黑潮延伸體海域典型渦旋的次中尺度特征分析*

張旭, 經(jīng)志友, 鄭瑞璽, 黃小龍, 曹海錦

1. 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

3. 河海大學(xué)海洋學(xué)院, 江蘇 南京 210098

黑潮是全球較強(qiáng)的西邊界流之一, 其在吐噶喇海峽處(30°N)與親潮匯合轉(zhuǎn)向東流動, 形成黑潮延伸體(140°—180°E, 30°—40°N, 如圖1 所示)(Ma et al, 2015; Sasaki et al, 2017; 胡冬 等, 2018)。在強(qiáng)勁的東向射流和大尺度不穩(wěn)定作用下, 中尺度過程在黑潮延伸體海域較為活躍(Ma et al, 2015; Liu et al 2017; Sasaki et al, 2017; Ji et al, 2018; Jing et al,2019)?；跍u旋識別的方法, 胡冬 等(2018)研究發(fā)現(xiàn), 黑潮延伸體海域在20 年間形成了近6000 個中尺度渦旋。前人研究結(jié)果表明, 中尺度渦旋對上層海洋顆粒有機(jī)碳、浮游生物、位渦等水平輸運(yùn)與垂向沉降都有重要影響(Zhang et al, 2014; Hosegood et al, 2017; Abernathey et al, 2018; Jing et al, 2021)。不同極性的中尺度渦旋對?！?dú)鉄嵬俊⒑！獨(dú)膺吔鐚铀粨Q等也有明顯的調(diào)制作用(Jiang et al, 2019;Wang et al, 2019; Zhang et al, 2020a)。然而, 在傳統(tǒng)的地轉(zhuǎn)理論框架下, 中尺度渦旋海域地轉(zhuǎn)流貢獻(xiàn)的垂向速度較小, 其動能也趨于逆向串級(Scott et al,2005), 難以很好地解釋渦旋場物質(zhì)垂向收支平衡和能量正向串級等問題(Chelton et al, 2011; Lévy et al,2012; Abernathey et al, 2018)。近年來, 高分辨率觀測和理論研究表明, 介于中尺度和小尺度之間的次中尺度過程可能是中尺度能量正向串級和物質(zhì)能量垂向輸運(yùn)的主要途徑之一(Thomas et al, 2013;Brannigan, 2016; Mahadevan, 2016)。

圖1 黑潮延伸體海域(虛線框)2009 年5 月2 日海表面渦動能與地轉(zhuǎn)流(箭頭)的水平分布Fig. 1 Eddy kinetic energy (shading) and geostrophic velocity (vector) of the sea surface in the Kuroshio Extension (black dashed box), based on the AVISO data

次中尺度過程具有相對較小的時空尺度[O(1d),O(10km)]、O(1)的羅斯貝數(shù)(Ro)和瑞查德森數(shù)(Ri),是同時具有地轉(zhuǎn)和非地轉(zhuǎn)特征的三維運(yùn)動(Capet et al, 2008; Thomas et al, 2008; Mcwilliams, 2016)。理論研究和現(xiàn)場觀測表明, 次中尺度過程及其不穩(wěn)定能在上層海洋引發(fā)非地轉(zhuǎn)次級環(huán)流并形成較強(qiáng)的垂向速度, 從而顯著增強(qiáng)上層海洋物質(zhì)與能量的垂向交換(Lévy et al, 2001; Mcgillicuddy et al, 2003; Klein et al, 2009; D'Asaro et al, 2011), 對上層海洋熱和碳的垂向通量的貢獻(xiàn)超過50%(Omand et al, 2015); 此外, 次中尺度過程還具有再層化(restratification)作用, 可以調(diào)節(jié)周期性變化的混合層深度(Rocha et al,2016; Yu et al, 2019)。另一方面, 通過多種不穩(wěn)定的次中尺度過程, 能有效釋放中尺度地轉(zhuǎn)動能和儲存在鋒面內(nèi)的有效位能, 并將能量正向串級至小尺度耗散, 對中尺度能量的正向串級和耗散有著重要的意義(Capet et al, 2008; Thomas et al, 2013; Brannigan et al, 2017; Qiu et al, 2019)。

