拉格朗日连贯涡旋对全球大洋水体的输运

As one of the most common phenomena in the wild ocean, mesoscale eddies have strong nonlinearity, and play important roles in the transport of water mass, heat, energy, etc. The study of global water transport by mesoscale eddies has profound meanings. However, the former studies regarding this topic are mostly using the traditional Eulerian eddy detection method, which focuses on the transient features of mesoscale eddies, and can lead to great overestimate of water transport by eddies. In this project, we plan to use a new Lagrangian technique which focuses on dynamic features of mesoscale eddies to detect 3D Lagrangian coherent structures in the global ocean. Then calculate the global water and heat transport by those Lagrangian coherent structures. The study can provide a more accurate transport result and lay a foundation for further studies of global heat distribution and climate change.

中尺度涡旋是海洋中广泛存在的现象之一，其具有高度非线性，在水体质量、热量、能量等的输运方面都起着重要作用。关于中尺度涡旋对全球大洋水体的输运研究具有极其重要的研究意义。然而前人在此方面的研究中所用的都是只考虑涡旋瞬态特征的欧拉涡旋研究方法，这将严重高估水体输运量。在本项目中，我们将用考虑涡旋动态旋转特征的拉格朗日涡旋研究方法替代传统的欧拉涡旋探测方法在三维海洋中对中尺度涡旋进行探测，并用探测出来的三维拉格朗日连贯涡旋计算全球的水体输运。这将大大提高涡旋对水体输运计算的准确度，将过去的定性研究上升为定量。同时，我们还将进一步探讨由中尺度涡旋造成的全球热量输运，为全球的热量分布及气候变化的研究提供基础。

本项目旨在用新的方法评估涡旋对全球大洋水体的输运能力，传统的涡旋对水体输运的评估都是使用基于欧拉方法探测得到的涡旋进行的，然而随着拉格朗日涡旋探测方法的兴起，越来越多的研究发现传统的欧拉方法会大大高估涡旋的水体输运能力。与欧拉方法探测得到的涡旋不同，拉格朗日连贯涡旋可以基本保证内部水体在有限时间段内无损失传播，从而可以更加准确地评估涡旋对水体的输运能力。因此本项目使用基于拉格朗日方法探测得到的拉格朗日连贯涡旋重新评估了三维涡旋对全球大洋水体的输运。结果表明拉格朗日方法得到的涡致输运相比传统欧拉方法评估结果要小一个数量级，也就是说在全球范围内涡旋诱导的水体输运中大约只有10%是无损失的水体输运，另外90%的涡旋内部水体都在涡旋被探测到的30天内扩散掉了。同时研究发现南大西洋区域的涡致输运要明显高于全球平均水平，且随着时间的推移输运能力的衰减明显缓于全球平均水平，该区域主导的涡旋是一种可以长时间存在的阿古拉斯涡旋，通过对几个生命时长大于1年的阿古拉斯涡旋的研究，我们发现阿古拉斯涡旋之所以可以长时间存在主要得益于其高动能边界的保护，高动能边界在一定程度上可以充当传输边界，使得涡旋内部水体不易漏出，同时阿古拉斯涡旋传播进入广阔的南大西洋后，由于没有同样强动能的流场的干预，阿古拉斯涡旋的传输边界不易被破坏，因而可以长时间存在。