Similarities and differences in statistical characteristics of mesoscale eddies between southeastern tropical Indian Ocean and northern South China Sea
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摘要: 热带东南印度洋和南海北部在地形和背景环流特征方面均具有相似性，且均存在较为活跃的中尺度涡运动。本文基于卫星高度计观测，对这两个海域中尺度涡的统计特征、季节和年际变化进行了对比分析。结果表明，生成于热带东南印度洋和南海的中尺度涡数量均随其生命周期增长近似指数衰减，平均以0.2 m/s的速度向西或西南移动，但前者的平均半径更大，后者的平均振幅更强。在季节变化方面，涡动能均在北半球春季最小，在秋季最大，但热带东南印度洋涡旋生成数在夏−秋季最多，而南海北部在冬−春季最多。在年际变化方面，热带东南印度洋和南海北部涡旋活动均受到厄尔尼诺−南方涛动（ENSO）的影响，在厄尔尼诺年涡动能更强，而拉尼娜年涡动能更弱，但ENSO影响这两个海域中尺度涡的机制略有不同，前者主要通过调制印尼贯穿流，从而抑制或增强该海域斜压不稳定能量实现，而后者主要通过改变南海局地风场，从而产生风应力旋度异常实现。此外，热带东南印度洋中尺度涡还受到印度洋偶极子的影响，而南海北部中尺度涡则与印度洋偶极子之间相关较弱。Abstract: Both the southeastern tropical Indian Ocean and the northern South China Sea are similar in topography and background circulation characteristics, and both have active mesoscale eddy motion. Based on satellite altimeter data, the seasonal and interannual variations of mesoscale eddies in these two sea areas are compared. The results show that the number of mesoscale eddies generated in the southeastern tropical Indian Ocean and the northern South China Sea decay exponentially with the growth of their life time. Mesoscale eddies in these two sea areas move to the west or southwest with an average speed of 0.2 m/s, but the average radius of the former is larger and the average amplitude of the latter is stronger. In terms of seasonal variation, the eddy kinetic energy is smallest in spring and largest in autumn in the northern hemisphere, but the eddy generation number in the southeastern tropical Indian Ocean is largest in summer-autumn and the northern South China Sea is largest in winter-spring. In interannual variation, the eddy activity in the southeastern tropical Indian Ocean and the northern South China Sea is affected by El Niño-Southern Oscillation (ENSO). The eddy kinetic energy is stronger in El Niño year and weaker in La Niña year, but the mechanism of ENSO affecting the mesoscale eddy in these two areas is slightly different. The former is mainly achieved by modulating Indonesian Throughflow to suppress or enhance the baroclinic instability energy in this area, while the latter is mainly achieved by changing the local wind field in the northern South China Sea to produce wind stress curl anomaly. In addition, the mesoscale eddy in the southeastern tropical Indian Ocean is also affected by the Indian Ocean Dipole, while the correlation between the mesoscale eddy in the northern South China Sea and the Indian Ocean Dipole is weak.
