黑潮延伸體海域次中尺度過程的季節(jié)變化研究

羅士浩 , 經(jīng)志友 閆桐 鄭瑞璽 , 曹海錦, 齊義泉

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

次中尺度現(xiàn)象通常表現(xiàn)為細(xì)長的渦絲、渦旋、鋒面等結(jié)構(gòu)特征, 水平尺度小于一階斜壓羅斯貝變形半徑, 生命周期在幾小時(shí)到幾天之間(Bracco et al, 2019)。次中尺度過程作為中尺度和小尺度之間的物理過程, 具有較大的垂向渦度(Thomas et al, 2008), 同時(shí)具有地轉(zhuǎn)和非地轉(zhuǎn)動力特征(Thomas et al, 2013; McWilliams, 2016; Gula et al, 2019)。已有的觀測和理論研究表明, 次中尺度過程引起的垂向速度比中尺度過程高一個(gè)量級, 可以顯著促進(jìn)上層海洋的垂向物質(zhì)輸運(yùn)和生物地球化學(xué)循環(huán)(D’Asaro et al, 2011; Mahadevan, 2016; Zhang et al, 2019)。此外, 通過混合層再層化, 次中尺度過程可促使中尺度能量向小尺度傳遞, 因而在海洋中小尺度能量串級中扮演著重要的角色(Ferrari et al, 2009; Zhang et al, 2016)。上層海洋的次中尺度過程與渦旋、鋒面等中尺度動力過程密切相關(guān)(Thomas et al, 2008; Mensa et al, 2013; 羅士浩 等, 2016)。鋒面海域具有較強(qiáng)的斜壓性, 在風(fēng)場強(qiáng)迫及熱力損失等作用下, 易于引起混合層斜壓不穩(wěn)定(Thompson et al, 2016)?；旌蠈有眽翰环€(wěn)定的發(fā)生使混合層中的有效位能向次中尺度動能轉(zhuǎn)化, 有助于在中尺度渦旋邊緣和鋒面海域產(chǎn)生次中尺度現(xiàn)象(Callies et al, 2015)。而鋒生作用能迅速增強(qiáng)鋒面的水平浮力梯度, 破壞鋒面地轉(zhuǎn)平衡, 產(chǎn)生鋒面不穩(wěn)定, 引發(fā)中尺度渦旋及鋒面海域的次中尺度過程(Capet et al, 2008a; McWilliams, 2016; 鄭瑞璽 等, 2018)。

衛(wèi)星高度計(jì) AVISO (Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data, http:// www.aviso.oceanobs.com)監(jiān)測結(jié)果顯示, 黑潮延伸體海域存在豐富的中尺度渦旋, 在季節(jié)變化尺度上夏季的中尺度渦動能最大(圖1)?，F(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn), 在中尺度渦旋的產(chǎn)生和消亡階段, 渦旋邊緣容易發(fā)生鋒生過程和鋒面不穩(wěn)定, 誘發(fā)次中尺度過程, 有利于中尺度渦旋的能量耗散(Zhang et al, 2016, 2018; Zhong et al, 2017)。然而, 已有的研究表明, 在季節(jié)變化尺度上, 黑潮延伸體海域的次中尺度過程在冬季更為活躍, 而不是夏季(Sasaki et al, 2014, 2017; Rocha et al, 2016), 這與中尺度過程的季節(jié)變化存在顯著差異(胡冬等, 2018)。目前對于引起黑潮延伸體海域次中尺度過程季節(jié)變化的主要機(jī)制尚未明確, 本文擬基于高分辨率數(shù)值模式結(jié)果, 對黑潮延伸體海域次中尺度過程的季節(jié)變化特征及其驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行分析。

圖1 高度計(jì)1993—2012 年平均渦動能的空間分布(a)和渦動能與垂向渦度的季節(jié)變化(b) 圖a 中黑色實(shí)線為多年平均的100cm 海面高度等值線 Fig.1 (a) Distribution of altimeter mean mesoscale eddy kinetic energy (EKE) from 1993 to 2012, and (b) seasonal variability of altimeter mean EKE and vertical vorticity from 1993 to 2012

