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。     

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。     

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。     

台湾岛以东涡旋及东海黑潮的变化特征

台湾岛以东海域是黑潮变异最为强烈的区域之一,副热带逆流(STCC)区产生的大量涡旋西传至此,对台湾以东的黑潮流径和流量产生较大影响。但是受观测资料限制,目前对这些涡旋的垂向结构尚不清楚。利用ARGO剖面浮标资料并结合卫星高度计资料,对台湾岛以东的涡旋垂向结构及其运动特征进行了详细的分析。通过分析表明,这些涡旋垂向尺度可以深达2 000 m,水平尺度约200 km,其表层切向速度可以达60 cm/s,与黑潮流速相当,而在1 000 m层上的平均切向流速还可达8 cm/s左右。根据高度计资料分析,这些涡旋是源自STCC区的Rossby波西传结果,其Rossby变形半径为43 km,其相速度约4.2 cm/s。另外,根据浮标观测表明,1 000 m层上东海黑潮按照流速可明显分成3个区段。     

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。     

南海中尺度涡上海面热通量异常的季节变化

利用1999—2009年基于卫星观测反演的湍流热通量数据,并结合最新的涡旋数据集,通过合成分析的方法研究了南海涡旋导致的湍流热通量异常的季节差异及形成机理。结果表明,涡旋引起的热通量异常的水平分布表现出明显的季节差异,与涡旋导致的海表温度(SST)异常的分布特征相一致:在冬季表现为非中心对称(类似于偶极子)分布特征,而夏季则为中心对称(类似于单极子)分布特征。在涡旋内部旋转流场的作用下,因南海在不同季节其背景SST的分布不同,使得涡旋导致的热平流异常也显著不同,进而使得伴随涡旋的SST异常分布表现为单极型和偶极型。在SST异常的作用下,海面热通量异常分布也表现出相似的分布特征和季节差异。进一步分析发现,涡旋引起的热通量异常与SST异常呈线性关系,且两者的线性拟合斜率也表现出显著的季节变化:冬季的拟合斜率大于夏季。通过分析背景场的季节特征发现,背景风速和海气温差的季节差异是造成拟合斜率季节变化的主要原因。     

黑潮延伸体时变正压动力过程和动能串级研究

本文基于坐底式逆向回声仪(current and pressure recording inverted echo sounder, CPIES)实测海底压强和海底流速数据对黑潮延伸体时变正压动力过程和动能串级进行研究。先对CPIES数据进行去噪、网格化、调平等预处理,获得黑潮延伸体正压动力高度网格和海底流速网格,后进一步计算得到正压动力高度分布图、正压涡动能分布图以及正压动能通量谱。结果表明:1)在无外力作用时,正压动力高度起伏会使海水从动力高的地方向低的地方流入从而产生较高的涡动能,而一旦有外力强迫,海水有从动力高度低的地方向高的地方流入的可能,从而使得正压动力高度不断增加涡动能增强;2)通过分析9个月长时间平均正压动能通量谱,验证了地转湍流理论中的正压反向动能串级; 3)对黑潮延伸体月平均正压动能通量作谱分析发现,涡动能的大小会影响动能通量幅值变化,当涡动能升高,动能通量谱振幅变大,正向/反向动能串级增强,反之亦然。此外,正压动能串级随着时间变化,表现为2004年6月至8月反向动能串级尺度向小尺度移动并且强度增强; 2004年9月反向动能串级突然减弱,2004年9月至11月出现了...     

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。     

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)。     

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...     

Seasonal variation of atmospheric coupling with oceanic mesoscale eddies in the North Pacific Subtropical Countercurrent

This study investigated the seasonal variation in the atmospheric response to oceanic mesoscale eddies in the North Pacific Subtropical Countercurrent (STCC) and its mechanism, based on satellite altimetric and reanalysis datasets. Although mesoscale eddy in the study area is more active in summer, the sea surface temperature (SST) anomaly associated with mesoscale eddies is more intense and dipolar in winter, which is largely due to the larger background SST gradient. Similarly, the impact of the oceanic eddy on sea surface wind speed and heat flux is strongest in winter, whereas its effect on precipitation rate is more significant in summer. The study revealed that the SST gradient in STCC could impact the atmosphere layer by up to 800 hPa (900 hPa) in boreal winter (summer) through the dominant vertical mixing mechanism. Moreover, the intensity of the SST gradient causes such seasonal variation in mesoscale air-sea coupling in the study region. In brief, a stronger (weaker) background SST gradient field in wintertime (summertime) leads to a larger (smaller) eddy-induced SST anomaly, thus differently impacting atmosphere instability and transitional kinetic energy flux over oceanic eddies, leading to seasonal variation in mesoscale air-sea coupling intensity.     

Seasonal variation of eddy kinetic energy in the South China Sea

Mesoscale eddy activity and its modulation mechanism in the South China Sea (SCS) are investigated with newly reprocessed satellite altimetry observations and hydrographic data.The eddy kinetic energy ...     

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。     

Eddies along front of warm winter current off the north coast of Spain and at Jovellanos Seamount

I~IOXSatellite infrared measurements are now accepted as an effeCtive way of mapping sea surfacetemperature (SST) distributions on global and regional scales. While regional SST maps are widely uest as background data for oceanographic experiments, they tend to be considered by oceanographers as at best qualitative tools. There is SCOPe for developing the use of satellite SST imagesac extensively for the study of mesoscale d~ical processes, as this paper seeks to demonstrate. As Part O…     

北太平洋副热带逆流区中尺度涡旋的统计特征及其分布规律

本文基于卫星高度计得到的全球非线性中尺度涡旋数据集,分析了北太平洋副热带逆流(Subtropical Countercurrent.STCC)区域中尺度涡旋的统计特征,包括其基本特征、空间分布、传播特征、季节和年际变化;给出了该区域涡旋振幅、半径、旋转速度和罗斯贝数的分布直方图,并利用瑞利分布和对数正态分布对其进行了拟合。结果显示,涡旋振幅、半径、旋转速度和罗斯贝数的直方图很好地服从于对数正态分布。此外,通过与北太平洋中涡旋的对比研究,我们发现在STCC区中对数正态分布的拟合效果更好。本研究提高了对STCC区域中尺度涡旋统计特征的认识,明确了其与大洋中涡旋的区别;通过对数正态分布对涡旋特征的拟合,清晰地体现出了其分布规律,这在很大程度上降低了对观测数据的依赖,从而帮助我们更加有效地判断和预测涡旋特征的变化,同时为数值模式中涡旋的参数化提供了依据。     

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。