地球科学进展

地球科学进展, 2020, 35(6): 568-580 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.050

综述与评述

海洋中尺度涡旋表面特征和三维结构研究进展

张永垂,1,2, 王宁1, 周林1, 刘科峰1, 汪浩笛1

1.国防科技大学气象海洋学院，江苏 南京 211101

2.南方海洋科学与工程 广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082

The Surface and Three-dimensional Characteristics of Mesoscale Eddies: A Review

Zhang Yongchui,1,2, Wang Ning1, Zhou Lin1, Liu Kefeng1, Wang Haodi1

1.College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, China

2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai Guangdong 519082, China

收稿日期: 2020-04-21   修回日期: 2020-05-22   网络出版日期: 2020-07-03

基金资助: 国家重点研发计划项目“高分辨率海洋模式关键物理过程参数化方案的研发”.  2017YFA0604100
国家自然科学基金项目“北太平洋副热带东西部海平面反相变化趋势和气候模态的相关关系研究”.  41406003

Received: 2020-04-21   Revised: 2020-05-22   Online: 2020-07-03

作者简介 About authors

张永垂（1982-），男，江苏沭阳人，副教授，主要从事海洋环流动力学和海洋中尺度涡研究.E-mail：zyc@nudt.edu.cn

ZhangYongchui(1982-),male,ShuyangCounty,JiangsuProvince,Associateprofessor.Researchareasincludeoceancirculationdynamics,mesoscaleeddies.E-mail:zyc@nudt.edu.cn

摘要

海洋中广泛存在的中尺度涡旋对动量、能量、热量和物质传输起着至关重要的作用。详细介绍了利用卫星高度计资料识别中尺度涡的闭合等值线、Okubo-Weiss数、绕角和流矢量的方法。结果表明，绝大部分涡旋都呈近刚性旋转的非线性特征，生命周期大于等于16周涡旋的平均寿命、传播距离、振幅和半径分别为32周、550 km、8 cm和90 km。重点介绍了结合卫星高度计和Argo浮标资料合成中尺度涡三维结构的方法。受生成地和移动到当地海洋温盐背景场的共同作用，涡旋呈现不同的三维结构。从演变角度简单介绍了墨西哥湾的回流环和大西洋的地中海涡旋的基本特征。最后，对中尺度涡研究的难点问题，如次中尺度过程、中尺度涡能量耗散和次表层涡旋等进行讨论，并提出今后应从中尺度涡立体化、机动性观测，中尺度涡多学科融合式观测以及多尺度相互作用等方面开展突破性研究。

关键词： 中尺度涡旋 ; 表面特征 ; 三维结构 ; 回流环 ; 地中海涡旋

Abstract

Mesoscale eddies, which are widely found in the oceans, play a vital role in momentum, energy, heat and mass transport. The Euler method for identifying mesoscale eddies using satellite altimeter data was presented in detail, including closed SLA contours, OW numbers, Winding-Angle and flow vector methods. The results show that mesoscale eddies are almost nonlinear and solid-body rotation. The long-lived eddies with lifetimes ≥16 weeks have an average lifetime of 32 weeks and an average propagation distance of 550 km. Their mean amplitude and a speed-based radius scale as defined by the automated procedure are 8 cm and 90 km, respectively. The method combining with SLA and Argo profiles to composite the three-dimensional structure were addressed. Due to the different temperature and salt structure in the various oceans of the world, the eddies in different oceans show different three-dimensional structures, which are influenced by both the generation and local temperature and salinity. Two special types of eddies were introduced from the perspective of generation, evolution and dissipation processes, namely the Loop Current Ring in the Gulf of Mexico and Mediterranean eddy in the Atlantic Ocean. Finally, issues including submesoscale processes, dissipation of eddies and subthermocline eddies were discussed, and some future research directions were proposed.

Keywords： Mesoscale eddies ; Surface characteristics ; Three-dimensional structure ; Loop Current Ring ; Mediterranean eddy

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本文引用格式

张永垂, 王宁, 周林, 刘科峰, 汪浩笛. 海洋中尺度涡旋表面特征和三维结构研究进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(6): 568-580 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.050

Zhang Yongchui, Wang Ning, Zhou Lin, Liu Kefeng, Wang Haodi. The Surface and Three-dimensional Characteristics of Mesoscale Eddies: A Review. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(6): 568-580 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.050

1 引 言

海洋是一个不断运动的巨大水体，存在多种尺度的运动。大规模、相对稳定的海水流动称为海流[1]，在10~100 km量级水体旋转的流动现象称为中尺度涡旋（mesoscale eddy）[2]。在北半球通常表现出顺时针和逆时针旋转，分别称为反气旋涡旋（Anticyclonic Eddy， AC）和气旋涡旋（Cyclonic Eddy， CE）（南半球方向相反）。时间尺度为月到年，是海洋中的“天气”现象。

