点击蓝字 关注我们
封面故事| 2024年第9期
南海中尺度涡轨迹
可预报性期限研究
2017 年 11 月 21 日，美国宇航局 Aqua 卫星上的中分辨率成像光谱仪 (MODIS) 仪器捕获了塔斯曼海中由浮游植物大量繁殖所显示的中尺度涡结构 ，白色斑块是云。图片来源：NASA/海洋生物处理小组、戈达德太空飞行中心。
你知道吗？大海中有一种神秘而强大的现象——中尺度涡旋（OME），它们在海洋中的运动不仅影响海洋环流和全球气候，还对海洋生态系统有显著影响。中尺度涡流在海洋中无处不在，并且通常表现出与周围环境不同的特性，使它们能够在海洋周围传输热量、盐和碳等特性。海洋环流中超过一半的动能一半以上包含在中尺度涡流场中 ，超过了大尺度环流所含能量。预测中尺度涡的变化，特别是中尺度涡旋的轨迹变化一直是个挑战。通过对涡旋运动轨迹的可预报性的研究，我们可以更好地理解它们的变化和传播过程，及其对环境的影响。
位于南海的一对气旋涡（蓝色）和反气旋涡（红色）。
图片来源：作者提供
南海是中尺度涡旋活动的一个重要区域，这些涡旋在质量、热量、盐度和营养物质的输送中起着关键作用。准确预测这些涡旋的轨迹，对于理解海洋环流具有重要意义。然而，由于中尺度涡旋的非线性和复杂动态过程，预测这些涡旋的轨迹一直是海洋预报系统面临的重大挑战。
为此，在国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国科学院战略先导项目的协助下，中国科学院大气物理研究所刘海龙（现崂山实验室）研究员团队以及合作者利用多套中尺度涡观测数据结合非线性李雅普诺夫指数方法估算理论上的中尺度涡轨迹的预报期限。并根据中尺度涡的不同特性以及南海的季节性特征，分类讨论了各个因素下可预报性期限的差异，力求正确了解不同中尺度涡和环境下对可预报性期限的影响。预测这些涡旋的运动轨迹，不仅能提升海洋预报系统的精度，还能促进我们对海洋动力过程的理解。
“研究这些涡旋有助于我们更好地理解海洋运动和气候变化的复杂性”，刘海龙研究员说，“通过预测这些涡旋的行为，我们可以更有效地为海上经济活动提供保障。”
左图是生命周期超过112天的涡旋轨迹，红色代表反气旋涡，蓝色代表气旋涡，可以看到轨迹主要沿着地形，如大陆坡边界由东向西移动，以及绕开了海山。右图是提取初始误差增长的示意图：参考 涡旋 （红色）和相似涡旋 轨迹（黄色）成为误差增长的样本。在每个时间步长（t_k，k=0,1,2,3，......），利用之间绝对距离误差的增两者长率来估算 NLLE。（图片来源：作者提供）
01
中尺度涡的预报期限
通过非线性局部Lyapunov指数（NLLE）方法，研究团队系统地分析了南海中尺度涡旋轨迹的预测极限。结果显示，中尺度涡旋的预测极限因其特性而异。长寿命、大振幅和大半径的涡旋预测性更高，预测极限超过60天。相较之下，短寿命、小振幅和小半径的涡旋预测性较低，约为40天。
三套中尺度涡数据(a) Chelton、(b) Faghmous 和 (c) Dong 的涡旋轨迹轨道的平均误差增长。蓝色曲线代表 气旋涡，红色曲线代表 反气旋涡。虚线为饱和值的 95% 水平。（图片来源：作者提供）
02
涡旋轨迹的复杂性
为了进一步解释涡旋轨迹的复杂性，研究团队引入了复杂度指数（CI），复杂度指数越高意味着轨迹相对简单。结果显示，长寿命和大振幅的涡旋主要分布在南海北坡和吕宋海峡西部，这些区域的复杂度指数较高。然而，对于大半径的反气旋涡旋，复杂度指数较低，表明复杂度指数不能完全代表轨迹的复杂性。
不同涡旋特征下的轨迹分布。（图片来源：作者提供）
未来的研究中，作者团队将考虑更多因素，如轨迹形状、转向角度和急剧转向，以生成更综合的轨迹复杂性指标。这将有助于我们更准确地预测涡旋的运动轨迹。
03
季节性变化对涡旋预报期限的影响
了解这些季节性变化有助于我们在不同季节更准确地预测中尺度涡旋的运动，这对渔业管理和海洋运输具有重要意义。
