海洋环流与波动重点实验室知识库

  黑潮延伸体动力过程复杂,有着丰富的海洋多尺度动力过程。探索随时间变 化的正压动力过程和动能串级，对认识海洋动力机制以及能量平衡具有重要作用 和意义。本文基于坐底式逆向回声仪（CPIES）实测海底压力和海底流速数据对 黑潮延伸体时变正压动力过程和动能串级进行研究。先对 CPIES 数据进行去噪、 网格化、调平（Leveling）等预处理，获得黑潮延伸体正压动力高度网格和海底 流速网格，后进一步计算得到正压动力高度分布图、正压涡动动能分布图以及正 压动能通量谱，结合黑潮延伸体海底地形图结果表明： （1）2004 年 6 月到 8 月小区域正压动力高度降低出现再循环环流，其在向北移动过程中辐散形成小的弯曲。2004 年 9 月到 12 月由于地形原因温暖的海水 在沿西边界向北移动过程中，在区域西边和东北边堆积，正压动力高度大面积升高，最终两个区域的海水融合。2005 年 1 月到 2 月融合之后的海水呈现大面积升高，随后海水震荡出现大面积海水降低现象最终震荡的范围慢慢减小。同时结合正压涡动动能图可以发现：受科氏力，摩擦力以及地形等影响正压动力高度存在较大高度差的地方有较强的涡动动能出现。 （2）通过分析九个月长时间平均正压动能通量谱，验证了地转湍流理论中的正压反向动能串级。并且探究了在零点穿过尺度和反向动能被捕捉尺度上能量 的源和汇：黑潮延伸体海底地区能量源可能来自正压不稳定，这种不稳定使得此地区正压下的平均流动能向涡动能转化。其出现的原因可能是来自斜压能量的作 用，也可能来自海底能量的扰动。对于海底动力过程和能量平衡必须要考虑的一点是海底地形带来的影响，当海底平均流冲击海山时可能会有涡动能产生。能量的汇可能和 Rhines 尺度有关，即涡动能向 Rossby 波转化。其一就是涡动能增大到一定的尺度会向外激发能量形成 Rossby 波；另一种可能是由于黑潮延伸体与陆地边界相连并且存在大陆坡，由于不同深度上正压罗斯贝变形半径不同，离海 岸越近水深越浅正压罗斯贝变形半径越小，涡动能与多变的陆地边界作用形成地形 Rossby 波；还有一点是黑潮延伸体底部地形复杂使得正压化（斜压 EKE 向正 压的转化）作用减弱，这些都可能导致反向动能串级停滞不能向更大尺度串级。（3）对黑潮延伸体月平均正压动能通量谱分析可得，涡动能的大小会影响 动能通量幅值变化，当涡动能升高，动能通量谱幅值正值（负值）变大（变小）， 正向（反向）动能串级增强，反之亦然。此外，正压动能串级会随着时间变化， 其表现为 2004 年 6 月到 8 月反向动能串级向小尺度偏移并且增强； 2004 年 9 月反向动能串级忽而减弱， 2004 年 9 月到 11 月出现了与 2004 年 6 月到 8 月相 似的反向动能串级变化过程； 而 2004 年 12 月到 2005 年 1 月，正向动能串级向 小尺度偏移并且减弱。 （4）根据正压动能通量谱随时间的变化，结合正压动力高度和正压涡动动能随时间的变化情况，进一步探讨了其中蕴含的能量变化和动力结构。2004 年 6 月到 8 月，有小尺度的能量输入并向大尺度级联。2004 年 9 月正压动力高度在 慢慢增高但是还没有向其他海洋现象转化能量还没有被传播，同时和地形的相互 作用也不明显。2004 年 9 月到 2004 年 11 月，正压动力高度积聚的能量开始向 外转化，其他海洋动力现象开始出现这其中也有地形的作用，由于地转和地形原 因正压动力高度释放的能量转化为涡动能并向大尺度级联。到了 2004 年 12 月黑 潮延伸体地区出现了强扰动使得正压的原始平衡状态被打破，出现较强的涡动能 并且主要向小尺度能量传递进行耗散。2005 年 1 月延续了上个月的能量传递状态尽管强扰动消失，但是之前积累的能量开始爆发海水出现震荡，状态极不稳定。 同时也出现了较强的涡动能，这些能量传递下去有部分会被地形摩擦耗散也有的 会以其他的能量形式传递出去例如：波、海流、热量等。