視野 丨 海洋中尺度渦的研究歷史

视野 丨 海洋中尺度涡的研究历史

人類第一次觀測到海洋中尺度渦,可以追溯到上個世紀30年代,當時Woods Hole 的Columbus Iselin和同事正在進行從蒙托克到百慕大的季度航行調查中,他們發現在某一區域,連續的墨西哥灣流不同斷面流向並不一致,視乎是環流結構,但是當時還並沒有中尺度渦的概念,Iselin以為是碰到了孤立波(Cullen,2005)。

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這些“奇怪”的旋轉環流到40年代才被確定為中尺度渦,這也得益於煙霧玻璃幻燈片海洋溫度計(如下圖)的應用,它可以觀察得到海洋上層的溫度廓線;以及可以精確到1Km的羅蘭導航系統。

在1948年,已經是Woods Hole主管的Iselin和Fuglister帶著這兩項技術第一次有意尋找中尺度渦,他們在灣流區域發現了一個十天長度的冷渦。60年代後Fuglister開始專注研究渦流動力學,標誌著中尺度彎曲和渦旋的科學調查真正開始。

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早期(七八十年代)的中尺度渦研究重點關注其對海洋生態系統的影響,大部分通過航海站位觀測分析中尺度渦生物/物理相互作用,主要包括中尺度渦和浮游動植物以及魚群之間關係的觀測,這也引起了人們對中尺度渦對海洋生物影響的相當大興趣,但是這些早期觀測侷限於僅僅幾次短時間的渦旋活動。

1970年前蘇聯推動的多邊形實驗真正拉開了海洋中尺度渦的研究序幕。當然,美國英國的MODE實驗也很重要。

今天我們可以從衛星觀測到中尺度渦,這些衛星以每隔大約一週的時間提供全球覆蓋,主要通過海表高度計觀測海表高度來反應中尺度渦,衛星高度計從70年代應用以來,不斷的提高觀測精度和分辨率,特別是92年發射的T/P衛星高度計,可以提供解析中尺度渦的產品,對海洋中尺度渦的衛星觀測進入一個新時期。

Chlton等早在96年就通過分析中尺度渦的西傳速度發現其滿足線性羅斯貝波的相速度特徵(如下圖),實心點表示太平洋中尺度渦西傳速度,空心點表示大西洋和印度洋的中尺度渦西傳速度,黑線表示線性羅斯貝波的理論相速度,但是早期的單一T/P衛星高度計單還不足以完全解析中尺度渦。

新世紀以來,利用多衛星訂正的海表高度資料能夠更準確的刻畫海洋中尺度渦的結構和特性,特別是發現中尺度渦具有明顯的非線性羅斯貝波特徵(Chelton et al.2007,2011)。

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如今,海洋中尺度渦廣泛存在的事實已經人所周知(如下圖動畫所示),除了關注其生態影響之外,越來越多的研究關注其本身的物理過程和氣候影響。大量的研究表明中尺度渦和急流不穩定是密切相關,在全球西邊界流及其延伸區和南極繞極流區域分佈廣泛;中尺度渦的運動在緯向上具有很好的西傳特徵,同時在經向上也有氣旋冷渦向極運動,反氣旋暖渦向赤道運動的統計特徵。中尺度渦活動不僅對海洋生物分佈具有一定影響,同時對海洋鹽分和溫度的空間分佈也具有很大的影響,

研究表明特別是在中高緯中尺度渦對於全球經向的鹽分輸送和熱量輸送都十分重要。

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雖然衛星觀測能力的提高,使我們確認了中尺度渦的廣泛性,但是也只是提供給了我們中尺度渦的表皮,中尺度渦完整的三維結構還需更充分的觀測,特別是海表以下。科學家們已經在局部利用各種浮標資料研究中尺度渦的立體結構,為我們揭示更加完整的中尺度渦面貌,其中中國科學家做出了大量的貢獻(特別是海洋大學物理海洋實驗室)。未來對海洋的探索和研究將會不斷深入,隨著國家對海洋科技的持續重視,相信越來越多的中國科學家會在這方面走在世界前列,也期待更多關於中尺度渦的研究結果。

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