黑潮延伸體海域次中尺度過程相關(guān)研究結(jié)果表明, 寬約1km 的次中尺度鋒面將黑潮延伸體海域?！?dú)膺吔鐚觾?nèi)的能量耗散率提高了1 到2 個數(shù)量級(D’Asar et al, 2011); 該海域活躍的次中尺度過程對上層海洋再層化有著重要的貢獻(xiàn), 且是導(dǎo)致中尺度渦旋季節(jié)性變化的重要原因之一(Sasaki et al, 2017)。雖然次中尺度過程的重要性逐漸被認(rèn)知, 但由于缺少足夠的高時空分辨率觀測或模擬數(shù)據(jù), 關(guān)于黑潮延伸體海域中尺度渦旋場的次中尺度特征研究仍不充分,其三維結(jié)構(gòu)以及在中尺度渦旋生命周期內(nèi)的演化過程仍有待于深入研究。本文將基于高分辨率衛(wèi)星觀測資料和ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式數(shù)據(jù), 對黑潮延伸體典型反氣旋渦旋海域次中尺度過程的時空分布及其動力學(xué)特征進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)來源與計(jì)算方法

1.1 衛(wèi)星觀測資料

本文使用的衛(wèi)星遙感資料包括海表葉綠素濃度、海表溫度(sea surface temperature, SST)和海表高度異常(sea level anomaly, SLA)數(shù)據(jù)。海表溫度數(shù)據(jù)采用了美國國家海洋數(shù)據(jù)中心發(fā)布的高分辨率融合產(chǎn)品GHRSST(Group High Resolution Sea Surface Temperature, http://data.nodc.noaa.gov/ghrsst/L4/GL OB/UKMO/OSTIA/), 空間分辨率為0.05°×0.05°, 時間分辨率為1day, 反演精度約為0.57℃。日平均的SLA 數(shù)據(jù)來源于由法國國家空間研究中心提供的AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic)網(wǎng)格化產(chǎn)品(ftp://ftp.aviso.oceanobs.com/global/), 其空間分辨率為0.25°×0.25°,反演精度為0.02m。海表葉綠素濃度數(shù)據(jù)來自中等分辨率成像光譜儀(MEdium Resolution Imaging Spectrometer, MERIS)提供的 2 級產(chǎn)品數(shù)據(jù)(ftp://merisfrs-fts-ds.eo.esa.int), 其水平分辨率最高約為300m, 絕對精確度為10-3mg·m-3。

1.2 數(shù)值模擬資料

本文利用ROMS 數(shù)值模式對黑潮延伸體海域進(jìn)行了高分辨率嵌套模擬。其中, 最外層模型覆蓋區(qū)域?yàn)檎麄€西太平洋(R0, 水平分辨率7.5km), 第一層嵌套模型涵蓋黑潮延伸體海域(R1, 水平分辨率1.5km), 第二層嵌套模型聚焦在黑潮延伸體主軸附近(R2, 水分辨率500m, 圖2b); 模型垂向分層均為60 層, 并在上層和近底層進(jìn)行了加密處理。初始邊界條件以及風(fēng)場強(qiáng)迫分別采用SODA(simple ocean data assimilation data)海洋數(shù)據(jù)集提供的氣候態(tài)月平均(1990—2010 年)(Carton et al, 2000)和氣候態(tài)日平均(Risien et al, 2008)QuikSCAT 風(fēng)場的數(shù)據(jù)。熱通量和淡水通量等氣候態(tài)月平均?！?dú)馔縼碓从趪H海洋大氣綜合數(shù)據(jù)集(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set, ICOADS), 空間分辨率為1°×1°。地形數(shù)據(jù)采用美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的ETOPO2 數(shù)據(jù)。湍流混合則使用了KPP 參數(shù)化方案(K-profile parameterization)進(jìn)行參數(shù)化(Large et al, 1994)。最外層模型R0 計(jì)算20 年后達(dá)到穩(wěn)定, 而后在線嵌套R1 和R2 模型繼續(xù)運(yùn)行并輸出第21 年的日平均模擬結(jié)果。本文所用的模擬數(shù)據(jù)皆來自500m 分辨率的R2 模型, 第二層嵌套的R2 模型由第一層嵌套的R1 模型提供每天一次的側(cè)邊界強(qiáng)迫, 表面強(qiáng)迫包括風(fēng)場、熱通量和淡水通量,底邊界受底摩擦約束。

