中尺度渦

中尺度渦，是海洋中的一種渦流，各大洋中到處都有這種渦流的存在，完全沒有這種渦流的海域倒是很難找到的。它們與海洋中大而穩定的環流相比，是個局部，並不顯眼；但是，它與人們用肉眼看得見的近海水旋渦相比，就顯得非常之大了。所以，人們稱這種渦流為“中尺度渦”。大洋中尺度渦的發現使人類對大洋環流認識的一個突破性進展，它改變了人們對海流的傳統看法。它的旋轉速度一般都很大，並且一面旋轉，一面向前移動。它的移動方式很像颱風，而且有很大的動能。有人估計，這些中尺度渦的動能，占據了整個海洋里大、中海流動能的90%以上。

基本介紹

• 中文名：中尺度渦
• 外文名：mesoscale eddy
• 性質：海洋渦流
• 學科：海洋科學

發現歷程

20世紀60年代以前，由於缺乏精密的海洋觀測手段，人們只是通過一些物理現象的觀測，發現了大洋中的表層環流，並建立起風生海流的理論。然而，根據這種理論，還不能繪製出更為準確的大洋海流圖，對於具體海流的動力及能量交換關係，難以作出令人信服的評價。於是，人們開始藉助新的探測手段，去深入研究認識大洋環流。特別是利用人造地球衛星來觀測海洋，使人們獲得了許多過去無法了解的資料，從而不斷改變以往對海流的認識。尤其是大洋“中尺度渦”的發現，曾一度使海洋學家們瞠目結舌，傳統的風生海流理論因此遭到了巨大的挑戰。

1958年，英國海洋學家斯羅畢為了研究海流，設計了一套用聲學追蹤在大洋中一定水層自由漂浮的“中性浮子”系統，對灣流區域的底層流進行測量。按照人們通常的看法，灣流區域內的海流是一支穩定、寬廣的緩慢海流，海流速度在每秒1厘米左右。可是，用這套系統測得的結果使他大吃一驚：那裡的海流比他所預想的要大10多倍，而且在短短的10多千米距離之內，海流的流向竟出現完全的相反方向；同時，在1個月左右的時間裡。那裡的海流還顯示出相當大的時間變化。他的這個發現震驚了海洋學界。為了進一步對這種意外的發現作更詳細、更廣泛的研究，1979年，前蘇聯的海洋科學家在大西洋的一個渦流海域進行調查，經過半年的觀測，所獲得的海流資料也使研究人員大惑不解。原來以為，在這一海域海流的平均流速不會很高，只有每秒幾毫米；然而，實測的海流流速高達每秒10多厘米，而且是渦流狀的海流，其直徑為100千米，存在的時間有好幾個月。後來，美國科學家在海洋調查中觀測到了同樣的結果。科學家們用傳統的風生海流理論是無法解釋這種現象的。那么，這究竟是為什麼呢？

1973年，美國耗資數10億美元發射了“天空實驗室”。這個太空飛行器對人類認識海洋作出了重大貢獻。衛星首先拍攝到了大西洋西部熱帶海域水流中的大渦流。這個大渦流縱橫60～80千米。同時，這個渦旋的海水運動方式也很有特點，冷的海水從100多米深處向上涌升，將海底許多營養物質帶到海面，於是，在這個大渦流的海域中形成一個很好的漁場。“天空實驗室”在其他海域也發現了類似的渦旋。例如，在南美洲的西海岸、澳大利亞東部和紐西蘭一帶、非洲東岸和太平洋中部的夏威夷群島等地附近海域，以及在印度洋西北地區、南中國海海域，都能見到這種渦流。人們將拍攝到的各大洋渦流資料帶回地面，交給海洋學家們進行分析研究。

人們得出這樣的結論：在世界各大洋中，到處都有這種渦流的存在，完全沒有這種渦流的海域倒是很難找到的。同時，人們還發現，這些渦流的厚薄、大小不一，旋轉的方向，有左有右，渦流中心區的海水溫度，有冷有熱。總之，大洋中的渦流形形色色，各式各樣。這許許多多的渦流，直徑從幾十千米到數百千米，存在的時間，短的幾十天，長的在半年以上。它們與海洋中大而穩定的環流相比，是個局部，並不顯眼；但是，它與人們用肉眼看得見的近海水旋渦相比，就顯得非常之大了。所以，人們稱這種渦流為“中尺度渦”。大洋中尺度渦的發現是近幾十年對大洋環流認識的一個突破性進展，它改變了人們對海流的傳統看法。

