地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (5): 505 -514. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.021

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夏威夷群岛背风逆流区涡动能的年际变化及其机制诊断分析
孙秀雯 1 , 2( ), 南峰 2 , 3 , 4 , 5( ), 张瑞坤 1   
  1. 1.青岛科技大学数理学院，山东 青岛 266061
    2.中国科学院海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071
    3.中国科学院海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071
    4.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049
    5.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237
  • 收稿日期:2022-10-28 修回日期:2023-02-23 出版日期:2023-05-10
  • 通讯作者: 南峰 E-mail:2386380315@qq.com;nanfeng0515@qdio.ac.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目“西北太平洋次表层中尺度涡三维结构及其形成机制”(41676005)

Interannual Variation and Mechanism Diagnostic Analysis of the Eddy Kinetic Energy in the Lee Side of the Hawaiian Islands

Xiuwen SUN 1 , 2( ), Feng NAN 2 , 3 , 4 , 5( ), Ruikun ZHANG 1   

  1. 1.School of Mathematics and Physics, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China
    2.Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave Studies, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
    3.Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
    4.College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    5.Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China
  • Received:2022-10-28 Revised:2023-02-23 Online:2023-05-10 Published:2023-05-10
  • Contact: Feng NAN E-mail:2386380315@qq.com;nanfeng0515@qdio.ac.cn
  • About author:SUN Xiuwen (1997-), female, Weifang City, Shandong Province, Master student. Research areas include eddy-current interactions in the Hawaiian Islands. E-mail: 2386380315@qq.com
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China “Three-dimensional structure of subsurface mesoscale eddies in the Northwest Pacific Ocean and their formation mechanisms”(41676005)
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夏威夷群岛以西背风逆流区流系复杂，是中尺度涡高发区，该海域中尺度涡活动对大尺度环流变化、海气交换以及海洋生物分布等具有重要意义。利用1993—2020年的再分析数据，研究了夏威夷群岛背风逆流区涡动能的年际变化特征及其机制。根据涡动能分布情况，将夏威夷群岛以西背风逆流区分为2个区域（离岛区域和近岛区域）开展研究，主要结论如下： ① 离岛和近岛区域涡动能均有显著的年际变化，近岛区域超前离岛区域涡动能变化。超前12个月时，与离岛涡动能相关系数最大为0.57。 ② 涡动能的年际变化主要受正压不稳定、斜压不稳定、平流和风应力做功调控。涡动能收支诊断分析发现离岛区域涡动能的年际变化主要受斜压不稳定变化控制，近岛区域涡动能年际变化主要受风应力做功变化控制。 ③ 涡动能年际变化受大尺度年际信号调控。离岛区域涡动能年际变化与太平洋年代际振荡信号指数显著相关，超前太平洋年代际振荡信号指数10个月时相关系数最大为0.85。近岛区域涡动能年际变化超前太平洋年代际振荡信号指数2个月时，相关系数最大为0.40。

关键词: 夏威夷群岛背风逆流区, 涡动能, 年际变化, 正压不稳定, 斜压不稳定

The Hawaiian Lee Countercurrent region is characterized by high occurrence of mesoscale eddies and complex flows. The activity of mesoscale eddies in this region is critical for the oceanic and atmospheric circulations, sea-air exchange, etc. The interannual variability of the Eddy Kinetic Energy (EKE) and its mechanisms in this region were investigated using reanalysis data from 1993 to 2020. According to the EKE distribution, two regions were selected, namely off-island and near-island. The results showed the following: ① The interannual variation of the EKE is significant in both the off-island and near-island regions. The EKE variation in the near-island region leads that in the off-island region by 12 months, with a maximum correlation coefficient of 0.57. ② The interannual variation of the EKE is mainly regulated by baroclinic instability, barotropic instability, transport, and wind stress work. Analysis of the EKE budget revealed that the interannual variation of the EKE in the off-island region is mainly controlled by baroclinic instability variation, whereas that in the near-island region is mainly controlled by wind stress work. ③ Interannual variations of the EKE are modulated by large-scale signals. The interannual variation of the EKE in the off-island (near-island) region is significantly correlated with the PDO index, leading by 10 (2) months, with a maximum correlation coefficient of 0.85 (0.40).

Key words: The Hawaiian Lee Countercurrent region, Eddy Kinetic Energy (EKE), Interannual variation, Baroclinic instability, Barotropic instability

