海洋中尺度涡旋的拉格朗日输运

With high kinetic energy and strong vertical penetration capability, oceanic mesoscale eddies play a significant role in horizontal transports of heat, freshwater and water mass in both global and basin scales and its study has been receiving intensive attentions in international oceanic community. The PI and his collaborators recently initiates and preliminarily demonstrates that the global eddy-induced heat and freshwater transports are mainly due to individual eddy movements, which indicates that the eddy-induced het and freshwater transport can calculated along individual eddy's Lagrangian trajectory. We propose a hypothesis that the capability of an eddy's Lagrangian transport depends on its conservativity and diffusivity. To test the hypothesis, we will conduct a theoretical analysis and a series of idealized numerical experiments as well to determine the quantitative relationship between an eddy's transport capability and eddy's characteristics. Based on these quantitative relationships, the proposed project will calculate the global Lagrangian eddy transports of heat, freshwater and materials based on an eddy-resolved global reanalysis numerical product and explore the spatial and temporal distribution of global eddy-induced heat, freshwater and material transports. Based on the analysis of tremendous samples of eddy-induced transport and mean fields, we will improve the parameterization of eddy-induced transports. Through the implementation of the project, we will better understand the role of mesoscale eddies in global heat and freshwater distribution and importance of a global climate model resolving mesoscale eddies.

具有高动能、强垂向创透力的海洋中尺度涡旋对全球和海盆尺度的水平热量、淡水以及海水物质输运均具有重要贡献，一直以来属于国际热点和前沿课题。与经典海洋学估算涡致热量输运的欧拉动力框架不同，作者与其合作者最近首次提出并初步证实涡旋本身运动所产生的输运是涡致热量和淡水输运最主要的部分，从而可以在拉格朗日运动框架下沿逐个涡旋的拉格朗日运动轨迹计算热量和淡水输运，即涡旋的拉格朗日输运。我们认为涡旋的保守性和耗散性决定了其拉格朗日输运的能力。本项目拟采取理论分析和数值实验相结合的方法，研究涡旋的搬运能力与涡旋的特征参数之间的定量关系。基于这些定量关系和多年分辨涡旋的再分析数值产品，计算全球涡致热量、淡水和海水物质输运的时空变化，并且通过大量涡致输运和平均场的样本的分析改进涡致输运的参数化。通过这一项目的实施，我们将更好地认识中尺度涡旋在全球海洋热盐和物质分布中的作用，以及气候模式分辨中尺度涡旋的重要性。

海洋中无处不在的海洋涡旋对海洋环流、全球气候变化、海洋生物化学过程和海洋环境变迁都起着非常大的作用。由于涡旋的非线性、垂向的强穿透性和高能量等特征，涡旋具有极强的物质和能量输运能力，比如气旋涡可以携带一团冷水运动几百公里，从而影响海洋中的热量的分布，因此涡旋输运对全球海洋运动、热量和淡水分布起到不可忽视的作用。涡致输运的研究将极大推进中尺度和次中尺度过程的参数化发展，有助于海洋气候模式的改进。.本研究首次得到了南海中尺度涡旋的三维结构，表层流不稳定或风应力旋度、流场与陆架陆坡的相互作用产生、底地形的流场不稳定是造成涡旋的三维结构差异的主要原因；东海黑潮主轴两侧涡旋呈极性不对称分布，水平剪切项和垂直浮力通量项是黑潮主轴两侧涡旋生成的主要能量来源；在黑潮延伸区35˚N以北，黑潮路径的弯曲使得涡旋受到挤压，旋涡生命周期较长，35˚N以南，水平剪切不稳定（斜压不稳定性）导致涡旋生命期较短。.通过追踪涡旋内的示踪粒子，结合卫星高度计资料与Argo浮标资料，分析了涡旋内示踪粒子的数目与涡旋特征参数的相关关系，发现踪粒子数量与位涡的相关性最高，反气旋涡内的物质被位涡线裹挟着前行；发现反气旋涡比气旋涡具有更好的粒子输运能力，能够将更多涡旋内的物质输运到更远地点，同时发现位涡切变引起的对称不稳定是粒子聚集于边缘的主要动力因素；发现南海气旋涡诱导的东向热量输运和反气旋涡诱导的西向热量输运几乎可以互相抵消，因此涡旋诱导的纬向热量输运不明显，涡旋诱导的经向热量输运的分布较复杂，气旋涡与反气旋涡诱导的淡水输运量分别可以通过吕宋岛年平均输运量的（8.5±0.2）%和（8.7±0.2）%；发现黑潮延伸区中尺度涡旋诱导的其内部混合层深度具有明显的变化，其中气旋涡会诱导混合层深度的变浅，反气旋涡会诱导混合层深度的加深，得到了涡旋诱导混合层深度变化与海水垂向速度的经验公式。