中尺度涡旋在海洋混合中的作用研究

中尺度涡在海洋中的混合对海洋中的物质、动量和能量的传播和交换等过程具有重要的影响。受到观测资料的限制，中尺度海洋涡旋在三维海洋混合中的作用机制尚不明确，通过观测数据也无法对水平混合参数化方案进行综合验证。本研究将通过涡分辨海洋模式中水平混合参数化方案的敏感性实验，初步分析中尺度涡混合的物理过程，确定该模式的最佳水平参数化方案配置；进而通过涡分辨海洋模式和数据同化技术重构高分辨率的海洋再分析数据；建立涡旋通量分析的数学物理框架，在较粗网格系统下通过雷诺平均方法分析动量、质量、热量和盐量等涡旋通量的时空分布特征；探讨较大尺度平均场的流场散度、涡度、强流区流速方向和流量、以及示踪量梯度等不稳定性因素与涡旋通量的相互作用与作用方式；通过多元统计回归分析改善海洋水平混合参数化方案；从数值模拟的角度给出海洋中尺度涡混合作用的综合理解。

在海洋数值模式中，海洋混合通常用来描述那些控制方程不能描述或者模式网格不能分辨的物理过程。由于海洋在水平方向的尺度远大于垂向的尺度，导致海洋模式的网格在垂向和水平方向存在较大的差异，水平方向上混合系数的差异会对模拟结果有更大的影响。本研究从海洋运动的物理本质和时空尺度的差异出发，建立了湍流、波动、涡旋和环流等四个海洋动力子系统对应的控制方程集。不同较小尺度海洋运动由不同较大尺度运动的平流输运和梯度不稳定生成，不同较大尺度海洋运动有不同较小尺度运动的输运通量剩余量混合。这些研究为解析和数值描述各类海洋运动乃至整个海洋运动的数学物理依据，同时也为研究海洋混合问题奠定了理论基础。.本项目进一步开展了水平混合参数化方案的敏感性实验，探讨了关键参数选取对模拟结果的影响。结果显示：由于水平混合系数的改变，模拟结果的差异主要出现在黑潮延伸体附近，其它区域的差异相对较小。出现较大差异的区域对应了传统认识的涡旋较多的区域。温度方程对水平混合系数的响应和盐度方程的响应均与动量方程类似，也主要出现在涡旋较多的区域。动量方程中水平混合系数的改变对中层（400-800m深度）海水的温度影响较大，而对1000m以下的盐度影响较大。温度方程中水平混合系数的改变对温度的影响较小，但对中层100m-1500m的盐度影响较大。相对应的，盐度方程中水平混合系数的改变对盐度影响较小，而对整层温度的影响均较大。.为了开展涡旋混合作用的统计分析，本研究利用Argo观测数据的集合调整Kalman滤波同化，重构了西北太平洋区域2005-2009年的高分辨率再分析数据，用于分析涡旋的混合作用。重构数据的可靠性检验表明：同化后的温度和盐度误差均大幅减小，同时同化过程还增强了模式对海洋中尺度活动能力模拟能力，这一改进在黑潮及其延伸体附近、以及10゜N断面上尤为突出。基于观测和高分辨率模拟数据开展的水平混合的统计分析表明：利用经验公式和统计计算的水平涡旋通量具有相同的量级，其分布规律较为相似，但细节有所差异。利用高分辨率海洋模拟结果在中等分辨率网格上的分析表明直接统计和经验公式计算涡旋通量均能反映强流的分布特点，其主要差异出现在大洋中部。