印度洋东南部的埃迪垂直结构与能量：对耗散和寿命的影响

《Progress in Oceanography》：Eddy vertical structure and energy in the southeastern Indian Ocean: implications for dissipation and lifespan

　　摘要：卫星观测显示，印度洋东南部的中尺度涡旋活动极为频繁，其表面特征存在显著的空间差异。本研究结合卫星数据与Argo浮标观测结果，分析了该区域涡旋垂直结构及体积积分能量的空间变化，重点探讨了这些特征与涡旋寿命之间的关系。气旋型涡旋表现出较强的区域差异，而反气旋型涡旋的变化则相对较小。那些在次表层增强的涡旋以气旋型为主，其密度核心位于750米深度附近，最大速度出现在约250米深度处，这类涡旋主要源自李温洋流系统以及南纬30度以南的开阔海域。涡旋寿命与体积积分能量之间存在密切关联，而后者又受涡旋振幅和垂直结构的控制。为进一步阐释这一关系，我们研究了涡旋能量方程中的能量耗散项。通过将涡旋能量耗散项表示为涡旋结构的函数，我们可以量化具有不同垂直结构的涡旋之间的能量衰减速率差异。在次表层增强的涡旋中，由垂直混合引起的耗散作用远弱于表层增强的涡旋。垂直混合会更快地消耗涡旋的势能，而水平混合则呈现相反的趋势。总体而言，由于具有更高的体积积分能量和更弱的垂直混合作用，李温洋流系统中的气旋型涡旋往往能维持更长的寿命。这些研究结果凸显了涡旋结构与能量在调控涡旋寿命方面的关键作用。

引言：中尺度涡旋的空间尺度为数十至数百公里，寿命则为数十至数百天，它们包含了海洋中绝大部分的动能（Wunch和Ferrari，2009）。这类涡旋不仅在输送水团、热量和盐分方面发挥着重要作用（例如Zhang等人，2014；Dong等人，2014及相关文献），还影响着营养物质的分布以及初级生产力的发展（Patel等人，2020）。卫星观测表明，印度洋东南部亚热带区域的涡旋动能相当可观（图1a），在这些区域，由涡旋引发的水平和垂直输送对水团分布、初级生产力以及气候变化起着至关重要的作用（Dufois等人，2014；Qu等人，2019；Guo等人，2020；Liu和Abernathey，2023）。印度洋东南部的中尺度涡旋主要源自两个重要的洋流系统：开阔海域的南印度逆流系统以及印度洋东南部东部边界处的李温洋流系统（Zhang等人，2020）。南印度逆流系统包括主要局限于上层200–250米深度的向东流动的南印度逆流，以及其下方的向西流动的南赤道流。南印度逆流的主流位于南纬10°至20°之间，从南印度逆流下方向南延伸，其向西流动的范围大约从350米深度一直延伸到1100米深度以上（Palastanga等人，2007；Talley等人，2011；Phillips等人，2021）。李温洋流系统则由表层（深度小于300米）向极地方向流动的李温洋流，以及次表层（大约300至800米深度）向赤道方向流动的李温潜流组成。南印度逆流系统和李温洋流系统都会出现强烈的斜压不稳定性和/或正压不稳定性（Batteen和Butler，1998；Feng等人，2005；Rennie等人，2007；Jia等人，2011），从而引发强烈的中尺度涡旋活动，进而影响印度洋东南部的环境状况。目前，通过案例研究（Morrow等人，2003；Feng等人，2007；Mao等人，2019）和统计分析（Dilmahamod等人，2018；He等人，2021），人们已经对印度洋东南部涡旋的三维结构进行了广泛研究。通过结合卫星观测得到的海面高度数据与Argo浮标观测数据，先前的研究已经确定了该区域两种具有不同垂直结构的涡旋类型：表层增强的涡旋和次表层增强的涡旋（Dilmahamod等人，2018）。在李温洋流系统中，气旋型涡旋主要以次表层增强为主，而反气旋型涡旋则多为表层增强型（Feng等人，2007；Mao等人，2019；He等人，2021）。次表层增强的涡旋的寿命略长于表层增强的涡旋（Dilmahamod等人，2018）。然而，印度洋东南部次表层增强型涡旋的产生地点的地理分布情况仍不明确。此外，气旋型涡旋与反气旋型涡旋在开阔海域的三维结构是否存在差异也尚不清楚。在李温洋流系统区域内，气旋型涡旋的寿命通常明显长于反气旋型涡旋，而在南印度逆流系统区域则不存在这种差异（Zhang等人，2020）。为了解释为何李温洋流系统中的气旋型涡旋寿命更长，人们提出了多种因素，包括它们较大的相对涡度值和更强的非线性特征（Zhang等人，2020），以及更深的垂直延伸范围和更高的体积积分能量（He等人，2021）。相比之下，在李温洋流系统之外，气旋型涡旋与反气旋型涡旋的寿命趋于接近，这就引发了这样一个问题：寿命差异的缩小是否与它们垂直结构的趋同有关？本研究的主要目的是探讨印度洋东南部涡旋三维结构的空间分布，并分析其垂直结构、能量与寿命之间的关系。我们采用了He等人（2021）提出的重建方法，并对其进行了适度改进，该方法能够区分Argo浮标观测到的密度异常中的背景成分和涡旋引起的成分，从而实现对较小区域的涡旋结构进行综合分析（详细内容见第2节和附录A）。利用这种方法，我们分析了涡旋垂直结构的区域差异，计算了各个子区域的涡旋体积积分能量，并研究了这些参数与涡旋寿命之间的关系。本文的其余部分结构如下：第2节介绍数据与方法；第3节分析涡旋表面特性、垂直结构及能量的空间分布；第4节探讨能量耗散对涡旋寿命的影响；第5节总结主要研究发现。