發生原因

儘管中尺度渦這種海洋自然現象的發生、發展、消失等問題使眾多的海洋科學家們感到困惑不解，但是，大洋中表層海流彎彎曲曲的運動方式，似乎都與此有著密切的關係。如果海流的彎曲度過大，也許會與母體海流脫離，形成一個獨立的渦流，就像颱風那樣，一面旋轉，一面向前運動。例如，1974年2月，一個灣流主軸在哈特拉斯角近海處形成了7個渦流，其中有4個暖渦流在主軸北面陸坡海域，3個冷渦旋，則是逆時針方向旋轉。

發現意義

使傳統的大洋海流理論受到挑戰。人們可以提出這樣的疑問：傳統的埃克曼的漂流學說還能繼續成立嗎？過去的大洋海流圖向人們顯示，大洋中的環流是由幾條大海流組成的。在環流中部，則是平均流速僅有每秒1厘米左右甚至更小的弱流區。而大量“中尺度渦”的發現，使人們認識到，大洋里決不只是幾個簡單的環流，弱流區也不是想像的那樣平靜。這就是說，大洋環流的結構可能更複雜。而且，人們還發現，充斥于海洋中的這許許多多的渦流，與大洋環流之間有著強烈的相互作用，因此不能忽視渦對環流的影響。假如這些渦流也像大氣中那樣由斜壓不穩定因素引起，則大洋環流有可能由中尺度渦所維持。這就是從根本上修正了風生環流的觀點。

南海中尺度渦

南海多渦結構的觀測進展

隨著近20年以來研究的深入，尤其是水文資料以及遙感資料的不斷增多，南海中尺度渦得到越來越多的認識，海洋學家意識到:受地形、季風以及黑潮等影響，南海呈複雜的多渦結構。

1、水文觀測

王胄等利用1974年4月13～19日的溫鹽資料，描述了中心位於台灣島西南側119°E、21°N處，水平尺度大約為200km的一個反氣旋渦，他們認為該反氣旋渦與黑潮的入侵相關。1994年8～9月南海東北部水文調查發現一個中心位於21°N、117。5°E，直徑約150km，垂直尺度達1000m的反氣旋渦，並發現這個反氣旋渦的T-S特性與太平洋水有相似之處，也可能來源於黑潮。

在呂宋島西北部，許建平等發現有一個氣旋式冷渦。Shaw等指出該區還有明顯的上升流。楊海軍等通過Levitus資料分析指出這個冷渦主要發生在冬春季節，王桂華等利用多個航次資料證實呂宋冷渦確實是常年存在的。夏季，除了1998年觀測一次表層暖池事件外，至今未見有水文資料報導這裡出現過暖渦。

徐錫幀等利用歷史數據繪出了南海夏季環流圖，顯示在越南以東強流南側似乎有一暖渦出現。他們還發現在南海西部越南沿岸有一支很強的上升流，並指出表層冷水還有向東彌散的趨勢。Kuo等發現的冷性急流可能與此相關。楊海軍通過分析Levitus數據，發現在南海西部越南沿岸有一中心位於13。5°N、111°E，100m層中心水溫低於17℃的冷渦，並稱之為越南冷渦。Xie等利用多種遙感資料揭示了越南以東冷水的特徵，並指出，其南面的反氣旋渦與該冷水緊密相關。方文東等根據多年現場調查資料，發現在越南以東確有一個很強的鋒面，而且鋒面的南側有一暖渦，取名為越南暖渦。蘇紀蘭等利用1998年4～7月2個航次的調查資料也同樣發現暖渦的存在，並指出其影響深度可達500m以深。還有一些資料也證實了越南外海確實存在中尺度渦。

除此之外，南海綜合調查報告根據多個航次的溫鹽結構及水團分析，反映東沙西南海域常出現一個低溫高鹽中心。管秉賢綜述了1959年以來海南島以東外海發現的多個暖渦，並發現它們的位置經常發生變化;而在呂宋西南側，觀測資料比較少。Fang等討論了冬季南海南部的中尺度渦情況，指出在冬季曾母暗沙島附近有一支強逆風海流，強流的東側是一反氣旋渦，而西側則是一氣旋渦。

總之，水文資料顯示南海中尺度渦確實比較活躍，其多渦結構特點也得到大面積水文資料的支持。然而由於資料的時空不連續性，水文調查資料不足以研究南海中尺度渦的生消過程。

2、高度計觀測

高度計在研究中尺度渦方面具有多方面的優越性:一是有較好的空間覆蓋率；二是有較好的準同步性和時間連續性；三是反映的信息不僅僅是表層的信息。因此，高度計資料越來越受到海洋學家的青睞。

