南海北部锋面海域的次中尺度动力过程与机制研究

As one of the most important physical processes in the upper ocean, sub-mesoscale motions can effectively extract Kinetic energy (KE) from the mesoscale geostrophic shears through ageostrophic instabilities, and enhance local mixing and vertical transfer significantly. They also play an integral role in the climate system. Therefore, it has important dynamical and ecological significances to investigate the sub-mesoscale physics and their dynamic mechanisms in the South China Sea (SCS), which will improve our understanding of the circulation and mixing, mesoscale variabilities and energy cascading in the SCS, as well as the evolution of ecological environments..This project will focus on the frontal zones of northern South China Sea (NSCS), with an emphasis on the analysis of sub-mesoscale dynamical processes of representative shelf fronts. The sub-mesoscale characteristics and the intrinsic relationships between sub-mesoscale motions and key impact factors will be investigated, with high-resolution cruise observations and the comprehensive analysis of historical observations and satellite data. Furthermore, high-resolution numerical simulations and theoretical analysis will be employed to explore the dynamic mechanisms of formation and evolution of the sub-mesoscale behaviours from perspectives of potential vorticity dynamics, kinematics and ageostrophic instabilities, etc. At the same time, the impact and contribution of sub-mesoscale dynamical processes and associated instabilities will be clarified on the vertical exchange of mass and energy in the mixed layer. The purpose of this project is to deepen the understanding of regional circulation, meso- and small scale processes in the SCS, and provide new dynamical interpretation for the studies of SCS biogeochemical processes.

次中尺度过程是普遍存在于上层海洋的一类重要物理过程，它能有效地通过非地转不稳定释放中尺度地转剪切动能，显著增强局地混合和垂向输运，并在气候系统中扮演一个积分作用。因此，深入开展南海次中尺度动力过程及其机制研究，对于进一步理解南海环流与混合、中尺度过程变异与能量串级、海区生态环境演变等具有重要的动力学和生态学意义。.本课题将聚焦南海北部锋面海域，以次中尺度动力过程研究为主线，采用高分辨率走航观测并结合卫星遥感资料和历史观测资料的综合分析，深入研究锋面海域次中尺度动力学特征及其与各关键影响因子的内在动力联系；并通过高分辨率数值模拟与理论分析，从位涡动力学、运动学和非地转不稳定等角度，进一步揭示次中尺度过程形成与演变的动力学机制，阐明次中尺度动力过程及其引起的不稳定对混合层垂向物质能量交换的影响与贡献，深化对南海环流和中小尺度过程的理解，并为海区生物地球化学过程研究提供新的动力学解释。

本项目基于多源观测资料，并结合高分辨率数值模拟和理论诊断分析，进一步认识了南海北部锋面海域的次中尺度动力学特征；并对不同动力因素影响下次中尺度过程形成与演变的动力学机制，以及锋面次中尺度不稳定贡献地转能量正向串级和物质能量垂向收支平衡的动力过程等进行了深入分析。研究结果表明，水平尺度为O（1-10）km的次中尺度过程普遍存在于南海北部涡旋、锋面海域，在中小尺度相互作用、能量串级、垂向物质能量收支平衡等过程中扮演了不可或缺的重要作用。机制分析结果显示，地转流锋生联合大气强迫引起的表面浮力损失是引起涡旋、锋面海域次中尺度过程的关键动力机制。锋生作用能够显著增强锋面的水平浮力梯度和锋面斜压性；在典型上升流锋面海域，风场强迫引起的跨锋面Ekman输送导致海表发生浮力损失。在二者联合作用下，南海北部锋面海域普遍存在多种类型的次中尺度不稳定。其中，对称不稳定能够从地转剪切中汲取动能，并通过次级不稳定向小尺度湍流混合串级能量，为海洋涡旋、锋面等中尺度过程的能量正向串级提供了有效途径。同时，次中尺度过程引起的垂向速度高达~100米/天（比中尺度过程引起的垂向速度高一个量级），显著贡献了上层海洋物质能量的垂向交换与收支平衡。. 通过4年的研究，本项目共发表（含待刊）论文22篇，其中SCI论文13篇（8篇top期刊论文），培养研究生9名，并与美国布朗大学Baylor Fox-Kemper教授、Woods Hole海洋研究所Rui-xin Huang教授、夏威夷大学Bo Qiu教授等开展了广泛的国际合作和交流。. 本项目顺利完成了计划的主要研究内容，并取得了预期成果。