用T_P测高数据反求海域重力异常

用T_P测高数据反求海域重力异常 Vol124 , Supp . 1 第 24 卷 增刊 1 海洋学报 2002 - 03 AC TA OC EANOL O GICA S IN ICA March , 2002 用 TOPEX/ POSEIDO N 高度计识别台湾 西南海域中尺度强涡 1 1 1 1李燕初,李 立,林明森,蔡文理 ()11 国家海洋局 第三海研究所 ,福建 厦门 361005 ) (摘要 : 利用 5 a 1993,1997 年TO P EX/ PO SE IDON 高度计资料来研究台湾西南 、南 海东北海域中尺度涡的特征. 通过分析给出三例典型反气旋强涡的生衰过程 . 分析 结果表明 : 在台湾西南海域 ,由黑潮分离的反气旋强涡常是发生在秋 、冬季节 ,涡中 心大约在 2110 ?N , 11815 ?E 附近 ,范围大约在 200,400 km ,强涡持续可达 100 d 或 更长 , 涡旋中心与边缘的海面高度异常可达 80 cm 以上. 实测资料和其他的一些资 料都证实这些强涡的存在 . 关键词 : 高度计 ;中尺度涡 ;台湾西南海域 ( ) 中图法分类号 : P722 . 7 ; P731 . 2 文章编号 : 0253 - 4193 2002S1 - 文献标识码 : A 0163 - 08 1 引言 在大洋上可观测到多种多样的中尺度涡旋 ,它们中很多可能是由于平均流的不稳定性而产 生的 ,有的则是海面风的强迫作用或是海底地形变化而生成的等等. 而且 ,发生在海洋中的涡旋 通常是非常不规则的. 中尺度涡旋的空间尺度通常在几十到几百千米范围 ,其时间尺度则在几 1 周到几个月 ,以至十几个月. 这些涡旋所含的能量比海洋中其他类型运动的能量都大. 由观测到的涡旋的地理分布表明 : 中尺度涡旋大都出现在像湾流这样的强流区. 在这样 海域中 ,涡旋主要是由于海流的不稳定性引起的. 虽然这种涡旋可以有多种生成的 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 ,然而 从观测资料可以清楚看出一种形式是如下方式引起的 : 首先是洋流在受到某种扰动后弯曲或 2 称蛇行形成一些大的回路 ,然后这些回路被切断 ,而形成一些强涡. 上述的这种由洋流蛇行最后切离而形成的涡旋也称为流环 ,它是海洋中最强的一类中尺 度涡. 流环通常直径达数百千米 ,流速在 1 m/ s 以上 ,堪称海洋中的“台风”. 和台风一样 ,流环 收稿日期 : 2000 - 04 - 10 ; 修订日期 : 2000 - 10 - 16 . 基金项目 :“国家重 点 基 础 研 究 发 展 规 划”“中 国 近 海 环 流 形 成 变 异 机 理 、数 值 预 测 方 法 及 对 环 境 影 响 的 研 究”项 目( ) ( ) G1999043800;国家高技术计划航天领域项目 ;国家自然科学基金资助项目 49976010. ( ) 作者简介 : 李燕初 1943 —,男 ,福建省惠安县人 ,研究员 ,主要从事海岸工程数学模型与遥感海洋学研究. 形成后不断迁移 ,所到之处海流和海洋水文状况强烈异常. 在世界几乎所有存在洋流处均有流环的观测报道. 西边界流蛇行所形成的流环是最著 名 、能量最强的中尺度海洋扰动 ,它是海洋水体质量 、热量 、动量和能量输运最重要的媒介. 湾 3 ,6 流在墨西哥湾所形成的流环通过大量的观测得到详细地研究,它们的分布 、结构 、迁移 , 包括由大蛇行的分离和与洋流的合并的生衰过程 ,都通过水文测量 、漂流浮标测量 、卫星高度 计 、卫星红外图片测量进行研究 . 这些流环的寿命可达数月甚至更长 ,对西墨西哥湾的水体输 7 ,8 运起着重要作用 ,研究这些流环对墨西哥湾海洋科学的发展是相当重要的. 黑潮是中国邻近海域的一支强大洋流. 与湾流相似 ,黑潮在流经台湾岛南部的吕宋海峡 时 ,由于失去陆坡的支持变得十分不稳定 ,引起大的蛇行 ,在台湾岛西南和南海东北部海域诱 9 ,12 发反气旋强涡 . 在该海域已有不少学者对黑潮的蛇行入侵南海进行研究. 1994 年 8,9 月间由国家海洋局 、台湾大学海洋研究所 、福建海洋研究所组成的考察船队对该海域进行了一 13 次准同步调查 ,首次在东沙岛以东海域观测到一个从黑潮分离出来的巨型暖涡,即所谓“流 14 环”. 1997 年李薇等采用 WOC E 的海洋调查资料和美国海军研究生院的 POCM 模式计算 15 的海面高度场结果 ,再次佐证在台湾岛西南和南海东北部海域的黑潮流环的存在 . 杨昆等采用数值方法对在东北季风和黑潮入侵的共同作用下的南海北部中尺涡旋进行研究 ,再现了 冬季南海北部中尺涡的演变过程 . 