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1. 引言
中尺度涡（mesoscale eddies）是海洋中一种水平尺度在几十至上百千米范围内，生命周期为2～10个月的具有非线性特征的旋转水团或涡旋结构，普遍存在于全球各大洋和海区[1–3]。中尺度涡的形成通常与多种因素相互作用有关，包括海洋流动、背景风场和海底地形等。中尺度涡在海洋中扮演着重要的角色，它们不仅影响局部海域的温盐结构和流场分布，在海洋中的物质输运、能量转移和生态系统等发面也发挥重要作用[4–7]。从全球角度来看，涡旋强度高值区主要分布在副热带海域，尤其是西边界湾流区，此外低纬度地区涡旋强度也相对较高；上述海域中就包括热带东南印度洋与南海北部海域[8–10]。
热带东南印度洋和南海北部作为中尺度涡活动频繁的区域，地理特征存在相似之处：两个海域位于陆地南侧，东部都有一支自东向西的贯穿流，将物质和能量通过海峡输送到研究海域，同时气候异常事件的信号也随着贯穿流进入海域，通过改变局地海域稳定性对中尺度涡的生成演化过程产生影响。不同之处在于，热带东南印度洋海域西侧开阔，无陆地阻挡，印尼贯穿流自东向西汇入南赤道流中，产生的速度切变影响中尺度涡的生成演化；南海北部海域的西侧有中南半岛阻挡，南海贯穿流在地形限制下向西南方向流动。
热带东南印度洋（southeastern tropical Indian Ocean, SETIO）海域中尺度涡活动十分活跃，为其提供能量的斜压不稳定主要来源于两方面：一方面，热带东南印度洋是印尼贯穿流的出流区，环流系统复杂，印尼贯穿流（ITF）、南赤道流（SEC）和南爪哇流（SJC）都流经这片海域，洋流交汇产生的速度切变导致该海域斜压不稳定十分强烈；另一方面，热带东南印度洋同时是厄尔尼诺−南方涛动（ENSO）、印度洋偶极子（IOD）等气候异常事件的重要发生海域之一，气候模态影响局地热含量的分布，产生的温度梯度引起斜压不稳定[11–13]。统计结果显示，不同的涡旋识别和追踪方法会导致涡旋统计特征存在差异，研究区域、时间长度和限制条件的不同也会影响统计结果。根据风向角法和闭合等值线法计算结果，热带东南印度洋平均每年有43.7～57.2个中尺度涡生成，这些涡旋多数向西传播，传播速度为0.16 m/s，平均半径为150 km左右，平均生命周期约为50 d[14–16]；而O-W参数法计算结果表明热带东南印度洋平均每年有107个中尺度涡生成，平均半径在90 km左右[16]，具体统计特征如表1所示。
表 1 不同文献对热带东南印度洋中尺度涡活动及动力参数的统计结果Table 1. Statistics of activities and dynamic parameters of mesoscale eddies in southeastern tropical Indian Ocean from previous studies南海（South China Sea，SCS）是西太平洋边缘最大的半封闭海，其东侧的吕宋海峡是南海与西北太平洋进行物质和能量交换的重要通道。作为北太平洋最强劲的西边界流，黑潮流经吕宋海峡东侧，并在冬季通过吕宋海峡进入南海，以不同方式为中尺度涡的形成提供能量，例如黑潮流套（Kuroshio loop）、黑潮流弯（Kuroshio meander）和黑潮入侵（Kuroshio intrusion）等[17–19]。南海地处东亚季风区，受黑潮、局地风应力、地形作用和太平洋中尺度扰动等多种因素的影响，斜压不稳定性较强，涡旋活动强烈[19–22]，因此成为国内外学者的研究热点。由于不同的涡旋识别和追踪方法会导致统计数量有明显差异，南海中尺度涡年平均生成的数量仍不能确定，范围约在10.8～48.6个之间[20]。此外，南海10°N以北的存在两条中尺度涡活动强烈的带状海域，其中较强的一支贴近西北边界
2000 m等深线; 另一支自中南半岛南部沿海呈东北—西南走向延伸至吕宋海峡西部[23–24]。热带东南印度洋和南海北部中尺度涡活动的季节变化和年际变化特征受到厄尔尼诺−南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）事件的影响[24–28]。西太平洋风场和热含量异常信号由印尼贯穿流传递至热带东南印度洋，通过改变热带东南印度洋的层结稳定性进而影响中尺度涡的生成演化过程，而ENSO事件对西太风场和热含量异常起到年际调制作用[15, 25–26]。南海的中尺度涡活动具有显著的年际变化，与ENSO事件循环有一定的关联：El Niño 年涡旋个数较少，涡动能相对较小；La Niña 年则相反，涡旋个数较多，涡动能相对较大[27, 29]。由于ENSO事件的调制作用，印尼贯穿流和南海贯穿流存在反位相的年际变化关系[30–31]，但是热带东南印度洋和南海北部中尺度涡活动是否同样存在这种关系尚不清楚。两个海域中尺度涡的统计特征存在季节变化。热带东南印度洋上半年涡旋强度较弱，7–9月涡旋强度显著增强，10月达到峰值，这主要是受到季风和背景环流的季节循环影响[11–12, 32–33]；南海气旋涡数量的季节变化并不明显，反气旋涡数量在夏冬季节存在峰值，受到南海季风的季节循环调控[19, 34–36]。
综上所述，热带东南印度洋和南海北部是涡旋运动活跃的地区，地理特征存在相似之处，并且涡旋活动的季节变化和年际变化都受到ENSO事件的影响，但是两个海域涡旋统计特征的变化规律，生成和演化过程中的机制异同点，以及与ENSO等气候异常事件的响应过程是否相同等问题尚不明晰。为进一步了解热带东南印度洋与南海北部中尺度涡活动之间的相关性，本文基于法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心（AVISO）最新的延迟时间全球中尺度涡旋轨迹数据集，分别统计了热带东南印度洋和南海北部1993–2020年中尺度涡的分布特征和属性特征，对比两个海域中尺度涡统计特征的异同，并进一步分析中尺度涡活动的季节变化与年际变化，探究中尺度涡活动与厄尔尼诺–南方涛动（ENSO）之间的联系。