在发现中尺度涡以前，人们一直认为海洋在缓慢而又规则地运动。1955年，斯华罗引进中性浮力的声学浮标（也称作斯华罗浮标）测量中深层洋流[3]。1959年西北大西洋深海观测实验在百慕大以西马尾藻海深处释放了这种浮标，发现浮标并没有像预测的那样向北缓慢漂移，而是快速而不规则地运动。观测实验说明涡旋运动比长期平均的环流要快得多[4]。

利用浮标发现的中尺度变化或海洋涡旋（百公里量级），从根本上改变了人们对深海流的认知，激发了人们的进一步研究热情。为此，20世纪70年代多国科学家联合设计了中纬度海洋动力学实验（Mid-Ocean Dynamics Experiment，MODE）来调查中纬度的中尺度涡旋[5]。观测表明，大洋内部叠加在弱的洋盆尺度平均环流上的中尺度涡旋具有强的能量和组织化的结构。在北大西洋西部，存在一个大约100天周期和70 km尺度的涡旋带：其水平上各向同性，垂直可深至整层海水。该实验为大洋涡旋的存在提供了确凿的证据，并为以后的多边形实验（POLYgon Mid-Ocean Dynamics Experiment，POLYMODE）[6]提供了基础。

中尺度涡旋通常携带与周围环境不同特性的水体，使得它们能够在海洋中传输热、盐和碳等。涡旋的水动力特性在向海岸地带和表层海洋提供营养方面起着重要作用，会导致浮游生物大量繁殖[7]。中尺度涡旋在全球海洋热量平衡中发挥着重要作用，通常向上输送热量以平衡平均流和扩散向海洋深处传输的热量[8]。

2 中尺度涡旋的表观特性研究

自20世纪90年代以来，2个同时在轨的高度计卫星测量的海表面高度异常（Sea Level Anomaly，SLA）数据（图1）为全球海洋中尺度涡的识别提供了前所未有的观测支撑[9]。卫星观测中尺度涡的基本原理是涡旋除了强烈的旋转特性之外，还伴随着辐聚辐散运动。AC（CE）内一般为辐聚（辐散）下沉（上升）运动，对应正（负）SLA。

图 1

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图 1   卫星观测海表面高度变化示意图

卫星利用雷达高度计向海面发射微波信号，并通过接受反射信号测量海表面高度，海面高度（Sea Surface Height，SSH）为海表面距离地球椭球体的距离，动力地形（Dynamic Topography，DT）为海表面距离大地水准面（Geoid）距离，海表面高度异常（Sea Level Anomaly，SLA或Sea Surface Height Anomaly,SSHA）可表示为SLA（SSHA）=SSH-MSSH=DT-Geoid=SLA-MDT-Geoid，其中MSSH为平均海表面高度，MDT为平均动力地形

Fig.1   Schematic diagram of sea level anomaly observed by altimetry satellite

The satellite uses a radar altimeter through radiating microwave signals to the sea surface and measure the Sea Surface Height (SSH) by receiving the reflected signals. SSH is the distance from the sea surface to the Earth ellipsoid, Dynamic Topography (DT) is the distance from the sea surface to the geoid, Sea Level Anomaly（SLA) or SSH Anomaly (SSHA） can be expressed as SLA (SSHA) = SSH-MSSH = DT-Geoid = SLA-MDT-Geoid, where MSSH is the average SSH and MDT is the average DT


2.1　中尺度涡识别技术

利用卫星高度计测量的SLA及其导出量（地转流）识别中尺度涡的方法很多，包括闭合等值线、Okubo-Weiss（OW）数、绕角（Winding-Angle，WA）和流矢量方法等。

2.1.1　闭合等值线方法

SLA闭合等值线方法的基本原理是利用涡旋的几何特征[10]。涡旋中心海水比周围高（AC）或低（CE），形状类似于圆锥体。该方法首先在一个移动窗口内通过寻找内部SLA最大（最小）值来判断可能的中心。之后，对于每一个可能的AC（CE）中心，从其内部通过逐渐减小（增加）SLA向外寻找等值线，最外围包含着涡旋中心的闭合等值线即为涡旋的外边缘。

该方法的优点是简单易用，物理特征清晰，不需要人为给定参数，只需利用卫星高度计观测的SLA即可识别追踪中尺度涡旋。主要缺点为：①依赖于高度计卫星观测沿轨资料插值得到的逐日格点SLA，在识别中尺度涡时可能存在不连续的问题，这也是利用卫星高度计识别中尺度涡的共性问题；②可能会出现包含细长锋面或者涡丝的情况；③包围的区域内会出现不止1个极值。尽管如此，该方法仍然是识别中尺度涡比较有效、简便的方法。

Chelton等[10]利用该方法对全球中尺度涡进行了详细识别，并统计了相关特征（识别的中尺度涡数据集下载自[11]：https://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/value-added-products/global-mesoscale-eddy-trajectory-product.html）。

2.1.2　OW数方法

Isern-Fontanet等[12]借鉴数值模式研究中的OW数[13,14]检测流体的旋转和形变的方法，使用卫星高度计资料来自动检测追踪中尺度涡旋。OW数定义如下：

