南海北部次中尺度过程数值研究

发布时间：2020-06-30 08:58

【摘要】：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)。
【图文】：

12热带海洋学报Vol.35,No.5/Sep.,2016图1模拟区域及海底地形Fig.1Modeldomainandtopography1.2计算方案本文数值模拟分为两步:首先进行4年的气候态模式的起转过程(spin-up),诊断4年使流场达到基本稳定;然后在第5年采用逐日的实际强迫场驱动模式进行数值模拟。Spin-up的海洋边界由气候态的SODA(simpleoceandataassimilationreanalysis)数据集提供,风尝净热通量和太阳短波辐射采用气候态CFSR(climateforecastsystemreanalysis)资料。第5年实际强迫场的海洋边界由2014年的HYCOM(HYbridCoordinateOceanModel)逐日资料插值得到,海面风场采用欧洲中心提供的2014年1月1日至12月31日的ECWMF(EuropeanCenterforMediumRangeWeatherForecasts)逐日风场资料。本文选取2014年2月18日次中尺度现象发展较为成熟的模拟结果,对次中尺度的个例进行分析与讨论。2结果分析2.1锋面、涡丝等次中尺度现象模拟结果显示,高分辨率的ROMS模式能够较好地刻画南海北部沿陆架的温度锋面结构,跨陆架的温度梯度超过0.05℃km 1(如图2a所示),对比4km水平分辨率的MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)卫星遥感海表温度(SST)(图3),可以看到模式结果与MODIS卫星观测结果基本一致,和已有的研究结果也比较吻合(Pietal,2010)。同时,高分辨率模拟结果显示,由于锋面的不稳定,沿锋面方向出现大量的水平尺度为几公里至十公里不等的次中尺度涡旋和涡丝结构,且这些涡旋和涡丝附近伴有明显的低温(图2a),表明次中尺度过程能够引起较大的垂向速度(Capetetal,2008a;D’Asaroetal,2011);而高分辨率的MODIS卫星遥感观测结果相对比较平滑,无法刻画锋面海域的次中尺度涡旋和涡丝等水平尺度较小的物理过程(图3)。进一步从罗斯贝数Ro的分布(图4)可以看到(R

R(climateforecastsystemreanalysis)资料。第5年实际强迫场的海洋边界由2014年的HYCOM(HYbridCoordinateOceanModel)逐日资料插值得到,海面风场采用欧洲中心提供的2014年1月1日至12月31日的ECWMF(EuropeanCenterforMediumRangeWeatherForecasts)逐日风场资料。本文选取2014年2月18日次中尺度现象发展较为成熟的模拟结果,对次中尺度的个例进行分析与讨论。2结果分析2.1锋面、涡丝等次中尺度现象模拟结果显示,高分辨率的ROMS模式能够较好地刻画南海北部沿陆架的温度锋面结构,跨陆架的温度梯度超过0.05℃km 1(如图2a所示),对比4km水平分辨率的MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)卫星遥感海表温度(SST)(图3),可以看到模式结果与MODIS卫星观测结果基本一致,和已有的研究结果也比较吻合(Pietal,2010)。同时,高分辨率模拟结果显示,由于锋面的不稳定,沿锋面方向出现大量的水平尺度为几公里至十公里不等的次中尺度涡旋和涡丝结构,且这些涡旋和涡丝附近伴有明显的低温(图2a),表明次中尺度过程能够引起较大的垂向速度(Capetetal,2008a;D’Asaroetal,2011);而高分辨率的MODIS卫星遥感观测结果相对比较平滑,无法刻画锋面海域的次中尺度涡旋和涡丝等水平尺度较小的物理过程(图3)。进一步从罗斯贝数Ro的分布(图4)可以看到(Ro=ζ/f,其中ζ为垂向相对涡度,f是局地行星涡度),这些次中尺度涡旋和涡丝附近的罗斯贝数普遍接近或大于1,一些涡丝边缘的局地垂向涡度甚至达到行星涡度的3倍以上,表明次中尺度过程具有较强的局地动力学特征,非地转作用在其演变过程中可能扮演着非常重要的作用(Capetetal,2008a;刘国强,2011)。图2模拟的6m层温度水平分布图(a)及水平流场分布图(b)断面1垂直于温度锋面,断面2垂直温度锋面且横跨一

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