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。     

海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究*

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。     

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。     

南海北部M2内潮与中尺度涡能量的数值研究

基于真实地形下的三维数值模拟结果,对南海北部的M_2内潮、中尺度涡能量以及两者相互作用过程进行了研究。结果显示,M_2内潮冬季稍强于夏季,在吕宋海峡生成的能量,冬季(12.2 GW)比夏季(11.6 GW)强5.2%,传入南海的能通量,冬季(4.2 GW)比夏季(3.8 GW)强10.5%,内潮能通量的空间分布在冬夏两季基本保持一致。中尺度涡的模拟结果显示,在南海内冷涡与暖涡个数相当(8个/a),冷涡的平均存活周期约为40 d,比暖涡的31 d长。当冷涡出现时,内潮非锁相部分的能通量大小及水平动能均出现明显增强现象,冷涡对内潮传播射线的汇聚作用是主要原因;M_2内潮和中尺度涡相互作用期间可以激发或抑制高模态内潮,也存在无显著影响的情况。     

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。     

孟加拉湾中尺度涡的总体特征与季节变化

采用AVISO提供的中尺度涡最新数据集,分析了孟加拉湾1993—2016年中尺度涡的总体特征和季节变化。结果表明:研究期间在孟加拉湾共有822个气旋涡,731个反气旋涡,主要分布在湾北部(15°N以北海域)和安达曼海。涡旋生命周期以28～59 d为主,平均振幅为7. 5 cm,平均半径为119. 6 km。在纬度变化上,涡旋振幅随纬度的增加有两个峰值,分别位于6°～9°N和15°～20°N之间,而涡旋半径随纬度增加而减少。涡旋的振幅、半径在随生命周期演变过程中生长过程较慢,消散过程较快。气旋涡和反气旋涡主要是向西移动,且均以向赤道方向偏移为主。在季节变化上,孟加拉湾较长生命周期(60 d以上)的中尺度涡具有明显的季节变化,春季生成的涡旋数量最多,冬季次之,夏季最少。通过合成分析得出风应力旋度是孟加拉湾中尺度涡季节变化的主要原因,而沿岸Kelvin波激发的西传Rossby波对涡旋的产生也有一定影响。涡动能分析表明,涡动能的高值区主要位于海盆的西边界和斯里兰卡东部海域,同时,在冬季、春季海盆的西边界和夏季、秋季海盆的北部涡旋活动较多的区域对应着较大的涡动能。     

印度洋–太平洋暖池区中尺度涡特征研究

本文利用1993年2月至2016年1月共23年的中尺度涡数据,对印度洋–太平洋暖池区（即印–太暖池区,15°S～15°N,60°E～170°W）中尺度涡的生命周期、振幅和半径等属性特征以及生命周期内各参数的演变特征进行了统计分析,并研究了印–太暖池区中尺度涡生成个数的季节变化规律及与厄尔尼诺循环的关系。结果表明:印–太暖池区大部分中尺度涡存在生命周期短、非线性、向西移动的特征;气旋涡与反气旋涡各参数的统计特征及其在生命周期内的变化趋势较为相似;印–太暖池区中尺度涡生成个数不具有明显的季节变化,并且会受到厄尔尼诺–南方涛动事件的影响。     

南海中尺度涡研究进展

根据维基百科的定义(https:∥en.wikipedia.org/wiki/Edd),海洋中水平直径在10~500km、持续时间由数天至数月之间的水平旋转水体通称为中尺度涡。南海中尺度涡最早发现于1956年,60a来的观测与研究表明,南海是中尺度涡多发、频发海区。南海中尺度涡研究大致经历了早期发现、将中尺度涡当作单体运动现象研究、统计分析和当作群体运动现象研究等阶段,本文概要评述南海中尺度涡研究发展史和近年最新研究进展。经过60a的观测与研究,南海中尺度涡的宏观特征,包括三维结构和运动学,已大致清楚。南海中尺度涡全年皆可发生,主要分布在水深大于1 000m的深海盆,其中吕宋海峡以西和海盆西边界最为集中,气旋式冷涡和反气旋式暖涡发生概率大致相同。南海中尺度涡海面半径大多分布在50~150km,半径随水深减小,平均水平尺度比太平洋的涡旋要小。涡旋个数逐月变化,但季节规律不明显;年际变化幅度约20%,但与ENSO无明显对应关系;年平均个数的统计结果不一,最少11个·a~(-1),最多49个·a~(-1)。南海中尺度涡旋转流场从表层一直延伸到海底,流矢量表层(100m)最大(可达40cm·s~(-1)),随水深减小,2 000m仍可达3.5~5.0cm·s~(-1),但相对涡旋中心不对称,涡轴线向西倾斜。南海中尺度涡以2.0~9.0cm·s~(-1)的速度向西传播,低速区分布在深海盆东边界和西南部分海域。海面涡度平均值在5.4×10~(-6)~20×10~(-6) s~(-1)区间,高于太平洋平均值。近期研究把南海中尺度涡视为群体运动现象,先后提出长寿涡列、驻波模态和罗斯贝标准模等新概念。关于南海中尺度涡的发生机制,前人多认为黑潮和南海局地为起源。最新观点认为以罗斯贝波和中尺度涡为表现形式的太平洋中尺度扰动直接进入南海,并与海盆固有振荡模态发生共振,从而构成太平洋起源。而南海中尺度涡耗散过程、中尺度涡与其他海洋过程的相互作用有待进一步研究。     