W=sn2+ss2-ω2，

式中：sn=vx+uy代表法向应变，ss=ux-vy代表切向应变，ω=vx-uy代表相对涡度。u和v分别表示流场的纬向和经向分量，脚标x和y分别为在x轴和y轴方向上的微分。公式（1）可进一步转化为：

W=4vxuy-uxvy2+ux+vy2。

若假设流场满足地转平衡关系，即ux+vy=0。OW数可简化为：

W=4vxuy+ux2。

利用SLA计算地转流关系u=-gf∂h∂y,v=gf∂h∂x，公式（3）可以变形为：

W=4g2f-2hxy2-hxxhyy，

式中：g为重力加速度，f为科氏力参数，h为SLA。

定义W小于一定阈值来识别中尺度涡。一般阈值选为W=0.2σW，即W<0.2σW，其中σW为该区域OW数的标准差。该方法主要不足：①没有一个固定的客观量可以满足全球范围内海洋涡旋的检测，阈值定的太高可能检测尺度较小的涡旋，定的太低则可能在一定区域内检测到多个涡旋；②物理参数的推导过程会带来一些噪声（如使用SLA计算地转流），增加涡旋的错误检测率。

OW数方法一般用于检测区域海洋中尺度涡。第一个用来提取全球中尺度涡来自Chelton等[15]的研究，发现全球50%以上的涡旋振幅为5~25 cm，直径为100~200 km，且绝大部分涡旋都是非线性的。

2.1.3　WA方法

WA方法的基本原则是“涡旋存在的必要条件是映射到垂直于涡核的平面上的瞬时流线呈现大致圆形或螺旋形图案”[16]，即通过几何图形的方法来识别涡旋。该方法通过SLA极值点作为涡旋的中心。然后，通过流线螺旋式围绕一个中心点来确定涡旋的范围。主要包括两个阶段：①通过α≥2π（α为各流线段之间的夹角）判断属于一个完整的涡旋；②将属于选定涡流的流线进行聚类，并选定最外围流线作为涡旋的边界。与OW方法类似，该方法的主要缺点是基于SLA获得的地转速度场放大了噪声，尤其在低纬度处被f-1因子放大。

Chaigneau等[17]使用WA方法对秘鲁沿岸的中尺度涡进行了识别，发现相比于OW方法，基于流函数拐角的WA方法在这一区域更为精确。

2.1.4　流矢量方法

该方法的基本原理和WA方法类似，即涡旋可以直观地定义为速度场呈现旋转流动的区域[18]：速度矢量围绕中心顺时针或逆时针旋转。流矢量法从以下4个条件筛选涡旋：①沿东西方向，南北向流（v）通过涡旋中心时必须反向，且流速离中心越远越大；②沿着南北方向，东西向流（u）通过涡旋中心时必须反向，且流速离中心越远越大；③u和v的旋转方向必须同向，流速大小在涡旋中心有个极小值；④在涡旋中心周围，流矢量的方向必须以恒定的旋转方向改变，并且2个相邻速度矢量的方向必须位于相同或2个相邻的象限内（4个象限定义为南北和东西轴：第一象限包含从东到北的所有方向，第二象限包含从北到西的方向，第三象限包括从西到南的方向，第四象限包括从西到南的方向）。

使用流场矢量几何特征识别和追踪中尺度涡方法可以很好地适用于高分辨率数值模式和高频雷达观测的流场数据，并可推广到三维涡旋的识别。该方法应用海表面高度数据识别中尺度涡存在的主要问题为：①使用到2个参数（a和b）来约束涡旋的选取，尽管为算法提供了灵活性，但需仔细选择，且值的选取依赖于流场数据集的空间分辨率；②对不同尺寸涡旋的识别有一定的敏感性，在小涡旋的识别方面存在局限性。Nencioli等[18]使用该方法对高分辨率数值模式和高频雷达测量海表面流场进行中尺度涡识别，证明该方法具有较好的适用性。

从以上分析可以看出，闭合等值线方法基于涡旋辐聚辐散导致SLA高于或低于平均海面的特征来识别中尺度涡，可充分利用高度计卫星空间覆盖面广、精度高的优势。但在卫星观测误差较大的海域，如近海和近岸，会存在较大局限。OW数方法、WA方法和流矢量方法基于涡旋旋转特性来判别中尺度涡，可直接应用于数值模式、高频雷达等的流场数据。但若使用高度计资料计算的地转流识别中尺度涡，在低纬度地区会存在较大局限。

本文介绍的涡旋识别方法都属于欧拉方法[19]。此外，还可以使用拉格朗日轨迹中的“回路”部分对全球漂流浮标数据（Global Drifter Program，GDP）来探测涡旋（详见参考文献[22]）。

