南海贯穿流荷载中尺度过程能量学诊断

本文利用南海海洋再分析产品REDOS(Reanalysis Dataset of the South China Sea)和风场资料CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform),通过能量诊断探讨了越南沿岸南海西边界流(南海贯穿流主体部分)区域夏季(6—9月)涡流相互作用的年际变化特征以及平均流对中尺度过程的贡献。结果显示,在季风和西边界强流、南海贯穿流的共同影响下,越南沿岸东向急流和双涡结构的能量分布和收支有显著的年际差异。尽管涡动能(EKE,Eddy Kinetic Energy)和涡动有效势能(EPE,Eddy available Potential Energy)的量级基本一致,但二者在水平和垂向空间分布上存在明显差异,这与夏季风影响下的南海西部边界流,越南离岸流的上层海洋密度梯度、流速大小和剪切导致的斜压、正压不稳定性等因素相关。同时随着深度的增加,密度梯度变化相对水平速度剪切对海洋涡流过程的影响逐渐凸显。EKE能量收支分析表明,压强与风应力主要做正功,是维持EKE稳定的主要能量来源,而EKE平流项既可以促进涡旋的增长,也会造成涡旋的消耗,对EKE的年际变率影响比较显著。正压不稳定导致的能量转换主要影响南海西部边界流区域,并存在显著年际变化,并且在风和平均流的影响下,沿贯穿流方向存在显著空间分布差异。越南离岸流正异常年,整体呈现平均流向涡旋传递能量;负异常年,出现EKE反哺平均动能的情况。     

斯里兰卡以东海域涡旋偶极子的生成与维持机制

斯里兰卡岛以东海域在西南季风期间常会出现一对低频涡旋偶极子（即斯里兰卡穹顶气旋涡和反气旋涡）,对当地的海洋生态系统及气候有着重要影响。基于（1/12）°分辨率的混合坐标海洋模式（Hybrid Coordinate Oceanic Model,HYCOM）再分析资料以及多尺度子空间变换（MWT）和基于MWT的正则传输理论等方法,分析了它们的生成发展机制。结果发现这2个涡旋发展所需能量最终都来源于海表风应力做功,但具体可取3条完全不同的路径：①风应力直接驱动涡旋;②风应力驱动背景场的西南季风流,其后西南季风流发生正压不稳定以提供涡旋所需的涡动能;③西南季风流通过风应力做功获得的动能转换为有效位能,其后通过斜压不稳定给涡旋提供位能。涡旋最终衰亡的主要原因包括风应力对涡旋做功的减少、西南季风流正压不稳定的减弱、涡旋的能量频散以及低频涡向更高频扰动的正向能量级串。     

孟加拉湾海域背景流–中尺度涡–高频扰动之间的相互作用

基于一套涡分辨模式数据,本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换—将孟加拉湾（BOB）海域的环流系统分解到背景流（>96 d）、中尺度（24～96 d）和高频尺度（<24 d）3个子空间,并用正则传输理论探讨了3个尺度子空间之间内在的非线性相互作用。结果表明,BOB西北部边界和斯里兰卡岛东部是BOB海域多尺度相互作用最显著的区域,中部则较弱。前两个区域的背景流大多正压、斜压不稳定,动能和有效位能正则传输主要表现为正向级串;后者则以逆尺度动能级串为主。具体来说,在BOB西北部与斯里兰卡东部,中尺度涡动能（EKE）主要来源于正压能量路径（即背景流动能向EKE传输）,其次来源于斜压能量路径（即背景流有效位能向中尺度有效位能传输,并进一步转换为EKE）。通过这两个能量路径得到的EKE向更高频的扰动传输能量,起到了耗散中尺度涡的作用。不同于此二者,BOB中部海域的EKE和高频尺度动能主要通过斜压路径获得,随后通过逆尺度级串将动能返还给背景流。苏门答腊岛的西北部也是中尺度和高频尺度扰动较强的海域,正压能量路径和斜压能量路径均是该海域扰动能的来源,但以斜压能量路径为主。     

2000—2015年夏秋季孟加拉湾湾口区涡流相互作用能量学特征

文章主要使用全球简单海洋资料同化分析系统(Simple Ocean Data Assimilation, SODA)产出的海洋再分析数据产品和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)发布的风场资料, 通过能量学方法分析了2000—2015年夏季至秋季(6—11月)孟加拉湾涡-流相互作用特征在不同印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)事件发生年的表现。结果表明, 在IOD负位相年更强的西南季风背景下, 涡动能和涡势能的量值均较大, 海洋不稳定过程更多地将平均流场的能量输向涡旋场, IOD正位相年反之。另外, 研究发现孟加拉湾湾口区的涡动能在个别年份会发展出一种与气候态存在显著异常的空间分布, 即在个别年份湾口中央海域异常出现涡动能极大值。通过对出现该异常现象最显著的2010年进行个例分析, 发现当年的孟加拉湾海表风场发展出一个气旋式环流异常, 显著地改变了海洋上层环流形态, 极大地影响了平均流场与涡旋场之间的相互作用。进一步对维持涡动能平衡的各做功项进行诊断后发现, 湾口异常海域涡动能年际变化的主要影响因素为海洋内部的压强做功, 其次是正压不稳定过程和平流的做功, 海表风应力做功项贡献较小。     

