Analysis of a simplification strategy in a nonhydrostatic model for surface and internal wave problems

This paper examines the simplification strategy of retaining only the nonhydrostatic effect of local acceleration in a three-dimensional fully nonhydrostatic model regarding the submesoscale wave phenomenon in the ocean.Elaborate scale analysis of the vertical component of the Reynold-averaged Navier–Stokes(RANS) equation was performed, confirming the rationalization of this simplification. Then, the simplification was implemented in a RANS equation-based nonhydrostatic model NHWAVE(nonhydrostat...     

Submesoscale-enhanced filaments and frontogenetic mechanism within mesoscale eddies of the South China Sea

Submesoscale activity in the upper ocean has received intense studies through simulations and observations in the last decade, but in the eddy-active South China Sea (SCS) the fine-scale dynamical processes of submesoscale behaviors and their potential impacts have not been well understood. This study focuses on the elongated filaments of an eddy field in the northern SCS and investigates submesoscale-enhanced vertical motions and the underlying mechanism using satellite-derived observations and a high-resolution (~500 m) simulation. The satellite images show that the elongated highly productive stripes with a typical lateral scale of ~25 km and associated filaments are frequently observed at the periphery of mesoscale eddies. The diagnostic results based on the 500 m-resolution realistic simulation indicate that these submesoscale filaments are characterized by cross-filament vertical secondary circulations with an increased vertical velocity reaching O(100 m/d) due to submesoscale instabilities. The vertical advections of secondary circulations drive a restratified vertical buoyancy flux along filament zones and induce a vertical heat flux up to 110 W/m2. This result implies a significant submesoscale-enhanced vertical exchange between the ocean surface and interior in the filaments. Frontogenesis that acts to sharpen the lateral buoyancy gradients is detected to be conducive to driving submesoscale instabilities and enhancing secondary circulations through increasing the filament baroclinicity. The further analysis indicates that the filament frontogenesis detected in this study is not only derived from mesoscale straining of the eddy, but also effectively induced by the subsequent submesoscale straining due to ageostrophic convergence. In this context, these submesoscale filaments and associated frontogenetic processes can provide a potential interpretation for the vertical nutrient supply for phytoplankton growth in the high-productive stripes within the mesoscale eddy, as well as enhanced vertical heat transport.     

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。     

南海东北部亚中尺度过程时空分布特征

基于高分辨率模型2009-2012年的模拟结果,本文对南海东北部亚中尺度过程的时空分布特征进行了研究。模拟结果表明,南海东北部上层广泛存在着相对涡度接近于局地行星涡度的亚中尺度过程。统计结果发现,亚中尺度过程的相对涡度的分布具有着明显的非对称性,即正涡度明显强于负涡度。这意味着相比于负涡度,具有正涡度的亚中尺度过程要更为活跃,而这主要是由离心不稳定导致。同时,亚中尺度过程在时间分布上表现出明显的冬强夏弱的季节变化特征。通过对该海区亚中尺度过程可能生成机制的分析发现,该季节变化与流场拉伸和混合层的厚度有着密切关系,冬季更强的流场拉伸和更深的混合层有利于通过锋生过程和混合层不稳定为亚中尺度过程生成提供更多的能量。     

VIIRS和AVHRR海表温度场空间精细度估算

对上层海洋次中尺度过程研究至关重要的卫星海表温度(Sea Surface Temperature,SST)场的空间精细度一直未受到足够重视。由于卫星SST产品反演噪声的影响和实测数据的缺乏等原因,目前对卫星SST场空间精细度的研究受到较大限制。本研究开发了一套估算卫星SST场空间精细度的方法,将Suomi National Polar-orbiting Partnership卫星Visible Infrared Imager Radiometer Suite(Suomi-NPP/VIIRS)和NOAA-15卫星Advanced Very High Resolution Radiometer(NOAA-15/AVHRR)Level-2 SST场的空间能量谱与长时间在同一航线反复观测的高空间分辨率实测海温数据的空间能量谱进行了比较。研究发现VIIRS SST场夜间沿扫描方向在1.5~50 km尺度对海表温度空间能量的分布特征和变化趋势描述准确,日变化导致VIIRS白天场次中尺度空间谱能量相对夜晚有所增加。AVHRR SST场空间谱能量在次中尺度相比VIIRS有较大升高。     

海洋模式中垂直混合参数化方案介绍

介绍了海洋垂直混合过程参数化方案的发展,以及不同参数化方案在海洋模式中的应用情况。首先,介绍不同垂直混合参数化方案的物理问题、理论依据、数学表达和特征,并对不同参数化方案进行了比较。其次,针对中尺度涡、亚中尺度涡以及波浪、潮流混合参数化的最新研究进展进行了总结并对垂直混合参数化的未来发展提出了一些建议。     

Spatial-temporal variability of submesoscale currents in the South China Sea

Spatial and seasonal variabilities of submesoscale currents in the northeastern South China Sea are investigated by employing a numerical simulation with a horizontal resolution of 1km. The results suggest that submesoscale currents are widespread in the surface mixed layer mainly due to the mixed layer instabilities and frontogenesis. In horizontal, submesoscale currents are generally more active in the north than those in the south, since that active eddies, especially cyclonic eddies, mainly occur in the northern area. Specifically, submesoscale currents are highly intensified in the east of Dongsha Island and south of Taiwan Island. In temporal sense, submesoscale currents are more active in winter than those in summer, since the mixed layer is thicker and more unstable in the winter. The parameterization developed by Fox-Kemper et al. is examined in terms of vertical velocity, and the results suggest that it could reproduce the vertical velocity if mixed layer instability dominates there. This study improves our understanding of the submesoscale dynamics in the South China Sea.     

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。