基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km, 时间尺度约为1天, 里查森数和罗斯贝数为0(1), 能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级, 并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果, 采用方差椭圆方法, 评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征, 并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明, 黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域, 主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域, 各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系, 表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制, 较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。     

黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化研究

近年来的现场观测和理论研究发现, 次中尺度现象广泛存在于上层海洋, 其产生与锋生作用及混合层斜压不稳定存在密切联系。本文利用高分辨率的数值模拟结果并结合动力学及能量诊断分析, 对黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化进行了探讨。探讨结果表明, 黑潮延伸体海域次中尺度过程具有冬季最强, 春季和秋季次之, 夏季最弱的显著季节变化特征。基于冬、夏季次中尺度能量源的诊断可以看到, 这些季节变化特征主要与上层海洋的斜压不稳定和锋生作用有关。冬季, 黑潮延伸体海域的中尺度能量较弱, 但次中尺度过程在季节尺度上表现最为活跃, 这主要与混合层斜压不稳定的作用有关; 夏季, 黑潮延伸体海域的混合层较浅, 次中尺度过程较弱, 但中尺度涡旋活跃, 中尺度流场变形引起的锋生作用对夏季次中尺度现象的产生具有重要影响。在次中尺度能量的季节变化方面, 冬季次中尺度过程从中尺度过程汲取能量的速率远高于夏季, 这是冬季次中尺度过程比夏季更为活跃的主要原因。本文研究结果有助于加深对黑潮延伸体海域次中尺度过程季节性变化及其动力机制的理解。     

黑潮延伸体海域典型涡旋的次中尺度特征分析*

本文基于卫星遥感资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模拟结果, 对黑潮延伸体海域典型中尺度涡旋的次中尺度特征进行了探讨。卫星观测和模拟结果显示, 黑潮延伸体涡旋海域伴随着活跃的次中尺度现象。涡旋演变与多尺度能量分析结果表明, 涡旋海域次中尺度动能的强弱与涡旋海域地转流动能有着密切联系, 锋生可能是涡旋边缘次中尺度动能增强的重要机制。次中尺度现象在中尺度涡旋海域具有沿地转流方向的复杂涡丝状结构特征, 意味着涡旋边缘较强的水平浮力梯度和地转流侧向剪切为次中尺度过程形成与发展提供了有利条件。此外, 垂向结构分析表明, 次中尺度过程能引起较大的垂向速度, 最大可达100m·day^-1, 该垂向速度可以影响至混合层下200m深度处, 对海洋内部的垂向物质能量交换、海—气相互作用等有着重要的影响。     

南海北部次中尺度过程数值研究

近年来的观测与理论研究发现,海洋上混合层存在一类水平尺度为0.1~10km、时间尺度为~O(1天)的重要物理过程,称之为次中尺度过程。该过程具有较大的罗斯贝数(Ro)和较小的理查森数(Ri),它能有效地通过次级不稳定从中尺度地转过程中汲取能量,并向小尺度湍流混合串级,从而对上层海洋物质能量输运、中尺度过程变异、海气相互作用,以及混合层再分层等产生重要影响。利用区域海洋模式系统ROMS(Regional Ocean Modeling System)进行水平分辨率约为1km的高分辨率数值实验,对南海北部的次中尺度过程进行了初步探讨。分析结果表明,南海北部海域有着丰富的中尺度涡旋与海洋锋面活动,且涡旋与锋区边缘存在显著的次中尺度现象。通过对次中尺度涡旋个例的稳定性和能量分析发现,锋面海域强烈的水平浮力梯度导致了涡丝边缘的Ertel位涡小于0,并引起对称不稳定,锋生作用是该次中尺涡旋南侧发生对称不稳定的主要动力机制。同时,对称不稳定能有效地从地转剪切中汲取能量并向小尺度湍流混合串级,其能量汲取的最大值出现在20m深度,约为4×10~(–7)W×kg~(–1)。     

