中尺度涡对南海东北部深层湍流混合的影响

Turbulent mixing has been widely invoked as a mechanism for controlling the variations of oceanic circulations and mass distributions. Meanwhile, the mesoscale eddies have recently been taken into assessment of the deep sea hydrodynamic variability and mass transport. With the development of the turbulence observation technology, a turbulent mixing meter (chipod) has recently been built, which will potentially facilitate the research on eddy-induced influence on deepwater turbulent mixing. Based on the deep-sea mooring system deployed in the northeastern South China Sea (SCS), this project will utilize the latest OSU-developed mixing meters (chipod) and high-frequency velocimeter (ADV) to measure the turbulent mixing in the deep SCS continuously for a long term. The temporal and spatial features of the benthic turbulence will be revealed for the first time in the deep SCS. Furthermore, combining the information of mesosale eddies in the SCS provided by the high-resolution satellite data, as well as the measurements of current velocity, temperature and salinity, we will develop the relation between the eddies and turbulent mixing in the deep SCS. We believe this study focusing on the role of eddies in modulating the deep turbulent mixing will provide us with new insight into the mechanism on how surface-generated motions drive the deep dynamic processes of different scales.

湍流混合过程是控制海洋环流变异、海水中物质分布的关键因素。最新的研究发现中尺度涡对于调控深层小尺度动力过程与物质输运具有重要的作用。相应地，随着海洋湍流混合观测技术的发展，最新研制的快速温度传感器湍流计（chipod）可实现深海湍流混合的长期直接观测，可极大地推进中尺度涡对深层湍流混合过程的调控机制研究。本申请课题拟通过在南海东北部深水锚系观测系统的基础上，利用海洋湍流计（chipod）及高频流速仪（ADV）， 在南海首次实现深层湍流混合的长期、连续的直接观测，揭示南海深层湍流混合在不同时间尺度上的分布特征及其变化规律。同时，结合高分辨卫星高度计数据提供的中尺度涡的时空分布信息、长期连续的流场、温度、盐度等水文观测数据，分析具有不同动力特征的中尺度涡过境时对南海深层湍流混合变化的影响，建立中尺度涡对南海深层湍流混合的调控关系，为研究海洋上层对深层不同尺度运动的控制机理提供观测和理论基础。

中尺度涡是海洋中传播速度快、能量强的典型非线性运动，控制着多尺度运动之间的能量交换，是海洋中及其关键的物理过程。南海中尺度涡频发且持续时间长，在其长距离传播过程中可穿透数千米厚的水层，为深海热通量、小尺度混合、物质输运提供了能量来源。为了探究中尺度涡对南海深层海流和沉积物搬运过程的影响，本研究自2016年执行以来，设计深海中尺度涡动力过程锚系观测系统，每年在南海东北部组织航次进行锚系观测系统的布放和回收。在现场锚系观测数据的基础上，结合卫星高度计数据、Argo浮标观测数据及海洋模拟结果，追踪南海中尺度涡的三维动力结构和时空演化过程。结果发现影响深层的中尺度涡具有显著的垂向分层结构：上层为顺时针旋转的反气旋涡，下层为逆时针旋转的气旋涡，是典型的斜压模态，非线性特征强，从机理上解释中尺度涡可携带沉积物颗粒并长距离搬运的特性。中尺度涡的垂向结构导致强流速剪切可激发水体混合过程，特别是在中尺度涡的边缘产生高效率的垂向能量传递，对深海潮汐产生边缘强化效应，并使深海斜压全日潮冬季的异相成分增强，同时, 中尺度涡对深海海水混合的增强弱化了海水层结, 导致冬季的斜压全日潮流速减弱, 低于夏季. 本项研究突显海表层生成的中尺度涡调控海洋深层中小尺度运动及潮汐的季节性变化过程，为研究深海盆沉积物在不同时间尺度上的分布及搬运过程提供了重要的动力机制。