2.2 中尺度涡表观统计特性

Chelton等[10]分析了由2台同时工作的高度计卫星测量值融合而成的16年SLA数据，研究了全球海洋的中尺度涡表面特征。下面主要介绍该文的研究成果。

2.2.1　中尺度涡的形态特征

从高分辨率的SLA场中，可以发现中尺度涡旋的半径约为100 km。生命周期大于等于16周的长寿命涡旋的平均寿命、平均传播距离、平均振幅、平均半径分别为32周、550 km、8 cm和90 km。

根据Chelton等[10]的研究成果，总的来说，海洋中CE略多一些，而长寿命和长传播距离的涡旋更倾向于AC。但是在南半球，大振幅（>10 cm）和强旋转（>20 cm/s）的涡旋分布更倾向于CE。相比之下，北半球各个尺度的涡旋都倾向于AC分布。平均而言，大洋中的涡旋并非各向异性。在涡旋2/3范围内，平均形状接近于钟型（高斯）分布。尽管如此，仍有相当多的大涡旋为二项式分布，在动力学上意味着流体运动近似刚性旋转。

2.2.2　中尺度涡的非线性特征

由于中尺度涡旋与一阶斜压Rossby波有众多相似的地方，如在SLA都表现为高低交替分布、以相近的传播速度西传等，早期利用单个卫星高度计将SLA西传信号归结为Rossby波信号[23]。但由于线性Rossby波只能传递能量，无法传输质点，这也是线性波动和非线性涡旋的一个本质区别。此外，使用SLA信号得出的传播速度比经典Rossby波相速度快20%~30%。风应力的强迫、海洋中存在非静止的基流、海底地形、Rossby波的不稳定等[24]等理论被提出来解释这种“加速”现象。

根据判据U/c（U为涡旋外围地转流速最大一圈的平均值，c为涡旋平移速度）得出基本所有热带（20°S~20°N）以外的中尺度涡均为非线性。U/c>1表示涡旋内部可以捕获质点随着涡旋一起移动，如营养盐[25]、叶绿素浓度[26]、水量[27]、盐度和热量[28]等。热带外涡旋大部分为高度非线性，其中48%的涡旋U/c>5，21%的涡旋U/c>10。即使在热带，也有近90%的涡旋为非线性。

另外一个支持将观测到的SLA西传特征解释为非线性涡旋的证据是它们几近正西方传播，只具有小径向偏转（分别为气旋极向和反气旋赤道向），传播速度几乎等于长斜压Rossby波相速度。这些特征与非线性涡旋的理论预测一致[29,30]。虽然传播速度对涡极性没有明显的依赖性，但相对于长Rossby波相速度，涡旋速度在南半球比北半球快约20％。

3 中尺度涡的三维结构特征研究

3.1　中尺度涡三维结构现场调查研究

对中尺度涡旋三维结构认识最直接有效的手段是海上现场调查。早期的观测表明[31]，在海表以下存在着流速很强、流向反向的海流，这种中尺度涡具有很强的斜压性，且满足准地转平衡关系[32]。持续时间超过10年的大西洋百慕大时间序列研究（Bermuda Atlantic Time-series Study, BATS）[33]表明，中尺度涡三维结构至少有3种形态：气旋、反气旋和模态水涡旋[7,34,35]（图2）。气旋涡旋抬升季节和永久性跃层、反气旋涡旋下压跃层，模态水涡旋（也称次表层涡旋、温跃层内涡旋）呈现透镜状，即抬升季节性跃层、下压永久性跃层。Dong等[36]将流矢量法推广到三维涡旋的探测，发现南加州湾能够穿透400 m的三维涡旋分为碗状、腰鼓状和圆台状3类。

图2

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图2   中尺度涡旋分类示意图[7]

Fig.2   Schematic diagram of classifications of mesoscale eddies[7]


Hu等[37]对南海西南部一个涡旋对（CE和AC）进行了调查，该涡旋在水平和垂直方向上都不对称。CE靠近AC的东南侧流速较强，随着深度增加，涡旋逐渐减弱，且中心轴是倾斜的。Holte等[38]对东南太平洋海岸生成的涡旋进行了现场调查，发现CE 和AC在26.5 kg/m3等密度面上呈现正的盐度异常，意味着涡旋可以捕获并输送沿岸水离岸运动。Kurczyn等[39]对东北太平洋热带—副热带海域的一个CE 进行了观测，该气旋生成与沿海上升流事件期间。在其生长阶段，涡旋深达750 m，并在100 m水柱内混合水体，涡旋轴从海面到水下向东偏移约1.5个经度，因此在上层产生了南向经向热传输。Mao等[40]在距离澳大利亚西海岸几百公里的印度洋东南部的一次走航观测中发现来自于利文海流的两个反向旋转的中尺度涡旋。这两个涡旋具有不同的垂直结构：AC在200 m以上具有较强的垂直剪切，在混合层下方具有较小的分层温跃层，而CE在上部500 m处具有更多的正压结构。Zhang等[41]精细化观测了黑潮延伸体（Kuroshio Extension，KE）海域一个冷涡，发现温度异常在主温跃层中表现出垂直单极锥状结构，最高降温达7.3 ℃；盐度异常显示为垂直双核结构，主温跃层为盐度负异常，北太平洋中层水为盐度正异常。

