余4个涡旋可能是由其他机制产生的，例如正压或斜压不稳定。总的来说，对于南海东部的冬季涡旋成因，我们提出的风驱动机制似乎十分有效。

表1。没有黑潮的模型模拟结果(MOD)[一些没有模拟(NS)]与高度计观测(OBS)得到的涡旋特征的比较。这些涡旋是根据它们最初观察到的位置的纬度排列

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