南海环流多尺度动力过程演变特征与机制研究进展

作为西太平洋最大的边缘热带海盆,南海具有季节性海盆尺度风生环流特性,具有越东偶极子、南海西边界流、黑潮入侵分支等主流系（空间尺度＞100 km）,也具有丰富的中尺度涡旋、锋面、上升流等中尺度过程（空间尺度约为O（10～100 km））和活跃的亚中尺度过程（O（1～10 km））等,而这些多尺度运动之间的能量转化是全球海洋能量循环的主要组成部分。本文主要概述了南海贯穿流特征、南海陆架陆坡流和西边界流特征、主流系对中尺度涡旋的影响、（亚）中尺度对湍流混合的影响四个方面取得的研究进展。目前的研究已发现主流系主要通过斜压不稳定将能量传递给中尺度过程,中尺度涡旋能量主要通过正压不稳定、剪切不稳定等过程将能量传递给小尺度过程。但是,多尺度运动之间能量传递过程的观测、南海中小尺度过程的能量逆级串过程及其对局地天气与气候的影响仍需进一步研究。     

琉球群岛附近海域中尺度涡的初步研究

采用1977年1月至2006年12月高分辨率全球大洋环流模型OFES输出结果对琉球群岛附近海域的中尺度涡进行了研究分析。结果表明:(1)尺度较大的涡旋的分布密集区主要有台湾以东海域、琉球海沟上层海域和四国以南海域。(2)琉球海流流经海域的反气旋涡旋占优势,有利于琉球海流的发展。(3)琉球海流受中尺度涡的影响十分显著,纬度越低,其受中尺度涡的影响越明显,而黑潮相对比较稳定,受中尺度涡的影响并不显著。(4)四国以南海域暖涡从黑潮脱落之后向西南移动,该涡旋的移动对琉球海流和黑潮产生特别显著的影响。文章的最后还讨论了中尺度涡与黑潮弯曲以及琉球海流可能存在的联系。     

中国近海中尺度涡分区分类与影响初探

海洋中尺度涡作为物质循环、能量串级和信息传递的关键尺度和重要环节,具有丰富的热动力学内涵。文章基于中国近海及毗邻海域的涡动能分区,重点综述中尺度涡的运动属性、动力学本质和局地特征,从尺度局限与尺度关联的角度阐示中尺度涡旋的扰动生成、传播、能量级联和耗散,及其在海洋多尺度动力过程、热盐配置、生源要素调控和中尺度海气相互作用中的影响,并就相关科学问题和进展提出研究建议。研究结果表明：研究中尺度涡的演变规律对理解海洋物质能量传递的多维度层次、尺度规模和过程形式具有重要意义,需整体加深海洋中尺度涡自适应观测和可预报性研究,增强海洋中尺度涡的尺度演绎分析和特异性分析,建立从天气尺度到气候环境变化、生物生态影响以及致害致灾风险的能量信息通道,构建中观海洋生态系统动力学理论与模型,探索海洋中尺度涡精细化灾害风险预评估区划和安全保障新途径。     

东海黑潮周边中尺度涡的分布、运动规律以及生成机制

为了探究东海黑潮周边涡旋分布、形成机理及运动规律,基于法国国家空间研究中心(CNES)卫星海洋学存档数据中心(AVISO)的中尺度涡旋数据集展开了研究。首先,统计了近27年东海黑潮周边的涡旋分布,发现在黑潮弯曲海域产生了650个涡旋,在黑潮中段海域产生了271个涡旋,其中直径100~150 km之间的涡旋数量最多,涡旋振幅主要集中在2~6 cm。其次,分析了东海黑潮的运动路径和涡运动过程,结果表明,黑潮气旋式弯曲海域内侧易产生气旋涡,且移动路径较长,如台湾东北海域黑潮流轴气旋式弯曲处产生的涡旋,其平均位移达到了87.6 km;当反气旋式弯曲海域内侧产生反气旋涡时,涡旋往往做徘徊运动。黑潮中段海域的涡旋呈现出气旋涡在黑潮主轴西侧、反气旋涡在黑潮主轴东侧的极性对称分布特征,两类涡都沿黑潮主轴向东北方向移动。最后,结合再分析的流场、海面高度数据,讨论了涡旋运动规律和生成机制。黑潮弯曲处涡旋的生成与黑潮流体边界层分离有关,奄美大岛南部到冲绳岛西侧的黑潮逆流对黑潮中段海域涡的极性对称分布起到了关键作用,涡旋在运动过程中通常经历生长、成熟和衰变三个阶段。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

