海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化及對地轉(zhuǎn)能量串級的影響研究?

王芮芮， 孫忠斌

(中國海洋大學(xué) 1. 海洋與大氣學(xué)院； 2. 物理海洋教育部重點實驗室； 3. 海洋高等研究院， 山東 青島 266100)

亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動具有空間尺度1～50 km、時間尺度1～10 d的時空尺度特征[1-2]。其非地轉(zhuǎn)特性表明，亞中尺度過程是銜接中尺度地轉(zhuǎn)運動至更小尺度過程的重要環(huán)節(jié)[3-4]，在大洋能量串級中起到重要作用。同時，亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動由于打破了地轉(zhuǎn)平衡，可以產(chǎn)生極強的垂向運動，從而對海洋上層的熱量收支和初級生產(chǎn)力產(chǎn)生重要的影響[5-6]。因此，對于海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的研究具有重要意義。

前人針對亞中尺度運動的時空特征開展了系列研究，發(fā)現(xiàn)亞中尺度過程主要活躍于海洋的上混合層。在空間分布上，亞中尺度運動主要活躍在強渦旋區(qū)和近岸鋒面區(qū)。與此同時，亞中尺度運動具有冬季強、夏季弱的季節(jié)變化特征[5-10]。理論研究發(fā)現(xiàn)，混合層不穩(wěn)定和鋒生過程是上層海洋亞中尺度運動的兩種主要生成機制[2-4,11-13]。前者對應(yīng)著混合層內(nèi)有效位能的釋放，后者與中尺度拉伸誘發(fā)的鋒面增強過程有關(guān)。然而，目前對于亞中尺度運動的季節(jié)變化特征及調(diào)控機制多是基于數(shù)值模式或集中于局地區(qū)域研究，對于亞中尺度運動的全球特征和機理仍需更多觀測探究。

準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論可以很好的描述流體在靜力平衡與地轉(zhuǎn)平衡限制下的運動。地轉(zhuǎn)湍流理論認為，在位渦守恒和能量守恒的雙重約束下，地轉(zhuǎn)能量逆向串級至更大尺度運動[14-19]。但是當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)限制被打破時，海洋運動失穩(wěn)，能量會從大尺度正向串級至小尺度過程，繼而是趨向混合的各向同性小尺度運動以及內(nèi)波破碎[19-21]。海洋的失穩(wěn)可由多種不穩(wěn)定過程引起[22]，包括重力不穩(wěn)定、對稱不穩(wěn)定[23]、離心不穩(wěn)定、K-H不穩(wěn)定、斜壓不穩(wěn)定過程等。重力不穩(wěn)定、對稱不穩(wěn)定[24]、斜壓不穩(wěn)定過程是控制海洋(尤其是上層海洋)浮力能量轉(zhuǎn)移的重要過程[25]。在實際海洋中運動的失穩(wěn)及其增強的湍流混合可能對地轉(zhuǎn)能量的串級產(chǎn)生一定的影響。在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論下，能量串級是從小尺度逆向轉(zhuǎn)移到各向異性大尺度過程[14]，但是關(guān)于能量串級的特征在考慮非地轉(zhuǎn)運動的情況下是否會發(fā)生改變尚不清楚。

因此本文主要基于海洋觀測資料(表層漂流浮標(biāo)資料和高度計資料)開展亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動季節(jié)變化及對地轉(zhuǎn)能量串級的影響研究，探究海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化特征及其主導(dǎo)調(diào)控機制，初步討論亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化對地轉(zhuǎn)運動非線性能量逆向串級過程的影響。

1 數(shù)據(jù)與計算方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)介紹

1.1.1 表層漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù) 美國國家海洋與大氣管理局浮標(biāo)數(shù)據(jù)匯編中心(簡稱PhOD)提供了表層漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)(下載網(wǎng)址：https://www.aoml.noaa.gov/phod/gdp/index.php)。

