海洋环流与波动重点实验室知识库

赤道西太平洋是南北两个半球水团交汇的十字路口，拥有复杂的三维环流结构，包含多时空尺度的海洋动力过程。赤道西太平洋上层海洋热含量和海洋环流的变化与西太平洋暖池的纬向位移和相关的海气相互作用密切相关，因此深刻影响着全球气候系统变化，特别是厄尔尼诺和南方涛动（El Niño and Southern Oscillation，ENSO）循环。湍流和跨等密度面混合通过重新分配热量、盐度和动量在海洋动力过程变异和气候变化中发挥了关键作用，因此深入了解赤道西太平洋跨等密度面混合的时空变化及其驱动机制是当前海洋和气候研究的重要目标。 由于该区域湍流直接观测有限，对其发生、变异的特征与机理认知仍不全面，因此需要更多新的观测来研究赤道西太平洋湍流和混合的特征和变化。本文根据微结构剖面仪（Vertical Microstructure Profiler，VMP）等综合观测数据、以及TAO/TRITON 和热带西太平洋科学潜标阵列三个代表站位长时间尺度的潜标数据，确认了赤道西太平洋跃层内存在强湍流和混合，分析了其产生机制以及与赤道东太平洋类似现象的异同，得到了跃层剪切不稳定发生概率的空间差异和年际变化，丰富了对赤道西太平洋上层湍流混合过程的认知。跃层中温盐垂直梯度大， 如果伴有相对较强混合过程的发生，将产生较大的温盐垂直通量，对上层海洋的热盐再分配及其相关的气候变化过程发挥着重要的潜在作用。

本文首先基于一次赤道西太平洋湍流混合综合观测资料，直接观测证实了跃层中存在强湍流和混合过程，给出了其特征和产生的动力机制。在混合层中，跨等密度面混合主要与风强迫有关。随着西风风速的增加，混合层深度从 20 m 加 深到 60 m，层结减弱使理查德森数（Richardson number，Ri）小于 0.25，诱发剪 切不稳定，产生强湍流和混合。在混合层以下 20-30 m 会出现“深循环湍流（Deep Cycle Turbulence，DCT）”，湍动能耗散率（TKE dissipation rate，ε）达到 O(10^-8 -10^-7 ) W kg^-1，垂直扩散系数（diapycnal diffusivity，K_ρ）达到 O(10^-4 ) m² s ^-1。这种强湍流的出现深度以及 Ri 和 ε 的量值与赤道东太平洋的 DCT 相似。它们的差异体现在强流速剪切的不同来源。在赤道东太平洋，流场剪切来自赤道潜流 （Equatorial Undercurrent，EUC）内部以及南赤道流（South equatorial current，SEC）和 EUC 之间的纬向速度垂直差异。而在赤道西太平洋，EUC 流核位于~200 m 深度，较东部 EUC 流核深，EUC 内部和EUC 与 SEC 之间的界面层的剪切对DCT 的贡献很小。在赤道西太平洋流场剪切来自于西风爆发导致的表层东向流 与 SEC 纬向速度垂直差异。在 DCT 以下，湍流和混合一般较弱，为 ε~O(10^-10 - 10^-9 ) W kg^-1 和 K_ρ∼O(10^-7 -10^-6 ) m² s ^-1，这与低纬度西太平洋弱混合性质相符。此 外，南太平洋热带水（South Pacific Tropical water，SPTW）入侵是赤道西太平洋水团的一个重要特征。前人的研究表明 SPTW 入侵会减弱层结，增强混合。本文通过分析得到 SPTW 所处的剪切环境相对较弱，未能引发剪切不稳定和混合增 强。前人研究中强混合产生的真正原因可能是由于水团入侵导致的热盐-剪切不 稳定。在海洋内区湍流参数化方面，MacKinnon-Gregg 模型和 Richardson-based模型都可以对混合层和 DCT 层以下的湍流进行很好的模拟。