1 模式介紹與研究方法

1.1 模式配置與模式驗(yàn)證

本文利用區(qū)域海洋模式系統(tǒng) ROMS(Regional Ocean Modeling System)在西北太平洋海域進(jìn)行高時(shí)空分辨率數(shù)值模擬。該模型已被廣泛應(yīng)用于大西洋、東太平洋以及南海海域次中尺度過程的產(chǎn)生機(jī)制、能量來源及其與多尺度相互作用等方面的研究(Capet et al, 2008a, b; Molemaker et al, 2015; Gula et al, 2016; Zhong et al, 2017)。由于次中尺度過程的空間尺度相對較小, 數(shù)值模擬采用兩層嵌套方案, 大區(qū)域模擬的空間水平分辨率約為7.5km, 模擬區(qū)域?yàn)槲鞅碧窖蠛Ｓ? 嵌套模擬的空間水平分辨率約為1.5km, 模擬區(qū)域主要聚焦于黑潮延伸體海域(圖2)。數(shù)值模式在垂向上分為60 層, 并在表層進(jìn)行了加密, 以更好地刻畫上層海洋的次中尺度過程。垂向混合方案采用KPP(K-Profile Parameterization)參數(shù)化方法(Large et al, 1994; Lemarié et al, 2012)。海表強(qiáng)迫風(fēng)場采用日平均的 QuikSCAT(Quick Scatterometer)風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù), 海表熱通量和淡水通量均來自ICOADS 數(shù)據(jù)集(International Comprehensive Ocean–Atmosphere Data Set), 初始場和邊界場的數(shù)據(jù)由SODA(Simple Ocean Data Assimilation)再分析數(shù)據(jù)插值得到。在大區(qū)域模擬運(yùn)行20a 后, 模擬動能場基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 并繼續(xù)運(yùn)行2a, 為高分辨率嵌套模擬提供每天的高頻邊界場。由嵌套模擬輸出一年的日平均三維流場、溫鹽場作為本文診斷分析的數(shù)據(jù)。

圖2 西太平洋嵌套模擬區(qū)域示意圖 該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站中獲取的審圖號為GS(2016)2950 號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作; 圖中黑色實(shí)線矩形框?yàn)榈头直媛?7.5km)模擬區(qū)域(95o—170oE, 10°S—45oN), 黑色虛線矩形框?yàn)楦叻直媛?1.5km)嵌套模擬區(qū)域(138o—162oE, 28°—43oN) Fig.2 Nested model domains of the western Pacific

為驗(yàn)證ROMS 數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性, 本文對比分析了數(shù)值模擬結(jié)果和高度計(jì)觀測(http://marine. copernicus.eu/)的海表平均流場和地轉(zhuǎn)流場。由于次中尺度過程與較大尺度的背景流場密切相關(guān), 本文利用空間濾波方法將高度計(jì)觀測流場和模擬流場分解, 得到大于黑潮延伸體海域第一斜壓羅斯貝變形半徑35km(Chelton et al, 1998)的背景流分量。同時(shí), 考慮到高度計(jì)觀測難以較好地刻畫水平尺度小于150km 的動力過程(Ducet et al, 2000; Qiu et al, 2016), 為了更好地比較高度計(jì)觀測和模擬結(jié)果, 基于低通濾波方法獲得了高度計(jì)觀測流場和模擬流場大于150km 的地轉(zhuǎn)分量(Zhang et al, 2020)。對比結(jié)果顯示, 數(shù)值模擬的背景流場和地轉(zhuǎn)流場與高度計(jì)觀測結(jié)果較為一致(圖3), 這表明數(shù)值模擬對黑潮延伸體海域的流場具有較好的刻畫能力。ROMS 數(shù)值模擬的流場略強(qiáng)于高度計(jì)觀測結(jié)果, 區(qū)域平均的背景流速和地轉(zhuǎn)流速分別比高度計(jì)觀測結(jié)果大20%和36%, 這可能與ROMS 數(shù)值模擬沒有進(jìn)行海氣耦合有關(guān)(Renault et al, 2017, 2018)。