該中心使用衛(wèi)星追蹤的浮標(biāo)進行統(tǒng)一的質(zhì)量控制，并插值到6 h間隔的時間序列上。表層漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)包含海表溫度數(shù)據(jù)和海表流速數(shù)據(jù)。圖1是表層漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)量從1993—2020年間在2(°)×2(°)網(wǎng)格上的統(tǒng)計結(jié)果。該數(shù)據(jù)在全球區(qū)域均有覆蓋，其中灣流區(qū)域的觀測最密集。本文將使用其海表流速數(shù)據(jù)計算亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動。

圖1 表層漂流浮標(biāo)在2(°)×2(°)的網(wǎng)格上觀測點數(shù)統(tǒng)計分布圖

1.1.2 衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù) 哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)網(wǎng)站(CMEMS，網(wǎng)址：http://marine.copernicus.eu/)提供了一系列海洋數(shù)據(jù)集。本文使用的海表面高度數(shù)據(jù)是網(wǎng)格化數(shù)據(jù)(L4級產(chǎn)品)。網(wǎng)格化的海表面高度數(shù)據(jù)整合了所有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°，時間分辨率為1天，用于計算地轉(zhuǎn)動能、拉伸率、地轉(zhuǎn)運動平均波數(shù)和譜空間非線性動能通量，同時也參與計算海表非地轉(zhuǎn)運動。

1.1.3 風(fēng)場數(shù)據(jù) 歐洲中期天氣預(yù)報中心(簡稱ECMWF)的第五代再分析數(shù)據(jù)(ERA5)提供自1950年至今的小時平均和月平均的大氣、陸地和海洋的氣候態(tài)變量。本文使用的是海表面10 m處風(fēng)場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°，這里只取用每隔6 h的數(shù)據(jù)，每天取(0:0—0:6～0:12—0:18)時間點的值。

1.1.4 ARGO數(shù)據(jù) Argo實時資料提供了覆蓋全球的高分辨率溫鹽(T/S)剖面，深度可達2 000 m。使用優(yōu)化插值方法或者復(fù)雜的變分分析方法可以獲得Argo網(wǎng)格數(shù)據(jù)。本文使用三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)(BOA_argo)主要包含了全球海洋從海面到1 975 m水深范圍內(nèi)的海水溫度和鹽度，以及等溫層、混合層和合成混合層深度等物理海洋環(huán)境要素資料，其水平分辨率為1(°)×1(°)，垂向在0～1 975 m水深范圍內(nèi)分為不等間隔的58層，時間分辨率為月。國內(nèi)用戶可以直接訪問中國Argo實時資料中心網(wǎng)站(www.argo.org.cn)下載。

1.2 計算方法介紹

1.2.2 譜空間的能通量的計算 譜空間的能量通量反映了能量在不同尺度間的傳遞特征，有助于認識海洋能量的非線性傳遞和能量平衡問題。為了計算譜的能通量，需要對水平方向的流場做傅立葉變換并濾波[26]。水平方向的流場二維傅立葉變換為：

(1)

流場的低通濾波和高通濾波分別為：

(2)

(3)

(4)

這里使用了Scott等[27]的方法計算，關(guān)于計算方法可以參考Scott等[27]和相關(guān)的網(wǎng)址：http://mespages.univ-brest.fr/～scott/scripts.html。在進行傅立葉變換之前將所選區(qū)域的空間平均和沿x和y軸的線性趨勢去掉，并加上海明窗(Hamming window)，繼而開展目標(biāo)區(qū)域的動能譜通量傳遞函數(shù)的計算。

海洋平均波數(shù)計算公式[14]為：

(5)

式中：ε為在波數(shù)空間的動能譜密度；k為波數(shù)。

1.2.3 地轉(zhuǎn)拉伸 計算拉伸強度使用的數(shù)據(jù)是衛(wèi)星高度計(AVISO)提供的地轉(zhuǎn)流動異常，計算公式為：

st=((ux-vy)2+(vx+uy))1/2。

(6)

