中尺度涡旋——海洋中的黑洞

中尺度涡旋简介

中尺度涡旋（又称天气式海洋涡旋），是指海洋中直径有100-300千米、寿命为2-10个月的涡旋。相比于常见的用肉眼可见的涡旋，中尺度涡旋直径更大、寿命更长；但相比一年四季都存在的海洋大环流有小很多，故称其为中尺度涡旋。

它通常分为两种：气旋式涡旋（在北半球为逆时针旋转），反气旋式涡旋（在南半球为逆时针旋转）。

中尺度涡旋分类

中尺度涡旋很像大气中的气旋和反气旋，故又称天气式海洋涡旋。

通常分为两种：气旋式涡旋（在北半球为逆时针旋转），其中心海水自下而上运动，将下层冷水带到上层较暖的水中，使涡旋内部的水温比周围海水低（一般中心海面高度比周围低），又称冷涡旋。

另一种是反气旋式涡旋（在北半球为顺时针旋转），其中心海水自上而下运动，携带上层的暖水进入下层冷水中，涡旋内部水温比周围水温高（一般中心海面高度比周围高），又称暖涡旋。

中尺度涡旋在世界各大洋中都存在，大部分集中在北大西洋，尤以百慕大三角区为多。在太平洋的西北部从1957年至今，已经发现了近200个反气旋式涡旋。

中尺度涡旋的运动可分为自转、平移和垂直3种。

中尺度涡旋会改变流经海区原有的海水运动，使得海流的方向变化多端，流速增大数倍至数十倍，并伴随有强烈的水体垂直运动。旋涡中心势能最大，越远离中心，势能越小。

涡旋动能的最大值不在中心，而是在水体旋转线速度最大的区域。

中尺度涡旋的作用

一、对海洋水文物理性质的影响

首先是中尺度涡对海表温度(SST)的影响，气旋（反气旋）式的中尺度涡对应着低（高）的海面高度（SSH），在地转的作用下使海面海水辐散（辐聚），从而引起了下层（上层）海水的上升（下降）以作为补充，进而使海面呈现出低（高）的SST。

故而中尺度涡又有冷涡和暖涡之分，分别对应着气旋涡和反气旋涡。中尺度涡对SST的影响不仅仅是由于它所引起的上升或下降流所造成的，还有一种途径那就是中尺度涡对背景SST的搅拌作用。

在海洋的锋面处SST的梯度非常大，在中尺度涡强烈的搅拌作用下，会将冷水带到暖水处，同样也会将暖水带到冷水的地方，这样便会产生SST的“冷丝”和“暖丝”。

中尺度涡影响了SST后，会产生一系列的连锁效应，比如说它会改变了海气的热通量，这里不作详谈。

其次是中尺度涡对温、盐、粒子的输运作用，即所谓的eddy flux。对温、盐、流等的平均背景场而言，中尺度涡的存在对背景场产生一种不规则的脉动，所产生的脉动流速与脉动温度（盐度、粒子密度）的共同作用，产生了所谓的涡的热（盐、粒子）输运。

相关研究表明，这种涡的输运作用与背景平流作用相比，不可忽略，而在西边界流及延伸体和南极绕极流海区，涡的输运作用更尤为显著。

除了自身的旋转之外，中尺度涡还在不断地“迁移”。从高度计上可以发现，大洋中的中尺度涡以与长Rossby波速相近的速度向西传播，这可能说明大洋中的中尺度涡正是Rossby波的局地表现形式。

在这种意义下，大洋中的能量不断地以中尺度涡的形式向西传播，从而对整个大洋的环流进行调整。此外，实际海洋中的中尺度涡并不是严格线性的，即中尺度涡的流线并不严格闭合，这会使得中尺度涡不断地向西携带物质，但这方面的相关研究还十分匮乏。

二、对海洋化学和生物环境的影响

中尺度涡对海洋化学及生物环境也有着不可忽视的影响。比如说中尺度涡所造成的上升流，将海洋下层的营养盐携带至海洋真光层，从而促进了海洋初级生产力的提高。

此外，中尺度涡在锋面处的搅拌，以及中尺度涡对粒子的涡输运作用，也会影响局地的海洋化学及生物环境。

最近在Science上发表的一篇报道指出，在东北太平洋中脊处的一个中尺度涡，正压性特别强，影响深度可达海底，从而帮助了海底热液出口处生物群落的迁移，可见中尺度涡对深海海洋生态有这前所未知的影响。

作为大尺度过程与小尺度过程的衔接，中尺度涡在能量积串中占有至关重要的位置。首先，由于斜压不稳定（或其它原因，如正压不稳定），中尺度涡从从背景流中产生，并从背景场中摄取能量不断成长，从而将能量从大尺度向中尺度传递。

而中尺度涡的耗散过程，又将能量从中尺度传递到小尺度，进而最终转化成热能耗散。关于中尺度涡的生成、耗散机制与过程，特别是其耗散的机制与过程，目前尚无定论，相关的报道十分匮乏。

目前的几篇报道指出，反气旋式的中尺度涡可能是近惯性能量向下传播的“通道”，有利于深层海水的混合，从而促进了能量向小尺度的传递；此外还有报道指出，中尺度涡在经过海底强地形时可能产生Lee-wave，Lee-wave的破碎造成了海水的混合。

看了以上的介绍是否对中尺度涡旋更加了解了呢，更多海洋知识请关注探索发现栏目及海洋百科专题。