IOCAS-IR  > 海洋环流与波动重点实验室
南海中尺度涡旋的物质输运研究
赵军
Subtype博士
Thesis Advisor王凡
2021-05
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Keyword中尺度涡 涡旋物质输运 涡旋垂直结构 示踪物追踪 四维变分同化
Abstract

3.6亿平方公里的海洋中分布有成千上万的中尺度涡旋,这些呈顺时针或逆时针旋转的强非线性中尺度涡旋会在运动过程中输送大量的水体,对海洋中的热、盐、溶解氧、叶绿素等生物地球化学示踪物的输运发挥着重要作用,因此,对中尺度涡的物质输运的研究对我们深入理解全球气候变化至关重要。

目前对于中尺度涡的物质输运仍然存在很多亟待的问题。例如,1)中尺度涡的水团输运能力究竟有多强?目前尚未有明确的量化研究;(2)中尺度涡物质输运过程中,平流以及混合等动力学过程在其中的贡献分别是多少?(3)中尺度涡的垂直结构特征是怎样的,垂向的动力过程对输运有何影响?(4)涡旋的空间结构具有很强的时变性,具体哪些结构变量对物质输运产生显著影响?为了探讨上述问题,本文利用区域海洋模拟系统(ROMS)和内置的被动浓度示踪物(passive tracer)追踪模块,结合涡旋运动坐标变换和示踪物收支分析方法,对一个南海反气旋中尺度涡(暖涡)引起的水体物质输运进行了定量化的评估。

示踪物的追踪结果表明,涡旋在85天的运动过程中,其初始包裹水体以平均每天6‰的流失速度向涡旋外扩散,最终有51%的初始包裹水体被输送到距离其源地689 km的远处。由此可知,该中尺度涡的确具有很强的远距离物质输运能力,但同时该输运过程并不保守,而是存在明显的流失现象。该结果提醒我们,在分析涡致物质输运对大尺度环流的贡献时,考虑其包裹水体的流失并进行定量化的评估是非常必要的。另一方面,涡旋的垂向物质输送也是非常显著的。统计结果表明,在整个涡旋运动过程中,处于涡旋混合层内的水团不断地下潜至混合层以下。截至其最后消亡时刻,约有65%初始时刻混合层内的水团下潜到混合层以下。同时,在涡旋运动过程中,涡旋与外界在水平和垂直方向上均存在剧烈的水体交换,导致涡旋内的次表层水团变得更暖、更淡,更轻。

通过涡旋示踪物收支计算,进一步分析了该涡旋物质输运过程中的动力学机制。结果表明,平流过程是该涡旋物质输运的最主要的动力过程(120%),而混合作用相对较弱(-20%)且对涡旋内水体的保守性为正贡献;水平过程的作用约为垂直过程的两倍,说明水平过程起着主导作用。

特别是在收支分析过程中,我们发现并解释了暖涡的一个重要特征:沿中尺度涡旋前进方向,涡旋的垂向速度场存在一个明显的“偶极子”结构,即在涡旋的前部存在显著的辐聚下降流区,在涡旋的后部则为显著的辐散上升流区。该现象与暖涡为统一的辐聚下沉的经典理论是不同的。具体结果显示,在随涡旋运动的坐标系下,涡旋内的示踪物浓度随时间变化趋势基本以涡心为中心呈现各项同性,但是在地球坐标系下,其局地变化趋势便呈现出明显的“偶极子”结构。进一步分析发现,该结构恰好对应了涡旋的垂直速度场和散度场:在涡的前部和后部分别有明显的辐合(下降流)区和辐散(上升流)区。该现象可以用“效应”导致的非频散斜压Rossby波西传理论很好的解释,该理论对冷涡同样适用。细节构的分析表明,该偶极子在涡旋内部进一步诱导了一个净的翻转环流,通过该翻转环流,涡旋前部的表层水随下降流进入次表层,而次表层的水则随上升流从涡旋后部上升到表层,并最终逐渐扩散出涡外。

对该涡旋包裹水体总量的时间变化及其与涡旋特征变量的相关性研究表明,涡旋物质输运的时间变化趋势与半径、强度、移动速度以及形变等参数并未有直接的相关性,但与涡旋运动的加速度和形变的时间变化率显著相关。结果显示,当涡旋加速时,示踪物流失率增大,即有更多的水团流出涡旋;反之,当涡旋减速时, 示踪物流失率减小,即涡旋内的水团会更加保守。同时,当涡旋的形状从圆形向不规则形状转变时,涡内水体更易从涡核中流失;反之,若涡旋的形状由不规则向圆形发展时,涡内水体则会被涡核更好的束缚住。该结果显示了涡旋的时变性对涡旋物质输运的重要影响。

本研究通过ROMS模式和被动示踪物追踪方法对一个南海暖涡的物质输运做了定量化研究。对我们定量化的理解中尺度涡物质输运的机制以及涡旋内物质输运的动力学过程有很大的帮助。

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/170685
Collection海洋环流与波动重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
赵军. 南海中尺度涡旋的物质输运研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2021.
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