中国近海及其附近海域若干涡旋研究综述Ⅱ.东海和琉球群岛以东海域

综述东海和琉球群岛以东海域若干气旋型和反气旋型涡旋的研究.对东海陆架、200m以浅海域,主要讨论了东海西南部反气旋涡、济州岛西南气旋式涡和长江口东北气旋式冷涡.东海两侧和陆坡附近出现了各种不同尺度的涡旋,其动力原因之一是与东海黑潮弯曲现象有很大关系,其次也与地形、琉球群岛存在等有关.东海黑潮有两种类型弯曲:黑潮锋弯曲和黑潮路径弯曲.黑潮第一种弯曲出现了锋面涡旋,评述了锋面涡旋的存在时间尺度与空间尺度和结构等;也指出了黑潮第二种弯曲,即路径弯曲时在其两侧出现了中尺度气旋式和反气旋涡,讨论了它们的变化的特性.特别讨论了冲绳北段黑潮弯曲路径和中尺度涡的相互作用,着重指出,当气旋式涡在冲绳海槽北段成长,并充分地发展,其周期约在1~3个月时,它的空间尺度成长到约为200km(此尺度相当于冲绳海槽的纬向尺度)时,黑潮路径从北段转移到南段.也分析了东海黑潮流量和其附近中尺度涡的相互作用.最后指出在琉球群岛以东、以南海域,经常出现各种不同的中尺度反气旋式和气旋式涡,讨论了它们在时间与空间尺度上变化的特征.     

南海上层海洋次中尺度过程空间差异和季节变化特征

南海是西太平洋最大的边缘海, 由于受季风影响显著以及北部海域的黑潮入侵, 其动力环境复杂多变, 次中尺度过程丰富, 且在空间上和时间上存在多变性。文章基于高分辨率数值模式的结果, 通过对次中尺度动力参数的分析, 对比讨论了南海北部、中部、西部和南部海域4个典型子区域上层海洋次中尺度过程的空间差异、季节变化、影响深度、影响因素等问题。研究发现各区域季节性变化特征和机制有所不同: 北部海域受冬季风和黑潮入侵影响, 冬季次中尺度的混合层不稳定较强; 中部海域同样表现为“冬强夏弱”; 西部海域受夏季风影响显著, 夏季次中尺度过程更为活跃; 而南部海域主要受岛屿地形影响较大, 容易产生地形尾涡, 季节性特征不明显。统计分析表明, 次中尺度过程往往表现出强正相对涡度与高应变特征, 在表层更容易出现负位涡, 流体稳定性较差。此外, 文章从能量学角度对次中尺度过程的主要能量来源、控制因素等进行了讨论。     