為驗(yàn)證ROMS 數(shù)值模擬結(jié)果, 本文對比了模擬結(jié)果與衛(wèi)星觀測的黑潮延伸體海域海表面溫度場、流場以及海表高度異常場(圖2)。對比結(jié)果顯示, 500m 分辨率的R2 模擬結(jié)果對于黑潮主軸的刻畫較為準(zhǔn)確, 主軸位置與主軸南北向彎曲的幅度基本一致, 且SST、SLA 模態(tài)分布也較為一致。這表明R2 模擬結(jié)果能較好地刻畫黑潮延伸體鋒面和中尺度渦旋, 且相比于～25km分辨率的AVISO衛(wèi)星觀測結(jié)果, 500m分辨率的模擬數(shù)據(jù)能進(jìn)一步刻畫次中尺度鋒面等過程(黃小龍等, 2020; Luo et al, 2020; 周霄雯 等, 2020; Jing et al,2021)。因此, 本文選取R2 模擬結(jié)果對黑潮延伸體典型中尺度渦旋海域的次中尺度特征進(jìn)行分析。

圖2 衛(wèi)星觀測的5 月3 日黑潮延伸體氣候態(tài)SST 和水平流速(箭頭)(a), 以及SLA(c)和模式模擬的第21 年5 月3 日黑潮延伸體SST、水平流速(b)及SLA(d)分布圖c、d 中黑色曲線為氣候態(tài)平均海面高度等值線, 用以表示黑潮延伸體主軸的大致位置Fig. 2 Spatial distributions of SSH (shading) and surface currents (vector), and SLA of the Kuroshio Extension provided by remote sensing satellite (a, c) and ROMS mode (b, d). The black contours in (c) and (d) are SSH, which indicate the location of the Kuroshio Extension axis.

1.3 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

下列公式中, “′”均表示對數(shù)據(jù)進(jìn)行10km 高通濾波后得到的次中尺度空間異常, 如u′、v′、w′分別為對水平流速東西分量u、水平流速南北分量v以及垂向流速w進(jìn)行10km 高通濾波后得到的次中尺度流速異常。衛(wèi)星高度計(jì)資料與模擬結(jié)果顯示,該渦旋海域特征流速約為1m·s-1, 當(dāng)羅斯貝數(shù)值為O(1)時, 表明該海域次中尺度過程活躍(Thomas et al, 2008; Yang et al, 2017; Jing et al, 2021)。因此根據(jù)尺度分析法估算, 10km 約為該渦旋海域次中尺度過程的特征尺度(L=U fRo , 特征流速U=1m·s-1,Ro=1,f=10-4s-1, 計(jì)算得L=10km)(Boccaletti et al,2007)。

為分析渦旋生命周期內(nèi)次中尺度過程的演變特征, 本文計(jì)算了該渦旋海域的海表次中尺度動能(submesoscale kinetic energy, SKE)(Qiu et al, 2014)。

其中,u′、v′分別為水平流速東西分量、南北分量的次中尺度流速異常。

表征流場拉伸切變幅度的水平剪切速率(horizontal strain rate,St)與表征流場切變和相對渦度之間相對強(qiáng)度的Okubo—Weiss 參數(shù)(OW)分別定義為:

其中,ζ=v x-uy為垂向相對渦度, 羅斯貝數(shù)oR=ζf,u、v分別為水平全流的東西分量和南北分量, 下標(biāo)表示對該方向的偏導(dǎo)數(shù)。渦旋場背景OW參數(shù)為O0W =0.2wσ, 其中wσ為渦旋場OW 參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差(Bracco et al, 2000)。當(dāng)OW＞OW0時, 表示該區(qū)域以拉伸切變?yōu)橹鲗?dǎo)動力過程, 強(qiáng)流場剪切會進(jìn)一步增強(qiáng)水平浮力梯度, 有利于鋒面、渦絲等結(jié)構(gòu)的形成; 當(dāng)OW＜OW0時, 強(qiáng)渦旋流動主導(dǎo)該區(qū)域(Bracco et al, 2000; Pasquero et al, 2001;Isern-Fontanet et al, 2004)。

