全球涡旋经向偏转的遥感研究：物理机制与海洋学应用

中国海洋大学陈戈教授团队通过高度计观测的海洋涡旋运动轨迹，发现了涡旋经向偏转的高度空间依赖特征，并受到涡旋地转性等动力因素调制，《中国科学：地球科学》中英文版2024年第3期发文报道了该成果。

《中国科学：地球科学》中英文版2024年第3期发表了中国海洋大学陈戈教授团队的研究成果，该研究团队从遥感观测视角揭示了全球海洋涡旋的经向运动特征，发现涡旋的经向偏转规律不同于传统认为的由其极性主导（即遵循气旋涡向极地偏转、反气旋涡向赤道偏转），而是在涡旋地转性等动力因素的调制下呈现高度的空间依赖性。

研究人员通过近30年卫星高度计识别和追踪的涡旋轨迹数据集，分别计算了气旋涡和反气旋涡在运动过程中的经向偏转角，并合成得到不同极性涡旋经向偏转角的全球分布图（图1），清晰地揭示出涡旋经向偏转的规律实际上是空间依赖的：在东太平洋区域，存在显著的“舌状”向赤道偏转区，而在赤道区域以及黑潮、墨西哥湾等强西边界流区域均存在洋盆尺度的涡旋极地偏转。即使区分涡旋的纬向传播方向（即东西向）与涡旋极性，其经向偏转的地理分布规律仍是高度相似和鲁棒的。也就是说，经典理论认为的反气旋涡和气旋涡在β效应下分别有向赤道和向极地的偏转规律，从真实遥感观测上看实际上被过度简化了。

图1 反气旋涡和气旋涡的经向偏转角年气候态地理分布. (a)反气旋涡; (b)气旋涡

研究人员进一步分析了调制涡旋经向偏转的物理机制，发现地转调整效应对调制涡旋经向偏转起着关键作用。例如，对于水平尺度小于Rossby变形半径尺度的涡旋，无论极性如何，均呈现出向极地的偏转趋势（图2）。这一现象可以理解为尺度较小、形态不稳定的非地转涡旋在不平衡的状态下受到了地转效应调制，要得以“生存”便需要向能够达到地转平衡状态的纬带（即向高纬）移动。此外，影响涡旋经向偏转的主要机制也与其运动方向相关，西向运动的涡旋（特别是长距离传播的涡旋）将一定程度上受到海表温度热衰减的影响，而东向运动涡旋则主要受到背景流场的拖曳作用，倾向于沿着流轴方向运动。

图2 南大西洋区域反气旋地转涡与非地转涡的真实轨迹地理分布和归一化分布

中尺度涡遍布海洋，且具有洋盆尺度的物质裹挟和传播能力，对物质能量的输运和分配、生物地球化学过程以及海气相互作用均有重要意义。该研究指出，当开展涡旋运动学及动力学的相关研究时，若能全面考虑主导机制下的涡旋经向偏转特征，将在一定程度上避免结论的误导性，并对实现涡旋轨迹高精度预测，以及海洋环境监测和保护具有重要意义。