西北太平洋中尺度涡半径与涡动能的统计关系

中尺度涡的半径与涡动能之间的关系及其内在机制的研究,对我们理解中尺度涡旋的三维结构特征及其变异规律有很大的帮助。本文利用AVISO卫星高度计融合数据,基于流场几何特征的识别方法对西北太平洋(10°～52°N, 120°～180°E)的中尺度涡进行了识别追踪,并由此分析了该区域内中尺度涡的半径与涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)的统计关系。结果表明该区域中尺度涡的半径与EKE之间存在类似翻转高斯函数的递增关系,特别是在涡旋半径达到一定程度后,EKE将不随半径的变大而继续增强。而且该关系与纬度密切相关,相同半径条件下,涡旋的EKE近似与其所在纬度的第一斜压Rossby变形半径的平方呈反比。进一步分析表明该统计关系与中尺度涡所处的发展阶段没有明显的联系。该结果为建立一个实用性的参数化、归一化的中尺度涡模型提供了一定的理论基础。     

黑潮延伸体上游中尺度涡场的年代际振荡及其相关机制

黑潮延伸体上游区域的中尺度涡场的涡动能和涡特征尺度存在显著地年代际振荡,和黑潮延伸体路径的年代际变化有很好的相关性。当黑潮延伸体路径比较稳定时,其上游区域涡动能比较高,涡特征尺度比较大,反之相反。通过对黑潮延伸体上游区域的中尺度涡场进行集合分析发现:当黑潮延伸体处于稳定状态时,上游涡场几乎是各向均匀地,有轻微的径向伸长;而当黑潮延伸体处于不稳定状态时,上游的中尺度涡场有显著地纬向伸长。对与中尺度涡场的产生相关的线性斜压不稳定和正压不稳定进行了计算分析,结果显示,线性斜压不稳定不是控制中尺度涡场年代际变化的机制,而正压不稳定对中尺度涡场的年代际变化有积极的贡献。不稳定产生的中尺度涡之间存在非线性涡-涡相互作用。     

ENSO事件对北赤道流分叉位置的影响

本文应用热带西太平洋海面风资料,讨论了风应力涡度场的年际变化,及其对棉兰老冷涡和北赤道流分叉位置的影响。分析结果表明,风应力涡度场、棉兰老冷涡以及北赤道流分叉位置三者之间的年际变化存在密切相关。特别是在ＥＮＳＯ期间（厄尔尼诺－南方涛动）,热带西太平洋风场的变异,导致了风应力涡度场的变化,从而致使棉兰老冷涡加强和扩张,最终引起北赤道流分叉位置北移。相反,在ＬａＮｉｎａ（反厄尔尼诺）期间,风应力涡度减弱,冷涡减弱和西缩,从而引起北赤道流分叉位置南移。     

中南半岛近海偶极子演变过程研究

中南半岛近海偶极子结构是指在夏季与越南离岸流伴生的一对中尺度涡现象，其中气旋涡位于离岸流北侧，反气旋涡位于离岸流南侧，偶极子结构对于中南半岛近海水文要素具有重要影响。本文基于卫星高度计数据和HYCOM海洋模式的模拟结果，以2012年为例研究了该偶极子的演变过程，结果表明：偶极子结构7月出现，9月初鼎盛，10月消失；鼎盛时，两个涡旋直径均大于300km，在温跃层引起的最大位温异常可达±5℃。垂向结构上，反气旋涡呈中心对称，而气旋涡有非对称性，且影响深度大于反气旋涡。在200m以下，气旋涡有随深度增加向东倾斜的趋势，而反气旋涡有随深度增加向西偏移的趋势，但该趋势在200m层以上并不显著。对偶极子涡旋区域进行能量分析，结果表明偶极子能量主要来自于越南离岸流提供的正压和斜压能量，即越南离岸流区域是偶极子结构的主要能量源，局地风场对偶极子结构的维持也具有重要作用。能量既可以由离岸流输送给涡旋，也可以从涡旋向离岸流转化，但总体上是离岸流向涡旋提供能量。     

