基于SAR观测和数值模拟的海洋涡旋偶极子中海浪的频谱变换

Nelson Violante-Carvalho|Thiago de Paula|Leandro Calado|Luigi Cavaleri|Felipe Marques dos Santos|Luiz Mariano Carvalho|Andre Luiz Cordeiro dos Santos|Alvise Benetazzo

巴西里约热内卢联邦大学（COPPE-UFRJ）海洋工程系

摘要

中尺度涡旋是能量密集的海洋结构，对海洋动能的贡献巨大。它们经常成对出现，被称为涡旋偶极子或蘑菇状涡旋，在全球海洋中可能普遍存在。这些偶极子沿其中心轴线产生强烈的表面流，形成一股比周围流强得多的狭窄射流。我们研究了涡旋偶极子的中心射流对逆流方向传播的风波属性和频谱形状的影响。为了捕捉波浪与水流相互作用引起的复杂变化，我们采用了一种新的反演方法，从Envisat卫星沿圣保罗高原上的涡旋偶极子轨迹采集的合成孔径雷达（SAR）数据中提取方向波谱。观测分析还结合了使用最先进的波浪和海洋环流模型进行的理想化数值模拟。此外，还利用卫星高度计测量的绝对动态地形和推导出的绝对表面地转速度来确定涡旋偶极子及其相关射流的位置和结构。结果表明，在有利的几何条件下，涡旋偶极子就像透镜一样，使表面波向其中心射流折射，显著增强了逆流区域的波高和波陡度。偶极子的存在在频率和方向空间上拓宽了波谱，这种扩宽的程度受到波初始方向扩散的影响。

引言

涡旋偶极子，通常被称为蘑菇状涡旋，是全球海洋中普遍存在的中尺度特征。与孤立涡旋不同，涡旋偶极子由一对气旋性涡旋和反气旋性涡旋组成，会产生一股狭窄的、高速度的中心射流（Fedorov和Ginsburg，1986年；Fedorov等人，1989年）。这种配置产生的流速梯度更强，涡度也更大。因此，波浪与水流的相互作用更为显著，尤其是在折射和波能聚焦方面。尽管涡旋偶极子通常与强水流（如墨西哥湾流）相关联，但它们也会在较弱的水流环境中形成，这说明其形成并不完全依赖于背景水流的强度（Beron-Vera等人，2008年）。

通过输送热量、营养物质和能量，涡旋偶极子对海洋温度和盐度的空间分布起着重要作用。其中心射流中强烈的表面流虽然空间范围有限，但可以显著增强局部能量交换和相关过程（Apango-Figueroa等人，2015年；Vianello等人，2020年；Malan等人，2020年；Ni等人，2020年）。当射流与逆流方向的波浪系统相互作用时，这种效应尤为明显，会导致局部剧烈的动力不平衡。

在南大西洋，涡旋偶极子常在23°S附近形成（见图1），位于巴西洋流（BC）内。该地区海岸线变化剧烈，地形陡峭，这对巴西东南湾和圣保罗高原的表面环流有很大影响。此外，该地区还是石油和天然气勘探的前沿以及巴西东南海岸海上交通的重要枢纽。巴西洋流的强烈中尺度活动常常会产生伴随强烈垂直切变和斜压力的涡旋偶极子（Calado等人，2008年；Arruda和Silveira，2019年；de Paula等人，2025年）。这些结构通常表现为反复出现的气旋-反气旋涡旋对，如图1所示。特别值得关注的是这些涡旋向南-西南方向的传播（de Paula等人，2021年），其中心射流产生的表面流与主要的北-东北方向涌浪方向相反（Violante-Carvalho等人，2004年）。这种配置引发了局部波浪能量的放大，引起了我们对风生成的波浪如何响应这种复杂流动条件的兴趣。

在WW3模型中，表面流通过波浪作用平衡方程（WW3DG，2019年）得到考虑，它们通过折射和平流以及波的固有频率来改变波浪的传播。这些过程影响波高、方向和频谱形状。最近的研究表明，中尺度空间变化对有效波高（Hs）的控制主要受水流诱导的折射作用（Ardhuin等人，2017年；Romero等人，2017年；Quilfen等人，2018年；Violante-Carvalho等人，2025年）。因此，Hs的梯度与底层水流场的涡度结构密切相关。

这个问题存在实际挑战。要进行稳健的分析，需要一个具有明显中心射流的明确发展的涡旋偶极子，以及沿相同轴线排列的逆流波浪系统。此外，观测验证需要沿涡旋偶极子中心轴线方向的卫星轨迹。这可以从SAR波模图像中获取完整的方向波谱，而不是依赖于高度计等综合参数。这些严格的标准要求我们通过现有数据集进行全面搜索以识别合适的事件。据我们所知，本研究首次详细分析了穿过涡旋偶极子中心射流的波谱变化。因此，本研究旨在利用SAR波模图像和波浪-水流模拟来量化涡旋偶极子中心射流引起的波谱变化。

本文的结构如下：第2节概述了数据和方法论，包括HYCOM（第2.1节）和WW3（第2.2节）模型描述、基于高度计的涡旋偶极子检测（第2.3节）以及SAR波谱反演（第2.4节）。第3节介绍了波浪-水流相互作用的理想化模拟，第4节则探讨了一个实际案例，涵盖了偶极子动力学（第4.1节）和观测到的频谱变化（第4.2节）。最后，第5节总结了研究结果。

节片段

海洋模型数据

本研究使用了由HYCOM Consortium与海军耦合海洋数据同化系统（HYCOM+NCODA）合作开发的全球海洋预报系统（GOFS）3.1的数据，通过数值方法研究了波浪与水流的相互作用，特别关注水流对波浪场的影响。HYCOM NCODA GOFS 3.1海洋再分析（以下简称HYCOM）的水平分辨率为1/12°，共有41个垂直层。它结合了原位海面高度计观测数据

使用理想化模拟研究海洋涡旋偶极子中水流对波浪的影响

进行了理想化的数值实验，以研究表面波与海洋涡旋偶极子及其强化的中心射流的相互作用。这些模拟为分析基本物理过程提供了一个受控的框架，为后续研究更复杂的实际案例奠定了基础。当前的模拟没有包括双向的波浪-水流耦合，因此可能无法捕捉累积的反馈效应。然而，它们提供了一个受控框架来隔离主要

案例研究：南大西洋圣保罗高原的海洋涡旋偶极子

在理想化模拟的基础上，分析重点关注一个满足三个关键标准的真实事件：存在一个具有强化中心射流的明确定义的涡旋偶极子、逆流方向传播的波浪，以及与中心射流轴线对齐的SAR卫星轨迹——在该区域波浪与水流的相互作用最为显著。将卫星观测数据与数值模拟相结合，为评估提供了可靠的框架

总结与结论

由相邻反向旋转的涡旋组成的海洋涡旋偶极子是分布最广的中尺度特征之一，在全球海洋中可能普遍存在。这些结构促使水流沿其中心轴线流动，形成一股狭窄且强烈的射流。本研究利用来自不同类型雷达传感器的数据，研究了风生成的波浪与这些中心射流的相互作用过程中波谱的变化

CRediT作者贡献声明

Nelson Violante-Carvalho：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。Thiago de Paula：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。Leandro Calado：写作——审稿与编辑：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。