印度洋中尺度涡遥感调查和验证

崔 伟，周超杰，李 永，杨俊钢，3，*

（1.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.浙江大学 海南研究院，海南 三亚 572000；3.自然资源部海上丝路海洋资源环境组网观测技术创新中心，山东 青岛 266580；4.中国石油大学（华东） 海洋空间与信息学院，山东 青岛 266580）

海洋和大气一样是一个基本的湍流系统。我们对海表面变化观察可以发现，最明显的是在海洋各处充满了各种中尺度的涡旋（eddies）和蜿蜒的曲流（menders）。这种环流实际是由中尺度海洋现象变化所主导的，主要包括海洋涡旋、孤立的偶极子、曲流以及锋面、射流等[1-3]。中尺度涡是以长期封闭环流（涡旋）为特征的大尺度稳定环流的一种扰动，时间尺度从数天到数百天，空间尺度从几十千米到几百千米[1，4]。海洋中尺度涡根据其流场旋转方向的不同，可以分为反气旋涡（anticyclonic eddy）和气旋涡（cyclonic eddy）。在北半球，逆时针旋转的气旋涡在科式力的作用下，海表面处的水体向外辐散，海表面高度为负异常，并在涡旋中心形成垂直而上的水体运动，使得其内部水体降温；对于顺时针旋转的反气旋涡则相反，海表面高度为正异常，内部水体增温。

所以，气旋涡也往往称之为冷涡，反气旋涡被称之为暖涡。对南半球中尺度涡而言，反气旋涡逆时针旋转，气旋涡顺时针旋转，其他特征均与北半球一致。

自1992年Topex/Poseidon 卫星发射以来，卫星高度计已经提供了时间序列超过30年、全球覆盖、高精度的海面高度场和海洋环流数据。在现代海洋研究中，高度计常与其他卫星任务、现场测量以及数值模式联合，为海洋现象观测做出了重大贡献[5-8]。根据海面高度场的变化特征，涡旋中心海面高度表现为正异常则为反气旋涡，负异常则为气旋涡。多源海面高度融合产品可以有效提高对海洋中尺度现象的观测，基于多源高度计数据融合的海面高度产品研究显示中尺度涡在全球海洋中盛行[9-11]。

印度洋在北半球没有中高纬度的大洋，北印度洋最北端仅延伸到北纬25°。北印度洋在西部和东部有两大海湾，分别是阿拉伯海和孟加拉湾。印度洋最南端通过南极绕极流与大西洋和太平洋相通。印度洋环流主要有南印度洋的亚热带环流以及热带和北印度洋的季风环流所控制。南印度洋的阿古拉斯流（Agulhas Current）及其回流区（Agulhas Return Current）具有全球最大的涡动能，并且其涡旋强度也最强，垂向影响深度可以超过1 km[12-13]。胡冬等（2017）[14]利用卫星高度计和ARGO 浮标资料研究了南印度洋区域的中尺度涡的分布、表层特征以及三维温盐结构，结果发现南印度洋南纬18°～30°是中尺度涡高发地带，这些地方的涡旋多由澳大利亚西岸海域产生，向西运动可以横跨整个南印度洋到达非洲海岸。

PALASTANGA 等（2006）利用高度计资料对马达加斯加周边的中尺度涡进行了研究，发现该区域的涡旋低频活动与印度洋大尺度的年际变化相关。WEI 和WANG（2023）[15]利用卫星高度计数据，结合中尺度涡旋轨迹图集产品（META）和全球海洋中尺度涡旋大气-海洋-生物相互作用观测数据集（GOMEAD），分析了印度洋和大西洋交汇处的阿古拉斯流区域中尺度涡旋特征，结果发现阿古拉斯环流区域具有丰富的中尺度涡活动，其引起的局地海表高度变化超过1 m 以上，并且会导致明显的温度和盐度异常。VARNA 等（2023）[16]利用长达26年的高度计数据和数值模拟，研究了阿拉伯海中尺度涡的特征和动力学，研究发现阿拉伯海北部和南部是中尺度涡的高发区。

虽然一些研究学者在印度洋开展了不少中尺度涡调查研究，但是缺少针对整个印度洋区域长时间序列的中尺度涡统计分析以及区域对比分析，而且缺乏对中尺度涡遥感调查结果的验证。因此，为详细掌握整个印度洋海洋中尺度涡运动特征，增强人们对印度洋中尺度过程的认识，本研究采用1993-2020年长达28年的卫星高度计海面高度融合数据，开展印度洋中尺度涡遥感调查，从长时序的海面高度数据中识别并对中尺度涡进行移动轨迹追踪，统计分析中尺度涡属性特征，对比分析中尺度涡区域变化，最后对印度洋中尺度涡遥感调查结果进行验证。