高度計資料也反映了南海多渦結構的特點。Hwang等利用7年的T/P月平均資料統計了南海在這7年所發生的中尺度渦，指出這7年南海大約有218個渦，其中94個冷渦，124個暖渦。Shaw等利用3年的T/P資料還提出越南外海反氣旋渦與氣旋渦南北配置的“偶極子”概念。Wu等把高度計資料同化到模式後，認為越南以東確實存在“偶極子”現象，他們還指出在1994—1995年的厄爾尼諾期間，這個偶極子現象減弱或消失。除此之外，高度計資料還提供了豐富的時空特徵，常用來研究中尺度渦的生消過程。Hu等分析了巴士海峽30～180天海表高度的變化，指出太平洋可能有一些中尺度信號傳入南海。Wang等通過分析5年的T/P沿軌資料，發現南海中尺度變數活躍在2條主要帶:一條是沿著2000m等深線的西邊界帶，另一條是沿著巴士海峽南面到越南以東11°N附近的西北—東南走向帶。李燕初等利用TOPEX/Poseidon資料分析了3個反氣旋渦沿南海北部陸坡發展及消亡的過程。Wang等通過1993-2000年的高度計資料指出南海中尺度渦的發生具有明顯的區域性和季節性，還進一步研究了這些中尺度渦的運動規律及其它生命歷程的統計特徵，南海中尺度渦的生消過程得到較為全面的認識。

在用高度計研究中尺度渦的工作中，有的利用高度異常加氣候性平均場來研究中尺度渦，如Hwang等，大多數學者直接利用高度異常來研究中尺度渦。後者雖然沒有考慮氣候性平均場的影響，但中尺度渦具有流強強度變化以及整體移動等特點，因此，除在氣候性平均強流區外，直接利用高度異常仍可以識別中尺度渦的強弱與移動。

南海中尺度渦產生機理

季風和黑潮是南海環流2個最主要的驅動力，研究表明，它們對南海大尺度環流和中尺度現象都起著十分重要的作用。

黑潮與南海中尺度渦有關黑潮與中尺度渦的關係有如下主要研究：

①Wang等通過分析多年平均的XBT資料，發現巴士海峽兩岸的黑潮是不穩定的，並推測這種不穩定可能導致南海中尺度渦的產生。

②許多數值模式結果認為，黑潮在巴士海峽也能形成如墨西哥灣似的“流套”並脫離出中尺度渦。但Metzger等指出，模式空間解析度的大小會影響流套的生成。李立等在航次調查中發現東沙島附近有一個反氣旋渦，並推測該渦可能是生成於類似過程，但與墨西哥灣情況不同，該渦水團特性與黑潮水團性質本身並不相同，僅與黑潮鋒面水團性質相似，而且僅存在於中尺度渦的中心。

③正壓、約化模式以及二層模式皆顯示，黑潮西側的正渦度平流輸入可以在南海激發周期性的氣旋渦。

④Metzger等的數值模式認為黑潮與巴布延島作用可以產生反氣旋渦，該反氣旋渦能夠向西移動。迄今為止還很少有資料對這些觀點進行驗證;黑潮如何影響南海目前還是一個很有爭議的課題。

風場與南海中尺度渦風場與南海中尺度渦的關係有如下研究：

①Chu等認為風應力旋度可以激發中尺度渦，Qu比較了風場與水文觀測資料的關係，明確指出呂宋西北角以及越南冷渦與風應力旋度緊密相關。Yang等指出呂宋的冷渦實際上是一強迫的Rossby波。事實上，海洋通過大尺度風應力的Ek-man抽吸作用獲得位能，在一定條件下所獲取的位能可以轉換成中尺度渦的動能。

②Shaw等通過對風場與高度計的經驗正交分解分析指出，風應力旋度零線與越南以東的偶極子緊密相關。

③季風與複雜的地形相互作用也可能產生中尺度渦。蔡樹群等認為，在冬季受β效應和北康暗沙以南的陸架底形效應作用而導致南沙海槽處形成一個反氣旋渦，該渦發展壯大並向西移動，最終耗散在西邊界。曾慶存等認為南海渦旋的形成和維持是風、地形、岸線以及慣性效應等共同作用的結果。

④Wang等討論了不同季風條件下中尺度渦的統計特徵，指出了“風與陸地地形相互作用”所形成的風應力旋度可能是南海中尺度渦的重要形成機制之一。這些工作多是基於數值模式，但有研究表明不同處理方式得到的風場對南海環流以及中尺度渦的驅動有明顯不同的作用。Metzger等還指出，如果用每6小時1次的風場去驅動南海環流，與月平均風場相比，黑潮更容易入侵南海且中尺度渦也更容易從黑潮脫離出來。以上分析表明，水文資料、遙感資料及數值模式結果都支持南海有相當一部分的中尺度渦與風場相關。而且風場能與其它要素一起共同作用激發出中尺度渦。然而，這些研究對風驅中尺度渦的形成動力學過程本身尚未深入開展。