黑潮流区次中尺度热量输运特征 ——以2013年1月模拟结果为例

作为中尺度过程与小尺度过程中的过渡,次中尺度过程[空间尺度为O(1～10)km,时间尺度为O(1)天]是海洋动力过程中重要的一环。海洋次中尺度过程具有明显的非地转特征,从而促进垂向热量和物质的输运,因此在海洋上层热量与物质垂直交换中肩负着极为重要的作用。黑潮作为全球最强的西边界流之一,是海洋能量的重要聚集区。针对黑潮流区大尺度环流和中尺度涡旋等动力过程的研究,受到海洋和气象学者的广泛关注,但对黑潮流区次中尺度过程的相关研究相对较少。本文基于高分辨率ROMS数值模式(空间分辨率为1公里),针对黑潮流区(25.5°～29.4°N, 124.4°～131°E)次中尺度过程的空间分布特征及其诱导的热量输运特征进行了研究。模拟结果表明,黑潮流区存在着十分活跃的次中尺度过程,尤其是在黑潮流区及岛屿周边等地形变化剧烈的海区。相对涡度和垂直流速的分布特征表明,次中尺度相对涡度和垂向流速上表现出了明显的不对称性,正相对涡度强于负相对涡度,向下垂向流速强于向上垂向流速,而这主要是由惯性不稳定所导致。通过计算次中尺度引起的热量输运,结果表明次中尺度的水平热量通量为东北方向,从较低纬度朝较高纬度输运,这意味着次中尺度可以促进不同纬度的热量交换;而垂向热量通量则表现出向上输运的特征,即由深层往表层输运,这意味着次中尺度过程可以导致热量在垂直方向上的再分配,从而使得海洋趋于再分层。     

黑潮延伸体海域海平面年际变化及其与海流的关系

利用黑潮延伸体海域海平面异常(SLA)数据和SODA海流资料,分析海平面和海流的年际变化特征,以及两者之间的关系。分析发现黑潮延伸体SLA的第二模态是黑潮大弯曲模态,存在29个月的准两年显著振荡。该海域海平面具有显著的年际变化,且与ENSO和PDO密切相关,2002-2004年的黑潮大弯曲期间,海平面与Nino3指数的相关系数为0.74。海平面年际变化和海流关系密切,黑潮延伸体主轴两侧海平面具有显著的季节和年际变化,急流呈大弯曲路径(1993-1996、2002-2004)时,流轴稳定流速大,流轴影响深,急流主轴南侧海平面较高,达到年际变化的最大值,主轴两侧海面高度梯度大。非弯曲期间,急流主轴南压,海流强度减弱,此期间海平面低,主轴两侧海面高度梯度较小。黑潮延伸体上游区海平面变化受黑潮大弯曲影响更为显著。上下游区的海平面和比容海平面的年际变化较为相似,黑潮延伸体海域海流和比容效应共同调控该区域海平面变化。     

黑潮末端与黑潮延伸体的流场异常模态分析

对北太平洋黑潮末端及黑潮延伸体的流场异常采用复EOF分析,结果发现:该海域流场明显异常在全年四季都主要发生在黑潮末端和黑潮延伸体上,其异常的主要形式在前2个模态均表现为一条由中尺度涡旋组成的涡旋带,带上通常有两两旋转方向相反的涡旋偶。各季第一模态方差贡献表现的季节变化特征与日本以南的黑潮流量相一致,秋季最大,夏季次之。ENSO的机制是副热带太平洋经圈环流与热带太平洋纬向环流系统之间的相互作用,其在各季第一模态的年际变化上均有所反映。冬季PDO在年代际变化上表现明显,其他三季则NPGO表现明显。该海域流场异常的性质是海洋Rossby波的异常,而赤道太平洋流场异常的性质是赤道俘获波的异常,但两者均与风应力异常强迫有关。     

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。     

Rhines效应对高度计观测的海洋中尺度涡空间分布特征的影响

Rhines效应是指Rossby波和大湍流（中尺度涡）相互作用,将涡动能量以波的形式传播出去,从而使中尺度涡发生形变,最终消亡的一种动力学机制。本文通过比较海洋里涡特征速度和Rossby长波波速的方法,研究了一种广义的Rhines效应对高度计观测的海洋中尺度涡空间分布特征的影响。结果显示,广义Rhines效应比只考虑行星涡度梯度的传统形式对中尺度涡的分布具有更显著的影响。大部分中尺度涡分布在涡特征速度（U_e）大于由广义Beta值计算的Rossby长波波速（U_cg）的区域。这些涡可以由动能反向串级过程获取能量,成长为振幅和空间尺度较大的涡。热带海域以外的“涡旋沙漠”区域,中尺度涡的数量稀少,强度很弱,大都分布于U_ecg的海域。广义Rhines效应可能是这些海域中尺度涡难以成长的动力学机制。     