海面高度异常（Sea Level Anomaly，SLA）是海面高度相对于平均海平面的偏差，其表示海洋动力过程相对于大尺度定常环流的扰动，其可以用于海洋中尺度涡识别。卫星高度计海面高度融合数据（SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP_OBSERVATION_008_47）由法国国家空间研究院卫星海洋学存档数据中心（AVISO）制作，并通过欧洲哥白尼海洋环境监测服务中心（CMEMS）对外分发。该数据是研究大洋环流、中尺度涡旋和海气相互作用以及海洋数值业务预报最常用、使用最广泛的卫星测高资料。海面高度融合数据主要由TOPEX/Poseidon、ERS-1/2、Envisat、Geosat Follow On、Jason-1/2/3、Cryosat-2、SARAL/AltiKa、Sentinel-3A 和HY-2A 等多颗高度计卫星资料通过最优插值方法融合而成，空间分辨率为0.25°，时间分辨率为1 d。本研究所用数据时间范围从1993年1月1日-2020年12月31日，时间序列长达28年。

根据融合得到的海面高度异常网格化数据，采用海面高度异常等值线方法[10，17]来对中尺度涡进行自动识别，确定中尺度涡的位置、尺度和类型。具体而言，海面高度异常等值线方法首先在一个1°×1°经纬度移动窗口内通过寻找内部海面高度异常最小（最大）值来判断可能的气旋涡（反气旋涡）中心；之后，对于每一个可能的气旋涡（反气旋涡）中心，从其内部以1 cm 的增幅（减幅）向外寻找海面高度异常的闭合等值线；最外那条包含着涡旋中心的闭合等值线即为涡旋的边界[10]。针对空间分辨率为0.25°的海面高度融合数据，海洋中尺度涡的具体识别条件如下：

1）海面高度异常等值线闭合；

2）涡旋内的网格点数量最少不小于8 个，最多不超过1 000 个；

3）涡旋内仅有1 个局地海面高度异常最大（小）值；

4）涡的中心与最外层闭合等值线的海面高度异常差不小于3 cm；

5）涡旋的中心位置水深大于200 m。

中尺度涡类型判别条件：海面高度异常等值线高中心的为反气旋涡（暖涡），低中心的为气旋涡（冷涡）。中尺度涡空间尺度通常通过涡旋半径来描述。涡旋半径R为中尺度涡等面积圆的半径。中尺度涡振幅用涡旋中心海面高度异常和边界海面高度异常的差值来表示。

在大洋中，海洋涡旋一旦形成，这种稳定的中尺度结构便可以维持相当长的时间，因此，中尺度涡识别出来之后，可以在时间上连续的海面高度场中对其进行追踪。这里采用中尺度涡属性最相似方法对印度洋中尺度涡移动轨迹进行追踪。该方法将一定空间范围内的相邻时间涡旋属性最相近的2个中尺度涡认为是同一个涡旋[10]。涡旋生命周期被定义为涡旋从出现到消亡时所维持的时间长度。涡旋移动距离被定义为涡旋出现位置与消亡位置的空间距离。在涡旋轨迹追踪过程中，为保证获取的中尺度涡结构的一致性以及避免短暂小尺度海洋湍流信号的干扰，往往生命周期小于30 d 的涡旋轨迹被忽略[18]。

基于1993-2020年印度洋生命周期超过30 d的中尺度涡追踪结果，对印度洋中尺度涡属性特征进行统计分析。为统计印度洋中尺度涡数量空间分布，这里将印度洋区域划分成经纬度1°×1°的网格矩阵，分别统计每个1°×1°网格内的中尺度涡数量，结果如图1所示。可以看出，除低纬度赤道区域外，印度洋各区域均有中尺度涡分布。不过，中尺度涡数量空间分布结果显示印度洋中尺度涡在一些区域比较集中，比如南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡、阿拉伯海以及孟加拉湾的西部海域。特别是在非洲南岸的阿古拉斯洋流及其回流区，经常伴随着流的变异脱落出一系列的高振幅和高动能的中尺度涡。另外，在莫桑比克海峡，由于地形和流的相互作用，经常会有较多中尺度涡出现。在东南印度洋，澳大利亚西部海域经常会产生一些长生命周期的中尺度涡，这些涡旋会一直持续向西移动，跨越整个南印度洋，到达非洲东岸。在北印度洋的红海、西阿拉伯海以及孟加拉湾区域，伴随着季节性的环流和地形作用，中尺度涡分布也较多。

图1 印度洋中尺度涡数量空间分布Fig.1 Spatial distribution of mesoscale eddy number in the Indian Ocean

