[科普中國]-暖渦

簡介

暖渦的水平尺度一般為300—500km，厚度只有l(wèi)—3km，多出現(xiàn)于近地面的空中。1其強(qiáng)度隨著高度的增加而減弱。在850hPa 或 700hPa上較清楚。它的形成大多數(shù)是由于地形或熱力作用。沒有或只有較弱的降水，參見西南渦和西北渦。

背景知識中尺度渦旋（又稱天氣式海洋渦旋），是指海洋中直徑有100-300千米。壽命為2-10個(gè)月的渦旋。相比于常見的用肉眼可見的渦旋，中尺度渦旋直徑更大、壽命更長；但相比一年四季都存在的海洋大環(huán)流有小很多，故稱其為中尺度渦旋。它通常分為兩種：氣旋式渦旋（在北半球?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)），反氣旋式渦旋（在北半球?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)）。中尺度渦旋很像大氣中的氣旋和反氣旋，故又稱天氣式海洋渦旋。

通常分為兩種：氣旋式渦旋（在北半球?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)），其中心海水自下而上運(yùn)動，將下層冷水帶到上層較暖的水中，使渦旋內(nèi)部的水溫比周圍海水低（一般中心海面高度比周圍低），又稱冷渦旋。另一種是反氣旋式渦旋（在北半球?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)），其中心海水自上而下運(yùn)動，攜帶上層的暖水進(jìn)入下層冷水中，渦旋內(nèi)部水溫比周圍水溫高（一般中心海面高度比周圍高），又稱暖渦旋。

中尺度渦對海表溫度(SST)的影響，氣旋（反氣旋）式的中尺度渦對應(yīng)著低（高）的海面高度（SSH），在地轉(zhuǎn)的作用下使海面海水輻散（輻聚），從而引起了下層（上層）海水的上升（下降）以作為補(bǔ)充，進(jìn)而使海面呈現(xiàn)出低（高）的SST。故而中尺度渦又有冷渦和暖渦之分，分別對應(yīng)著氣旋渦和反氣旋渦。

對熱帶氣旋的影響研究歷史熱帶氣旋（TC）與海洋中暖渦的相互作用在TC強(qiáng)度的研究中日益受到重視。

研究表明由于大西洋和墨西哥灣的颶風(fēng)Opal（1995）、Mitch（1998）和Bret（1999）遇到暖渦，使得這些颶風(fēng)快速增強(qiáng)。在1995 年9 月4 日，颶風(fēng)Opal 在墨西哥灣遇到暖渦，強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，14 h 內(nèi)Opal 強(qiáng)度從965 hPa 加強(qiáng)到916 hPa。在西太平洋，臺風(fēng)Imbudo 在2003年7月20日遇到暖渦，12 h內(nèi)中心氣壓減少了20 hPa。

模擬試驗(yàn)利用UNIX 或LINUX 操作系統(tǒng)下IPC（InterprocessCommunication）技術(shù)中的管道通信實(shí)現(xiàn)了中尺度大氣模式MM5（the fifth-generation PennsylvaniaState University-National Center for AtmosphericResearch Mesoscale Model）與三維海洋模式POM的雙向同步耦合。通過管道技術(shù)，完成進(jìn)程控制、管道建立、交換數(shù)據(jù)的功能，在兩個(gè)模式中利用Fortran 和C/C++語言混合編程對控制耦合模式的開關(guān)變量進(jìn)行了定義，通過分析開關(guān)變量來控制耦合模式的數(shù)據(jù)交換，以及完成調(diào)用公共模塊、對交換的物理量進(jìn)行水平插值等功能， 從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模式的雙向同步耦合。其中，由于POM 和MM5 采用的水平網(wǎng)格不同，模式之間傳遞的變量先進(jìn)行插值處理，插值方法采用最優(yōu)插值法。這樣，MM5 采用當(dāng)前時(shí)次POM 預(yù)報(bào)的SST 驅(qū)動，POM 由當(dāng)前時(shí)次MM5 預(yù)報(bào)的海面風(fēng)應(yīng)力、感熱通量、潛熱通量強(qiáng)迫，較為真實(shí)地反映了臺風(fēng)和海洋的狀況。

耦合試驗(yàn)中POM 模式范圍設(shè)定為0°～30°N，99°～130°E，水平分辨率為0.25°×0.25°，在垂直方向上，模式采用不均勻間隔的21 個(gè)Sigma 層，對上層海洋的分層進(jìn)行加密，外模的時(shí)間步長是60 s，內(nèi)模的時(shí)間步長是1800 s，采用真實(shí)地形。