式中：st代表拉伸；u和v是地轉(zhuǎn)流速異常；下標(biāo)代表關(guān)于坐標(biāo)軸的偏導(dǎo)數(shù)。

2 海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動季節(jié)變化分析

圖2展示了全球海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動和地轉(zhuǎn)運動動能在北半球冬春季(12月—次年5月)和夏秋季(6—11月)的分布。從圖中可以看出，海洋非地轉(zhuǎn)運動在強流區(qū)和西邊界海區(qū)較強，如灣流區(qū)、黑潮延伸體區(qū)、南極繞極流區(qū)、熱帶海區(qū)等。同時海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動存在顯著的季節(jié)變化特征。在北半球，灣流區(qū)、黑潮延伸體區(qū)為冬春季亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能大于夏秋季，而熱帶海區(qū)則為夏秋季大于冬春季。在南半球，南極繞極流海區(qū)和西邊界海區(qū)非地轉(zhuǎn)動能同樣在冬春季強于夏秋季。綜上，對于全球而言，海洋非地轉(zhuǎn)動能普遍在冬春季強，夏秋季弱。同時，對比研究發(fā)現(xiàn)，海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的高值分布與地轉(zhuǎn)動能高值分布相一致，說明海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的產(chǎn)生與強流和中尺度渦的存在息息相關(guān)。然而與亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能相比較，地轉(zhuǎn)動能的季節(jié)變化整體較弱。為了進一步探究海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化特征，本文選取3個典型區(qū)域，北半球灣流區(qū)(a區(qū)，經(jīng)緯度范圍：22°N—52°N，20°W—80°W)、黑潮延伸體區(qū)域(b區(qū)，經(jīng)緯度范圍：24°N—46°N，135°E—160°W)和南半球南極繞極流區(qū)(c區(qū)，經(jīng)緯度范圍：35°S—60°S，緯向跨越了整個緯度帶)開展進一步的研究。

(左側(cè)是北半球2003-2018年的冬春季平均結(jié)果，右側(cè)是夏秋季結(jié)果。The left column is the mean result averaged in winter and spring between 2003-2018 in the northern hemisphere and the right column is the result in summer and autumn.)

圖3展示了三個典型區(qū)域歸一化的氣候態(tài)平均亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動和地轉(zhuǎn)運動的動能分布。從圖中可以看出，在灣流區(qū)域，亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能具有顯著的季節(jié)變化，冬春季強，夏秋季弱，最大動能發(fā)生在2月，最小動能發(fā)生在7月，亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能的季節(jié)變化振幅達到了其平均值的46%。與亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能相比，雖然地轉(zhuǎn)動能也存在一定的季節(jié)變化，但是季節(jié)變化較弱，其振幅僅為平均值的18%。在黑潮延伸體區(qū)域，亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能具有相似的季節(jié)變化特征，最大和最小動能發(fā)生在1和7月，其季節(jié)變化振幅達到平均值的53%。與灣流區(qū)域相比，該處的地轉(zhuǎn)動能具有一定的季節(jié)變化特征，地轉(zhuǎn)動能夏強冬弱，但其季節(jié)變化與非地轉(zhuǎn)動能相比仍較弱。而在南極繞極流海區(qū)，非地轉(zhuǎn)動能同樣為冬強夏弱，最大和最小動能發(fā)生在8和2月，而該處的地轉(zhuǎn)動能則沒有顯著的季節(jié)變化。圖4進一步給出了三個典型區(qū)域在冬春季和夏秋季平均動能的柱狀分布圖。從圖中可以看出，在三個典型區(qū)域，亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能均呈現(xiàn)出冬春強，夏秋弱的特征，冬春季的亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能分別比夏秋季強了15%、20%和15%。同時，地轉(zhuǎn)平均動能變化幅度較弱，表明地轉(zhuǎn)動能較弱的季節(jié)變化。

(變量均除以平均值進行歸一化處理。 The variables are all normalized by dividing the mean values.)

(藍色柱代表冬春季平均結(jié)果，紅色柱代表夏秋季平均結(jié)果。The blue bars represent the mean values in winter and spring. Red bars represent the mean values in summer and autumn.)