3.2　中尺度涡三维结构合成研究

现场测量中尺度涡的方法虽然直接有效，但是耗时耗力，费用较高，一般只能对单个涡旋或多个涡旋进行个例观测，且大部分观测局限在近海或大洋的边缘。自1999年开始部分海域使用、2004年已覆盖全球海洋的自沉浮式剖面探测浮标Argo为了解海洋水下结构提供一个有效手段[42]。将卫星高度计观测海表面高度数据和Argo浮标的水下数据相结合，利用涡旋识别程序，可以合成出中尺度涡三维结构。

3.2.1　中尺度涡三维结构合成技术

首先将Argo浮标分为3类：位于气旋涡内、位于反气旋涡内以及位于涡旋外部。其合成步骤为[43]：①选择需要合成的区域。区域越小，涡旋的性质越均匀，性质越接近。但区域越小，包含的Argo浮标数量相对减少，使得用来合成的有效样本不足。②将选择区域内的Argo浮标与涡旋进行配对。需要挑选出在时间与Argo剖面观测时间最相近的那一次高度计观测。为了比较涡旋内外性质的差异，可选择1倍半径、1~2倍半径的浮标进行合成（图3）。③对每一个Argo浮标，将其温盐数据转化到涡旋的相对坐标系∆X,∆Y内（如1倍半径，1~2倍半径），并插值到网格点上。

图3

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图3   Argo浮标分布与中尺度涡位置关系

横、纵坐标为Argo浮标距涡中心东西向、南北向的相对距离，（0,0）坐标为涡旋中心，黑色圆为涡旋1倍半径；每个圆点代表1个Argo浮标，颜色表示浮标距涡旋中心的距离

Fig.3   Location of Argo floats in and outside of the mesoscale eddy

The horizontal and vertical coordinates are the relative distances of Argo floats from the eddy center along the east-west and north-south directions, respectively. The（0，0）coordinates are the center of the eddy，and the black circles are one times the radius of the eddy. Each dot represents an Argo float, and the color represents the distance from the center of the eddy


3.2.2　中尺度涡合成三维结构

使用上述中尺度涡三维结构合成方法，众多研究揭示了大洋不同海域中尺度涡的三维结构特征。

（1）太平洋中尺度涡三维结构特征。KE是北太平洋涡旋活动最活跃的海区。Sun等[44]对该海区的中尺度涡垂直结构进行了合成研究，结果表明，由涡旋调制的物理参数变化主要限制在800 m以上，该海域中尺度涡旋整体外观呈“子弹状”，涡旋上部半径大，下部半径小，垂向厚度为800 m。Dong等[45]的研究表明，涡旋在KE南北两侧分别具有次表层和近表层温盐异常强化特征，这主要是两侧层结背景不同导致的。

副热带逆流是北太平洋涡旋第二活动强烈的海域。Yang等[46]对该海域的中尺度涡旋特性进行了研究，发现该区域中尺度涡旋发生频率和动能普遍较高，并且向西逐渐增强。由于主温跃层中存在模态水，涡旋诱导的温度异常呈现出双核垂直结构，这在CE图像中尤为明显。由于垂直海水分层，盐度异常具有夹心状图案，这在AC图像中更明显。王茹等[47]比较了副热带逆流和KE两个区域的涡旋特征，发现中尺度涡的分布、振幅和能量等方面都存在差异。

在西南太平洋，众多岛屿深刻影响着涡旋特征。由于大多数涡旋形成于岛屿的背风面，向西传播遇到浅水时会衰减[48]。在斐济北部的热带地区，涡旋稀疏且短暂，只影响200 m以浅的海水特征。在珊瑚海不同来源海流之间的横向剪切区域中，涡旋更多，且更有活力。它们的影响深度至少为500 m，这有助于上层温跃层水的混合和输运。在新喀里多尼亚南部，中尺度涡旋广泛存在，寿命超过5个月。它们影响的温度、盐度和速度深度可达1 000 m，但对较低的温跃层水的混合作用很小。

在南大洋东边界流秘鲁—智利海域，Chaigneau等[49]研究了南太平洋东部环流系统中尺度涡旋的三维结构。结果表明，CE的核心集中在温跃层的25.2~26.0 kg/m3位势密度面内150 m深度处。相比之下，AC的核心位于约400 m深的温跃层下方，影响26.0~26.8 kg/m3位势密度层。这种差异归因于涡旋产生机制的不同。温跃层内CE由赤道向表面沿岸流的不稳定形成，而温跃层内AC由秘鲁—智利潜流产生。在涡旋核心中，AC（CE）最高温度和盐度异常为±1 °C和±0.1。

