这是2014年为一套海洋科普丛书写的一篇介绍海洋中尺度涡的文章。虽然在《“十三五”国家重点图书、音像、电子出版物出版规划》增补项目里看到了一点这套书的眉目，但目前仍是没有下文。索性先发在这里。本就见识浅薄，初稿写就后又过去好些年了，定有毗漏，还望包涵。

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图1 基于法国海洋卫星数据归档标定中心AVSIO(Archiving Validation and Interpretation of Satellite Data in Oceanography) 发布的卫星高度计资料绘制的2013年8月7日的全球海表面高度异常空间分布图（http://las.aviso.altimetry.fr/）

　　也许你没有亲眼见过龙卷风，但肯定听说过。空气高速旋转，席卷大地。其实，海洋中也有龙卷风般的存在，它就是海洋中尺度涡。在早期海洋学的认知中，人们认为海洋中主要是缓慢、连续而均匀的内区大尺度洋流和快速流动的边界流；但是，当观测手段足以分辨中小尺度海洋现象时，海洋的湍流属性开始呈现：人们发现海洋中尺度涡几乎覆盖了全部海洋（如图1），它们“高速”旋转（如图2），主宰着海洋上层的能量。只是因为海水密度比空气大得多，所以海洋中的“龙卷风”与大气中的龙卷风又有所区别，这是给“高速”打上引号的原因。

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图2 美国国家航空航天局（NASA）基于 ECCO模式(Estimating the Circulation and Climate of the Ocean)模拟的海洋表层流场(http://www.nasa.gov/topics/earth/features/perpetual-ocean.html)

　　第一个提到“海洋涡旋（Eddy）”的人是Benjamin Franklin(1706-1790)的侄孙Jonathan Williams(1750-1815)。Benjamin Franklin在墨西哥湾流的研究中贡献了卓越的力量。1785年，在Benjamin Franklin进行湾流研究的航程中，他的侄孙Jonathan Williams同行，并负责测量海水温度(Robinson 1983)。Jonathan Williams更执着于海温计在船只导航方面的运用，他在1793年发表的研究报告(Williams 1793)中首次提到，湾流两侧的海温呈现出“涡旋”结构。

　　上世纪五十年代，人们已经开始关注近岸的海洋中尺度涡，如夏威夷群岛背风处的涡旋（McGary 1955, etc.）；对大洋中尺度涡，特别是直接针对湾流流环的观测，则开始于上世纪六十年代（Fuglister 1972, etc.）。当人们发现中尺度涡越来越重要和有趣时，各国海洋学家于上世纪七十年代在北大西洋组织了一系列系统的大型观测试验(Robinson 1983)，如1970年前苏联的“多边形试验（POLYGON）”、1973年美英合作的“中大洋动力学试验（MODE）”和1975年美苏主打的“POLYMODE”试验。人们通过锚定设备、航次观测和漂流浮标首次获得了北大西洋中尺度结构的物理场，确认了大洋中尺度涡的存在并对其特征进行了描述。自上世纪八十年代至现在，随着卫星技术的实现，高度计、海表温度遥感、水色遥感等长时间、大范围、准同步的观测手段在海洋中尺度涡的研究中得到广泛应用，海洋学家借助上述高新技术揭开了海洋中尺度涡的面纱，获取了中尺度涡的空间分布、水平尺度、移动速度等重要特征。

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图3 基于法国海洋卫星数据归档标定中心AVSIO(Archiving Validation and Interpretation of Satellite Data in Oceanography) 发布的卫星高度计资料绘制的2005年4月20日的湾流区海表面高度异常空间分布图（http://las.aviso.altimetry.fr/）

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图4 基于多卫星融合资料得到的2005年4月18日湾流区表层地转流异常的水平空间分布(http://www.aoml.noaa.gov/phod/dataphod/work/trinanes/INTERFACE/index.html)

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图5 MODIS资料显示的2005年4月18日海表温度空间分布图 (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)

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图6 MODIS资料显示的2005年4月18日海表叶绿素浓度空间分布图 (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)

　　图3-6分别显示了同一时期湾流区海表面高度异常、地转流异常、海表温度和海表叶绿素浓度的水平空间分布，我们可以在这些要素的空间分布中清楚地看到“蛇行”的墨西哥湾流流轴和旋转的中尺度涡。从概念上来说，海洋中尺度涡是指海洋中气旋式或反气旋式的地转尺度漩涡，其因满足准地转平衡而具有相对稳定的旋转结构，水平空间尺度为十至百千米；同时，大洋中尺度涡一般能持续地以每天若干千米的速度水平移动，生命周期的时间尺度为十至百天。中高纬海区中尺度涡的最大旋转速度往往大于其平移速度，即中尺度涡一般具有强非线性(Chelton et al., 2011)，而强非线性决定了中尺度涡在其平移的过程中能够裹挟水团随之前进(Early et al., 2011)，这一点是中尺度涡有别于不能携带质量的线性罗斯贝波的原因，也是它与龙卷风的相似之处。但是，海洋中尺度涡与龙卷风的最大区别在于：一、无论南北半球，中尺度涡都可以气旋式和反气旋式旋转，而龙卷风都是气旋性的；二、海洋中尺度涡的旋转速度一般在10 cm/s的量级，最高可达1 m/s左右，虽然比空气中的龙卷风要慢得多，但也是海洋中比大尺度平均流更快的运动。