前人研究發(fā)現(xiàn)，海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動主要發(fā)生在海洋上混合層，混合層不穩(wěn)定和鋒生過程是其主要的兩種生成機制，其中前者對應(yīng)著混合層內(nèi)有效位能的絕熱釋放，而后者主要與中尺度渦流場的拉伸有關(guān)[3,11,28]。為了進一步探究以上典型海區(qū)亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動季節(jié)變化的可能機制，本文進一步給出了混合層厚度和拉伸的季節(jié)分布。其中混合層厚度由Argo實時觀測資料整合的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)(BOA_argo)提供。圖5展示了三個典型區(qū)域混合層厚度和拉伸的季節(jié)變化分布。從圖中可以看出，在灣流區(qū)域和黑潮延伸體區(qū)域，冬季混合層深度較深，夏季混合層較淺，這一季節(jié)變化與非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化相一致。而地轉(zhuǎn)拉伸則在春夏季較強，秋冬季較弱，這說明灣流區(qū)域和黑潮延伸體區(qū)域的亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化主要受到混合層厚度季節(jié)變化的調(diào)控，冬季風(fēng)場增強，海洋失熱，混合層加深，混合層內(nèi)的有效位能增多，混合層不穩(wěn)定增強，更多的有效位能轉(zhuǎn)化為非地轉(zhuǎn)動能，從而非地轉(zhuǎn)動能在冬季較強。而在南極繞極流區(qū)域，由于南極繞極流的存在，鋒面活動較強，地轉(zhuǎn)拉伸也較強。冬春季，該處的拉伸要顯著大于夏秋季，同時混合層厚度也在冬春季較強，說明在南極繞極流海區(qū)，非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化受到混合層不穩(wěn)定和鋒生過程的共同調(diào)控。

圖5 灣流區(qū)(a)、黑潮延伸體區(qū)(b)、南極繞極流區(qū)(c) 氣候態(tài)月平均混合層深度(藍線)和地轉(zhuǎn)拉伸(紅線)分布

以上結(jié)果表明，海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的存在和地轉(zhuǎn)運動息息相關(guān)。亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動多發(fā)生在地轉(zhuǎn)運動(強流和中尺度渦)較活躍的海區(qū)，而亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化又受到混合層不穩(wěn)定和鋒生過程的調(diào)控，灣流區(qū)和黑潮延伸體區(qū)亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化主要受混合層不穩(wěn)定的調(diào)控，而南極繞極流區(qū)亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化受到混合層不穩(wěn)定和鋒生過程的共同調(diào)控作用。

3 譜動能通量季節(jié)變化分析

海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動是承接海洋地轉(zhuǎn)運動和小尺度混合耗散的中間過程，在能量從地轉(zhuǎn)運動向混合耗散傳遞的過程中起到重要作用。參考前人基于高度計資料開展海洋能量串級的研究[27]，本文給出了三個關(guān)鍵海域動能譜通量的季節(jié)變化特征(見圖6)。動能譜通量是表征由于非線性相互作用不同尺度間能量傳遞大小的函數(shù)。從圖中可以看出，基于高度計資料獲取的動能譜通量很好的證明了準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論下地轉(zhuǎn)能量整體往更小波數(shù)轉(zhuǎn)移的特征[27]，而在季節(jié)變化上，這三個典型海區(qū)均為夏秋強，冬春弱，這一季節(jié)變化特征與海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化相反。

(紅線代表夏秋季，藍線代表冬春季。變量均除以最大值進行歸一化處理。The red lines represent summer and autumn and the blue lines denote winter and spring. The variables are all normalized by dividing the maximum values.)