為了分析鋒生作用對渦旋場次中尺度過程的影響, 本文還計(jì)算了鋒面強(qiáng)度(frontal sharpness,Fs)與鋒生函數(shù)(front function,Ff), 二者分別表征了流場的水平浮力梯度與鋒面強(qiáng)度的變化速率(Sullivan et al, 2018; Zhang et al, 2019):

?hb為水平浮力梯度。

浮力通量(buoyancy flux, Bflux)表示垂向上的湍流浮力輸運(yùn), 當(dāng)Bflux 為正數(shù)時, 非地轉(zhuǎn)擾動使浮力向上輸運(yùn), 反之則使浮力向下輸運(yùn)。Fb定義為:

其中,ω′為垂向次中尺度流速異常,b′為次中尺度浮力異常。

2 結(jié)果分析

2009 年5 月2 日, Meris 水色遙感衛(wèi)星在黑潮延伸體主軸北側(cè)捕捉到了一個半徑約為100km 的中尺度反氣旋渦(圖3), 在該中尺度渦旋海域分布著側(cè)向?qū)挾燃s為O(10km)的葉綠素濃度高值螺旋帶, 與其他文獻(xiàn)揭示的開闊海域水色遙感觀測結(jié)果類似(Eldevik et al, 2002; McWilliams, 2016; Munk et al,2020), 表明次中尺度過程引起的垂向次級環(huán)流增強(qiáng)可能是貢獻(xiàn)渦旋海域葉綠素濃度增長的重要貢獻(xiàn)者之一(Lévy et al, 2001; D'Asaro et al, 2011; Gula et al,2014)。Zhang 等(2020b)通過分析全球范圍中尺度渦旋海域葉綠素濃度高值帶的時空分布特征, 發(fā)現(xiàn)葉綠素螺旋帶是渦旋場典型的次中尺度結(jié)構(gòu)之一。

圖3 2009 年5 月2 日MERIS 海表葉綠素濃度與AVISO高度計(jì)觀測的地轉(zhuǎn)流速(黑色箭頭)的水平分布Fig. 3 Spatial distributions of chlorophyll a concentration(shading) and geostrophic velocity (vector), based on Meris and AVISO data

由于衛(wèi)星遙感資料僅能反映海表信息, 本文選用了高分辨率的R2 模擬結(jié)果, 并選取了與遙感觀測相對應(yīng)海域內(nèi)(151°—154°30′E, 36°30′—38°30′N)的渦旋, 以分析該渦旋海域次中尺度過程的演變特征及其動力學(xué)特征。值得一提的是, 本文僅就該海域(151°—154°30′E, 36°30′—38°30'N) 的渦旋個例進(jìn)行了分析, 但類似的中尺度渦旋在黑潮延伸體海域非常普遍, 因此本文將所分析的渦旋個例稱為“典型渦旋”, 以便區(qū)分該渦旋個例與黑潮延伸體內(nèi)普遍存在的其他渦旋。

2.1 渦旋及次中尺度過程演變特征

為分析渦旋演變不同階段次中尺度過程的變化情況, 本文基于Yang 等(2017)及Chu 等(2014)中利用流速及SLA 最大(最小)閉合等值線界定中尺度渦旋邊界的方法, 以渦旋場SKE 最大時刻的最小SLA閉合等值線(SLA=0.14m)是否閉合為依據(jù), 將渦旋演變過程大致分為了前期、中期、后期三個階段(圖4)。并以流速最大閉合等值線為渦旋外邊界, SLA=0.28m 等值線為區(qū)分渦旋邊緣與中心的分界線, 其可以將渦旋近似分為面積相等的內(nèi)外兩部分。其中,Day1—7(Day1 為模擬第21 年4 月24 日)為渦旋演變前期, Day8—29 為渦旋演變中期, Day30—37 為渦旋演變后期。

圖4 渦旋發(fā)展前期(a—c)、中期(d—f)和后期(g—i)表層SKE 的水平分布黑色線為渦旋外邊界, 紅色線為渦旋中心外邊界Fig. 4 Surface submesoscale kinetic energy distributions in early (a-c), mid (d-f), and late (g-i) development stages of the eddy. Eddy boundary and eddy core are marked by black and red curves in each panel, respectively