1.2 研究方法

為了診斷黑潮延伸體海域次中尺度過程的季節(jié)變化特征, 本文計(jì)算了4 個(gè)季節(jié)的垂向渦度和流場拉伸。其中垂向渦度計(jì)算公式為:

流場拉伸計(jì)算公式為:

垂向渦度ζ 為經(jīng)向速度v 在緯向x 的偏微分與緯向速度u 在經(jīng)向y 的偏微分的差, 其絕對值越大, 表明局地作用越顯著, 次中尺度特征越明顯(Thomas et al, 2008)。流場拉伸St 為水平流場的伸展(收縮)率和切變率的總和的平方根, 表征流場變形的強(qiáng)弱, 而流場變形引起的側(cè)向拉伸能迅速增強(qiáng)鋒面, 有利于鋒生的驅(qū)動(McWilliams, 2016)。

上層海洋次中尺度過程的能量來源主要與中尺度過程的不穩(wěn)定有關(guān)(Capet et al, 2008b)。本文對與次中尺度能量源有關(guān)的混合層平均斜壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BC(Baroclinic Conversion) 以及正壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BT(Barotropic Transformation)進(jìn)行診斷分析, BC 的計(jì)算公式如下:

圖3 高度計(jì)觀測和模式模擬的海表流場 圖a、c 分別為高度計(jì)多年平均背景流場和地轉(zhuǎn)流場; 圖b、d 分別為模式年平均背景流場和地轉(zhuǎn)流場。圖中箭頭代表流場, 填色為流速大小 Fig.3 Sea surface currents from altimeter data and model results

式中: BC 為次中尺度垂向速度與浮力的乘積在混合層內(nèi)的積分, MLD 為混合層深度(單位: m), ws為次中尺度垂向速度, bs為次中尺度浮力。BT 計(jì)算公式如下:

式中: BT 為次中尺度水平速度擾動與中尺度水平速度的水平切變的乘積在混合層內(nèi)的積分, ρ0為海水參考密度, us和vs分別表示次中尺度緯向和經(jīng)向速度, um和vm分別為中尺度緯向和經(jīng)向速度, 上橫線表示空間平均。BC 主要與混合層斜壓不穩(wěn)定引起的有效位能向次中尺度動能轉(zhuǎn)換的速率有關(guān), 而BT則主要與混合層水平流場切變引起的中尺度動能向次中尺度動能轉(zhuǎn)換的速率有關(guān)。

非線性相互作用可以引起動能在不同尺度動力過程間的串級(Qiu et al, 2008; 張菀倫 等, 2017)。為了進(jìn)一步分析黑潮延伸體海域次中尺度過程與中尺度過程的相互作用, 本文診斷了表征動能在不同尺度間串級的動能譜通量:

鋒生對次中尺度現(xiàn)象的產(chǎn)生具有重要作用, 為診斷鋒生作用的貢獻(xiàn), 本文計(jì)算了中尺度鋒生趨勢, 其計(jì)算公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 黑潮延伸體海域次中尺度過程的季節(jié)變化特征

表層垂向渦度場顯示, 黑潮延伸體海域的次中 尺度過程存在顯著的季節(jié)變化特征(圖4)。冬季, 次中尺度渦絲、鋒面、渦旋廣泛活躍于整個(gè)延伸體海域, 這些次中尺度現(xiàn)象的最大垂向渦度ζ 可以超過行星渦度f的3 倍(圖4a); 而在夏季, 具有較大垂向渦度ζ (fζ ≥ )的次中尺度現(xiàn)象主要存在于中尺度渦旋周圍以及鋒面海域(圖4c)。從渦度的空間分布可以看到, 相對于冬季來說, 春季和秋季的次中尺度現(xiàn)象顯著偏弱, 而相比于夏季, 這兩個(gè)季節(jié)的次中尺度現(xiàn)象則要稍強(qiáng)(圖4b、4d)。這表明黑潮延伸體海域的次中尺度過程具有冬季最強(qiáng)、春秋次之以及夏季最弱的季節(jié)變化特征。