基于潜标观测的黑潮-亲潮混合区近惯性能量季节变化特征研究

近惯性内波广泛存在于全球海洋,是维持深层海洋跨等密度面湍流混合及海洋层结的重要能量来源。基于黑潮-亲潮混合区的多年深海潜标数据,分析了:(1)该海域近惯性内波及其能量的季节变化特征与影响因素,(2)上层和深层近惯性运动的频率、波数谱及垂向分布等特征。结果表明,该海域存在丰富的近惯性动能,无论海洋上层还是深层均呈现显著的冬季强、夏季弱的季节变化特征,冬季(12～2月)上层的近惯性能量可占全年能量的41%,深层近惯性信号同样显著,同潮汐信号相当。平板模型分析表明,该区域近惯性动能的季节循环特征主要受风场的季节变化所主导,同时受到黑潮延伸体流轴的摆动调制。     

北太平洋黑潮延伸体区域和副热带逆流区域中尺度涡能量特征研究

不同科研工作者对黑潮延伸体区域和北太平洋副热带逆流区域的中尺度现象进行过不同的研究，但对两区域中尺度涡进行统一比较分析的工作较少。因此，本文利用11年的卫星高度计海表面高度异常资料分别对这两个区域的中尺度现象特征及其能量变化过程进行系统的分析和对比。研究发现，两区域的气旋涡与反气旋涡在分布、振幅、能量和寿命上均存在差异；进一步的动能谱分析和能量串级讨论发现:两区域的动能谱密度虽均集中在2×10–3～4×10–3 周/km的波数域上，但黑潮延伸体区域大部分涡旋信号分布在经向上，而北太平洋副热带逆流区域主要分布在纬向上，这可能与两区域中尺度涡能量来源的不同有关。由于两区域在2×10–3～3×10–3 周/km的波数域上动能转移项以负值为主，这说明两区域在此波数域上均存在能量源，并且发生能量逆向串级。     

两个西边界流延伸体区域中尺度涡统计特征分析

黑潮和湾流是世界大洋中最典型的两支西边界流，黑潮延伸体（Kuroshio Extention，KE）和湾流延伸体（Gulf Stream Extention，GSE）区域中尺度涡活动十分活跃。本文综合利用卫星高度计资料和Argo浮标资料，对KE和GSE区域中尺度涡的表层特征及其对温盐影响进行了统计研究和对比分析。结果表明:黑潮和湾流主轴附近为涡旋频率的高值区，主轴南北两侧分别以气旋涡和反气旋涡数量占多，主轴附近的涡旋强度明显大于其他区域；两个区域的涡旋以西向移动为主，气旋涡和反气旋涡都具有向南（赤道）偏离的趋势；两个区域的涡旋数量都以夏、秋季较多，涡旋强度都在春、夏季较大，且GSE区域涡旋强度明显大于KE区域；气旋涡（反气旋涡）引起内部明显的温度负（正）异常，KE区域气旋涡（反气旋涡）内部呈"负-正"（"正-负"）上下层相反的盐度异常分布，GSE区域气旋涡（反气旋涡）在各层呈现较为一致的盐度负（正）异常；两个区域中尺度涡对温盐场的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

基于船载和遥感的黑潮延伸体海域典型强中尺度冷涡演变及结构分析

海洋涡旋携带着极大的能量,然而缺乏足够的现场观测数据,对于中尺度涡的认识还很不完整.本文基于船舶观测和卫星遥感数据研究了 2019年上半年西北太平洋黑潮延伸体区域(25°～40°N,130°～160°E)唯一一个存活天数超过150 d的典型强中尺度冷涡的涡旋特征:其平均半径58.37 km,平均涡能量密度达4.7×10...