渦旋區(qū)域海表平均SKE 以及鋒生函數(shù)的時間演變曲線 (圖5)可以更直觀地展現(xiàn)渦旋邊緣與渦旋中心SKE 在不同階段的演變情況。結(jié)果顯示, 渦旋演變前期(圖4a—c), 渦旋邊緣SKE 隨背景場鋒生作用在迅速增強(qiáng), 意味著該階段背景流場對渦旋發(fā)展起促進(jìn)作用。在渦旋演變中期, 渦旋邊界閉合, 其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定, 該階段渦旋邊緣SKE 與背景場鋒生函數(shù)演變趨勢相似且二者峰值對應(yīng)良好, 其相關(guān)系數(shù)為0.86, 表明背景場鋒生過程與渦旋邊緣次中尺度動能高度相關(guān), 可能是該海域次中尺度過程生成的重要機(jī)制之一(Nikurashin et al, 2013; McWilliams,2016); 該階段渦旋中心鋒生作用始終趨向于0, 背景流場對渦旋中心影響極弱, 渦旋中心SKE 仍呈現(xiàn)下降的趨勢, 渦旋中心與渦旋邊緣平均SKE 之比由0.45 逐漸下降至 0.08, 與渦旋羅斯貝波(Vortex Rossby Waves, VRWs)理論所預(yù)測的結(jié)果相似(Koszalka et al, 2009; Rodríguez-Marroyo et al, 2009;Zhang et al, 2020b)。當(dāng)渦旋演變至后期, 渦旋無法繼續(xù)維持穩(wěn)定閉合結(jié)構(gòu)(圖 4g—i), 渦旋中心鋒生函數(shù)短暫增強(qiáng)后再次迅速減弱, 此階段渦旋迅速消亡并匯入背景場平流之中, SKE 隨渦旋消亡而逐漸消失。

結(jié)合葉綠素濃度的水平分布圖(圖3)與SKE 演變曲線(圖5), 推測圖3 所示渦旋剛發(fā)展至中期, 此時渦旋邊緣鋒面剛剛閉合, 渦旋中心葉綠素螺旋帶結(jié)構(gòu)(次中尺度過程)由渦旋中心水體受前期背景場鋒生作用影響形成, 且會隨著渦旋演變逐漸向渦旋邊緣移動并減弱。為探討該典型渦旋海域的次中尺度特征, 本文選取了與觀測渦旋相同階段SKE 最大時刻(Day9)的模擬結(jié)果做進(jìn)一步分析。

圖5 渦旋邊緣(藍(lán)線, 單位: 10-3m2·s-2)與渦旋中心(紅線,單位: 10-3m2·s-2)的平均次中尺度動能及渦旋邊緣(綠線,單位: 10-16s-5)與渦旋中心(紫線, 單位: 10-16s-5)鋒生函數(shù)的時間演變曲線Fig. 5 Time series of SKE in eddy periphery (blue curve),eddy center (red curve), and front function in eddy periphery(green curve) and eddy center (purple curve)

2.2 次中尺度空間結(jié)構(gòu)特征

模擬的海表溫度(圖6a)結(jié)果顯示, 該反氣旋渦的基本結(jié)構(gòu)與觀測相似, 在中尺度渦旋海域中存在著寬約10km 的次中尺度鋒面結(jié)構(gòu), 且其在渦旋邊緣分布更為密集, 渦內(nèi)溫度最高可達(dá)20 ℃, 較渦旋外高2～4℃。地轉(zhuǎn)流在渦旋邊緣達(dá)到1m·s-1, 而在渦旋中心較弱, 不均勻的流速分布會顯著改變該海域的相對渦度, 為次中尺度過程的發(fā)生提供有利的動力學(xué)條件。渦旋海域Ro 水平空間分布結(jié)果顯示, 由于渦旋邊緣較強(qiáng)的拉伸作用, 其正值在渦旋邊緣接近甚至大于1 且呈現(xiàn)10～20km 寬的帶狀分布, 表明次中尺度過程在渦旋邊緣具有渦絲狀結(jié)構(gòu)特征; 而渦旋中心Ro 整體為負(fù), 其最小值為-0.8, 正值主要分布在渦旋中心附近的狹窄條帶上, 表明渦旋中心也存在次中尺度過程, 但遠(yuǎn)弱于渦旋邊緣, 這一結(jié)果與SST 的水平空間分布相匹配。

