海洋上混合层的次中尺度动力学研究

The upper mixed layer (ML) is the most dynamic part of the ocean, and it mediates the exchanges of mass, heat, momentum and energy between the atmosphere and the ocean. Classic theories of ML dynamics assume that the properties of ML are set by vertical processes alone. However, recent studies suggest that the evolution of ML can be additionally influenced by the ubiquitous horizontal density gradients (fronts) in the ML, which are often baroclinically unstable, generating submesoscale eddies via ageostrophic baroclinic instability, and thus inducing significant restratification of ML. These processes are currently missing in the state-of-the-art ocean general circulation models, leading to significant bias in the prediction of sea surface temperature and mixed layer depth. This project aims to further understanding of submesoscale dynamics of ML by bringing together high-resolution observational data in the central basin area of the northern South China Sea, the mathematical theory of ageostrophic baroclinic instability, and process-oriented fully nonlinear numerical simulations based on the MIT general circulation model (MITgcm). It is expected that key characteristics of the mixed layer submesoscale eddies as well as their mechanistic dependence on mesoscale eddies and large scale circulation and thermohaline structures will be unveiled. A parameterization of the restratification effects of the submesoscale eddies will be developed.

海洋上混合层是海洋中动力环境最为活跃的部分，是海气间物质、热量、动量与能量交换的媒介。经典的混合层动力学理论认为，混合层的形成与演变主要是垂向一维的过程。然而，近期的研究表明：由于海表强迫不均与中尺度涡的水平搅拌作用，混合层中普遍存在水平密度梯度（锋面），因此极易通过斜压不稳定性产生次中尺度涡，从而造成显著的混合层再层化。目前的大尺度海洋环流模式无法分辨次中尺度涡，且未对其再层化效应进行参数化，普遍低估混合层再层化过程，从而导致海表面温度与混合层深度等的模拟存在显著偏差。本项目将以南海北部中央海盆区高分辨率拖曳CTD 资料与流速资料为观测基础，以非地转斜压不稳定性理论为理论工具，以MITgcm 为机制性研究数值模拟平台，对海洋上混合层中的次中尺度涡进行深入的观测、理论与数值模拟研究，以揭示其动力、统计特征及其与中尺度涡和大尺度环流、热盐结构的机制性联系，发展次中尺度涡再层化效应参数化模型。

本项目以历史观测资料、针对性航次观测以及高分辨率数值模拟结果为基础，以准地转湍流理论、中尺度涡致锋生理论以及次中尺度不稳定理论等为理论框架，主要开展了如下三个方面的研究工作：(a) 南海北部上层次中尺度湍流的基本特征、动力机理与季节变化；(b) 台湾海峡锋面特征及相关动力过程；(c) 吕宋海峡内黑潮与地形相互作用产生的次中尺度不稳定过程及其能量串级效应。研究结果表明：(a) 在次中尺度上，南海北部一般不存在温盐补偿，混合层内密度的水平变率主要受盐度控制，波数谱的标度率具有显著的区域性差异，在陆架陆坡区SST 的水平波数谱呈-3 次标度率，符合经典的准地转湍流理论，而在北部深海盆，在中尺度过程活跃的海区SST 的水平波数谱呈-2 次标度率，在没有显著中尺度过程的海区SST 的水平波数谱呈-3 次标度率；(b) 台湾海峡锋面两侧存在不同的温盐补偿特征，近岸一侧的密度主要受盐度变化主导，而海峡中部则主要受温度变化主导，锋面动力过程丰富，湍流耗散与混合受边界层湍流与锋面不稳定过程联合控制；(c) 黑潮与吕宋海峡内的岛屿相互作用可产生显著的次中尺度结构，黑潮流轴左侧与地形相互作用后在岛屿、浅滩附近生成强的涡度异常场，有利于局地发生正压不稳定，生成次中尺度结构，实现平衡运动的能量降尺度串级，黑潮流轴右侧与岛屿、浅滩相互作用后则易生成负的 Ertel PV，有利于局地发生离心不稳定或 对称不稳定。在本项目支持下，项目组在国际主流学术期刊发表SCI收录论文10篇，培养博士、硕士研究生多名，开展了卓有成效的学术交流活动，并获批1项与本项目主题密切相关的重大研究计划重点支持项目。