在国内 ,目前对黑潮蛇行入侵所形成的中尺度涡旋的研究主要依赖海上观测 ,由于观测方 法和手段的限制 ,不可能观测到长时间 、大尺度变化的海洋现象. 而现代卫星遥感可以大覆 盖 、准同步 、长 时 间 地 进 行 观 测 , 已 成 为 研 究 海 洋 现 象 的 最 重 要 补 充 手 段 . 本 工 作 将 通 过 () TO P EX/ PO SE IDON 后称 T/ P卫星高度计识别台湾西南海域黑潮蛇行入侵所形成的强涡 , 并跟踪它的发生 、发展 、迁移和消亡的变化过程 . 本文所 研 究 海 域 为 17?, 24?N , 113?, 123? E ,即台 湾 岛 西 南 , 南 海 的 东 北 部 海 域. 在 该 海 域 , T/ P 有 8 条地面轨道经过 , 卫星地面轨道号 为 153 , 229 , 051 , 127 , 190 , 012 , 088 , 164 , 如 图 1 . 本文首先将叙述 T/ P 卫星高度计资料概况 ; 如何由 T/ P 高度计得到中尺度涡的位势高度 ,然 () 后叙述分析中尺度涡的方法 第二节,第三节给 出台湾西南海域由 T/ P 高度计资料提取的 3 个 图 1 研究海域及 T/ P 轨道 反气旋强涡的例子. 最后对结果进行讨论 .2 T/ P 高度计资料处理 211 T/ P 卫星资料概述 T/ P 卫星是在 1992 年 8 月 10 日在法属圭亚那发射进准确重复轨道 ,轨道倾角 66?,地面 重复轨道偏差范围 ?1 km ,有一准确的重复周期 91915 d. T/ P 卫星上载有两个高度计 , 即 TO P EX 和 PO SE IDON ,它们共享一根天线 ,而 PO SE IDON 只占用 10 %的工作时间 ,它们的空 间取样间隔较大 ,在赤道上 ,相邻两地面轨道间隔为 315 km. T/ P 从 1992 年 9 月 23 日开始采 集科学数据 . () 本研 究 采 用 美 国 国 家 航 空 航 天 局 J PL J et Prop ulsio n L abo rato ryPO1DAAC 的 T/ P M GD R - B 资料 ,选择 1993,1997 年的数据进行分析. 212 T/ P 卫星高度计数据处理 16 卫星高度计测量高度计到星下点海面的精确距离 ,其分辨力达数厘米. 因而 ,由轨道 高度和高度计测量的星下点距离可求得实际海表面高度. 相对于大地水准面 ,海面位势高度 17 H可写成:d ()H= H - H, 1 d g 其中 , H 是高度计测量的海表面高度 ; H是大地水准面高度 ,两者都是以参考椭球为基准. 假 g 如潮汐 、大气压 、波高等的影响已从高度计的测量数据中扣去 ,那么位势高度 H就是由总的 d () 大洋环流引起的. 它由两个主要的地转分量组成 ; 1准恒定平均环流相应的大尺度分量 ,它 () 与小于几个月的时间尺度无关. 2涡环流相应的中尺度分量 ,这是随时间变化的 ,在海表面 上表现为海表面高度变化或涡位势高度. i Δ 假设高度计地面轨道是同线的 ,对每次重复测量 i ,涡位势高度H可以写成 : i i Δ ()2 H= H- H, m i 其中 , H是高度计测量 ; H是平均海面高度 ,即所有重复 n 次测量的平均 :m i ( )3 H= H/ n ,m ? i i () Δ Δ 这样H就消去了重力场和平均环流 不随时间变化的影响. 因此H代表的就是中尺度 环流的动力地形. 213 中尺度涡的分析方法 为了分析中尺度涡 ,经过上述处理后的高度计海表面涡位势高度用空间 - 时间客观分析 18 ,19 方法进行分析,对于不规则分布的数据 ,这是一种很有用的方法 ,很多作者用来做中尺度 18 ,20. 环流分析 ( ) 假设 分 析 场 即 位 势 高 度 场的 相 关 函 数 是 均 匀 的 和 各 向 同 性 的 , 并 取 与 J ulian 和 21 J hiebanx文中的函数形式一致 ,即 : 2 3 2 ( ) ( ) ( ) F r , t = 1 + a r - 1/ 3 a r]exp - a r - t / R , ( )4 t 其中 , 2 2 2 2 d x / R x + d y / R y , ( )5 r = a = 21103 8 ; t 是相对时间 ; d x ,d y 是相对位臵 ; R x = 160 km , R y = 200 km , R = 10 d. t 上述参数是由位势高度相关函数拟合得出的 ,取不同的参数可能影响提取涡的准确程度 , 但本文侧重强涡的识别 ,暂不讨论参数选取对结果的影响 . 在所研究的海域 ,我们采用上述参数 ,以 10 d 的间隔对中尺度涡进行映象. 下一节将给出 分析的结果 . 