圖4 模式10m 層的垂向渦度場空間分布 圖a、b、c 和d 分別是3 月1 日、6 月1 日、9 月1 日和12 月1 日的標(biāo)準(zhǔn)化垂向渦度( ζ/ f) Fig.4 Distribution of simulated vertical vorticity at the depth of 10 m

流場拉伸St 的季節(jié)變化特征與垂向渦度ζ 較為一致(圖5)。冬季, 強(qiáng)流場拉伸作用存在于黑潮延伸體主流及其南北兩側(cè)(圖5a); 夏季, 具有顯著拉伸作用的流場則主要位于黑潮延伸體主流區(qū)以及渦旋邊緣(圖5c); 此外, 春季和秋季流場的拉伸顯著弱于冬季, 稍強(qiáng)于夏季(圖5b 和5d)。拉伸場和渦度場具有較為一致的空間分布以及季節(jié)變化特征, 表明黑潮延伸體海域的次中尺度過程與流場變形存在密切聯(lián)系。

圖5 模式10m 層的流場拉伸空間分布 圖a、b、c 和d 分別是3 月1 日、6 月1 日、9 月1 日和12 月1 日的標(biāo)準(zhǔn)化流場拉伸( St /f ) Fig.5 Distribution of simulated strain rate at the depth of 10 m

黑潮延伸體海域具有顯著的多尺度流場, 為進(jìn)一步分析該海域多尺度動力過程的季節(jié)變化特征, 本文對大尺度(大于150km)、中尺度(小于150km 且大于35km)和次中尺度(小于35km)流場的垂向渦度進(jìn)行了診斷計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明, 次中尺度渦度和中尺度渦度均存在季節(jié)變化, 而大尺度渦度則無明顯季節(jié)變化(圖7)。其中, 次中尺度渦度在冬季3 月份達(dá)到最大值, 隨后逐漸減小, 在夏季8 月份減小至全年最小值。次中尺度渦度的變化進(jìn)一步顯示了次中尺度存在冬季強(qiáng)、夏季弱的季節(jié)變化特征。冬季風(fēng)強(qiáng)迫使得黑潮延伸體海域的混合層具有較強(qiáng)的斜壓性, 混合層內(nèi)斜壓不穩(wěn)定的作用增強(qiáng), 易于產(chǎn)生較為活躍的次中尺度現(xiàn)象(Sasaki et al, 2014); 而在夏季, 上層海洋層結(jié)加強(qiáng), 次中尺度現(xiàn)象的產(chǎn)生遭到抑制(Rocha et al, 2016)。然而, 與次中尺度渦度的季節(jié)變化特征相反, 中尺度渦度夏季較大, 7 月份達(dá)到最大值, 冬季較小, 1 月份減至最小值。這表明夏季中尺度過程比冬季活躍, 這與高度計(jì)觀測的結(jié)果 較為一致。因此, 冬季次中尺度垂向渦度顯著大于夏季, 而夏季中尺度垂向渦度大于冬季, 次中尺度渦度和中尺度渦度的季節(jié)變化趨勢存在顯著差異。

圖6 垂向渦度-流場拉伸(a、b)以及垂向渦度-地轉(zhuǎn)渦度(c、d)的聯(lián)合概率密度對數(shù)分布 圖a、c 是冬季(1—3 月)的結(jié)果, 圖b、d 為夏季(7—9 月)的結(jié)果。圖a、b 中的黑色虛線為St =, 表示流場特征以鋒面結(jié)構(gòu)為主; 圖c、d 中的黑色虛線為ζ = ζg , 表示流場特性以地轉(zhuǎn)為主 Fig.6 Joint probability distributions of vertical vorticity ζ versus straining rate St (a and b), and vertical vorticity ζ versus vorticity deduced from sea surface height (c and d)

