西太平洋深海湍流混合及其参数化方案研究

Ocean turbulent mixing is the major form of mixing in the ocean and its importance to the ocean circulation and marine stratification is beyond doubt. Due to the limitation of observation technology, the turbulent mixing of the deep sea (including the bottom boundary layer) has not been studied by direct observation. At present, the main method to study the turbulent mixing of the deep sea is the parameterization scheme. However, parameterization scheme has its limitations. Whether they can effectively estimate the turbulent mixing of the deep sea remains unclear. This project achieves the full depth observation of turbulent mixing of the deep sea with an abandoned turbulent microstructure profiler VMP-X (The maximum depth can reach 7200m). Based on the analysis of microstructure data of full water depth, the distribution characters of turbulent mixing of the deep sea in the Western Pacific would be revealed, the effects of topography and internal waves on the turbulent mixing of the deep sea would be studied, and the applicability of the parameterization scheme in different terrains would be evaluated, which can be conducive to the improvement of the ocean model.

海洋湍流混合是海水混合的主要形式之一，它对海洋环流和海洋层结的重要性毋庸置疑。由于受到观测技术的限制，前人未曾从直接观测上实现对深海湍流混合的全水深研究（包括底边界层），目前研究深海湍流混合的方法主要是参数化方案，但参数化方案本身具有局限性，它们能否有效估算深海湍流混合仍然不清楚。本项目利用抛弃式湍流微结构剖面仪VMP-X实现对深海湍流混合的全水深观测（最大观测深度可达7200m），通过对全水深湍流微结构观测数据的分析揭示西太平洋深海湍流混合的分布特征，研究地形和内波对深海湍流混合的影响，评估湍流混合参数化方案在不同地形海域的适用性，并阐明其内在机理，为提高海洋模式的模拟能力服务。

海洋湍流混合是海水混合的主要形式之一，它能重新分布海洋中的能量、动量、热量、营养盐和微生物等，对海洋环流和海洋层结的形成和维持具有重要意义。由于受观测技术的限制，目前大部分的湍流混合观测被限制在海洋上层500米，因此人们研究海洋湍流混合的时空分布主要是通过湍流混合参数化方案，但湍流混合参数化方案是基于各种假设推导而来，本身具有很大的局限性，由于缺乏深海观测数据，目前它们能否有效估算深海湍流混合仍然不清楚。本项目利用湍流微结构剖面仪VMP-X对西太平洋赤道海域的湍流混合进行了全水深观测，共获取了7个全水深湍流微结构剖面，通过对全水深湍流微结构观测数据的分析，我们发现强耗散主要出现在上层1000米，湍动能耗散率约为5×10^(-10)~5×10^(-8) W kg^(-1)；在1000米以下，湍动能耗散率逐渐减弱，约为1×10^(-11)~5×10^(-10) W kg^(-1)。垂向扩散率则是随深度的增加而增加，离底部1000米内的垂向扩散率可以达到10^(-4) m^2 s^(-1)。.利用全水深湍流混合观测数据我们对已有的GHP参数化方案和MG参数化方案进行了评估，结果表明：MG方案能估算地形平坦和粗糙海域的湍动能耗散率和垂向扩散率，而GHP方案只能估算地形平坦海域的湍动能耗散率和垂向扩散率。GHP方案不适用于粗糙地形海域是因为粗糙地形海域的內波场受到了地形的影响，在粗糙地形海域，有更多能量从低模态内波传递到高模态内波，这些高模态内波会对局地內波场产生影响，使得內波场偏离了GM內波模型；而GHP参数化方案是基于波-波相互作用理论和GM内波模型推导出来的参数化方案，因此它不是用于受地形影响较强的内波场。我们基于MG方案构建了一个仅依赖于温盐的参数化方案（MMG参数化方案），该方案能够有效地参数化平坦地形和粗糙地形海域的湍流混合。项目的研究结果对我们利用湍流混合参数化方案研究海洋湍流混合时空分布和海洋模式设置湍流混合参数具有重要的参考意义。