3 结果与分析 对 T/ P 高度计 4 a 多 ,包括 160 个重复周期的资料进行分析 ,在台湾西南 、南海东北海域 , 得到好几例中尺度环流生成 、发展 、消衰过程 . 图 2 给出 1994 年 8,9 月份在台湾岛西南海域生成的一个气旋涡的过程 . 从图中可看 () 出 ,首先是黑潮水通过巴士海峡蛇行入侵台湾岛西南部海域 见图 2a. 8 月初反气旋涡逐渐 (() ) 形成 见图 2b;在 8 月下旬 ,形成一个强反气旋涡 见图 2c,这时台湾东南角海域有一气旋 ( 涡逐渐形成 ;到 8 月底台湾东南角海域气旋涡增强并扩大 ,这时可见反气旋涡有所减弱 见图 ) 2d;9 月初反气旋涡逐渐减弱 ,涡的空间尺度减小 ,这时台湾东南角海域的气旋涡已向西移动 ( 到达台湾西南海域 ,反气旋涡也同时向西迁移 ,并形成多个小的反气旋涡和气旋涡见图 2e 、 ) 图 2f . ()图 2 1994 年 7,9 月位势高度变化过程 单位 : cm a1 7 月 31 日 b1 8 月 10 日 c1 8 月 20 日 d1 8 月 30 日 e1 9 月 9 日 f 1 9 月 18 日1994 年 8,9 月间 ,由国家海洋局 、台湾大学海洋研究所 ,以及福建省海洋研究所对该海 域进行了一次准同步调查 ,在东沙岛附近海域发现中心位于 2110 ?N ,11715 ?E 附近 ,水平尺 度约 180 km 的强反气旋涡 . 可参考文献 4 的图 4 . 在时间 、水平尺度 、位臵上均与上述 T/ P (高度计观测的结果相一致 . 但因 T/ P 高度计经度方向分辨较差 ,涡中心位臵有所偏离 2015 ? ) N ,11815 ?E. 图 3 是由 T/ P 资料分析得出的 1995 年 1 月至 3 月中旬的一次黑潮流环生成过程 . 它与 参考文献 8 中的由美国 POCM 模式得出的海面高度场所绘出的黑潮流环生成过程也相当一 () 致 见参考文献 5 的图 6,但时间上有所滞后 . 由图 3a 、图 3b 上可看出 ,2 月初黑潮蛇行入 侵台湾西南海域 ,台湾南部海域有一强的水舌 ;由图 3c 、图 3d 上可看出 2 月中旬强反气旋涡形 成 ,强涡控制范围为 19?,22?N ,117?,121?E ,涡中心位臵在 21?N ,119?E ,涡中心与边缘的高 度差在 80 cm 以上. 由图 3e 、图 3f 可见 ,强涡向西移动 ,强度减小 ,在反气旋强涡的东部产生 一气旋涡 ,并在反气旋涡减弱的过程中气旋涡逐渐增强 ,到 3 月中句 ,反气旋涡已经变得相当 ()图 3 1995 年 1,3 月位势高度变化过程 单位 : cm a1 1 月 25 日 b1 2 月 4 日 c1 2 月 14 日 d1 2 月 24 日 e1 3 月 6 日 f 1 3 月 16 日 弱了. 图 4 给出发生在 1996 年 10 月中旬到 1997 年 1 月底 ,黑潮在吕宋海峡大蛇行后分离流 环 ,以及流环发展 、消衰过程的一个典型实例 . 由图可看出 10 月中到 10 月底 ,黑潮穿过吕宋 海峡向西蛇行 ,可达 120?E 以西. 到 11 月初 ,反气旋流环开始分离 ,至 11 月中旬已形成一个 强的反气旋涡 ,且其强度和范围有逐渐增强和扩大的趋势 .1996 年 12 月中旬到 1997 年 1 月 ()图 4 1996 年 10 月,1997 年 1 月位势高度变化过程 单位 : cm a1 10 月 12 日 b1 10 月 22 日 c1 11 月 1 日 d1 11 月 11 日 e1 11 月 21 日 f 1 12 月 1 日 g1 12 月 11 日 h1 12 月 20 日 i1 12 月 30 日 j1 1 月 8 日 k1 1 月 18 日 l1 1 月 28 日 初 ,反气旋涡一直维持较大的强度 ,涡中心在 21?N 左右 , 11815?, 119?E 之间. 1997 年 1 月 初 ,台湾西南近岸海域出现气旋涡 ,随此气旋涡的扩大 、增强 ,反气旋暖涡强度逐渐减弱 ,范围 逐渐减小 ,并向西迁移 ,中心位臵可达 117?E 以西. 本例流环的形成 、发展及消衰过程达 120 多天 ,流环可辨认时间也达到 100 多天. 4 讨论 由 T/ P 高度计资料的分析可知 ,在台湾西南海域 ,由于黑潮在吕宋海峡的蛇行入侵 ,经常 会形成一个强大的反气旋涡. 反气旋强涡常是发生在秋 、冬季节 ,强涡持续可达 100 d 或更长 . 由 T/ P 高度计的测量 , 强涡范围大约为 200,400 km. 涡旋中心与边缘海面高度异常可达 80 cm 以上. 值得指出的是 ,由于 T/ P 高度计在时间 、空间的分辨率上仍然相对较差. 