1998年冬季南海环流的三维结构

利用1998年11月28日至12月27日南海的调查资料,采用三维海流诊断模式,计算了冬季南海三维海流,所得结果如下:(1)冬季南海环流系统方面:1)南海北部,在吕宋西北海域分别存在一个气旋式、反气旋式涡.2)南海中部,在越南近岸存在较强的、南向的西边界射流.其以东海域出现较强的气旋式环流.南海中部东侧海域存在一个较弱的反气旋式环流.3)南海南部,一般流速较弱.在112°E以西受反气旋式环流所控制,加里曼丹岛西北海域存在气旋性环流.由于受调查海域所限,这两个环流只部分出现.(2)上述环流系统与200 m层水平温度、密度分布对应较好.(3)南海冬季环流垂向速度分布方面:1)表层,南海北部,在吕宋西北为范围较大的上升流海区.而在东沙群岛附近海域出现了下降流.海南岛以南及东南海域也存在下降流.南海中部,越南以东海域出现范围较大的下降流,其以东为上升流海域,而在巴拉望岛西北海域又出现下降流.南海南部,基本上被上升流海域所控制.2)次表层与表层不同,例如在次表层,海南岛东南部海域出现上升流.中层和深层垂向速度分布与次表层相似.(4)关于南海垂向速度分量分布的动力原因:在表层,风应力旋度场起着主要作用;在次表层,β效应与斜压场相互作用是重要的动力因子,而风应力旋度场和β效应与正压场相互作用也有一定影响;在南海中部等区域的中层以及在南海的深层,主要受B效应与斜压场相互作用和B效应与正压场相互作用的共同作用.     

2005-2009年、2011年和2013年南海东北部120°E断面秋季体积输运的年际变化

基于2005年至2009年、2011年和2013年各年九月份南海开放航次获取的东北部120°E断面的水文观测资料,运用了地转流诊断和模态分解两种方法,研究了该断面流场结构和体积输运的年际变化特征。2005年、2006年、2007年和2013年流场呈显著斜压特征,断面上、下层流速方向相反;而2008、2009年和2011流场垂向变化不明显,呈现准正压结构。断面体积输运沿深度分布呈现三种方式：一致向西（2005年、2007年和2011年）,上西下东（2008年和2013年）和上东下西（2006年和2009年）。断面净体积输运亦有显著年际变化,在2005年出现西向最大-11.2Sv,在2013年出现东向最大9.1Sv,而在2009年仅为西向-1.2Sv。模态分解表明,准正压结构的年份,流场主要被正压模态控制,但第一斜压亦不可忽略;而斜压结构的年份,流场由正压模和第一斜压模态共同主导。     

Numerical study on the eddy–mean flow interaction between a cyclonic eddy and Kuroshio

A three-dimensional primitive equations ocean model (POM) is employed to study the momentum and energy balance of a moving cyclonic eddy (CE) during eddy–mean flow interaction. The CE generated by an idealized typhoon forms to the east of the Philippine islands. A momentum balance analysis shows that the dynamics of the CE are generally dominated by the geostrophic current throughout the life cycle of the CE. An energy analysis suggests that the eddy kinetic energy (EKE) and the eddy potential energy (EPE) decay rapidly after generation. The maximum EPE initially appears at the surface of the eddy center and gradually appears in the subsurface layer. The largest baroclinic instability (BCI) initially occurs at the surface. For a CE moving along a trajectory, the conversion from mean potential energy (MPE) to the EPE is positive (negative) in the front (rear) part of the trajectory, and then the eddy transfers its EPE forward along its trajectory by means of the front (rear) part of the eddy obtaining (losing) EPE from (to) the mean flow. During the interaction stage, the northward flowing Kuroshio interacts with the southward flow on the western side of the eddy and the inverse velocity shear between the Kuroshio and the eddy causes the EKE to gradually develop east–west asymmetry. The largest barotropic instability (BTI) is found in the interaction zone. Advection term, pressure work, and friction term play the dominating role in eddy decay in the eddy zone, while BTI only dominates in the interaction zone.     

东海黑潮上下游不同的涡动能季节变化特征及其产生机制

用一种新的泛函工具——多尺度子空间变换(multiscale window transform,MWT),得到如实的东海涡动能分布,发现东海黑潮上下游区域的涡动能有着完全不同的季节变化特征.根据功率谱分析,东海黑潮流系可正交地重构到背景流尺度子空间(大于64 d)与涡旋尺度子空间(小于64 d),并用MWT得出相应子空...     