（2）大西洋中尺度涡三维结构特征。大西洋中尺度涡分布特征与太平洋相似。在西边界流的湾流海域，涡旋引起的温盐异常主要体现在500~1 000 m深度和海表附近，位于中间的北大西洋副热带模态水中变化较小。且AC引起的异常更为显著，影响的深度更深[50]。南大西洋的西边界流巴西—马尔维纳斯海域，中尺度涡活动同样活跃，会深刻影响水团的生成和变性，也是大西洋经向翻转环流的重要组成部分[51]。

具有海面盐度最大值的副热带东部海域的突出特征是相对较低的涡旋动能。虽然涡旋在表面具有相对较弱的信号（幅度仅在3~7 cm），但是合成结果显示涡旋可作用深达1 200 m[52]。此外，涡旋温度/盐度与上部300 m层的速度异常之间的存在相位相干性，会显著传输热盐。

（3）印度洋中尺度涡三维结构特征。南印度洋副热带海域存在一个涡旋活动的带状区域，称之为“南印度洋涡旋走廊”，活跃着大量表面强化和次表层强化涡旋[53]。其中，次表层强化涡旋在表层和次表层呈现相反的温度异常核心。在东南热带印度洋，涡旋诱导的异常主要局限于30 MPa以上[54]。在涡旋核心，CE（AC）可以在6~18 MPa引起2 °C的变冷（变暖），且在上部5（11） MPa中引起最大正（负）盐度异常0.1（-0.3）。

（4）南大洋中尺度涡三维结构特征。南大洋强劲风场驱动的南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）是中尺度涡频发的海域[55]，也是涡流相互作用显著的海域。AC和CE分别在ACC的南侧和北侧占主导。这种区域依赖性的主要原因是涡旋传播过程中会合并同性涡旋，进而增加该类涡旋的生命期、尺寸和强度。涡旋垂直向延伸至2 000 m深度以深，温盐异常最大值分布在近表面处。涡旋的捕获（远距离传播）和搅拌（局地作用）共同作用导致了这种结果。

（5）边缘海中尺度涡三维结构特征。南海是北太平洋最大的边缘海，也是涡旋活动频繁的海域之一。郑全安等[56]对南海中尺度涡研究发展史和最新研究进展进行了评述。He等[57]通过分析22年（1993—2015年）的逐日高度计资料，结合超过7 000个Argo剖面数据，更新了南海地区的表面涡旋特性。结果表明，两种极性涡旋具有长的圆锥形状，在合成CE（AC）涡旋中， 60 m（90 m）处的最大（最小）密度异常为0.55 kg/m3（-0.51 kg/m3）。谢旭丹等[58]合成了南海及南海各区域中尺度涡的三维结构，结果表明涡旋对温、盐异常的影响程度并不完全相同，可能与各区域涡旋的生成机制及背景温盐场有关。

在阿拉伯海，波斯湾水从北部流出，红海水从西北流出。这些从边缘海域流出的咸水团受到盆地西部中尺度涡旋的强烈影响[59]。使用Argo浮标合成发现，在阿曼湾和亚丁湾，涡旋核心的水比边缘更淡，说明海湾中大多数涡旋都是在阿拉伯海产生的。在这些涡旋中，与波斯湾和红海溢流相对应的盐度异常在其边缘处平均比在核心处更强，表明海湾中的涡旋通过平流作用影响其周围海域。

中尺度涡旋生成后，在地球旋转的作用下，一边自转，一边西传。由于其非线性的特征，能够维持源地水的物理特性。且各个大洋中水团分布各异，中尺度涡影响的效果也各不相同。影响中尺度涡温盐特性的物理机制包括非局地的捕获和局地的混合作用[55]。前者能够最大限度保持涡旋源地的特性，如温度、盐度、溶解氧等；后者与当地海洋环境混合，从而改变涡旋的固有特性。两者在不同位置、不同深度发挥的作用也不相同。在海表面处，海洋上层受到大气的热通量、风应力以及海洋本身流场的作用，温盐特性受到显著影响。在海洋内部，涡旋能够相对保持稳定的结构。Hassanzadeh等[60]推导出涡旋的纵横比（深度/半径）。统计结果表明，在中纬度对应于低纵横比，即大而浅；而高纬度是小而深的结构[61]。

综上所述，中尺度涡三维结构受到生成地和当地温盐背景环境的共同影响[62]。一般来说，温度异常在垂直方向上一般为单核，若涡旋流经含有中层水海域则盐度异常一般为上下层反向的双核结构。值得注意的是，使用卫星高度计结合Argo浮标的合成方法，由于假设了涡旋的形状为圆，因此合成结果只能反映中尺度涡的一维或二维结构。而精细化观测表明，中尺度涡水平方向并不是完全对称，在垂直方向也会倾斜[63]。如何准确刻画中尺度涡真正的三维结构，需要结合现场调查和数值模拟进一步研究。