圖7 不同尺度下垂向渦度的季節(jié)變化 Fig.7 Seasonal variation of multi-scale vertical vorticity

2.2 次中尺度過程季節(jié)變化的機(jī)制

在中尺度鋒生和混合層斜壓不穩(wěn)定的作用下, 中尺度能量可以向次中尺度傳遞(Boccaletti et al, 2007; Capet et al, 2008b)。在不考慮外部強(qiáng)迫的情況下, 次中尺度動能的來源主要與混合層有效位能轉(zhuǎn)換以及中尺度動能轉(zhuǎn)換有關(guān)。為分析影響次中尺度過程季節(jié)變化的主要因素, 本文診斷了上層海洋次中尺度能量的兩個(gè)主要來源項(xiàng): 斜壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BC 和正壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BT。

次中尺度過程的季節(jié)變化與混合層的斜壓和正壓轉(zhuǎn)化有關(guān)?；旌蠈有眽恨D(zhuǎn)換項(xiàng)BC 和正壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BT 均存在顯著不同的季節(jié)變化(圖8)。其中, BC 冬季最大, 夏季最小。BC 的季節(jié)變化與混合層的斜壓性變化有關(guān): 在冬季, 混合層層結(jié)比較弱, 斜壓性較強(qiáng), 次中尺度過程通過混合層斜壓不穩(wěn)定的作用易于從混合層中汲取能量; 而在夏季, 混合層層結(jié)較強(qiáng), 斜壓性減弱, 混合層斜壓不穩(wěn)定的貢獻(xiàn)大大減小(Sasaki et al, 2017)。與斜壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BC 的變化相反, 正壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)BT 在冬季為負(fù)值, 表明冬季中尺度剪切流場對次中尺度過程的能量貢獻(xiàn)很小。正壓轉(zhuǎn)化項(xiàng)BT 在夏季為正值, 8 月份達(dá)到最大值, 表明中尺度流場剪切是夏季次中尺度過程的主要動能來源。BT 的季節(jié)變化與中尺度過程的變化類似: 中尺度過程在冬季較弱, 與中尺度水平流場剪切有關(guān)的次中尺度動能轉(zhuǎn)換較小; 而中尺度過程在夏季最為活躍, 中尺度動能正壓轉(zhuǎn)換也為全年最大。冬季斜壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)占主導(dǎo), 表明冬季次中尺度動能來源主要與混合層斜壓不穩(wěn)定作用引起的有效位能釋放有關(guān), 而夏季正壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)大于斜壓轉(zhuǎn)換項(xiàng), 說明夏季次中尺度動能的來源主要與中尺度流場剪切有關(guān)。在中尺度到次中尺度的能量轉(zhuǎn)換方面, 冬季次中尺度過程汲取能量的速率遠(yuǎn)大于夏季, 這是導(dǎo)致冬季次中尺度過程更為活躍的主要原因。

圖8 斜壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)(BC)和正壓轉(zhuǎn)換項(xiàng)(BT)的季節(jié)變化 Fig.8 Seasonal variation of energy baroclinic conversion (BC; the solid curve) from mesoscale available potential energy (APE) and energy barotropic transformation (BT; the dot curve) from mesoscale kinetic energy (KE)

圖9 海表(a)和200m 層(b)中尺度鋒生趨勢的季節(jié)變化 圖中實(shí)線表示鋒生趨勢(F), 虛線表示拉伸場St 與鋒面強(qiáng)度M 的乘積(St×M) Fig.9 Seasonal variability of frontal tendency at the sea surface (a) and the depth of 200 m (b)

