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。     

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。     

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。     

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。     

海洋中尺度涡旋源汇空间分布特征研究

借助卫星高度计数据,对中尺度涡进行识别和追踪;以16年内中尺度涡个数上的生消为判据,发现中尺度涡在除赤道外的全球大洋中生消频繁,但在海盆内区并没有明显的生成占优区或消亡占优区;而在中纬度近岸的狭窄东边界内中尺度涡生成居多,在另一侧近岸的狭窄西边界中尺度涡消亡居多。同时,我们以一阶斜压模态所对应的特征深度作为两层结构的内界面深度,并假定涡动能平均分配于正压模态和一阶斜压模态,计算得到了包含涡动能和涡有效重力位能的中尺度涡能量年平均净生成率和净耗散率,发现虽然海盆西边界是涡场能量耗散大于能量生成的区域,但强耗散过程实际上在海盆西侧内区的强流及其回流区均有发生。另外,中尺度涡生消个数差值的分布与中尺度涡能量净生成率和净耗散率的分布表明,虽然海盆东边界近岸区域内中尺度涡的生成居多,但该区域中尺度涡的能量偏弱,因此该区并非涡场能量的主要源区。     

琉球海流起源及其变化特征的初步分析

采用1977年1月～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水文要素进行了统计分析.结果表明:(1)琉球海流从西南到东北逐渐加强,其中在宫古海峡东侧断面琉球海流流量约为同断面黑潮流量的70％.(2)琉球海流的来源有4部分,分别为台湾以东黑潮的分支、宫古海峡以南的西向流、东海黑潮通过庆良间水道次表层流出的部分以及冲绳群岛和奄美群岛东面的西向流.(3)黑潮的流核主要位于表层至水深400m,而琉球海流的流核主要位于水深200～600m.(4)琉球海流受中尺度涡的影响十分剧烈,纬度越低,其受中尺度涡的影响越明显.(5)琉球海流和黑潮都存在1个约10 a的显著变化周期.     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

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。     

南海中尺度涡对深层流调控作用的个例研究

南海深层环流作为印太海域热盐环流的重要组成部分,研究其时间变异特征对于深入认识印太海域大洋环流具有重要意义。中尺度涡作为南海极为活跃的动力过程,有观测显示其影响深度可超过2000m。结合海表面高度计资料与潜标观测资料,识别南海区域中尺度涡,并分析了中尺度涡对深层流场以及温度场的影响。针对三个中尺度涡的潜标实测结果表明:在涡旋经过时,海洋深层流动有明显的变异,表现在速度、温度方面,速度增加量能达到5.5cm/s,温度变异可达到0.02℃。涡旋经过时,海洋上层、深层流向呈相反态势,第一斜压模动能显著增强。     

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。     

Meso-scale available gravitational potential energy in the world oceans

1 IntroductionThe oceanic general circulation takes place inthe environments of gravity. As a mechanical sys-tem, the oceanic circulation requires sources of me-chanical energy to overcome friction and dissipation.Although the ocean receives a huge amount…     

A three-dimensional modeling study on eddy-mean flow interaction between a Gaussian-type anticyclonic eddy and Kuroshio

The Princeton ocean model is employed to study the energy balance of a fast-moving anticyclonic eddy (AE) during eddy-mean flow interaction. The AE is initialized with an axisymmetric Gaussian-type temperature profile and is placed to the east of the Philippine Islands. An energy analysis suggests that the advection term, pressure work and friction term play dominant roles in the initial eddy decay. During the strong interaction stage, barotropic instability (BTI) becomes the main force for the eddy kinetic energy (EKE) production, with the largest positive BTI in the interaction zone, which means that the eddy always obtains kinetic energy from the Kuroshio during this stage. Most of the EKE dissipation, the large conversion from the eddy available potential energy to the EKE and that from the mean kinetic energy to the EKE all occur at the upper layer during the strong interaction stage. When the AE interacts with the mean flow on the eastern side of the Kuroshio, whether the AE gains kinetic energy from the Kuroshio or loses kinetic energy to the Kuroshio is mainly determined by its shape in the interaction zone.     

西北太平洋柔鱼渔场分布与涡动能变化的相关关系

本研究利用卫星高度计数据计算海洋涡动能(Eddy Kinetic Energy,EKE),根据2010–2016年中国远洋渔业协会鱿钓组提供的西北太平洋柔鱼(Ommastrephes bartramii)渔业生产数据,分析柔鱼渔场的EKE分布特征以及黑潮延伸体EKE的时空变化对柔鱼渔场分布的影响。结果显示,柔鱼渔场的EKE与单位捕捞努力量渔获量(Catch Per Unit Effort,CPUE)呈显著负相关(P <0.01),EKE对CPUE的有效影响范围为0~1 500 cm^2/s^2,最适宜EKE范围为25~150 cm^2/s^2。黑潮延伸体EKE强度由西向东递减,与CPUE年平均呈负相关,相关系数为0.81(P <0.05)。按黑潮延伸体经度范围分为4个子区域,CPUE月平均纬度重心响应该月EKE强度最高的子区域。盛渔期8–10月渔场距离黑潮延伸体在800~1 000 km范围内时,CPUE随距离增加而增大,其中最适宜的距离范围为850~950 km。研究表明,当黑潮延伸体路径弯曲多变时,EKE增大,而柔鱼CPUE变低,渔场位置越偏北。     