苏门答腊岛西北海域中尺度涡源区特征与形成机制

孟加拉湾内和湾口附近有丰富的中尺度现象,本文利用2.0版可分辨低纬地区中尺度涡的Chelton数据集,通过溯源的方法得到中尺度涡的源地分布。苏门答腊岛西北海域(以5°N,94°E为核心的区域)是中尺度涡重要源区之一。通过拉格朗日方法的涡旋追踪表明,1993—2017年该海域(3°N—6°N、92°E—95°E),分别有57个气旋式和40个反气旋式中尺度涡。频谱分析显示海表面高度异常存在180 d和360 d两个显著周期。地形和风场的共同作用是该海域产生中尺度涡的动力机制：沿5°N西传的罗斯贝波在海岭地形的作用下触发了中尺度涡的生成;赤道风场是源区重要的能量来源,局地风场能诱发中尺度涡的极性。本研究也揭示了以往文献虽刻画了苏门答腊岛西北部海域为高涡动能区,却没有识别出较多中尺度涡的原因。     

一个考虑潮汐、中尺度涡和地形影响的南海底部环流诊断模型

本文构造了一个考虑潮汐、中尺度涡和地形影响下的南海底部环流诊断模型。在该模型中,潮汐混合和涡致混合引起的垂直速率用一个类似的改进参数化方案来表示。该模型结果显示在南海深层吕宋海峡"深水瀑布"和斜压影响最大,潮汐作用和中尺度涡影响次之,风场的影响最小。斜压影响的整体效应与其他因素相反。潮汐混合与涡致混合具有明显的地形依赖性。潮汐混合主要集中在南海北部海盆地形较为陡峭的陆坡区和南海中部海山区,而涡致混合主要集中在海盆西边界区以及中部海山区。在不考虑吕宋海峡"深水瀑布"、潮汐和中尺度涡的情况下(对应吕宋海峡关闭),南海底部环流为反气旋式环流。考虑吕宋海峡"深水瀑布"后,南海底层环流为气旋式环流,而潮汐混合和涡致混合起到加强整个气旋式环流强度的作用。此外,该模型还给出了南海底部环流量级大小与地形坡度之间的密切关系,即地形坡度较大的地方,其流速也大。这对于现场观测有着一定的参考意义。最后,本文用尺度分析的方法从理论上分析了该模型的适用性,证实了该模型具有一定的可靠性。     

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。     

南大洋太平洋扇区中尺度涡旋的统计特性及其变化

中尺度涡旋在南大洋海洋动力学中具有重要地位,其对气候变化的响应表现也引起了海洋学家与气候学家的广泛关注。本文利用涡动动能与涡旋自动探测技术两种方法对南大洋太平洋扇区的涡旋特性及其变化进行了分析。与前人结果相一致的是,高值的涡动动能主要集中在南极极锋海区,并且自西向东逐渐减弱。在过去的20年里,涡动动能在太平洋扇区的显著增强也集中在中西部海域,这里也是南极绕极流斜压性较强的海域。涡旋统计特性揭示了涡动动能的空间分布及其年际变化主要归因于涡旋振幅与旋转速度,而并非涡旋个数或者涡旋半径。这些结果进一步确认了对应于南半球环状模正位相的绕极西风异常改变了南大洋的涡旋特性,从而表现出涡旋活跃性增强。     

