全球海洋中尺度涡旋的模拟评估研究

Ubiquitous oceanic mesoscale eddies are one of the important formations of global oceanic circulation. They have large energy and play an important role in the global oceanic mean circulation and other oceanic processes. The appearance of high spatial and temporal resolution satellite observation data advances the study of mesoscale eddies. It is obvious that the improvement of simulation achieves in low-resolution ocean model (that can not resolve the mesoscale eddies) with the proper inclusion of the effect of mesoscale eddies. With the development of eddy-resolving global ocean model, the study of numerical simulation of mesoscale eddies has been one of the focuses in physical oceanology. So far, comparing with the satellite observation, the simulated mesoscale eddies in a global eddy-resolving ocean model are evaluated in the individual study. In the study, they have found some significant different and even contrary features for mesoscale eddies. However, the related reasons are still not given and explained. This indicates the numerical simulation of mesoscale eddies’ feature is not entirely evaluated. Thus, this project will evaluate the simulation of mesoscale eddies in different eddy-resolving global ocean models, examine the fidelity of simulated mesoscale eddies, understand the commonality and individuality of mesoscale eddies, and explore the simulated biases of eddies and their effects. The application of the project is important to understand the climatic effect (such as transporting mass and heat, and etc.) of oceanic eddies and is indicatively of improving the simulated biases in low-resolution climate model.

无处不在的海洋中尺度涡旋是存在于世界大洋环流中的一种重要形式，它携带巨大能量，对于海洋平均环流和海洋其他过程具有重要作用。高时空分辨卫星观测的出现极大推动了中尺度涡旋研究。在低分辨率海洋模式（无法分辨涡旋）中，考虑涡旋的作用，对模拟结果的改进是明显的。随着全球涡分辨率模式（可分辨涡旋）发展，涡旋的模拟研究已成为物理海洋学研究的焦点之一。到目前为止，个别研究开展了全球涡分辨率模式模拟的涡旋评估，发现个别模式模拟涡旋的一些特征与观测存在一些明显差异甚至相反，但原因仍不清楚。这说明涡分辨率模拟的涡旋特征还缺乏系统评估。因此，本项目通过评估不同涡分辨率海洋模式模拟的中尺度涡旋，检验模拟涡旋的真实性，了解模式模拟涡旋存在一些共性和特性，以及探讨模拟涡旋偏差的原因及其影响。本项目的开展对于理解中尺度涡旋携带的质量、热量输送等气候效应具有重要意义，同时对于改进较低分辨率气候模式的模拟偏差有重要指导意义。

海洋中尺度涡旋具有巨大能量，它们的平流效应和垂直混合对于海洋环流具有重要作用。在涡分辨率模式中，可以分辨海洋中尺度涡旋，但对于涡旋的模拟仍没有深入评估。为了评估现有的涡分辨率模拟涡旋，本项目首先通过改进涡旋识别和追踪方法，提出了一种合理和迅速的涡旋识别和追踪方法，可以用于更高分辨率的模拟和将来的观测中。同时，为了更好衡量涡旋所占有的动能，基于拉格朗日追踪框架和传统计算EKE提出了一种更加合理的定量计算涡旋的动能，可以进一步区分气旋和反气旋涡旋对动能的贡献。基于这些方法，研究东北太平洋涡旋揭示该海域的涡旋动能在增加，与该区域涡旋活动增加密切联系，而且反气旋涡比气旋涡增加更为明显，导致涡旋活动增加的原因是由于大尺度风减弱，使得涡旋耗散减小。通过结合观测和模拟对比评估发现，现有涡分辨率海洋模式模拟的中尺度涡旋能够基本刻画观测中涡旋分布，但在开阔洋面振幅偏小，在强流区有些偏强，偏强原因与大尺度环流模拟偏差紧密联系在一起，以南海北部为例进行详细考察。最后，通过建立一个具有涡分辨率海洋分量的高分辨率海气耦合模式，合理模拟了中尺度海气相互作用，并评估了海气耦合强度，发现在涡旋活跃区耦合偏弱与大气边界层偏干有关。本研究的开展有利于了解涡分辨率模式中涡旋的模拟状况及其涡旋在海洋模拟中的作用，进一步可以减小海洋模式的模拟偏差。