上層海洋能量入射尺度的季節(jié)變化與次中尺度過程存在密切聯(lián)系。動能譜通量結(jié)果顯示, 夏季能量入射尺度在100km 左右, 遠(yuǎn)大于黑潮延伸體海域的第一斜壓羅斯貝變形半徑(約35km), 表明夏季能量匯入主要與上層海洋活躍的中尺度過程有關(guān); 由于混合層斜壓不穩(wěn)定作用的顯著增強(qiáng), 冬季能量入射尺度減小至10km 左右, 遠(yuǎn)小于局地的第一斜壓羅斯貝變形半徑, 即冬季入射尺度位于次中尺度范圍內(nèi), 能量匯入主要與冬季活躍的次中尺度過程有關(guān)(圖10a)。季節(jié)平均的海表動能譜通量結(jié)果顯示, 夏季動能譜通量主要為負(fù)值, 表明能量主要以逆向串級為主, 而能量入射尺度在30km 左右, 夏季存在較弱的中尺度向次中尺度的能量正向串級以及較強(qiáng)的中尺度向更大尺度的能量逆向串級; 冬季海表動能逆向串級比夏季更加顯著, 能量入射尺度約為8km, 這表明冬季具有較大水平尺度(大于8km)的次中尺度過程的能量主要向中尺度逆向串級(圖10b)。此外, 200m 層能量入射尺度的季節(jié)變化與海洋表層較為一致, 但其動能譜通量顯著小于表層, 表明能量串級速率隨深度的增加而降低(圖10c、10d)。因此, 夏季次中尺度過程較弱, 上層海洋的能量匯入主要與中尺度過程密切相關(guān); 而冬季次中尺度過程顯著增強(qiáng), 上層海洋的能量匯入與次中尺度過程有關(guān)。

圖10 動能譜通量的季節(jié)變化 a. 海表動能譜通量的季節(jié)變化; b. 海表夏季(7—9 月, 黑線)、冬季(1—3 月, 紅線)平均動能譜通量; c. 200m 層動能譜通量的季節(jié)變化; d. 200m 層夏季(黑線)、冬季(紅線)平均動能譜通量。圖a、c 中的黑色實(shí)線表示能量入射尺度所對應(yīng)的波長; 圖b 中的黑色虛線和紅色虛線分別表示夏季和冬季的能量入射尺度所對應(yīng)的波長 Fig.10 Seasonal variability of spectral kinetic energy (KE) flux

3 結(jié)論

本文基于高分辨率的ROMS 數(shù)值模擬結(jié)果, 對黑潮延伸體海域次中尺度過程的季節(jié)變化及其動力 機(jī)制進(jìn)行了研究。次中尺度動力特征的分析結(jié)果表明, 次中尺度過程主要表現(xiàn)為冬季最強(qiáng), 春秋季次之, 夏季最弱的季節(jié)變化特征?；诙竞拖募敬沃谐叨饶芰縼碓吹脑\斷發(fā)現(xiàn), 這些季節(jié)變化特征主 要與上層海洋的斜壓不穩(wěn)定和鋒生作用有關(guān)。在風(fēng)場強(qiáng)迫和熱力損失較強(qiáng)的冬季, 次中尺度過程較強(qiáng), 混合層斜壓不穩(wěn)定是次中尺度過程產(chǎn)生及其能量的主要貢獻(xiàn)者; 而在混合層較淺的夏季, 次中尺度過程較弱, 中尺度鋒生作用與次中尺度現(xiàn)象的產(chǎn)生顯著相關(guān), 次中尺度過程的主要能量來源與中尺度流場剪切相關(guān)。冬季次中尺度過程比夏季更為活躍的主要原因在于冬季次中尺度過程從中尺度過程汲取能量的速率比夏季大。上層海洋能量入射尺度的季節(jié)變化與次中尺度過程密切相關(guān), 在次中尺度較弱的夏季, 能量匯入與中尺度過程密切相關(guān); 而在次中尺度過程活躍的冬季, 能量匯入受次中尺度過程的影響。