2. 数据与方法
2.1 数据介绍
本文使用的涡旋数据来源于AVISO发布的全球每日中尺度涡流轨迹图集产品（The Mesoscale Eddy Trajectories Atlas Product），是双卫星系统的延迟格点数据集，版本号为META3.2DT[3, 37]。该数据集通过哥白尼气候变化服务中心（Copernicus Climate Change Service，C3S）提供的全球海洋卫星观测的海平面网格数据进行识别和追踪中尺度涡，时间分辨率为1 d，空间分辨率为0.25°，研究时间为1993年1月至2020年12月。本文选用的涡旋数据集根据Pegliasco等人的方法对涡旋进行识别和追踪，他们采用闭合等值线法识别中尺度涡，该方法的原理是在地转平衡状态下，海平面高度异常（SLA）等值线近似平行于流线等值线，因此可利用SLA等值线代替流线进行计算，减少计算量的同时提高计算的准确性。中尺度涡平均涡动能（Eddy Kinetic Energy，EKE）的计算是通过AVISO DUACS 2018数据集中海表地转速度异常数据实现的（
https://www.aviso.altimetry.fr/ ）。该数据集融合了TOPEX/Poseidon、ERS-1和ERS-2、Jason-1、Jason-2、Jason-3、Cryosat-2、ALtiKa、Sentinel-3A、EnviSat、GFO（Geo Follow-On）和HY-2A全卫星数据，时间分辨率为1 d，空间分辨率为0.25°。研究区域为5°～20°S，98°～128°E以及14°～24°N，108°～122°E。追踪的涡旋生命周期应超过4周[3]，降低SSH场中噪声产生虚假涡旋的风险。2.2 涡动能计算
中尺度涡的涡动能通过地转速度异常计算得到。地转速度异常定义为地转流速度与平均速度之差，其中平均速度通过计算1993–2012年的速度平均得到。计算公式如下：
$$ {\mathrm{EKE}}=\frac{1}{2}\left({U}_{{\mathrm{gos}}}^{2}+{V}_{{\mathrm{gos}}}^{2}\right)， $$ (1) 式中
$ {U}_{{\mathrm{gos}}} $ 和$ {V}_{{\mathrm{gos}}} $ 分别为纬向和经向地转速度异常。地转流速度根据地转平衡关系基于海平面高度数据进行计算。图1是根据公式计算得到1993–2020年SETIO和NSCS海域的平均涡动能和背景环流场，并标注了文中提到的有关地名。印尼贯穿流（ITF）、南赤道流（SEC）和南爪哇流（SJC）在爪哇岛南部交汇，速度切变产生的斜压不稳定为中尺度涡的产生和发展提供能量；黑潮从吕宋海峡入侵南海北部，促进中尺度涡的形成。SETIO海域平均涡动能计算结果与前人[14]结果基本一致，南爪哇岛沿岸以南的海域平均涡动能呈带状分布，超过1000 cm2/s2；14°～16°S，108°～114°E的海域平均涡动能超过600 cm2/s2。NSCS海域平均涡动能整体小于SETIO海域，只有吕宋海峡和越南东部沿海存在较大的涡动能，范围在500～700 cm2/s2左右。从图中可以看出，SETIO和NSCS海域都具有平均涡动能较大的区域，证明了两个海域存在强烈的涡旋活动。
图 1 1993–2020年热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）平均涡动能分布a.SETIO海域；b.NSCS海域Figure 1. Mean eddy kinetic energy distribution in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. SETIO sea area; b.NSCS sea area3. 结果与讨论
3.1 生成数量和生命周期
本文统计的涡旋数量是指生成数，通过统计每个涡旋第一天的经纬度位置和时间来确定的，统计结果如图2所示。基于涡旋数据集，在1993年1月至2020年12月共28年间，SETIO和NSCS海域分别识别出
3172 和987条涡旋轨迹。热带东南印度洋识别出1598 个气旋涡（Cyclonic Eddies，CE）和1574 个反气旋涡（Anticyclonic Eddies，AE），平均每年生成113.3个涡旋；表1给出了不同计算方法得到的热带东南印度洋中尺度涡基本特征参数的统计平均值，本文的计算结果与前人类似[16]。南海北部识别出532个气旋涡和455个反气旋涡，平均每年生成35.3个涡旋。两个海域生成的气旋涡都略多于反气旋涡，二者比例接近1∶1。SETIO海域不同性质的涡旋分布略有不同，气旋涡在海峡出口处（龙目、翁拜和帝汶海峡）和澳大利亚西北部分布较多，弗洛勒斯海也有高值区；反气旋涡多分布于印尼贯穿流出流区和澳大利亚西北部，海峡处分布较少。NSCS海域的气旋涡和反气旋涡主要分布在台湾海峡西南部、吕宋海峡和吕宋岛西北部沿海海域，这与黑潮入侵有关[14, 21]；此外，反气旋涡在中国南部沿海也经常出现。
图 2 热带东南印度洋(SETIO)和南海北部(NSCS)涡旋生成数量分布a.SETIO反气旋涡；b.SETIO气旋涡；c.NSCS反气旋涡；d.NSCS气旋涡Figure 2. Distribution of eddy numbers in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d. NSCS cyclonic eddies中尺度涡的生命周期是指涡旋从生成到消亡所经过的时间。图3描述的是SETIO和NSCS海域涡旋生命周期的数量分布情况。两个海域的涡旋数量都随着生命周期的增长整体呈指数衰减，生命周期短的涡旋占比最高。热带东南印度洋涡旋的平均寿命为9.6周，气旋涡和反气旋涡数量接近，生命周期小于9周时反气旋涡的数量占优，大于9周则是气旋涡数量更多；南海北部涡旋的平均寿命为8.7周，气旋涡的数量大于反气旋涡，尤其是短周期涡旋的数量。南海北部明显具有更多“长寿命涡”。