4 两类特殊涡旋

海洋中尺度涡的生成、演变和消亡是一个复杂的非线性问题。中尺度涡生成所需的能量来源于有效位能的释放（斜压不稳定过程）和平均流的水平剪切（正压不稳定过程）等[64]。海洋中尺度涡一旦生成，在β效应（科氏力随纬度变化）作用下向西传播[29,30]，但会稍微的南北向偏离（AC向赤道、CE向极地）[65]，造成中尺度涡耗散、并最终消亡的物理过程包括西边界流[66]、海气相互作用[67]、激发惯性—重力内波[68]和地形等。由于对中尺度涡生消演变过程中能量收支的认识仍存在不足，海洋环流数值模式对中尺度涡的模拟普遍存在“过度耗散”问题[69]，即模式中的涡旋动能弱于观测值。本节从涡旋的生成、演变和消亡角度介绍两类普遍存在于海洋中的涡旋，包括墨西哥湾的回流环和大西洋的地中海涡旋。

4.1　回流环

回流（Loop Current）是佛罗里达海流的母体，是一股温暖的洋流。在古巴和尤卡坦半岛之间向北流动进入墨西哥湾后，向东和向南循环，最后通过佛罗里达海峡向东流出，加入墨西哥湾流，是墨西哥湾东部的主导环流特征。回流向北凸起时，随其移动的暖水从主流轴脱离，形成顺时针流环，称为回流环（Loop Current ring）（图4）。回流以准规则的方式脉动，每6~11个月脱落一次环。回流环的一个主要特征是包围着的暖水以每天2~5 km的速度向西漂移，在撞上德克萨斯或墨西哥海岸之前，它们的寿命长达1年。这些涡旋是由温暖的加勒比海水组成，并具有其物理特性，使其与周围海湾的水域隔离开来。这些环的直径可达200~400 km，深度可达1 000 m。

图4

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图4   墨西哥湾回流环示意图

墨西哥湾回流环形成过程：回流向北突起、脱落后形成回流环;使用2019年7月28日HYCOM海表流场资料绘制

Fig.4   Schematic diagram of Loop Current ring in Gulf of Mexico

The processes of a Loop Current ring in Gulf of Mexico: The ring is formed when circumfluence rises to the north and then falls off； The figure is drawn by HYCOM surface flow field on July 28, 2019


由细长蜿蜒强流挤压形成的环在其他西边界流也广泛存在，如南海[70]、黑潮、东澳大利亚，以及阿古拉斯（厄加勒斯）[71]等。这种环携带与周围水体不同的温度、盐度、营养物，对流经的海域产生深远影响，如吕宋海峡弯曲脱落形成暖涡将高温、高盐和低叶绿素浓度的太平洋水输送到南海[72]。

4.2　地中海涡旋

除了海表常见的AC和CE，在海洋内部，会存在形状为非常薄的透镜，其核心为旋转的实心圆盘，与周围区域有强剪切的模态水涡旋[73]（图2c），也称为次表层涡旋或温跃层内涡旋。这种类型涡旋中最大、最引人注目的是地中海涡旋（Mediterranean eddies，Meddies）（图5）。其产生的主要机制是地中海的高蒸发率导致该海盆的盐度显著增加，咸水和相对温暖的地中海水流经直布罗陀海峡，沿伊比利亚半岛流入东北大西洋。在一个中等深度（800~1 200 m），它流经一个复杂的水下峡谷和海角系统。在这个过程中，强烈的涡流从主流中分离出来，并扩散到海洋内部。Meddies在海洋中游弋，同时顺时针旋转，包围着咸水和温水，直径超过100 km，寿命跨度以年为单位。

图5

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图5   地中海涡旋（Meddy）分布示意图

数值代表盐度（单位：PSU）；地中海通过直布罗陀海峡沿地形向大西洋溢流高盐、高密度海水，在大西洋中等深度形成反气旋式涡旋(据参考文献[74]修改)

Fig.5   Schematic diagram of a Mediterranean eddy

The numerical values are the salinity (unit: PSU). Through the strait of Gibraltar, the Mediterranean Sea flooded the Atlantic Ocean with high-salt and high-density water, forming an anticyclonic eddy in the middle depth of the Atlantic Ocean（modified after reference [74])


此外，在加利福尼亚潜流中产生的长寿次表层涡旋被称为Cuddies（California Undercurrent eddies）[75]，以及红海向阿拉伯海溢出的高盐涡旋Reddy（Red Sea Water）[76]等。

5 存在问题

20世纪60年代中尺度涡的发现极大地改变了人们对海流流速慢、流向稳定的认识，使得海洋学研究从海盆尺度迈入中尺度。得益于覆盖全球海洋可分辨垂直几厘米变化的卫星高度计，大洋中广泛分布的Argo浮标，以及人们为认识海洋而进行大量现场观测实验，使得我们对中尺度涡的表观特性、三维结构特征有了更加深入的认识。以下，我们对中尺度涡研究存在的难点问题进行阐述。