為了進一步探究亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動對地轉(zhuǎn)能量串級的影響，本文以觀測資料較多的灣流區(qū)為例開展深入研究(見圖7)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，冬春季，風(fēng)場增強，風(fēng)場攪拌作用增加，同時海洋失熱，對流混合增強，混合層加深，絕對風(fēng)速和混合層深度的相關(guān)系數(shù)達到0.8(超過95%置信檢驗)。同時，亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能與混合層深度呈現(xiàn)正相關(guān)，前者滯后后者10天，相關(guān)系數(shù)達到0.7，兩者均在冬季較強，說明由于混合層加深，混合層內(nèi)存儲的有效位能增多，混合層不穩(wěn)定增強，更多的有效位能轉(zhuǎn)化為亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能，亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動得以發(fā)展。同時，海洋地轉(zhuǎn)平均波數(shù)與亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能呈現(xiàn)正相關(guān)，前者滯后后者一個月，相關(guān)系數(shù)達到0.6。說明當(dāng)亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動發(fā)展后，可能會使海洋平均波數(shù)增加，地轉(zhuǎn)能量逆向串級減弱。這一過程可能通過以下兩個原因產(chǎn)生：一方面增強的海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動可能通過對稱不穩(wěn)定或慣性不穩(wěn)定在高波數(shù)產(chǎn)生能量的正向串級，為地轉(zhuǎn)能量向更小尺度傳遞提供路徑[4,24,29-32]；另一方面，海洋非地轉(zhuǎn)運動的發(fā)展可能會破壞渦旋的地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)[33-35]，使地轉(zhuǎn)運動失穩(wěn)，從而減弱渦旋的發(fā)展以及能量的逆向傳遞。以上分析表明，海洋非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化可能在地轉(zhuǎn)能量串級季節(jié)變化中起到一定的作用。與此同時，除了三個典型海區(qū)，本文同樣對南北半球能量串級的季節(jié)變化進行了探討(見圖8)，發(fā)現(xiàn)南北半球具體同樣的變化特征。

圖7 灣流區(qū)絕對風(fēng)速(a)、混合層深度(藍線)和 地轉(zhuǎn)拉伸(紅線)(b)、亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能(藍線)和 地轉(zhuǎn)運動平均波數(shù)(紅線)(c)的時間序列

(左側(cè)和右側(cè)代表北半球和南半球結(jié)果。(a)、(b)圖中紅線代表夏秋季平均，藍線代表冬春季平均，變量均除以最大值進行歸一化處理。The left and right columns denote the mean results in the Northern Hemisphere and Southern Hemisphere, respectively. The red lines inFigures (a) and (b) represent mean result in summer and autumn and the blue lines denote mean result in winter and spring. The variables are all normalized by dividing the maximum values.)

4 總結(jié)與討論

基于表層漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)、高度計資料等，本文計算了全球海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)流速，刻畫了亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能的空間分布和季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)海洋亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動主要活躍在地轉(zhuǎn)能量較高的強流和西邊界區(qū)域，如灣流區(qū)、黑潮延伸體區(qū)和南極繞極流區(qū)等。同時亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動普遍具有冬春強、夏秋弱的季節(jié)變化特征，但不同區(qū)域亞中尺度非地轉(zhuǎn)能量的季節(jié)變化具有不同的調(diào)控機制。灣流區(qū)和黑潮延伸體區(qū)亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化主要受混合層不穩(wěn)定的調(diào)控，而南極繞極流區(qū)亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的季節(jié)變化受到混合層不穩(wěn)定和鋒生過程的共同調(diào)控。同時，海洋地轉(zhuǎn)能量的逆向串級具有夏秋強、冬春弱的季節(jié)變化特征，與亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能季節(jié)變化相反。以灣流區(qū)為例研究發(fā)現(xiàn)，冬春季，風(fēng)場增強，海洋失熱，對流混合增強，混合層加深，混合層不穩(wěn)定增強，更多的有效位能轉(zhuǎn)化為亞中尺度非地轉(zhuǎn)動能，亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動得以發(fā)展，亞中尺度非地轉(zhuǎn)運動的發(fā)展可能會通過破壞渦旋的地轉(zhuǎn)平衡，并促進能量正向傳遞，從而影響地轉(zhuǎn)能量的逆向串級，使海洋平均地轉(zhuǎn)平均波數(shù)增加。