图 3 热带东南印度洋（SETIO）（a）和南海北部（NSCS）（b）涡旋生命周期分布特征Figure 3. Distribution characteristics of eddy life time in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) (a) and northern South China Sea (NSCS) (b)3.2 振幅和半径
本文中研究的涡旋振幅是指涡旋内SSH极值与定义涡旋边缘的有效等高线对应SSH之间的高度差的大小，涡旋半径为有效轮廓对应的最佳拟合圆半径。受背景场环境的影响，涡旋在发展过程中自身特征发生随机变化，振幅和半径大小的频率分布可近似视作概率分布[38]。图4、图5分别给出了SETIO和NSCS海域涡旋振幅和半径的频率分布直方图。总体来说，两个海域气旋与反气旋涡振幅的分布特征基本一致，涡旋振幅频率峰值均偏左分布，小振幅涡旋数量比重大。SETIO海域气旋涡（反气旋涡）平均振幅为3.24 cm（2.99 cm），振幅极差为15.1 cm（15.7 cm），振幅小于5 cm的气旋涡（反气旋涡）占86.64%（89.29%）；而NSCS海域涡旋振幅出现数个频率峰值，气旋涡（反气旋涡）平均振幅为4.16 cm（4.23 cm），振幅极差为15.59 cm（20.11 cm），振幅小于5 cm的气旋涡（反气旋涡）占75.66%（73.40%）。相比之下SETIO海域的涡旋平均振幅更小，分布也更均一。
图 4 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋振幅分布特征a. SETIO反气旋涡；b. SETIO气旋涡；c. NSCS反气旋涡；d. NSCS气旋涡Figure 4. Distribution characteristics of eddy amplitude in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d.NSCS cyclonic eddies
图 5 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋半径分布特征a. SETIO反气旋涡；b.SETIO气旋涡；c.NSCS反气旋涡；d.NSCS气旋涡Figure 5. Distribution characteristics of eddy radius in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d.NSCS cyclonic eddiesSETIO和NSCS两个海域涡旋半径频率峰值集中在60～75 km的半径区间。SETIO海域气旋涡（反气旋涡）平均半径为85.64 km（86.87 km），最大半径为219.1 km（239.6 km），约有97.50%（95.36%）的气旋涡（反气旋涡）分布在50～150 km之间，NSCS海域气旋涡（反气旋涡）平均半径为74.6 km（75.4 km），最大半径为166.5 km（181.9 km），约有94.37%（93.41%）的气旋涡（反气旋涡）分布在50～150 km之间。从结果来看，平均半径明显小于前人的结论，这是由于研究方法和限制条件的不同引起的。SETIO海域生成更大半径的中尺度涡，且半径150 km以上的大涡旋数量更多，对应的反气旋涡的数量多于气旋涡。产生这种现象可能是因为SETIO海域仅北部有陆地阻挡，ITF、SEC和SJC都流经这片宽阔海域，背景场环流作用强烈，而NSCS区域东西北三面均有大陆或岛屿阻挡，地形狭隘，影响了涡旋的生成和演化。
3.3 传播速度和轨迹
本文统计了生命周期大于180 d（约半年）的涡旋移动轨迹，SETIO海域生成的长生命周期涡旋数量明显多于NSCS海域。如图6a、b所示，SETIO海域反气旋涡主要分布在11°S以南，SEC主流区（12°～14°S）生成涡旋较多，14°S以南涡旋均匀分布；气旋涡多分布于11°S以北和17°S以南，爪哇岛东南沿岸和澳大利亚西北沿岸生成大量气旋涡。图5c、d揭示了NSCS海域的涡旋活动轨迹，其中反气旋涡集中分布在吕宋海峡西北侧；14°～16°N，118°～120°E海域也存在反气旋涡，且相同位置无气旋涡生成，与前人的发现一致[21]。气旋涡主要分布在20°N以南，涡旋轨迹较为散乱，14°～16°N，110°～114°E区域生成少量气旋涡。两个区域的涡旋传播方向略有不同，SETIO海域涡旋向西传播为主；NSCS海域涡旋受到海底地形影响，主要向西南方向传播。总体来说，涡旋西向传播,部分涡旋轨迹不是正西方向，这是由于β效应引起[39–41]，也可能受到背景场环流强度和地形作用的影响[42–44],影响涡旋运动轨迹的物理机制有待进一步研究。
图 6 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋轨迹分布a. SETIO反气旋涡；b. SETIO气旋涡；c. NSCS反气旋涡；d. NSCS气旋涡Figure 6. Distribution of eddy trajectory in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d.NSCS cyclonic eddies如图7所示，涡旋平均传播速度的分布与长生命周期涡旋轨迹分布较为相似。SETIO海域和NSCS海域涡旋平均传播速度分别为0.2 m/s和0.21 m/s，最大平均速度为0.48m/s和0.44 m/s，整体相差不大。SETIO海域反气旋涡和气旋涡的平均传播速度分别为0.19 m/s和0.21m/s，爪哇岛沿岸以南至14°S之间涡旋平均传播速度较大。14°S以北的西向速度明显快于14°S以南，这是因为14°S大约是南赤道流（SEC）和东环流（EGC）两个纬向流的边界处：EGC的范围大约是在15°S和25°S之间，向东流动；西向流SEC的活动范围相对狭窄，主要限制在13°S 以北，在南爪哇岛沿岸，即10°～11°S的海表面附近最强。因此，14°S以北（南）的涡旋向西传播会受到SEC（EGC）的加速（减速）作用[14]。NSCS海域反气旋涡和气旋涡的平均传播速度分别为0.19 m/s和0.23 m/s。受到黑潮入侵的影响，吕宋海峡的涡旋平均传播速度较大，反气旋涡传播速度较大的海域集中在吕宋海峡北部和台湾海峡西南部，气旋涡传播速度较大的海域除了吕宋海峡外还有越南东部沿海海域，均与长寿命涡旋的轨迹分布吻合。