5.1　次中尺度过程

对中尺度涡理论认识源于准地转平衡动力学，其中流体的运动速度U/L（U和L是特征水平速度和长度尺度）比地球的旋转速率（Ω）小10~100倍，即ULΩ≪1。中尺度涡的准地转特性被卫星测高数据所证实[77]。但是，随着更高分辨率观测手段的不断丰富，发现海洋中存在水平尺度为1~10 km，罗斯贝数（R0）接近于1的运动，称之为次中尺度过程[78]。次中尺度过程包括涡丝、锋面、次中尺度涡旋等现象，产生的机制包括混合层不稳定、锋生、湍热成风、岛屿尾流和再层化等[79]。计划于2021年发射的地表水和海洋地形（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）卫星将测量海面高度的水平分辨率提高到15~30 km[80]，与目前100 km量级的分辨率相比，能更多地揭示次中尺度过程，这为研究中尺度—次中尺度的尺度分离[81]、次中尺度的现象和机理提供了重要的观测依据。

5.2　中尺度涡能量耗散

海洋从大气中获得动能，驱动大尺度环流系统，生成中尺度涡旋。为了维持全球海洋能量平衡，中尺度的动能势必向更小尺度转移，最终在湍流尺度转换为热能耗散。在这个正向能量串级过程中，海洋中内波破碎是能量耗散的主要途径，而中尺度涡可以显著增强由于风产生内波引起的湍流混合[82]。但由于CE/AC对内波的传播效果不同[83]，如何量化介于大尺度和小尺度之间的中尺度涡在能量耗散过程中起的作用是一个值得深入研究的问题。

5.3　模态水涡旋

与有着闭合流线、海表面高度异常升高/降低的表面强化涡旋（图2a，c）相比，模态水涡旋（次表层涡旋或温跃层内涡旋）（图2b）的表面特征并不明显，无法使用本文介绍的方法进行识别和三维结构合成。且由于观测样本较小，对其生消演变规律也缺乏足够的认识。但这种次表层强化的涡旋广泛存在与世界大洋的各个海域，尤其在潜在大洋东边界流系内[84]。次表层强化涡旋通常表现为透镜状的AC，对这类涡旋的观测通常依赖于零星的现场观测。如何探测并合成出次表层涡旋三维结构需要进一步研究。

6 研究展望

针对海洋中尺度涡旋观测存在的问题和研究存在的难题，我们建议从以下几个方面开展中尺度涡研究。

6.1　中尺度涡立体化、机动性观测

Argo浮标的出现，使得我们对海表至2 000 m深度海洋内部物理过程有了更深入的认识。但受限于成本、Argo本身的特性，在观测空间、时间分辨率以及深、底层海洋观测方面仍然存在很大缺陷。“深海观测策略”[85]等大型观测计划的出现是对深海大洋观测的有效补充，尤其对可深入深海的强涡旋和次表层涡旋的观测有着很大的帮助。此外，水下滑翔机（Seaglider）是一种自主的水下航行器，可通过更改其浮力来垂直运动并使用机翼水平移动[86,87]。利用其高水平分辨率、机动性的特点，可以对特定中尺度涡进行现场强化观测实验[88,89]，加深对中尺度涡三维结构的理解和认识。

6.2　中尺度涡多学科融合式观测

海洋中尺度涡不仅改变海洋的物理特性，如温度、盐度、流场等，对海洋生物、化学等也有重要影响。如反气旋涡旋由于内部的下沉运动一般被认为是海洋中的“沙漠”。但观测研究表面，暖涡中异常温暖的海水将以表面为导向的食肉动物与中生代地球上最丰富的鱼类群落联系在一起，为鲨鱼到海洋透光层觅食提供有利环境[90]。涡旋也通过改变海水的层结稳定性抑制浮游植物的垂直混合过程，从而导致春季水华的发生[91]。

6.3　多尺度相互作用

海洋中尺度涡旋介于大尺度（包括海盆尺度、行星尺度）和次中尺度、小尺度（包括湍流运动）之间的运动形态，是海洋中能量串级中的重要一环。世界海洋科技大会发布“海洋领域前沿科学和工程技术十大难题”第一个就是海洋多尺度能量串级与输运。为了维持海洋的平衡态，能量必须从环流尺度跨越近10个数量级传递到湍流尺度。能量向小尺度的串级过程，涉及不同运动形式间强烈的非线性相互作用，并深刻影响着环流、涡旋和湍流运动等所引起的物质和热量输运。如何量化海洋涡旋在能量串级中的作用，需要从观测、数值和理论等多方面综合研究，协调发展。

相对于大尺度海洋环流，中尺度涡是海洋中的一种小尺度现象。而相对于内波、次中尺度过程等非平衡运动，中尺度涡又是一种结构化、满足准地转关系的平衡运动。中尺度涡旋介于海盆尺度和湍流尺度的特性决定了涡旋运动的复杂性。本文主要对中尺度涡的表观特性和三维结构进行了综述，而中尺度涡对大气[92]、生物[93]都会产生广泛而深远影响，这些本文并未涉及。

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