另外调查显示，在北印度洋低纬区域（阿拉伯海和孟加拉湾外海区域）、南印度洋中低纬度区域（南纬25°以北）、南纬35°～45°纬度带以及澳大利亚西部海域，中尺度涡极性倾向于气旋涡；而在阿拉伯海和孟加拉湾中部海域、南印度洋中纬度南纬25°～35°区域、以及南极绕极流南纬45°以南区域，中尺度涡极性倾向于反气旋涡。印度洋中尺度涡在非洲南岸阿古拉斯洋流及其回流区具有非常高的振幅，其值可以超过50 cm；另外在阿拉伯海和孟加拉湾的西部海域、澳大利亚西部海域以及南极绕极流区域，中尺度涡振幅也较高，其振幅一般在10～30 cm；一般在大洋中部涡旋振幅较低。同样，在涡旋振幅较高的区域，中尺度涡旋转速度和涡动能也较高。印度洋中尺度涡半径空间分布显示，在低纬度区域中尺度涡半径较大，在低纬度区域中尺度涡半径较小，这与Rossby 波变形半径的经向变化基本一致。

为研究印度洋中尺度涡属性统计特征，这里对1993-2020年生命周期超过30 d 的中尺度涡属性特征进行统计分析，分别绘制了印度洋中尺度涡振幅和半径频次分布图，结果如图2所示。整体而言，印度洋中尺度涡振幅基本集中在20 cm 以下的低值区间，说明这里的中尺度涡仍然是以低振幅的中尺度涡为主。不过一些中尺度涡在高振幅区间仍有分布，这些高振幅的中尺度涡主要集中在南印度洋的阿古拉斯洋流及其回流区。

图2 印度洋中尺度涡振幅（a，b）和半径（c，d）频次分布Fig.2 Frequency distribution of mesoscale eddy amplitude（a，b）and radius（c，d）in the Indian Ocean

具体而言，北印度洋中尺度涡更加集中在10 cm 以下的低振幅区间，气旋涡和反气旋涡平均振幅分别为6.5 cm 和6.3 cm；相比而言，南印度洋有更多大振幅中尺度涡的分布，气旋涡和反气旋涡的平均振幅分别为9.1 cm 和7.9 cm。南印度洋中尺度涡平均振幅明显大于北印度洋，并且南印度洋气旋涡和反气旋涡平均振幅相差更大。北印度洋中尺度涡半径基本集中分布在30～150 km 之间，南印度洋中尺度涡半径集中在30～100 km 之间，更加倾向于更小的空间尺度。北印度洋气旋涡和反气旋涡平均半径分别为94 km 和98 km，而南印度洋气旋涡和反气旋涡平均半径分别为65 km 和66 km。北印度洋中尺度涡平均半径明显大于南印度洋中尺度涡，这主要是由于北印度洋仅存在低纬度的阿拉伯海和孟加拉湾，中尺度涡在低纬度区域空间尺度更大。

基于每天的中尺度涡识别结果，在印度洋对中尺度涡的移动轨迹进行了追踪。图3 给出了印度洋1993-2020年生命周期超过360 d 的中尺度涡移动轨迹。可以看出，虽然中尺度涡在印度洋中广泛存在，不过长生命周期的中尺度涡更加集中分布在南印度洋（南纬20°以南），在北印度洋分布较少。北印度洋少量长生命周期的中尺度涡主要出现在阿拉伯海和孟加拉湾的西部沿岸。这主要是由于北印度洋仅有阿拉伯海和孟加拉湾2 个有限的近海海域，而且它们被印度半岛分开，北印度洋中尺度涡生命周期以及移动距离均要明显小于南印度洋中尺度涡。南印度洋长生命周期气旋涡和反气旋涡均有分布，尤其是中纬度南印度洋（南纬20°～40°），中尺度涡多出现在澳大利亚西部的东南印度洋，然后横跨整个南印度洋向西运动，最终消失在非洲东部海岸，其整个生命周期在1年以上。一般而言，生命周期越长的中尺度涡移动距离越远。南印度洋生命周期短的中尺度涡往往集中在低纬度区域和阿古拉斯环流及其回流区。

图3 生命周期≥360 d 的中尺度涡移动轨迹，蓝线表示气旋涡，红线表示反气旋涡Fig.3 Mesoscale eddy trajectories with lifetime ≥ 360 days.Blue lines indicate cyclonic eddies，and red lines indicate anticyclonic eddies