图 7 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋移动速度分布a. SETIO反气旋涡 b. SETIO气旋涡 c. NSCS反气旋涡 d. NSCS气旋涡Figure 7. Distribution of eddy velocity in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d. NSCS cyclonic eddies3.4 涡旋的季节变化
图8揭示了两个海域涡旋生成数量和涡动能的季节变化，以北半球季节为准，12月、1月、2月为冬季。两个海域涡动能的季节变化特征一致，平均涡动能春季开始增加，秋季达到最大值后冬季迅速减少,与之前的研究结果较为吻合[32]。SETIO海域各季节涡旋生成数量相近，夏季最多，冬季最少，气旋涡和反气旋涡的生成数量变化规律不同：气旋涡春季生成最多，此后数量逐渐减少，冬季生成最少；反气旋涡夏季生成最多，春季生成最少。NSCS海域不同季节气旋涡的生成数量均多于反气旋涡，且气旋涡和反气旋涡在不同季节生成的数量差异较大，以气旋涡尤为明显：秋季和冬季生成的气旋涡数量明显多于春夏季；而反气旋涡的变化规律与气旋涡恰恰相反，春夏季生成的反气旋涡更多。值得注意的是，两个海域的涡旋生成数量形成了一种互补关系，SETIO海域夏秋季节生成涡旋最多，春冬最少；而NSCS海域则恰好相反，春冬季节生成的涡旋数量明显多于夏秋季节。产生这种季节变化可能是由多种过程共同作用的结果，例如印尼贯穿流和南海贯穿流流量的季节变化、南海季风、气候异常事件(ENSO、IOD)等[30, 45–46]。NSCS海域的涡旋数量与涡动能在季节变化上呈现出相反的趋势，但是生成数和涡动能之间不是直观的线性关系，涡动能的大小还受到生成涡旋的强度的影响，并且计算涡动能时会包含进入研究海域的外部涡旋，因此这种相反变化的趋势还需要进一步探讨。
图 8 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋生成数量和涡动能的季节分布a. 涡动能；b. 涡旋生成数；c. SETIO海域反气旋与气旋涡；d. NSCS海域反气旋与气旋涡MAM：3−5月，JJA：6−8月，SON：9−11月，DJF：12−2月Figure 8. Distribution of eddy numbers and eddy kinetic energy in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)a. Eddy kinetic energy; b. eddy number; c. anticyclonic eddies and cyclonic eddies in SETIO sea area; d. anticyclonic eddies and cyclonic eddies in NSCS sea area. MAM: March−May, JJA: June−August, SON: September−November, DJF: December−February图9是涡旋生命周期与生成数量分布的季节变化。可以看出两个海域的涡旋生成数量都随着生命周期的增长而减少，满足图3展现出来的随指数衰减的特征。SETIO海域涡旋生成数量随着生命周期的增长变化相对平缓，季节变化不明显，不同季节在个别生命周期的涡旋数量有所波动。而NSCS海域涡旋生成数量波动剧烈，数量随生命周期的变化不规则；秋冬季节短生命周期的气旋涡明显增加。尽管SETIO海域生成的涡旋数量要远多于NSCS海域，但NSCS海域生成更多的“长寿涡”。
图 9 热带东南印度洋（SETIO，a–d）和南海北部（NSCS，e–h）气旋涡（CE）和反气旋涡（AE）生命周期的季节变化a、e. 春季；b、f. 夏季；c、g. 秋季；d、h. 冬季Figure 9. Seasonal variation of life time of cyclonic eddy (CE) and anticyclonic eddy (AE) in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO, a–d) and northern South China Sea (NSCS, e–h)a, e. spring; b, f. summer; c, g. fall; d, h. winter图10和图11分别为涡旋振幅、半径的季节变化的频率分布直方图，纵坐标对应的是涡旋数量进行标准归一化后的频率。SETIO海域涡旋的振幅分布比NSCS海域更规律，1～3 cm区间的涡旋数量最多，且峰值集中分布；而NSCS海域涡旋振幅分布散乱，出现多个小峰值。气旋涡在SETIO海域季节变化不明显，夏秋季节峰值略微下降；NSCS海域的气旋涡在秋冬季节2～4 cm的振幅区间出现明显峰值，与生命周期的季节变化一致。SETIO海域的反气旋涡振幅峰值稳定分布在1～3 cm区间，几乎没有季节变化；NSCS海域反气旋涡振幅春季出现明显峰值，冬季峰值区间向左移动。