　　根据对卫星资料的分析，海洋学家发现全球大洋中均可以发现海洋中尺度涡的存在、生成和消亡（除了赤道带、北太平洋的东北部分和南太平洋的东南部分），在几个主要的强流流系内中尺度涡活动异常活跃，如黑潮延伸体、湾流延伸体、厄加勒斯回流和南极绕极流(程旭华 和 齐义泉, 2008; Chelton et al., 2011)。中尺度涡活跃的区域内，一年当中可以有4-6个中尺度涡经过同一位置，影响当地的海表面高度变化。较强的中尺度涡可拥有10 cm或以上的海表面高度起伏，水平半径可达百公里，存活半年之久并能在洋面上移动近千公里。统计上，气旋涡稍稍多于反气旋涡，长距离移动和长生命期的中尺度涡则多是反气旋涡；气旋涡往往伴随着等密面和等温面的抬升，其中心区的水温低于涡外海域的水温，故气旋涡也称为冷涡，反气旋涡则相反；大部分中尺度涡向西移动，向东移动的中尺度涡仅存在于东向强流的区域内；中尺度涡的西向移动速度随纬度升高而减慢，南北纬20度左右的中尺度涡可以10 cm/s的平均速度西移，而南北纬40度左右的中尺度涡平均每秒向西移动两三厘米；20°S–20°N以外，中尺度涡的最大旋转速度往往大于其平移速度。

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图7 北半球中尺度涡基本结构的示意图 (Robinson 2010)

　　那么海洋中为什么会有这么多涡旋呢？经过对中尺度涡机理的研究，海洋学家认为：中尺度涡的生成主要依赖于流场的不稳定(Stammer 1997, etc.)，黑潮和湾流延伸体内流轴两侧的中尺度涡就是从不稳定的流场中脱落而来；也有部分中尺度涡的生成归因于局地风应力的强迫(Wang et al., 2008, etc.)。决定中尺度涡持续存在和旋转的主导机制则是地转平衡(Robinson 2010)：中尺度涡的水平半径大于当地罗斯贝变形半径时，中尺度涡海表起伏所维持的水平方向压强梯度力与中尺度涡水平旋转运动而产生的科氏力相平衡(如图7)，这种准平衡态和中尺度涡的非线性效应维持了中尺度涡较长的生命周期，使得水团在中尺度涡内旋转一周的时间小于中尺度涡存活的时间。

　　作为海洋中的“龙卷风”，中尺度涡对海洋物质和能量的分配，对流场和环境场的改变，对与其相伴随的其它动力过程均有着十分重要的影响。第一，卫星资料的分析显示地转涡场的动能占据了表层流场动能的绝大部分，这说明中尺度涡既是全球大洋能量收支中的重要角色，也是能量从大尺度向小尺度级串过程中的重要一环(Ferrari and Wunsch 2009)；第二，中尺度涡能够因其旋转和经向移动在经向输送热量(Holloway 1986, etc.)，进而影响气候变化；第三，中尺度涡也因其非线性而裹挟水团输送物质(Early et al., 2011, etc.)，改变涡场影响下的水团特性(Mcdowell and Rossby 1978, etc.)、地球生物化学特征(Siegel et al., 2011, etc.)、初级生产力(Falkowski et al., 1991, etc.)；第四，中尺度涡可与其它海洋过程发生相互作用，比如涡流相互作用(Cronin 1996, etc.)、涡与风场的相互作用(Small et al., 2008, etc.)、涡与内波的相互作用(Polzin 2008, etc.)、影响惯性振荡 (Zhai et al., 2005, etc.)、影响垂向混合 (Saenko et al., 2012, etc.)等。

　　正是因为中尺度涡是开放系统，同时受限于涡场观测资料的稀缺，海洋学家依旧对中尺度涡及其产生的效应十分好奇，相关研究远未完备，比如，中尺度涡的垂直结构和其在深海的影响并不明晰。早期人们认为，海洋垂向运动很弱，涡场具有二维湍流的性质，预示着中尺度涡局限于海洋上层；但随着观测技术的进步，人们发现海洋上层中尺度涡能够穿透层结而影响深海(Adams et al., 2011, etc.)，或者可以在深海直接生成(Dengler et al., 2004)。目前，针对中尺度涡深层结构(Petersen et al., 2013)和潜在影响(Zhang et al., 2013)的研究已有所开展，但对于揭示不同海区不同地形条件下深层中尺度涡的结构、行为和相应效应还远远不够。

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