敏感性試驗(yàn)中，TC 在海面移動時(shí)會遇到暖渦，暖渦中心位于（14.75°N，115.25°E）。

暖渦的初始化方法如下:首先構(gòu)造一個(gè)暖渦，暖渦混合層深度設(shè)為125 m，其混合層內(nèi)溫度設(shè)為31℃，暖渦大小為2°×2°，暖渦外海溫等要素均與對比試驗(yàn)相同，然后在該溫度場下POM模式以診斷模式運(yùn)行至平衡態(tài)，這個(gè)過程中流場圍繞溫度場進(jìn)行初始調(diào)整。之后POM再以預(yù)報(bào)模式運(yùn)行10天進(jìn)行動力調(diào)整，該過程中SST 保持不變。

影響通過建立中尺度海氣耦合模式進(jìn)行一個(gè)敏感性試驗(yàn)，敏感性試驗(yàn)中TC在海面移動時(shí)遇到暖渦。試驗(yàn)結(jié)果表明暖渦的存在使得TC增強(qiáng)，中心氣壓減少了15 hPa，暖渦的存在并沒有使得TC更快速增強(qiáng)，但抑制了TC的衰減，使得TC增強(qiáng)的時(shí)間延長。另外，TC 中心離開暖渦后TC仍然維持一定時(shí)間的增強(qiáng)，即暖渦對對TC強(qiáng)度的影響仍然存在。分析得出，由于暖渦處的混合層很深，阻止了溫躍層的冷水挾卷到混合層中，使得TC引起的海面降溫較小，因此抑制了TC的衰減。2

南海暖渦據(jù)研究，南海平均每年產(chǎn)生約18個(gè)中尺度渦，其中暖渦略多于冷渦。南海的渦旋主要產(chǎn)生于海盆內(nèi)，通過呂宋海峽進(jìn)入的較少。1

研究歷史（1）50年代末的情況

在海南島以東、西沙群島以北南海暖流順流右側(cè)的海域存在著一個(gè)順時(shí)針環(huán)流。這一順時(shí)針密度環(huán)流大致以19°N, 113°E為中心,呈橢圓形,長軸半徑約60n mi le。這個(gè)環(huán)流的地轉(zhuǎn)流速相當(dāng)強(qiáng),表層最大可達(dá)98cm /s, 100m層仍可達(dá)64cm /s,其影響深度可達(dá)200m以深,此圖系自海南島東岸向東橫跨暖渦的緯向斷面。當(dāng)年認(rèn)為,這個(gè)暖渦與海南島東岸夏季發(fā)生強(qiáng)烈的上升流現(xiàn)象有著密切的關(guān)系。在西南季風(fēng)作用下,近表層高溫低鹽水離岸輸送,在遠(yuǎn)離海岸的外海水域下沉,形成暖水輻聚區(qū),導(dǎo)致順時(shí)針密度環(huán)流。這種解釋對6月的情況是合適的,因?yàn)槟虾１辈?月已處于偏南季風(fēng)的作用下了,但對于3月的情況就不合適,因?yàn)槟虾１辈?月尚處于東北風(fēng)的作用之下。這是當(dāng)年留下了一個(gè)問題,猜測還有其他的動力因素導(dǎo)致產(chǎn)生順時(shí)針環(huán)流。

當(dāng)年我們已經(jīng)注意到冬季( 12～ 3月)南海北部南起海南島以東,東至粵東沿岸一帶表層出現(xiàn)的高鹽(> 34. 5)帶是與南海暖流自西南流向東北的途徑有關(guān),此時(shí)水體將產(chǎn)生顯著的順時(shí)針橫環(huán)流,導(dǎo)致南海暖流左側(cè)普遍出現(xiàn)高鹽帶。也就是說,當(dāng)年我們認(rèn)識到冬季在南海暖流的左側(cè)也有海水上升運(yùn)動。但是,由于只考慮東北風(fēng)將使海水向岸輸送形成堆積, 同時(shí)海面冷卻, 這就難以解釋1959年3月在南海暖流右側(cè)出現(xiàn)的順時(shí)針小環(huán)流了?，F(xiàn)在認(rèn)為,它是由于南海暖流在海南島以東海域作反氣旋式彎曲所導(dǎo)致的海流右側(cè)海水輻聚現(xiàn)象。