图 10 热带东南印度洋（SETIO，a−d）和南海北部（NSCS，e−h）气旋涡（CE）和反气旋涡（AE）振幅的季节变化a、e. 春季；b、f. 夏季；c、g. 秋季；d、h. 冬季Figure 10. Seasonal variation of amplitude of cyclonic eddy (CE) and anticyclonic eddy (AE) in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO, a−d) and northern South China Sea (NSCS, e−h)a, e. spring; b, f. summer; c, g. fall; d, h. winter
图 11 热带东南印度洋（SETIO，a–d）和南海北部（NSCS，e–h）气旋涡（CE）和反气旋涡（AE）半径的季节变化a、e. 春季；b、f. 夏季；c、g. 秋季；d、h. 冬季Figure 11. Seasonal variation of radius of cyclonic eddy (CE) and anticyclonic eddy (AE) in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO, a–d) and northern South China Sea (NSCS, e–h)a, e. spring; b, f. summer; c, g. fall; d, h. winter两个海域涡旋半径分布的季节变化与振幅相似。SETIO海域的气旋涡季节变化不显著，半径峰值集中在60～80 km，春季在110～120 km半径区间出现一个反常峰值；NSCS海域秋冬季节气旋涡半径峰值增大，与生命周期和振幅的变化吻合。反气旋涡在两个海域的季节变化都不明显，SETIO海域生成许多半径大于150 km的大型涡旋，NSCS海域春夏季反气旋涡在70～80 km的半径区间存在明显峰值。
从季节变化的时间尺度来看，SETIO海域的涡旋活动比较稳定，无明显的季节变化。NSCS海域的气旋涡活动在秋冬季节显著增强，通过分析涡旋生命周期、振幅和半径的季节变化都能得到印证。产生这种情况可能是因为南海东北季风促使北太平洋的表层水进入南海混合，增强了局地不稳定，导致涡旋运动活跃。具体原因仍待进一步研究。
3.5 涡旋的年际变化
ENSO和IOD事件对热带东南印度洋和南海北部涡旋的生成演化过程可能存在一定影响[24, 27, 30, 38]。为了进一步研究涡旋活动和气候异常事件之间的关系，图12展示了SETIO和NSCS海域标准化涡动能异常值年际信号与Niño3.4指数和DMI指数的超前滞后相关关系。通过计算相关性可知，NSCS海域标准化涡动能异常值年际信号与Niño3.4指数在滞后2个月时的相关性系数为−0.36，说明NSCS海域涡动能的年际变化在滞后ENSO事件2个月时负相关最强，El Niño年涡动能较减小，La Niña年涡动能增大，与前人的研究成果一致[27, 29];而SETIO海域标准化涡动能异常值年际信号与Niño3.4指数在滞后10个月时相关性系数为−0.57，出现明显的负相关，说明ENSO通过调节赤道太平洋风场，将信号由印尼贯穿流传递到SETIO海域，El Niño年该海域涡动能减小，La Niña年刚好相反[28, 33, 47]。此外，我们计算得到SETIO海域标准化涡动能异常值年际信号与DMI指数相关性系数在滞后0个月的时候为0.32，说明SETIO海域的涡动能年际变化与IOD事件正相关，正IOD 年涡动能增大，负IOD年涡动能减小，这是由于正IOD事件期间SETIO海域受到东南信风影响，爪哇岛和小巽他群岛沿岸出现离岸上升流，深层冷水上涌，斜压不稳定增强，促进涡旋的生成演化过程，负IOD事件的影响机制则相反[25, 26]。NSCS海域与IOD事件的相关性不强，说明IOD事件对该海域中尺度涡的生成和演化过程影响较小。
图 12 涡动能异常值年际信号与Niño3.4指数超前滞后相关关系（a），涡动能异常值年际信号与DMI指数超前滞后相关关系（b）图中虚线表示置信度检验区间，绝对值大于虚线说明通过95%的置信度检验Figure 12. Lead-lag correlation between interannual anomaly signals of eddy kinetic energy and Niño3.4 index (a), Lead-lag correlation between interannual anomaly signals of eddy kinetic energy and DMI (b)The dotted line in the figure indicates the confidence interval, and the absolute value larger than the dotted line means that the 95% confidence test has passed4. 结论
本文选用卫星高度计数据和AVISO发布的涡旋轨迹数据集，对1993−2020年热带东南印度洋和南海北部海域的涡旋统计特征、季节变化和年际变化进行对比分析，得到的主要结论如下：
（1）两个海域气旋涡和反气旋涡的生成数量都接近1∶1，SETIO海域的涡旋多生成于SEC主流轴附近，平均寿命为9.6周；NSCS海域涡旋主要生成在吕宋海峡西部和台湾海峡出流区，平均寿命为8.7周，具有更多“长寿涡”；两个海域的涡旋生命周期的众数均为5周，随着生命周期的增长涡旋数量近似呈指数衰减。
（2）两个海域涡旋振幅和半径的分布特征基本一致，频率峰值均偏左分布。SETIO海域气旋涡（反气旋涡）平均振幅为3.24 cm（2.99 cm），平均半径为85.64 km（86.87 km）；NSCS海域气旋涡（反气旋涡）平均振幅为4.16 cm（4.23 cm），平均半径为74.6 km（75.4 km）。SETIO海域生成更多半径大于150 km的中尺度涡，推测原因是SETIO海域宽阔，背景场环流作用强，而三面环陆的地理位置阻碍了NSCS海域涡旋的生成和演化。