圖6 模擬結(jié)果第21 年5 月3 日渦旋海域的海表面溫度、水平流速(箭頭)(a)與羅斯貝數(shù)Ro(b)的水平分布a 中白色線為等溫線; b 中黑色實(shí)線為下文所分析的37°30'N 斷面位置Fig. 6 Maps of SST (a) and Ro (b) from the R2 simulation. The vectors and white contours in (a) are for surface currents and isotherms, respectively. The black line in (b) is the location of the 37°30'N section analyzed later in the paper

跨渦旋斷面(37°30′N 斷面, 圖6 中黑線所示位置)進(jìn)一步展示了該中尺度渦旋的三維結(jié)構(gòu)。溫度和位勢密度斷面結(jié)果(圖7)顯示, 渦旋中心溫度最高達(dá)到20℃, 而密度最低約為1024.5kg·m-3, 且高溫、低密水體主要存在于100m 以淺。渦旋邊緣露頭的等溫線(等密線)向下彎曲深度可達(dá)300m 以下, 較為密集的等溫線(等密線)分布表明渦旋邊緣存在較強(qiáng)的鋒面, 其水平溫度梯度(dT/dx)與密度梯度在渦旋邊緣最大分別可達(dá)到 0.35 ℃·km-1和1.2×10-4kg·m-4,與D’Asaro 等(2011)在黑潮延伸體海域所觀測的溫度與密度鋒面量值相近。此外, 由于水體混合不均勻, 渦旋中心同樣存在類似渦旋邊緣的等溫線(等密線)露頭現(xiàn)象, 其主要分布在渦旋中心上100m, 渦旋中心溫度與密度水平梯度最大值分別為6.1×10-2℃·km-1和2.3×10-5kg·m-4。以上分析結(jié)果表明, 整個中尺度渦旋海域內(nèi)均存在強(qiáng)度不同的次中尺度鋒面結(jié)構(gòu), 渦旋邊緣鋒面比中心約強(qiáng)5 倍。

圖7 37°30'N 斷面的溫度(a)和位勢密度(b)分布a、b 中灰色線分別為等溫線和等密度線Fig. 7 Vertical profiles of temperature (a) and potential density (b). Gray contours in (a) and (b) are isotherms and isopycnals,respectively

2.3 次中尺度動力學(xué)特征

為探討2.2 節(jié)渦旋海域次中尺度結(jié)構(gòu)空間特征可能的形成原因, 本文進(jìn)一步診斷計(jì)算了與次中尺度過程相關(guān)的動力學(xué)參量。渦旋海域OW 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為σw=1.2×10-9s-2, 即背景場OW 參數(shù)OW0=2.4× 10-10s-2。渦旋海域St、OW 參數(shù)水平空間分布(圖8b) 顯示, 渦旋邊緣存在明顯的流場剪切和正 OW 參數(shù)(均值為5.0×10-10s-2, 大于OW0), 表明渦旋邊緣流動以剪切變形為主導(dǎo), 有利于鋒面的加強(qiáng), 易引起鋒生過程。Ro、St、OW 參數(shù)的診斷結(jié)果表明, 在該渦旋邊緣具有次中尺度特征的流場側(cè)向拉伸剪切有助于水平浮力梯度的增強(qiáng)和鋒生過程的發(fā)生。而渦旋中心St較弱,且OW 參數(shù)以負(fù)值為主(負(fù)值均值為-3.2×10-10s-2, 小于-OW0), 表明渦旋中心以旋轉(zhuǎn)流動為主動。渦旋中心存在少量渦絲狀OW 正值結(jié)構(gòu)表明渦旋中心存在較弱的次中尺度過程, 但背景流場剪切較弱, 不利于次中尺度過程發(fā)展。

圖8 模擬結(jié)果第21 年5 月3 日渦旋海域的流場水平剪切率(a)與Okubo—Weiss 參數(shù)(b)的水平分布Fig. 8 Spatial distributions of the strain rate (a) and Okubo-Weiss parameter (b)