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图1 1993—2020年平均风场和流场分布图
（a）北太平洋平均风应力和风应力旋度分布，黑色框所示区域的经纬度范围：160°E~140°W，10°~30°N；（b）夏威夷群岛附近［图（a）中黑色方框区域］平均风应力和风应力旋度分布；（c）海表平均的东西向地转流速，箭头示意性给出主要海流
Fig. 1 The mean surface wind field and currents from 1993 to 2020
（a） Mean sea surface wind stress and wind stress curl in the North Pacific Ocean， the latitude and longitude range of the area shown in the black box in the Fig. （a） （160°E~140°W， 10°~30°N）； （b） Mean sea surface wind stress and wind stress curl around the Hawaiian Islands ［see box in Fig. （a）］； （c） Mean surface zonal geostrophic current， the main currents are given schematically by arrows
图2 卫星高度计数据和再分析数据计算的海表涡动能对比图
（a）和（b）分别为卫星高度计数据和再分析数据计算的平均（1993—2020年）涡动能分布图； （b）黑色框所示区域的经纬度范围：Box1 （160°E~170°W， 18.0°~20.5°N），Box2 （170°~156°W， 18.0°~20.5°N）；涡动能取对数lg（EKE）；（c）和（d）分别为Box1和Box2区域内逐月时间序列对比曲线
Fig. 2 Comparison of Eddy Kinetic Energy （EKE） calculated from satellite altimeter data and multi‐observation products data
（a） and （b） are the mean （1993-2020） EKE distributions calculated from satellite altimeter data and multi‐observation products data， respectively. The latitude and longitude range of the area shown in the black box in the Fig.（b）： Box1 （160°E~170°W， 18.0°~20.5°N）， Box2 （170°~156°W， 18.0°~20.5°N）， the EKE are lg（EKE） in Fig. 2； （c） and （d） are monthly variations of EKE in the Box1 and Box2 region， respectively
图3 1993—2020年平均的涡动能随深度变化图
（a）（160°E~156°W， 18.0°~20.5°N）纬度平均的涡动能随深度变化；（b）区域（160°E~156°W， 18.0°~20.5°N）平均涡动能随深度变化图；（a）和（b）中涡动能都取对数lg（EKE）
Fig. 3 Variations in mean Eddy Kinetic Energy （EKE） with depth during 1993 to 2020
（a） Latitudinally mean （160°E~156°W， 18.0°~20.5°N） EKE variations vs. depth； （b） Mean （160°E~156°W， 18.0°~20.5°N） EKE variations vs. depth. The EKE are lg（EKE） in Fig.（a） and Fig.（b）
图4 涡动能时间序列
曲线分别为Box1和Box2区域内涡动能的区域和深度积分时间序列
Fig. 4 The time series of the Eddy Kinetic Energy （EKE）
The curves in the fig. 4 show the regional and depth-integrated time series of the EKE in Box1 and Box2， respectively
图5 公式（3）中变量1993—2020年0~200 m平均分布图
公式（3）： EKE=（ BT+ BC+ T+ W）× Δ t ，（a）~（d）分别是斜压不稳定（ BC）、正压不稳定（ BT）、平流（ T）和风应力做功（ W）分布图
Fig. 5 The average （1993-2020， 0~200 m） distribution of all terms in the right side of equation （3）
Formula （3）： EKE=（ BT+ BC+ T+ W）× Δ t ，（a）~（d） are distributions of baroclinic instability （ BC）， barotropic instability （ BT）， transport （ T）， and wind stress work （ W）， respectively
图6 离岛区域（Box1）涡动能与斜压不稳定、正压不稳定、平流和风应力做功的时间序列曲线
（a）涡动能；（b）斜压不稳定、正压不稳定、平流和风应力做功的时间序列；为去除季节变化信号已做13个月滑动平均
Fig. 6 The time series of the Eddy Kinetic Energy （EKE） in Box1 region and baroclinic instability， barotropic instability， transport， and wind stress work
（a） The time series of eddy kinetic energy； （b） The time series of the baroclinic instability， barotropic instability， transport， and wind stress work， respectively. To remove the seasonal signal，EKE has been smoothed by 13 months
表1 Box1和 Box2区域中涡动能与斜压不稳定、正压不稳定、平流和风应力做功的最大相关系数及超前滞后时间
Table 1 The maximum correlation coefficients and lead-lag correlation time between the Eddy Kinetic Energy （ EKE） and baroclinic instability， barotropic instability， transport， and wind stress work in the Box1 and Box2
变量 Box1涡动能/（m2/s2） 超前滞后时间/月 Box2涡动能/（m2/s2） 超前滞后时间/月
正压不稳定 0.33 13 0.21 7
斜压不稳定 0.60 17 0.48 38
平流 -0.36 -32 -0.40 -11
风应力做功 0.34 -8 0.56 1
图7 近岛Box2区域涡动能与斜压不稳定、正压不稳定、平流和风应力做功的时间序列曲线
（a）涡动能；（b）斜压不稳定、正压不稳定、平流和风应力做功的时间序列；为去除季节变化信号已做13 个月滑动平均
Fig. 7 The time series of the Eddy Kinetic Energy （EKE） in Box2 region and baroclinic instability， barotropic instability， transport， and wind stress work
（a） The time series of eddy kinetic energy； （b） The time series of the baroclinic instability， barotropic instability， transport， and wind stress work， respectively. To remove the seasonal signal，EKE has been smoothed by 13 months
图8 太平洋年代际振荡信号与斜压不稳定、风应力做功时间序列
（a）PDO指数的时间序列；（b）分别为Box1区域内斜压不稳定的时间序列和Box2区域内风应力做功的时间序列
Fig. 8 The Pacific Decadel Oscillation （PDO） and baroclinic instability， wind stress work time series
（a） The time series of the PDO index； （b） The time series of the baroclinic instability in Box1， the time series of the wind stress work in Box2， respectively
图9 涡动能与太平洋年代际振荡信号超前滞后相关
Box1和Box2区域涡动能变化与PDO指数的超前滞后相关；PDO与涡动能都进行了13个月的平滑处理，相关系数在95%的置信水平上具有统计学意义
Fig. 9 Lead-lag correlation between the Eddy Kinetic Energy （EKE） and Pacific Decadel Oscillation （PDO） index
The lead-lag correlations between the EKE changes and the PDO index in Box1 and Box2 regions， respectively. Both PDO and EKE time series have been smoothed for 13 months and correlation coefficients were statistically significant at a 95% confidence level
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