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。     

南黄海涡动能及其谱特征的季节性变化

为进一步了解南黄海涡动能的季节变化特点,本文利用气候态月平均数据分析了南黄海涡动场的季节变化规律,并通过计算动能通量谱探讨了相关的变化机制。结果显示,南黄海涡动能在季节变化尺度上存在双峰结构,9月和1月各存在一个峰值,9月峰值较大,1月峰值较小。而且,上半年南黄海存在的涡主要为经向伸长,下半年主要为纬向伸长。动能通量谱的计算结果显示,9月存在的涡动能峰值主要是斜压不稳定过程直接作用的结果,而1月的峰值主要与涡涡相互作用相关。本文从一个新的角度(涡动能)对南黄海进行了探究,有利于加深人们对该海域海水动力机制的认识。     

Surface available gravitational potential energy in the world oceans

Satellite altimetry observations, including the upcoming Surface Water and Ocean Topography mission, provide snapshots of the global sea surface high anomaly field. The common practice in analyzing these surface elevation data is to convert them into surface velocity based on the geostrophic approximation. With increasing horizontal resolution in satellite observations, sea surface elevation data will contain many dynamical signals other than the geostrophic velocity. A new physical quantity, th...     

Energetics of lateral eddy diffusion/advection：Part Ⅰ. Thermodynamics and energetics of vertical eddy diffusion

Two important nonlinear properties of seawater thermodynamics linked to changes of water density, cabbeling and elasticity(compressibility), are discussed. Eddy diffusion and advection lead to changes in density; as a result, gravitational potential energy of the system is changed. Therefore, cabbeling and elasticity play key roles in the energetics of lateral eddy diffusion and advection. Vertical eddy diffusion is one of the key elements in the mechanical energy balance of the global oceans. Vertical eddy diffusion can be conceptually separated into two steps: stirring and subscale diffusion. Vertical eddy stirring pushes cold/dense water upward and warm/light water downward; thus, gravitational potential energy is increased. During the second steps, water masses from different places mix through subscale diffusion, and water density is increased due to cabbeling. Using WOA01 climatology and assuming the vertical eddy diffusivity is equal to a constant value of 2×103 Pa2/s, the total amount of gravitational potential energy increase due to vertical stirring in the world oceans is estimated at 263 GW. Cabbeling associated with vertical subscale diffusion is a sink of gravitational potential energy, and the total value of energy lost is estimated at 73 GW. Therefore, the net source of gravitational potential energy due to vertical eddy diffusion for the world oceans is estimated at 189 GW.     

渤海弱层化期湍流混合观测特征分析

利用2017年9月在渤海共享航次中取得的湍流混合直接观测数据,本文研究了渤海海域湍流混合的空间分布特征及有关的影响因素。9月观测海区水体垂向层结较弱,莱州湾受黄河冲淡水影响出现高温低盐结构,位于渤海中央浅滩南北两侧洼地的双中心冷水结构依旧存在。湍流观测结果表明湍动能耗散率在10~(-9)～10~(-5)W/kg之间变化,统计上满足对数正态分布。耗散率强值区出现在辽东湾及渤海湾湾口近岸处,相应的垂向湍扩散系数约为10~(-6)～10~(-2)m~2/s。垂向上,水体表、底层混合较强,进一步研究发现弱层化水体的平均湍动能耗散率〈ε〉与风速和正压潮流速的大小存在正相关关系。另一方面,耗散率ε与浮性频率N近似满足ε=2.0×10~(-8)+3.0×10~(-7)(N~2/N_0~2)~(-5)的拟合函数关系,反映了层化对水体垂向混合的抑制作用。     

基于CMIP5模式与Argo观测数据的海洋有效重力势能分析

有效重力势能作为重力势能中活跃的部分，能够参与海洋能量循环。本文计算和评估了CMIP5中9个模式的全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能和200～500 m深度范围内的中尺度有效重力势能，并与由BOA_Argo观测数据计算的结果进行比较。分析表明，就全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能而言，多数模式的计算结果均大于由Argo观测数据计算的结果。通过比较有效重力势能的空间分布特征，发现在强动力活跃区（特别是黑潮、湾流、南极绕极流区），模式与观测相差较大，其差别主要来源于观测与模式中扰动密度的差异。此外，在黑潮和南大洋区域，涡动能和有效重力势能具有较高的时间相关性，而在北大西洋湾流区域，两者的相关性较低；功率谱分析显示中尺度有效重力势能与涡动能都存在显著的半年和年变化周期。