（2）70年代下半期至80年代上半期的情況

國家海洋局南海分局于1975～ 1984年期間在南海北部陸架鄰近水域開展了10a 水文斷面調(diào)查,他們在密度環(huán)流結(jié)構(gòu)的研究中指出: 在中沙、西沙群島以北海域存在著許多渦旋現(xiàn)象。1976～ 1983年8月et = 24的80m層等值線分布圖和同期春季et = 24的水體分布圖。這兩幅圖中的封閉曲線顯示了1976～ 1983年春季和夏季在海南島以東、西沙和中沙群島以北所出現(xiàn)的暖渦的位置及其移動情況。

有文獻(xiàn)根據(jù)位渦度守恒原理解釋了西向流(指黑潮南海分支)從深海區(qū)沿緯向流經(jīng)陸坡海域時(shí),由于水層厚度減小而產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并延伸為南海暖流的現(xiàn)象。這樣,在海流轉(zhuǎn)彎處的右側(cè)將產(chǎn)生順時(shí)針環(huán)流。等值線分布圖和水體分布圖中位置偏南的那些暖渦的形成機(jī)制可能與此有關(guān); 至于位置偏北的那些暖渦則是由于南海暖流的途徑作反氣旋式彎曲時(shí)形成的。當(dāng)然,有些離海南島東岸較近的暖渦,例如, 1976, 1978, 1979及1981等年8月出現(xiàn)的一些暖渦,也可以用這里夏季盛行偏南風(fēng),海南島東岸常出現(xiàn)上升流,導(dǎo)致離岸較遠(yuǎn)處發(fā)生海水輻聚現(xiàn)象來解釋。

（3）90年代初期情況

1992年3月海峽兩岸海洋學(xué)家在南海東北部海域進(jìn)行環(huán)流“配合性”協(xié)同調(diào)查時(shí),在調(diào)查海區(qū)的西南部也觀測到順時(shí)針轉(zhuǎn)動的暖渦,但由于調(diào)查區(qū)域的局限只見到這個(gè)暖渦的東北半部。有研究認(rèn)為這個(gè)暖渦與1959年3月我們在海南島以東、西沙群島以北海域觀測到的那個(gè)暖渦(圖1a )相一致。其實(shí),這兩個(gè)暖渦雖同在3月出現(xiàn),但它們的位置和尺度是有較大差異的。

特點(diǎn)海南島以東外海的暖渦,自50年代末出現(xiàn)以來,是常常存在的,不僅夏半年出現(xiàn),冬半年也出現(xiàn)。它是當(dāng)南海北部的西向流遇到海岸和海底地形的約束作反氣旋式轉(zhuǎn)彎延伸為南海暖流時(shí),在轉(zhuǎn)彎處右側(cè)形成的。同時(shí),當(dāng)流向東北的南海暖流其途徑作反氣旋式彎曲時(shí),也會在其右側(cè)形成暖渦。冬半年這種順時(shí)針流渦比較弱,當(dāng)夏半年處在偏南風(fēng)作用下,海南島東岸出現(xiàn)上升流時(shí),這種順時(shí)針流渦會得到加強(qiáng)。3

Samar暖渦菲律賓以東海域研究菲律賓以東海域是太平 洋西 部邊 界流—黑潮和棉蘭老海流的源地 和流經(jīng)的水域。

在強(qiáng)大的表層流附近常常 出現(xiàn) 各類渦旋，這對黑潮和棉蘭老海流來說也不例外。

Nitani(1 9 7 2) 引用 40 年代和 60 年代多次調(diào) 查結(jié)果, 進(jìn)一步闡明了呂宋海 峽以東的黑 潮 右側(cè)存在著一個(gè)暖渦, 并指 出在棉蘭老以東的棉蘭老海流的左側(cè)存在著一個(gè)以低鹽 (2 m 層 ) 為其特征的 冷渦 , 人們 稱為棉蘭老冷渦。 到80年代, 管秉 賢 (1983,1986,1989) 利用黑 潮及其鄰近水域的合作調(diào)查期間 獲得的水文和海流資 料, 對上述 暖渦 和冷渦 的存在和主 要特征進(jìn) 行 了詳細(xì)的 論述, 并 討論了棉蘭老 冷渦的 變異 與EI Nino的關(guān)系。 迄今為止, 在菲律賓以東海域有無其它渦旋存在, 尚未見報(bào)道。

后來通你在該海域的觀測資 料, 發(fā)現(xiàn)在薩馬島以東海域存在有一個(gè)次表層暖 渦, 這 將對分析研究 菲律 賓以東 海域的環(huán)流具有一定的理論意義。

Samar暖渦的確定1988年10月, 曾在薩馬島和棉蘭老島以東海域進(jìn)行了4個(gè)斷面的觀測。

根 據(jù) Nitani(19 7 2) 分 析, 本 海域中層水包括兩部分: 北太平洋中層低鹽 (