黑潮延伸区的涡流动能变化及其上下游的连通性

《Frontiers in Marine Science》：Eddy kinetic energy variability of the Kuroshio Extension and its upstream-downstream connectivity

黑潮延伸体涡动能时空变异及上下游关联机制研究。采用FORA-WNP30再分析数据， EOF分析揭示三个主导模态：第一模态（30%方差）上下游反相与NPGO滞后3年显著相关；第三模态（11%方差）滞后第一模态2年，反映西行波传递效应；第二模态（15%方差）上下游同相体现季节主导特征。研究表明KE系统EKE变异存在多时间尺度耦合，上游不稳定态通过西行波传播滞后影响下游，同时季节变化通过同相关联调控系统。

　　本研究聚焦于黑潮延伸系统（Kuroshio Extension, KE）中涡旋动能（Eddy Kinetic Energy, EKE）的变异性，特别关注其在上游与下游区域之间的联系。KE位于西北太平洋，是黑潮在东经141°、北纬36°附近离开日本东岸后向东流动形成的强大洋流系统。这一系统以剧烈的弯曲运动为特征，并伴随着大量中尺度涡旋的生成，导致KE系统在稳定与不稳定状态之间不断波动。这种波动不仅影响KE的结构和强度，也对区域内的涡旋动能产生显著影响。

研究表明，KE的变异性主要来源于大气强迫作用，尤其是东太平洋区域的风应力旋度（Wind Stress Curl, WSC）异常。这些异常与太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）或北太平洋涡旋振荡（North Pacific Gyre Oscillation, NPGO）的负相或正相相关联。负相的NPGO通常伴随着东太平洋地区的负风应力旋度异常，从而引发正的海面高度（Sea Surface Height, SSH）异常，这些异常以多年时间尺度向西传播至KE上游区域，最终影响KE的动态系统。在上游区域，正的SSH异常会增强黑潮主流，并抑制其涡旋活动；而在下游区域，这些异常则可能减弱涡旋动能。因此，下游的变异性往往在时间上先于上游的变异性，这表明KE系统的变异性具有一定的上游和下游联动性。

然而，也有研究指出，KE上游区域的涡旋动能变化可能在一定程度上影响下游区域。例如，上游区域的涡旋动能减少可能会通过水平输运过程增强下游的涡旋活动，但这种影响主要体现在较短的时间尺度上，约为300天。这种上游驱动的变异性可能与下游驱动的变异性形成对比，后者涉及更长时间尺度的洋流结构变化。尽管这些过程似乎存在矛盾，但它们在不同的时间尺度上表现出不同的特征，从而可以被区分开来。

本研究通过高分辨率的海洋再分析数据（FORA-WNP30）和卫星测高数据，对KE区域内的涡旋动能变异性进行了深入分析。数据时间跨度为1993年至2014年，涵盖了KE从上游到下游的广泛区域（东经130°至175°，北纬25°至45°）。通过对涡旋动能进行经验正交函数（Empirical Orthogonal Function, EOF）分析，研究人员识别出三个主导的EKE变异性模式。这些模式不仅揭示了KE系统中涡旋动能的季节性和年代际变化，还展示了其在空间分布上的特征。

第一和第三模式的空间分布呈现出上游与下游区域之间的相位相反关系，而第二模式则表现出相位一致的特征。第一模式的时间序列显示出从年际到年代际的变异性，并且与NPGO指数存在显著的相关性，时间滞后约为三年。同时，第一模式与第三模式之间也存在约两年的时间滞后，表明第三模式可能在第一模式之前发生，这可能与巴克林罗斯比波（baroclinic Rossby waves）的西向传播有关。第二模式的时间序列则表现出强烈的季节性变化，并受到年际波动的影响，其峰值通常出现在夏季，而最低值出现在冬季。这种季节性变化与KE在稳定状态下的涡旋动能减少以及在不稳定状态下的增强有关。

进一步的分析表明，KE系统的动态状态可以通过EKE指数的变化来识别。当上游和下游区域的EKE指数都较高时，系统处于不稳定状态；而当两者都较低时，则处于稳定状态。然而，在某些情况下，上游和下游的EKE指数可能同时增强或减弱，这种现象可能与KE的异常路径或特定的气候条件有关。例如，在2005年中期和1994/1995年冬季，KE的EKE指数呈现出一致的高或低趋势，这可能反映了系统内部复杂的反馈机制。

研究还探讨了EKE变异性与NPGO和PDO（太平洋年代际振荡）之间的关系。NPGO指数与第一模式（PC-1）在1993–2014年间显示出较高的相关性，而在时间尺度扩展到1993–2023年时，这种相关性变得不显著。这一现象可能与2017年黑潮的剧烈摆动有关，该摆动导致上游区域的海面高度异常持续存在，从而抑制了NPGO对KE系统的直接影响。相比之下，PDO与PC-1之间的相关性虽然存在，但其显著性不如NPGO，这表明KE的年代际变异性更可能受到NPGO的影响。

此外，研究还分析了EKE的输运项，以探讨其在不同区域之间的传播机制。通过将输运项与PC-1进行回归分析，研究人员发现，当上游区域的EKE输运增强时，下游区域的EKE输运会相应减弱。这种相位相反的输运过程可能解释了为何上游的EKE异常能够领先于下游的异常。例如，在滞后约230天的情况下，上游的EKE异常在时间上先于下游的异常，这可能与EKE输运过程中的传播延迟有关。

研究还发现，KE系统的动态状态与海面高度异常、温度异常和风应力旋度异常之间存在紧密的联系。例如，在“upU+downS”状态下，上游区域的温度异常表现为冷异常，而下游区域的温度异常则表现为暖异常。这种温度异常的变化可能通过改变洋流的强度和路径，进一步影响KE的稳定性。而在“upS+downU”状态下，上游区域的温度异常表现为暖异常，而下游区域则出现冷异常，这可能表明系统在不同区域之间存在不同的响应机制。

通过综合分析这些模式和相关性，研究得出结论：KE区域内的EKE变异性在不同时间尺度上表现出不同的空间和时间特征。在年际到年代际时间尺度上，上游和下游区域的EKE变异性呈现出相位相反的关系，而在季节性时间尺度上，两者则表现出相位一致的特征。这种多尺度的连接性为理解KE系统的动态演变提供了重要的线索，同时也为预测KE的状态变化奠定了基础。

进一步的研究需要考虑更复杂的机制，例如空气-海洋相互作用，如浮力强迫、热量交换和洋流-风反馈等，以更全面地揭示EKE的再分布过程。这些因素可能在不同时间尺度上对KE的变异性产生影响，因此在未来的高分辨率耦合模型研究中，有必要进一步探讨它们的作用。此外，研究还指出，KE系统的变异性不仅受到外部大气强迫的影响，还可能受到内部动力过程的调控，例如中尺度涡旋的生成、输运和相互作用。

总体而言，本研究揭示了KE系统中EKE变异性在不同时间尺度上的复杂表现，以及其在上游与下游区域之间的动态联系。这些发现不仅有助于加深对KE系统内部机制的理解，还可能为气候预测和海洋环境监测提供新的视角。未来的研究可以进一步探索这些模式在不同气候背景下的变化，以及它们如何与全球气候模式相互作用，从而更全面地理解西北太平洋海洋动力过程的复杂性。