通过分析 TAO/TRITON 阵列和热带西太平洋科学观测网三个代表站位长时间尺度的潜标流速和温盐数据，我们进一步确认了赤道西太平洋西部、中部和东部跃层内存在强剪切和剪切不稳定，但其发生概率和强度存在空间差异。跃层中 强剪切主要分布在两个界面，包括表层东向流和 SEC 界面（上界面）以及 SEC和EUC 界面（下界面）。由于上界面处于在较弱的层结状态下，其剪切不稳定平均发生概率高于下界面。上、下界面剪切不稳定发生概率在赤道西太平洋不同区域显著不同。上界面剪切不稳定发生概率由西向东逐渐增加。西部较弱的剪切和相对稳定的层结导致剪切不稳定发生概率低。中部和东部剪切相近强于西部，但东部较弱的层结更容易产生剪切不稳定。下界面剪切不稳定发生概率在西部最小， 中、东部相近。下界面西部、中部和东部具有相似的稳定层结，但西部剪切最小， 剪切不稳定发生概率最低。我们进一步揭示了剪切不稳定发生概率与 ENSO 之间的关系，发现在赤道西太平洋西部上界面、中部上、下界面和东部下界面剪切不稳定发生概率与 ENSO 呈现负相关，东部上界面剪切不稳定发生概率与 ENSO呈现正相关，西部下界面剪切不稳定发生概率与ENSO无相关关系。对于与ENSO为负相关的界面，La Niña 期间在上界面由于上层层结减弱以及下界面由于 SEC和 EUC 导致的强剪切作用下，剪切不稳定发生概率更高。对于东部上界面，El Niño 期间在西风的作用下出现表层东向流，其与下层的 SEC 产生强剪切，是 La Niña 期间剪切的 4 倍，引发剪切不稳定。

目 录

第 1 章 绪论 ............................................................................................ 1

1.1 研究背景及意义 ................................................................................................. 1

1.1.1 湍流混合的基本理论 .................................................................................. 1

1.1.2 赤道西太平洋的基本情况 .......................................................................... 3

1.1.3 海洋湍流混合的影响因素 .......................................................................... 5

1.2 赤道太平洋湍流混合的研究进展 ..................................................................... 8

1.3 科学问题及研究内容 ....................................................................................... 12

第 2 章 数据和方法 .............................................................................15

2.1 数据 ................................................................................................................... 15

2.1.1 热带西太平洋科学观潜标阵列 ................................................................ 15

2.1.2 TAO/TRITON 阵列 .................................................................................... 17

2.1.3 微结构剖面仪观测 .................................................................................... 18

2.1.4 船载观测数据 ............................................................................................ 18

2.1.5 观测格点化数据 ........................................................................................ 19

2.1.6 Mercator-Ocean 模式数据 ......................................................................... 20

2.2 方法 ................................................................................................................... 22

2.2.1 湍动能耗散率的计算 ................................................................................ 22

2.2.2 湍流参数化方案 ........................................................................................ 24

2.2.3 表面浮力通量的计算 ................................................................................ 25

2.2.4 Bootstrap 方法 ............................................................................................ 26

2.2.5 有效自由度的计算 .................................................................................... 26

第 3 章 赤道西太平洋跃层强湍流混合的直接观测 .........................27

3.1 研究背景 ........................................................................................................... 27

3.2 使用数据 ........................................................................................................... 28

3.3 研究结果 ........................................................................................................... 29

3.3.1 与西风事件相关的湍流混合 .................................................................... 29

3.3.2 与水团相关的湍流混合 ............................................................................ 36

3.3.3 内区湍流的参数化方案 ............................................................................ 42

3.4 本章小结 ........................................................................................................... 45

第 4 章 赤道西太平洋跃层剪切不稳定的空间分布和年际变化 .....47

4.1 研究背景 ........................................................................................................... 47

4.2 使用数据 ........................................................................................................... 49

4.3 研究结果 ........................................................................................................... 50

4.3.1 赤道西太平洋跃层剪切和剪切不稳定的深度分布 ................................ 50

4.3.2 赤道西太平洋跃层剪切不稳定的空间分布 ............................................ 53

4.3.3 赤道西太平洋跃层剪切不稳定的年际变化 ............................................ 64

4.4 本章小节 ........................................................................................................... 70

第 5 章 总结与展望 .............................................................................71

5.1 论文的主要结论 ............................................................................................... 71

5.2 创新点 ............................................................................................................... 73

5.3 论文的不足以及研究展望 ............................................................................... 73

参考文献 ...................................................................................................75

致 谢 .......................................................................................................87

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 ......89