Fs與Ff的斷面分布結(jié)果(圖9a、b)顯示, 渦旋邊緣區(qū)域存在較強(qiáng)的鋒面, 鋒面強(qiáng)度最大值為9.6×10-14s-4。渦旋邊緣區(qū)域鋒生趨勢為正(圖9b), 表明背景變形流場會擠壓鋒面, 使鋒面區(qū)域水平浮力梯度增強(qiáng), 為次中尺度不穩(wěn)定的發(fā)生提供了有利條件。而渦旋中心鋒面較弱, 鋒面強(qiáng)度最大值僅為1.1×10-14s-4,比渦旋邊緣約小一個量級(圖9a), 且鋒生作用在該區(qū)域整體較弱, 其均值趨向于0(圖5、圖9b), 意味著渦旋中心背景流場對次中尺度過程的形成與發(fā)展無明顯地促進(jìn)作用。

渦旋邊緣沿鋒面區(qū)域Ro 值接近于1, 且其分布與鋒面強(qiáng)度和鋒生函數(shù)對應(yīng)良好, 進(jìn)一步表明受鋒生作用的影響, 渦旋邊緣形成了較強(qiáng)的次中尺度過程(圖9c)。同時, 渦旋邊緣存在明顯的垂向次級環(huán)流, 其在渦旋外側(cè)下降, 在渦旋內(nèi)側(cè)上升,顯著增強(qiáng)了鋒面區(qū)域的垂向流速, 最大可達(dá)100m·d-1(圖9a), 比中尺度過程引發(fā)的垂向流速強(qiáng)約一個量級(McWilliams, 2016; Sullivan et al,2018)。垂向次中尺度流速異常與浮力通量的斷面分布(圖9a、d)顯示, 次中尺度過程能夠引起較大的垂向流速, 尤其在渦旋邊緣, 可以影響至混合層以下, 達(dá)到200m 深度處, 顯著增強(qiáng)了該區(qū)域物質(zhì)、能量等的垂向輸送, 從而有效促進(jìn)了海洋表層與內(nèi)部的物質(zhì)交換。

圖9 鋒面強(qiáng)度(填色)及垂向次中尺度流速異常ω’(箭頭)(a)、鋒生函數(shù)(b)、羅斯貝數(shù)(c)和垂向浮力通量(d)的37°30'N斷面分布a 中灰色曲線為混合層深度(采用密度閾值法計(jì)算, σ=0.03kg·m-3); a—d 中黑色豎直線為渦旋邊緣與中心的分界Fig. 9 Vertical profiles of frontal sharpness (shading), vertical velocity anomaly (black arrows) (a), front function (b), Ro (c),and bouncy flux (d). The grey curve in (a) represents the mixed-layer depth, and the black lines in each panel separate the eddy center and periphery

3 總結(jié)與討論

本文利用高分辨率ROMS 模式模擬結(jié)果結(jié)合高分辨率衛(wèi)星觀測資料, 對黑潮延伸體典型中尺度渦旋海域的次中尺度特征進(jìn)行了分析。衛(wèi)星觀測和高分辨率模式模擬結(jié)果均顯示, 次中尺度過程在渦旋邊緣具有顯著的渦絲狀結(jié)構(gòu); 進(jìn)一步的動力學(xué)參數(shù)診斷分析結(jié)果顯示, 背景流場剪切引起的鋒生過程可能是渦旋邊緣次中尺度動能增強(qiáng)的重要機(jī)制。模擬分析結(jié)果顯示, 渦旋邊緣背景流場剪切、強(qiáng)水平密度梯度以及弱垂向?qū)咏Y(jié)有利于次中尺度不穩(wěn)定的發(fā)生。垂向結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明, 次中尺度過程可以引起跨鋒面的次級環(huán)流并顯著增強(qiáng)其所在區(qū)域的垂向流速, 最大可達(dá)100m·d-1, 尤其在渦旋邊緣, 能影響到數(shù)百米深度處, 可以有效地促進(jìn)海洋表層與內(nèi)部的物質(zhì)交換, 從而顯著增強(qiáng)黑潮延伸體上層海洋物質(zhì)、能量等的垂向輸運(yùn)。

本文僅基于衛(wèi)星觀測與數(shù)值模擬結(jié)果探討了黑潮延伸體典型渦旋海域次中尺度過程的動力學(xué)特征并初步解釋了其可能的形成原因, 關(guān)于次中尺度過程的形成與演變機(jī)制, 以及多尺度過程的能量交換還有待于結(jié)合現(xiàn)場觀測開展更深入的研究。