吕宋海峡中尺度涡在黑潮影响下的演变研究

There are abundance of mesoscale eddies in the east of Luzon Strait (LS). At present, about the research of how the eddy forms is very rich, however, how the eddy evolves after generation is also worthy of study. The study on how the eddy evolves can help to enrich our understanding of the eddy and its death process. The evolution process of the eddy is affected by many factors, such as wind work, buoyancy work, diffusion and friction dissipation etc, in addition, by the influence of eddy-mean flow interaction. The strongest mean flow in the LS is the Kuroshio, therefore this project will employ a real three dimensional numerical model (POM) to simulate the Kuroshio in the LS. On this basis, an ideal typhoon will be employed to generate a cyclone eddy (CE) due to the windstress curl, moreover, a baroclinic gaussian eddy (anticyclone eddy, AE) due to the variation of the temperature gradient is generated for the study. Later, we will discuss the contribution of each factor to the eddy evolution, and then study the energy variation and evolution mechanism of the CE and AE respectively. In the meantime, we will separate the momentum equation of POM into several different terms, including Nonlinear term, Coriolis force term, Barotropic gradient term, Baroclinic gradient term, Diffusion term, and then study the contribution of each term to the momentum balance of the CE and AE respectively, thus we will obtain the momentum balance mechanism of the eddy during the evolution process.

吕宋海峡以东常年存在着大量的中尺度涡旋，目前关于这些涡旋的形成机制研究较多，但涡旋在形成之后如何演变同样值得研究。对涡旋演变的研究有助于丰富我们对涡旋的认识，增加对涡旋消亡过程的了解。涡旋的演变受到众多要素的影响，如风应力、浮力、耗散以及摩擦效应等，此外还受到涡-平均流相互作用的影响，而吕宋海峡最大的平均流为黑潮，因此本项目拟采用真实三维数值模式（POM）来模拟吕宋海峡的黑潮。在此基础上，引入一个理想台风风场，通过风应力旋度的形式驱动出强劲的气旋涡，再引入由温度梯度变化所致的斜压高斯涡(反气旋涡)，研究上述各项要素对涡旋演变过程的贡献，从而得出该气旋涡(反气旋涡)在黑潮影响下的能量变化以及演变机制。同时，将POM动量方程中的非线性项、科氏力项、正压梯度项、斜压梯度项、耗散项进行分解，研究动量方程中的各项要素对涡旋动量平衡的贡献，从而得出涡旋在消亡过程中的动量平衡机制。

吕宋海峡以东常年存在着大量的中尺度涡旋，目前关于这些涡旋的形成机制研究较多，但涡旋在形成之后如何演变消亡研究较少，在到达吕宋海峡黑潮时与平均流之间如何进行能量交换同样值得研究。本项目基于数值模拟的手段，研究了中尺度涡旋在生成之后的演变过程。首先利用一个正风应力旋度在菲律宾岛东部海域驱动出一气旋涡，完成了迅速移动过程中的气旋涡和西边界流相互作用的各种实验，研究了该涡旋在遇到吕宋海峡黑潮时的演变过程。动量平衡表明在气旋涡的整个生命周期内(33天)，始终表现为准地转平衡，其中正压项、斜压项和科氏力项起主导作用。利用洛伦兹能量分析法研究了该涡旋的衰减机制，结果表明，在涡旋生成之后，涡动能和涡势能都开始迅速下降，对流项、压力工作项和摩擦耗散项对涡旋有效范围内涡动能方程的平衡起主导作用，正压不稳定项仅在涡旋与黑潮发生强烈相互作用的有限范围内起主导作用。此外，本项目还研究了高斯型的暖涡和吕宋海峡黑潮的相互作用研究。结果表明，反气旋涡的生命周期明显较气旋涡长，达94天。动量平衡同样表明在反气旋涡的整个生命周期内，始终表现为准地转平衡。洛伦兹能量分析结果表明，在涡旋的起始阶段，与气旋涡相同，对流项、压力工作项和摩擦耗散项对反气旋涡的涡动能平衡起主导作用，且摩擦耗散项占据主导地位，从而导致了涡动能的迅速耗散。与气旋涡不同的是，在涡流强烈相互作用阶段，正压不稳定项、压力工作项和摩擦耗散项对涡动能方程的平衡起主导作用，其中正压不稳定项对涡动能的增长起到了决定性的作用，表明此时反气旋涡从黑潮获取大量涡动能。在涡流强烈相互作用阶段，主要的涡动能耗散、大的压力工作项以及从平均动能向涡动能的转换都出现在海洋上层。对于迅速移动的反气旋涡而言，受强烈的涡流相互作用影响，涡动能平衡方程中的各项要素都较大且波动较大，因此导致了涡动能的迅速衰减；一旦反气旋涡离开了平均流(黑潮)，涡动能平衡方程中的各项要素开始迅速减小，且能基本维持平衡，从而导致了在涡旋的生命后期，尽管较弱，但仍能维持较长的时间。对于中尺度涡旋而言，摩擦耗散作用是其能量衰减的主导要素。此外，在和吕宋海峡黑潮相互作用时，涡旋是否从平均流获取涡动能主要取决于涡旋在相互作用区域内的形态与速度分布。