（3）SETIO海域涡旋向西移动为主，NSCS海域涡旋向西南移动为主，平均传播速度均为0.2 m/s左右。受到背景场环流的影响，SETIO海域14°S以北和NSCS海域吕宋海峡西部平均移动速度较大，最大平均移动速度分别为0.48 m/s和0.44 m/s。涡旋的移动方向从图中看不完全是向正西方向运动，是否有偏移趋势需要进一步研究。
（4）两个海域平均涡动能的季节变化基本一致，平均涡动能春季开始增加，秋季达到最大值后冬季迅速减少；SETIO海域涡旋数量夏秋季节最多，NSCS海域涡旋数量春冬季节最多，产生这种季节变化可能是印尼贯穿流和南海贯穿流流量的季节变化、南海季风、气候异常事件等多种过程共同作用的结果；两个海域涡旋的生命周期、振幅和半径无明显季节变化。值得注意的是NSCS海域秋冬季节生成更多短寿命、振幅在2～4 cm、半径在60～80 km区间的气旋涡，这可能是因为南海风场秋冬季节由东北季风主导，推动北太平洋的表层水进入南海发生混合，增强局地斜压不稳定，促进了气旋涡的生成和发展。NSCS海域的涡旋生成数量与涡动能在季节变化上呈现出相反的趋势，但是涡动能的大小还受到生成涡旋强度的影响，并且本文只统计了涡旋生成数，没有计算包含外部进来的涡旋数量，因此这种相反变化的趋势还需要进一步探讨。
（5）两个海域涡旋活动与气候异常事件有一定的相关性。NSCS海域涡动能异常值的年际信号与ENSO事件负相关性较强，滞后ENSO事件2个月的相关系数为−0.36，El Niño年涡动能减小，La Niña年涡动能增大；SETIO海域标准化涡动能异常值年际信号与Niño3.4指数在滞后10个月时相关性系数为−0.57，出现明显的负相关，El Niño年涡动能较小，La Niña年涡动能较大，这是通过调节西太平洋风场和印尼贯穿流流量实现的；SETIO海域涡动能异常值的年际信号与IOD事件正相关性较强，滞后IOD事件0个月时的相关系数为0.32，正IOD年SETIO海域受到东南信风影响，爪哇岛和小巽他群岛沿岸出现离岸上升流，海水变冷，不稳定性增强，促进涡旋的生成演化过程，导致涡动能增加，负IOD事件的影响机制则相反，涡动能减小。NSCS海域与IOD事件的相关性不强。
致谢：测高中尺度涡流轨迹图集产品（META3.2 DT Twosat，DOI：
https://10.24400/527896/a01-2022.006.220209 （Pegliasco等））由SSALTO/DUACS制作，由AVISO+（https://aviso.altimetry.fr ）在CNES的支持下与IMEDEA合作发行。 数据信息及获取详细链接如下：https://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/value-added-products/global-mesoscale-eddy-trajectory-product/meta3-2-dt.html -
图 1 1993–2020年热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）平均涡动能分布
a.SETIO海域；b.NSCS海域
Fig. 1 Mean eddy kinetic energy distribution in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. SETIO sea area; b.NSCS sea area
图 2 热带东南印度洋(SETIO)和南海北部(NSCS)涡旋生成数量分布
a.SETIO反气旋涡；b.SETIO气旋涡；c.NSCS反气旋涡；d.NSCS气旋涡
Fig. 2 Distribution of eddy numbers in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d. NSCS cyclonic eddies
图 3 热带东南印度洋（SETIO）（a）和南海北部（NSCS）（b）涡旋生命周期分布特征
Fig. 3 Distribution characteristics of eddy life time in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) (a) and northern South China Sea (NSCS) (b)
图 4 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋振幅分布特征
a. SETIO反气旋涡；b. SETIO气旋涡；c. NSCS反气旋涡；d. NSCS气旋涡
Fig. 4 Distribution characteristics of eddy amplitude in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d.NSCS cyclonic eddies
图 5 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋半径分布特征
a. SETIO反气旋涡；b.SETIO气旋涡；c.NSCS反气旋涡；d.NSCS气旋涡
Fig. 5 Distribution characteristics of eddy radius in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d.NSCS cyclonic eddies
图 6 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋轨迹分布
a. SETIO反气旋涡；b. SETIO气旋涡；c. NSCS反气旋涡；d. NSCS气旋涡
Fig. 6 Distribution of eddy trajectory in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d.NSCS cyclonic eddies
