南海中尺度涡边缘亚中尺度过程及其垂直输运研究

The South China Sea is an oligotrophy region. Multi-scale ocean dynamics have a significant impact on the primary production by modulating the vertical pump of the nutrients. Recent satellite images have revealed that high chlorophyll concentration emerges at the periphery of the anticyclonic mesoscale eddies. This chlorophyll distribution cannot be well interpreted by mesoscale processes as presented in previous studies. Based on our preliminary works, we assume that intense submesoscale vertical pump at the periphery of the eddies is responsible for supplying the nutrients that support enhanced productivity. Using in-situ measurements, theoretical analysis and numerical model, we propose to investigate various submesoscale processes on the eddy periphery and their transport properties, with particular focus on the dynamical difference between cyclonic and anticyclonic eddies at submesocales. The goal of this research is to illuminate an alternative route of nutrient supply associated with the mesoscale eddies and the expected results will serve as an important physical mechanism for observed chlorophyll bloom at the periphery of anticyclonic eddies.

南海是一个寡营养盐海区，海洋中不同尺度的动力学过程通过调控营养盐垂直输运对表层初级生产力有重要影响。近来卫星观测发现，南海反气旋中尺度涡边缘区域存在着高叶绿素浓度的环状结构。此结构与之前研究所揭示的中尺度过程影响下的叶绿素分布有显著不同。基于申请人的前期研究工作，我们认为中尺度涡边缘丰富的亚中尺度过程可能是导致该区域生产力提高的关键物理机制。本项目拟结合观测数据、理论分析与数值模拟，系统地研究南海中尺度涡边缘存在的亚中尺度过程及其对垂直输运的影响，重点对比研究气旋与反气旋涡边缘亚中尺度动力学的异同，从而回答维持反气旋涡边缘处高叶绿素的营养盐补充机制问题。

南海是一个寡营养盐海区，海洋中不同尺度的动力学过程通过调控营养盐垂直输运对表层初级生产力有重要影响。近来卫星观测发现，南海反气旋中尺度涡边缘区域存在着高叶绿素浓度的环状结构，此环状结构可能与中尺度涡边缘存在较强的营养盐垂直输运有关。本项目结合现场观测数据、理论分析与高分辨率数值模拟，推导了梯度风平衡下三维涡旋正压与斜压的惯性、对称稳定性的新判据。在新判据中，反气旋中尺度涡具有更宽的不稳定区间范围，因此相对气旋涡更加容易产生不稳定。另外，并非所有的反气旋涡都会伴随涡旋边缘强垂直输运的现象。成熟期涡旋的内部与边缘均存在较强的垂直输运，其主要原因为内部的反气旋非地转不稳定与边缘底部的对称不稳定；而发展期涡旋半径较小，内部呈二维湍流中涡旋的稳定状态，涡旋边缘会受上述梯度风平衡下对称不稳定影响，引起强烈的垂直输运。中尺度涡内亚中尺度过程的变化依赖于涡旋发生的频率、极性等中尺度涡本身的性质，因此本研究也调查了南海北部陆架陆坡区中尺度涡的统计特征与性质。东沙群岛诱发的中尺度涡无明显的季节变化或极性偏好，而台湾西南部产生的涡旋中反气旋是气旋的2~3倍且存在冬强夏弱的季节变化。另外，反气旋中尺度涡的强度也明显高于气旋涡，高涡度区位于陆坡东北部，也是发展期涡旋主要集中的区域，这也解释了卫星观测到的该海域中尺度涡边缘环状高生产力的现象。