Local advective mechanism for interdecadal variability in circulations driven by constant surface heat fluxes in idealized basins

Idealized numerical experiments with a depth level coordinate ocean circulation model (GFDL MOM3) have been conducted to investigate the structure of interdecadal variability from thermally driven circulations. The model oceans are driven by steady surface heat fluxes in the absence of surface wind stresses. Interdecadal variability is observed, with characteristics similar to those reported in many previous studies. To explain the nature of the variability we propose a new mechanism based on two local horizontal advective processes. This overcomes the limitations in previous theories based on the interplay between global properties such as zonal and meridional temperature gradients and overturning. One of the two advective processes is a zonal flow anomaly induced by a temperature anomaly along the northern wall through geostrophy southward of the temperature anomaly. A cold (warm) anomaly along the northern wall produces a positive (negative) zonal flow anomaly that induces a warm (cold) temperature anomaly by enhancing (weakening) warm advection from the western boundary along the path of the zonal flow anomaly. The temperature and flow anomalies are transported toward the eastern boundary by the mean eastward zonal flow. When the positive (negative) zonal flow anomaly that accompanies the warm (cold) temperature anomaly encounters the eastern wall, a downwelling (upwelling) anomaly is produced. To dissipate the vorticity due to this downwelling (upwelling) anomaly, a northward (southward) flow anomaly, which is another advective process governing the variability, is generated within a frictional boundary layer next to the eastern wall. The northward (southward) flow anomaly circulates cyclonically along the perimeter of the basin while enhancing (reducing) warm advection. So does the warm (cold) temperature anomaly carried to the eastern wall by the mean zonal flow while pushing the cold (warm) anomaly that produced the positive (negative) zonal flow anomaly westward and initiating the other half cycle of the variability. During the anomalous downwelling or upwelling, the available potential energy stored in the anomalous density field is released to maintain the variability. Thus, neither barotropic nor baroclinic instability supplies energy for the variability. The anomalous vertical velocity is stronger along the northern boundary and the northern part of the eastern boundary. A shallow continental slope added along those boundaries prohibits the anomalous vertical motion and weakens variability very effectively, while one along the western boundary does not.     

Variations of eddy kinetic energy in the South China Sea

Fifteen years of merged altimetric data were used to acquire the seasonal to interanual variations of eddy kinetic energy (EKE) in the South China Sea (SCS). The results show that climatological mean EKE in the SCS ranges from 50 cm²/s² to 1,400 cm²/s², with high values in the regions southeast of Vietnam and southwest of Taiwan Island. The amplitude of the annual harmonic of the EKE is characterized by high values to the southeast of Vietnam where the maximum exceeds 800 cm²/s². The EKE in the northern SCS reaches its maximum in August-February, while it peaks in September–December in the southern SCS. Besides the seasonal variation, the EKE also shows strong interannual variation, which has a negative (positive) anomaly in boreal winter during El Niño (La Niña) events. The interannual variation of local wind stress curl associated with El Niño-Southern Oscillation events may be the cause of the interannual variation of the EKE in the SCS.     

黑潮入侵优化对南海北部中尺度涡旋模拟的影响

基于高分辨率海洋环流模式，通过比较吕宋海峡处地形优化后的黑潮入侵形态和强度不同的试验，我们研究了黑潮入侵优化后对南海中尺度涡模拟的影响。我们发现黑潮入侵的减弱导致了涡旋活动的减弱，这使得模式结果与观测结果更为相近。在这种情况下，模式模拟的吕宋海峡西部及北部陆坡区域的涡动动能明显减弱。模式涡动动能的减弱与模式反气旋式涡数量的减少和气旋式涡强度的减弱有关。涡动动能收支的分析进一步表明，黑潮入侵的优化将通过改变水平速度切变和温跃层斜率来改变涡动动能，而这两个参数分别与正压和斜压不稳定性有关。前者在模式涡动动能减弱中起着更为重要的作用，而黑潮入侵导致的涡动动能的水平输送对吕宋海峡西部区域的能量收支同样起着重要的作用。     

Interannual variations in the Hawaiian Lee Countercurrent

The Hawaiian Lee Countercurrent (HLCC) is an eastward surface current flowing against the broad westward flow of the North Pacific subtropical circulation. Analyses of satellite altimeter data over 16 years revealed that the HLCC is characterized by strong interannual variations. The strength and meridional location of the HLCC axis varied significantly year by year. The eastward velocity of the HLCC was higher when the location of the axis was stable. Mechanisms for the interannual variations were explored by analyses of the altimeter data and results from a simple baroclinic model. The interannual variations in the strength of the HLCC did not correlate with those of the wind stress curl (WSC) dipole formed on the leeward side of the Hawaii Islands, although the WSC dipole has been recognized as the generation mechanism of the HLCC. Meridional gradients of the sea surface height anomaly (SSHA) across the HLCC generated by baroclinic Rossby waves propagating westward from the east of the Hawaii Islands were suggested as a possible mechanism for the interannual variations in the HLCC. The spatial patterns in the observed SSHAs were reproduced by a linear baroclinic Rossby wave model forced by wind fields from a numerical weather prediction model. Further analysis of the wind data suggested that positive and negative anomalies of WSC associated with changes in the trade winds in the area east of the Hawaii Islands are a major forcing for generating SSHAs that lead to the HLCC variations with a time lag of about 1 year.