片段摘录：高度计、涡旋及Argo浮标数据：卫星观测得到的海平面异常值和表面地转速度异常值来自哥白尼海洋环境监测服务平台（https://marine.copernicus.eu/）。这些数据为每日采样，空间分辨率为0.25°×0.25°。我们使用了1993年1月至2018年12月的“所有卫星数据合并”版本。表面涡旋动能通过公式EKEsur=ug′2+vg′2/2来估算，其中ug′和vg′是通过特定方法得到的表面地转速度异常值。

涡旋寿命在印度洋东南部的空间分布（图2a）呈现出一个显著特点：起源于东部边界附近大约10°经度带的气旋型涡旋的寿命，明显长于其他类型的涡旋，比如同样起源于该区域的反气旋型涡旋或开阔海域中的涡旋。具体而言，起源于最东部子区域的气旋型涡旋的平均寿命超过97天，而其他类型涡旋的寿命约为60天（图2a）。

涡旋结构对能量耗散的影响：为研究能量耗散对涡旋寿命的影响，我们假设动量传递遵循水平与垂直拉普拉斯粘性规律，密度传递则遵循扩散规律。同时，动量和密度的水平与垂直混合系数均采用相同的值Ah和Az。基于这些假设，仅保留时间演化过程中的耗散项后，体积积分形式的涡旋动能方程和涡旋势能方程可表示为：dK/?t=-AhεhK-AzεzK，dP/?t=-AhδhP-AzδzP，其中的阻尼系数分别为……

结论：通过卫星观测数据和Argo浮标数据，本研究分析了印度洋东南部涡旋垂直结构与能量的地理分布，并探讨了它们与涡旋寿命之间的关系。综合分析表明，涡旋垂直结构的空间分布主要与平均洋流系统及纬度有关。值得注意的是，气旋型涡旋的垂直结构在不同子区域之间存在显著差异，而反气旋型涡旋的结构变化则相对较小。

作者贡献说明：Yinghui He：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、方法学、资金获取、正式分析、数据整理、概念构建。Wenshuo Ding：可视化、验证、软件应用、正式分析、数据整理。Qingyou He：写作——审稿与编辑。Xiaoming Zhai：监督、方法学指导。Tongya Liu：资金获取。Yankun Gong：写作——审稿与编辑。Jieshuo Xie：资金获取。Jiexin Xu：项目管理。Zhiwu Chen：……

未引用参考文献：Cushman-Roisin，2011；Ferrari和Wunsch，2009；Kang和Curchitser，2015；Liu等人，2024；Wunsch和Ferrari，2004。

利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDA0370101）、国家自然科学基金（42276015、42227901、42106008、42376019和42276022）、中国科学院青年创新促进会（2019336）、国家重点研发计划（2023YFF0805300）、广东省自然科学基金（2021A1515012538、2021A1515011613、2023A1515011023和2024A1515012549）以及广州市科学……等机构的支持。

作者名单：Yinghui He|Wenshuo Ding|Qingyou He|Xiaoming Zhai|Tongya Liu|Yankun Gong|Jieshuo Xie|Jiexin Xu|Zhiwu Chen|Juan Li|Pengfei Lin|Shuqun Cai

单位：中国科学院南海海洋研究所热带海洋学国家重点实验室，中国广州兴港西路164号，邮编510301