西北太平洋次表层中尺度涡三维结构及其形成机制

Mesoscale eddy plays an important role in the general circulation, momentum and heat budgets, ocean water mass distributions, water and nutrients transport, etc. By utilizing remote sensing, much have been known about the surface mesoscale eddies in the global ocean. However, we know little about the subsurface eddy due to lack of in-situ observations. The three-dimensional structure, evolutionary process, and formational mechanism of the subsurface eddy remain unclear. Subsurface eddies have been observed in the northwestern Pacific occasionally. The present study has three main objectives: 1) to describe the three-dimensional structure of the subsurface eddy based on in-situ observations, 2) to investigate the distributions, evolution, and dynamics of the subsurface eddy using high-resolution ocean general circulation model, 3) to illustrate the influences of the subsurface eddy on the transport of the Mode Water and the Kuroshio in the east of Taiwan. This work will significantly contribute to the study of subsurface eddy, eddy dynamics, energy balance in the world ocean, mode water transport, eddy-Kuroshio interactions, etc.

中尺度涡对大洋环流、海洋能量平衡、水团分布、水体和营养盐输运等具有重要意义。基于卫星海面高度资料，目前对全球表层中尺度涡的认识相对比较清楚，而次表层中尺度涡由于其核心在次表层，必须从现场观测中发现，因此目前对次表层中尺度涡研究较少，其分布、三维结构、传播特征及其形成机制都不是很清楚。次表层中尺度涡在西北太平洋偶有发现，本项目拟利用在该海域的观测资料(航次观测资料、潜标资料、Argo剖面资料和历史观测资料)，研究西北太平洋次表层中尺度涡的三维结构（温盐流）；利用数值模式研究其分布、传播特征及其形成机制；进一步揭示次表层中尺度涡对模态水输运和源区黑潮的影响。本课题研究工作对研究中尺度涡三维结构、涡旋动力学、海洋能量平衡、模态水输运以及涡旋-黑潮相互作用等具有重要科学意义。

次表层中尺度涡是在结构和生成机制上都不同于表层中尺度涡的一类特殊涡旋。由于观测资料所限，我们却对次表层涡知之甚少，对其研究处于起步阶段。本项目主要研究内容是：西北太平洋次表层中尺度涡三维结构；次表层中尺度涡的形成机制和传播特征；次表层中尺度涡对模态水输运的影响；次表层中尺度涡对源区黑潮的影响。本项目按照预计研究计划执行，取得具体的重要研究进展如下：（1）建立了次表层中尺度涡判定方法，并将其应用到高分辨率数值模式中，统计分析了西北太平洋中尺度涡分布特征、三维结构、移动规律、非线性特征等；（2）利用布放在129°E和8°N的潜标观测到菲律宾以东次表层中尺度涡十分活跃，发现其起着“水下搅拌机”的作用，显著加速了中层水的混合；（3）利用高分辨率数值模式结果揭示了菲律宾以东次表层中尺度涡产生的机制，发现正压和斜压不稳定性对菲律宾以东次表层中尺度涡产生都有贡献；（4）基于观测发现台湾以东黑潮的东侧存在一个超大次表层反气旋涡，利用Argo数据合成了其三维结构，发现该次表层反气旋涡携带低位涡副热带模态水西传，在抵近黑潮时可使黑潮流速增大25%；（5）利用潜标和卫星高度计资料发现台湾以东中尺度涡存在90天左右的显著周期，导致台湾以东黑潮流速和流轴都具有显著季节内变化；（6）发现西传中尺度涡通过改变庆良间水道流量进而影响东海黑潮流量是影响东海黑潮流量变化的新机理。本项目共计发表论文9篇，其中SCI论文8篇（国际期刊SCI论文6篇）。本项目圆满完成了预定研究目标，其成果将有助于对次表层中尺度涡生消机制、模态水输运、涡流相互作用等问题研究。