作者团队研究发现，中尺度涡旋的预测极限存在显著的季节性变化。秋季反气旋涡旋的预测极限最高，为52天，而冬季气旋涡旋的预测极限为53天。相较而言，夏季气旋涡旋的预测极限最低，仅为30天。预测性较高的OME轨迹位置往往与周期性OME重叠，因此文章中特别讨论了周期性涡旋的可预报性期限结果。
《大气科学进展》2024年第9期封面图片
04
周期性涡旋的独特性
周期性涡旋是南海经常在固定的时间和地点生成的有规律性的涡旋，它们往往每年都会生成。结果显示，周期性涡旋的预测极限为49天，这些涡旋通常寿命较长、强度较大，主要位于吕宋海峡东部和吕宋岛西海岸。
“周期性涡旋的存在使得这些区域的涡旋运动更具可预测性”，刘海龙研究员提到，“这为我们提供了一个新的研究视角，帮助我们更好地理解和预测海洋涡旋的行为。”
05
总结与展望
总的来说，本研究揭示了南海中尺度涡旋轨迹的预测期限及其影响因素。这一研究不仅有助于理解中尺度涡旋的可预报性特征，也有利于理解中尺度涡的动力学过程，为未来进一步更提高海洋预报的准确性、更好地保障海上的经济活动以及防灾减灾。
Cite this article:
Liu, H. L., P. X. Chu, Y. Meng, M. R. Ding, P. F. Lin, R. Q. Ding, P. F. Wang, and W. P. Zheng, 2024: The Predictability Limit of Oceanic Mesoscale Eddy Tracks in the South China Sea. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-024-3250-7
Download:
http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-024-3250-7
作者介绍:
刘海龙
研究员，崂山实验室，中国科学院大气物理研究所
主要从事海洋环流模式模式的发展和应用工作。任海洋湖沼学会气候、潮汐与海平面分会理事、《海洋学报》中英文版编委。在Nature Climate Change、Nature Communications等期刊发表多篇高影响论文， SCI引用4000余次。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等。入选2021年路透社气候变化研究领域全球最具影响力的1000位科学家名单。
楚苹瓖
博士研究生
目前就读于中国科学院大学，中国科学院大气物理研究所。
孟瑶
博士研究生
目前读于英国埃克塞特大学（University of Exeter），硕士毕业于中国科学院大学，中国科学院大气物理研究所。
编辑制作：金 玲
校对：石傲兰
审核: 周 玲
关注大气科学进展
大气科学进展
Advances in Atmospheric Sciences
科研前沿|行业热点|学科动态
写作规范|投稿技术|科研工具
长按二维码，关注我们
大气科学进展
《大气科学进展(英)》(Advances in Atmospheric Sciences，简称AAS)——中国大气科学领域学术水平最高的英文期刊之一，1984年创刊，1999年被SCI收录。最新影响因子6.5，JCR分区位列Q1区。
AAS主要发表大气和海洋科学领域的创新性研究成果，刊登气候学、大气物理学、大气化学、大气探测、气象学、天气学、数值天气预报、海洋-大气相互作用、人工影响天气和应用气象学等各主要分支学科的国际最新创造性论文和研究进展的综合评述。AAS积极扩展栏目，除学术论文外，还设有数据描述文章、会议报告（特邀）、学科亮点(News&Views)（特邀）、展望（Perspectives）（特邀）及有关大气科学领域研究进展的讨论等。
AAS由国际气象学和大气科学协会（IAMAS）中国委员会、中国科学院大气物理研究所、中国气象学会主办，由Springer和科学出版社共同出版，是国际IAMAS的合作期刊。来自9个国家、36个专业科研机构的60多位优秀责编全程监督审稿过程。
更多信息，欢迎登录AAS官方网站了解：
http://www.iapjournals.ac.cn/aas
