人类第一次观测到海洋中尺度涡,可以追溯到上个世纪30年代,当时Woods Hole 的Columbus Iselin和同事正在进行从蒙托克到百慕大的季度航行调查中,他们发现在某一区域,连续的墨西哥湾流不同断面流向并不一致,视乎是环流结构,但是当时还并没有中尺度涡的概念,Iselin以为是碰到了孤立波(Cullen,2005)。
这些“奇怪”的旋转环流到40年代才被确定为中尺度涡,这也得益于烟雾玻璃幻灯片海洋温度计(如下图)的应用,它可以观察得到海洋上层的温度廓线;以及可以精确到1Km的罗兰导航系统。
在1948年,已经是Woods Hole主管的Iselin和Fuglister带着这两项技术第一次有意寻找中尺度涡,他们在湾流区域发现了一个十天长度的冷涡。60年代后Fuglister开始专注研究涡流动力学,标志着中尺度弯曲和涡旋的科学调查真正开始。
早期(七八十年代)的中尺度涡研究重点关注其对海洋生态系统的影响,大部分通过航海站位观测分析中尺度涡生物/物理相互作用,主要包括中尺度涡和浮游动植物以及鱼群之间关系的观测,这也引起了人们对中尺度涡对海洋生物影响的相当大兴趣,但是这些早期观测局限于仅仅几次短时间的涡旋活动。
1970年前苏联推动的多边形实验真正拉开了海洋中尺度涡的研究序幕。当然,美国英国的MODE实验也很重要。
今天我们可以从卫星观测到中尺度涡,这些卫星以每隔大约一周的时间提供全球覆盖,主要通过海表高度计观测海表高度来反应中尺度涡,卫星高度计从70年代应用以来,不断的提高观测精度和分辨率,特别是92年发射的T/P卫星高度计,可以提供解析中尺度涡的产品,对海洋中尺度涡的卫星观测进入一个新时期。
Chlton等早在96年就通过分析中尺度涡的西传速度发现其满足线性罗斯贝波的相速度特征(如下图),实心点表示太平洋中尺度涡西传速度,空心点表示大西洋和印度洋的中尺度涡西传速度,黑线表示线性罗斯贝波的理论相速度,但是早期的单一T/P卫星高度计单还不足以完全解析中尺度涡。
新世纪以来,利用多卫星订正的海表高度资料能够更准确的刻画海洋中尺度涡的结构和特性,特别是发现中尺度涡具有明显的非线性罗斯贝波特征(Chelton et al.2007,2011)。
如今,海洋中尺度涡广泛存在的事实已经人所周知(如下图动画所示),除了关注其生态影响之外,越来越多的研究关注其本身的物理过程和气候影响。大量的研究表明中尺度涡和急流不稳定是密切相关,在全球西边界流及其延伸区和南极绕极流区域分布广泛;中尺度涡的运动在纬向上具有很好的西传特征,同时在经向上也有气旋冷涡向极运动,反气旋暖涡向赤道运动的统计特征。中尺度涡活动不仅对海洋生物分布具有一定影响,同时对海洋盐分和温度的空间分布也具有很大的影响,研究表明特别是在中高纬中尺度涡对于全球经向的盐分输送和热量输送都十分重要。
虽然卫星观测能力的提高,使我们确认了中尺度涡的广泛性,但是也只是提供给了我们中尺度涡的表皮,中尺度涡完整的三维结构还需更充分的观测,特别是海表以下。科学家们已经在局部利用各种浮标资料研究中尺度涡的立体结构,为我们揭示更加完整的中尺度涡面貌,其中中国科学家做出了大量的贡献(特别是海洋大学物理海洋实验室)。未来对海洋的探索和研究将会不断深入,随着国家对海洋科技的持续重视,相信越来越多的中国科学家会在这方面走在世界前列,也期待更多关于中尺度涡的研究结果。
参考文献:
Iselin C, Fuglister FC (1948) Some recent developments in the study of the gulf stream. Marine Res 7:317–329
Fuglister FC (1972) Cyclonic rings formed by the gulf stream 1965-66, Vol. Woods Hole Oceanographic Institution
Chelton DB, Schlax MG (1996) Global observations of oceanic rossby waves. Science 272:234
Cullen V (2005) Down to the sea for science: 75 years of ocean research, education, and exploration at the woods hole oceanographic institution, Vol. Woods Hole Oceanographic Inst
Chelton DB, Schlax MG, Samelson RM (2011) Global observations of nonlinear mesoscale eddies. Progress in Oceanography 91:167–216
Zhang Z, Wang W, Qiu B. Oceanic mass transport by mesoscale eddies.[J]. Science, 2014, 345(6194):322.
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