图 7 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋移动速度分布
a. SETIO反气旋涡 b. SETIO气旋涡 c. NSCS反气旋涡 d. NSCS气旋涡
Fig. 7 Distribution of eddy velocity in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. SETIO anticyclonic eddies; b. SETIO cyclonic eddies; c. NSCS anticyclonic eddies; d. NSCS cyclonic eddies
图 8 热带东南印度洋（SETIO）和南海北部（NSCS）涡旋生成数量和涡动能的季节分布
a. 涡动能；b. 涡旋生成数；c. SETIO海域反气旋与气旋涡；d. NSCS海域反气旋与气旋涡MAM：3−5月，JJA：6−8月，SON：9−11月，DJF：12−2月
Fig. 8 Distribution of eddy numbers and eddy kinetic energy in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO) and northern South China Sea (NSCS)
a. Eddy kinetic energy; b. eddy number; c. anticyclonic eddies and cyclonic eddies in SETIO sea area; d. anticyclonic eddies and cyclonic eddies in NSCS sea area. MAM: March−May, JJA: June−August, SON: September−November, DJF: December−February
图 9 热带东南印度洋（SETIO，a–d）和南海北部（NSCS，e–h）气旋涡（CE）和反气旋涡（AE）生命周期的季节变化
a、e. 春季；b、f. 夏季；c、g. 秋季；d、h. 冬季
Fig. 9 Seasonal variation of life time of cyclonic eddy (CE) and anticyclonic eddy (AE) in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO, a–d) and northern South China Sea (NSCS, e–h)
a, e. spring; b, f. summer; c, g. fall; d, h. winter
图 10 热带东南印度洋（SETIO，a−d）和南海北部（NSCS，e−h）气旋涡（CE）和反气旋涡（AE）振幅的季节变化
a、e. 春季；b、f. 夏季；c、g. 秋季；d、h. 冬季
Fig. 10 Seasonal variation of amplitude of cyclonic eddy (CE) and anticyclonic eddy (AE) in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO, a−d) and northern South China Sea (NSCS, e−h)
a, e. spring; b, f. summer; c, g. fall; d, h. winter
图 11 热带东南印度洋（SETIO，a–d）和南海北部（NSCS，e–h）气旋涡（CE）和反气旋涡（AE）半径的季节变化
a、e. 春季；b、f. 夏季；c、g. 秋季；d、h. 冬季
Fig. 11 Seasonal variation of radius of cyclonic eddy (CE) and anticyclonic eddy (AE) in southeastern tropical Indian Ocean (SETIO, a–d) and northern South China Sea (NSCS, e–h)
a, e. spring; b, f. summer; c, g. fall; d, h. winter
图 12 涡动能异常值年际信号与Niño3.4指数超前滞后相关关系（a），涡动能异常值年际信号与DMI指数超前滞后相关关系（b）
图中虚线表示置信度检验区间，绝对值大于虚线说明通过95%的置信度检验
Fig. 12 Lead-lag correlation between interannual anomaly signals of eddy kinetic energy and Niño3.4 index (a), Lead-lag correlation between interannual anomaly signals of eddy kinetic energy and DMI (b)
The dotted line in the figure indicates the confidence interval, and the absolute value larger than the dotted line means that the 95% confidence test has passed
表 1 不同文献对热带东南印度洋中尺度涡活动及动力参数的统计结果
Tab. 1 Statistics of activities and dynamic parameters of mesoscale eddies in southeastern tropical Indian Ocean from previous studies
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