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。     

基于卫星和浮标数据的副热带西北太平洋反气旋型中尺度涡旋的个例观测研究

The comprehensive three-dimensional structures of an anti-cyclonic mesoscale eddy(AE) in the subtropical northwestern Pacific Ocean were investigated by combining the Argo floats profiles with enhanced vertical and temporal sampling and satellite altimetry data. The AE originated near the Kuroshio Extension and then propagated westward with mean velocity of 8.9 cm/s. Significant changes and evolutions during the AE's growing stage(T1) and further growing stage(T2) were revealed through composite analysis. In the composite eddy core,maximum temperature(T) and salinity(S) anomalies were of 1.7(1.9)°C and 0.04(0.07) psu in T1(T2) period,respectively. The composite T anomalies showed positive in almost whole depth, but the S anomalies exhibited a sandwich-like pattern. The eddy's intensification and its influence on the intermediate ocean became more significant during its growth. The trapping depth increased from 400×10~4 Pa to 580×10~4 Pa while it was growing up, which means more water volume, heat and salt content in deeper layers can be transported. The AE was strongly nonlinear in upper oceans and can yield a typical mean volume transport of 0.17×10~6 m~3/s and a mean heat and salt transport anomaly of 3.6×10~(11) W and –2.1×10~3 kg/s during the observation period. The Energy analysis showed that eddy potential and kinetic energy increased notably as it propagated westward and the baroclinic instability is the major energy source of the eddy growth. The variation of the remained Argo float trapped within the eddy indicated significant water advection during the eddy's propagation.     

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。     

利用Argo浮标资料分析横跨吕宋海峡20.5°N断面的水文特征

基于Argo浮标资料,分析了一条横跨南海北部、吕宋海峡和西太平洋（20.5°N,114°~130°E）断面的海水温度、盐度的分布特征.其结果表明：Argo剖面资料得到的2008年秋季20.5°N断面海水的温度、盐度分布态势与气候态秋季的分布基本一致,主要差异在于南海次表层水的盐度极大值和西太平洋次表层水的盐度极大值,2008年秋季二者均比气候态秋季的低0.1左右.通过动力计算（选取1 200 m为速度零面）表明：Argo浮标剖面资料与融合的卫星高度计产品得到的20.5°N,117.5°~124.5°E断面的表层地转流北分量的分布比较吻合;吕宋海峡中部（20°~21°N）的黑潮主轴大致位于121.5°E附近,其东边界可达123°E,而西边界仅限于121°E以西,其可能原因是该季节黑潮的左侧存在着一个气旋式环流,阻碍了黑潮西进;黑潮在20.5°N断面的体积流量为27×106m3/s左右,最大流速约为55 cm/s,出现在70 m层左右.     

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。     

吕宋和台湾岛以东黑潮季节与年际变化规律的对比分析

黑潮是北太平洋副热带环流系统的一支重要的西边界流。前人对不同流段黑潮的季节和年际变化进行了诸多研究,然而基于不同数据所得结论仍存在差异,尤其是不同模式计算所得流量差别很大,而且以往研究往往着眼于某一流段,对不同流段黑潮变化之间的异同及其原因涉及较少。本文基于卫星高度计数据,评估了OFES(Ocean generalcir culation model For the Earth Simulator)和HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)两个模式对吕宋岛和台湾岛以东黑潮季节与年际变化的模拟能力,进而对两个海域黑潮变化的异同及其物理机制进行了分析。结果表明:HYCOM模式对黑潮季节变化的模拟较好,而OFES模式对黑潮年际变化的模拟较好。吕宋岛以东黑潮和台湾岛以东黑潮在季节与年际尺度上的变化规律均不相同,且受不同动力过程控制。吕宋岛以东黑潮呈现冬春季强而秋季弱的变化规律,主要受北赤道流分叉南北移动的影响;而台湾岛以东黑潮呈现夏季强冬季弱的变化特点,主要受该海区反气旋涡与气旋涡相对数目的季节变化影响。在年际尺度上,吕宋岛以东黑潮与北赤道流分叉及风应力旋度呈负相关,当风应力旋度超前于流量4个月时相关系数达到了-0.56;而台湾岛以东黑潮的流量变化则受制于副热带逆流区涡动能的变化,且滞后于涡动能9个月时达到最大正相关,相关系数为0.44。本研究对于深入理解不同流段黑潮的多尺度变异规律及其对邻近海区环流与气候的影响具有重要意义,同时对于黑潮研究的数值模式选取具有重要参考价值。