就中尺度涡移动方向而言，印度洋大部分区域的中尺度涡均西向移动，仅在南印度洋的阿古拉斯流回流区、南大洋东向的南极绕极流区域、北印度洋的孟加拉湾以及阿拉伯海西部的近岸海域，中尺度涡东向移动。这些东向移动的涡旋基本伴随着东向的海流向东移动。而且由于南印度洋东向南极绕极流的存在，南印度洋东向移动中尺度涡数量和比例明显高于北印度洋。在北印度洋，中尺度涡轨迹均呈现出向赤道（南）的移动倾向。南印度洋气旋涡轨迹呈现出向极地（南）的移动倾向，反气旋涡呈现出向赤道（北）的移动倾向，尤其是对长生命周期涡旋而言。向极地移动的气旋涡以及向赤道移动的反气旋涡主要分布在澳大利亚西部和南部海域。

海洋中尺度涡不仅仅体现在海洋表层，其可以穿透温跃层或盐跃层抵达海洋深处，引起内部水团温盐特征变化[9，18]。ARGO 浮标广泛分布在全球大洋中，其可以获取海洋上层2 000 m 深度的垂向温盐剖面。因此通过ARGO 获取的海洋垂向温盐数据与遥感获取的中尺度涡调查结果进行时空匹配，可以对遥感识别的中尺度涡表层特征与ARGO 提供的海洋垂向温盐特征进行相关性分析，继而对遥感获取的中尺度涡调查结果进行验证。

具体而言，我们选择相同时间（同一天）的中尺度涡结果与ARGO 剖面数据进行空间匹配，选择位于中尺度涡边界内的ARGO 温度剖面数据进行计算中尺度涡水下温度特征。这里为了表示中尺度涡引起的水下温度变化，ARGO 垂向温度剖面数据中移除了对应季节的气候态季节温度场，得到ARGO 温度异常数据因为中尺度涡引起的垂向温度变化主要集中在温跃层，这里我们采用水下100～500 m 深度处的平均温度变化作为中尺度涡水下温度特征。结果显示，印度洋共匹配到6 525个位于中尺度涡内的ARGO 剖面数据，中尺度涡表层海面高度异常SLA 信号与水下温度异常信号相关性分析如图4所示。可以看出遥感获取的中尺度涡表层SLA 信号与ARGO 获取的水下温度异常信号具有很好的一致性。气旋涡一般在海表面呈现SLA 负值，其在水下温跃层一般也具有负的温度异常信号。反气旋涡在海表面呈现SLA 正值，其在水下温跃层一般也具有正的温度异常信号。总体而言，遥感获取的中尺度涡表层SLA 信号和ARGO获取的水下温度异常信号相关性约为0.77。

图4 印度洋中尺度涡海面高度异常SLA 信号和ARGO 浮标垂向平均温度异常信号的相关性分析Fig.4 Correlation analysis of SLA signal and ARGO vertical-averaged temperature anomaly signal in mesoscale eddies in the Indian Ocean

同时，多源海洋三维再处理ARMOR3D 数据提供了海洋三维温盐数据。通过遥感获取的中尺度涡识别结果与ARMOR3D 再处理数据进行匹配分析，同样可以得到中尺度涡内的水下温度变化特征。图5 给出了中尺度涡表层SLA信号与ARMOR3D再处理数据的水下温度异常信号相关性分析。同样可以看出，遥感获取的中尺度涡表层SLA信号与ARMOR3D再处理数据的水下温度异常信号具有很好的一致性，二者相关系数高达0.87，遥感获取的中尺度涡结果的表层特征与ARGO 浮标和ARMOR3 的再处理数据提供的垂向温度信号特征均呈现非常好的一致性，中尺度涡表层特征和水下温度异常信号的高相关性基本验证了遥感获取的中尺度涡的准确性。

图5 印度洋中尺度涡海面高度异常SLA 信号和ARMOR3D 再处理数据的垂向平均温度异常信号的相关性分析Fig.5 Correlation analysis of SLA signal and ARMOR3D vertical-averaged temperature anomaly signal in mesoscale eddies in the Indian Ocean

为掌握印度洋海洋中尺度涡运动特征，增强人们对印度洋海洋中尺度过程的认识，本研究基于1993-2020年时间序列长达28年的卫星高度计海面高度融合数据，开展了印度洋中尺度涡遥感调查和属性特征分析。结果显示，印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡、阿拉伯海以及孟加拉湾的西部海域。北印度洋由于空间区域所限，其中尺度涡生命周期和移动距离均较小；而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡，部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。最后，基于ARGO 现场观测数据以及多源海洋三维再处理ARMOR3D 数据，开展了其与中尺度涡遥感调查结果的时空匹配，对中尺度涡遥感调查结果进行了验证，证明了遥感获取的中尺度涡的可信度。

数字海洋与水下攻防2024年1期