在该海域相邻地 面轨道之间的距离也达到 250 km 以上 ,重复周期 10 d ,所以流环更细致的结构及流环随时间 的迁移过程不能看得相当清楚 ,需要有别的手段来补充监测 ,如卫星红外图片等 . T/ P 卫星数 据的处理方面仍需加以改进 ,以提高其测量的精度 . 参考文献 : ROB INSON A R1 Overview and summary of eddy science A . Ro binso n A R , ed. Eddies in Marine Science M . New 1 Yo r k : Sp ringer2Verlag , 1983 . 3 —15 . 2 Gill A E 著. 张立政等译. 大气2海洋动力学M 1 北京 : 海洋出版社 , 1988 . ( ) NO WL IN W , HUB ER TZ D J r M , R EIDRO J . A detached eddy in t he Gulf of Mexico J . J Mar Res , 1968 , 26 2 : 3 185 —186 . ( ) 4 COCHRAN E J D. Separatio n of an anticyclo ne and subsequent develop ment s in t he Loop Current 1969A . Ca p urro L R A , Reid J L , ed. Texas A & M U niversit y Oceanogr St udC , Vol . 2 . Ho usto n : Gulf Publ . Co . , 1972 . 91 —176 . ( ) ELL IO T T B A. Anticyclo nic rings in t he Gulf of Mexico J . J Ph ys Oceanogr , 1982 , 12 11: 1 292 —1 309 . 5 VU KOV ICH F M , Waddell E. Interactio n of a war m ring wit h t he western slope in t he Gulf of Mexico J . J Ph ys 6 ( ) Oceanogr , 1991 , 21 7: 1 062 —1 074 . 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T hi r d I nst i t ute of Ocea nog rap hy , S t ate Ocea nic A d m i nist rat ion , X i a men 361005 , Chi na ( ) Abstract : The 5 a 1993 , 1997 TO P EX/ POSEIDON altimeter data are used to investigate characteristics of () mesoscale eddies in t he sea sout hwest of Taiwan and nort heast of t he Sout h China Sea17?,24 ?N , 113?,123 ?E. In t his period , t hree co mplete life histories of st ro nger warm2core , anticyclo ne rings centered at about 2110 ?N , 11815 ?E are observed in t his regio n. The analysis result s show t hat t hese rings wit h a scale 200,400 km are shed f ro m t he Kuroshio , generated mostly in aut umn , intensified in winter . The height difference bet ween it s center and t he surroundings wit hin 100,200 km exceeds 80 cm. The oceanograp hic surveys data during August —Sep tember1994 and all ot her available data support t he existence of t hese p heno mena . Key words : altimeter ; mesoscale eddy ; t he sea sout hwest of Taiwan