海洋环流与波动重点实验室知识库

全球大洋中布满了直径在几十到几百公里范围内的中尺度涡旋，是海洋最为显著的水体运动形式之一。涡旋在以接近于非频散斜压Rossby波的速度向西移动的同时，可以通过携带水体一起移动实现远距离的物质输送。特别是涡旋内部存在显著的垂向速度，它对海洋中的热量、盐度、溶解氧、叶绿素、营养盐等生物地球化学示踪剂的垂直输送具有重要的意义。

传统的“涡旋抽吸”理论认为，中尺度涡旋内的垂直速度是一个单极子的结构，即暖涡中心幅聚下沉，冷涡中心幅散上升，该机制被海洋学界广泛接受。与此同时，由于观测手段的局限性，海洋的垂向速度是很难直接测量，因此通常使用动力学诊断方程ω方程来间接计算。现有的相关研究几乎都是基于f平面的假设，即在ω方程中忽略了f随纬度变化引起的β效应的作用。β效应产生涡旋垂直速度偶极子在以前的研究中并未被指出过，虽然涡旋的一些垂直速度偶极子结构在以往的研究中被提及，或有一些间接的证据，但是β效应在研究中几乎都是被忽略的。如所周知，如果没有β效应，大尺度运动的整个水体的垂直速度为零。考虑到涡旋的本质是非频散斜压Rossby波，而β效应是Rossby波西传的驱动机制，因此在ω方程中省略β项的作用是值得商榷的，β效应对涡旋垂向速度究竟会产生怎样的重要影响值得进一步探讨。

与以往研究不同的是，本文在ω方程求解垂向速度的计算时考虑了β项的作用。我们首先对β平面下的ω方程进行了全新的理论推导，得到了一个物理意义更加清晰的表达形式。为了对β效应对涡旋内垂向速度的影响进行验证，我们使用ROMS数值模式分别在β平面和f平面下进行了理想化孤立涡旋的对比实验，实验结果表明，在β平面下，理想化孤立涡旋的垂直速度呈现出一个显著的东-西向偶极子形态，而f平面下，涡旋垂向速度则不存在偶极子结构。结合β平面下的ω方程在考虑β项和省略β项时得到的垂向速度的比较结果，我们明确证明了孤立中尺度涡的垂直速度是一个沿东-西方向的偶极子结构，且该偶极子结构是由β效应引起的。

为了进一步验证涡旋内垂向速度的偶极子结构，我们还使用了高分辨率的OFES模式数据，选取了两个比较典型的孤立涡旋进行了类似的分析。其中，一个是黑潮延伸体的冷涡，一个是厄加勒斯的暖涡。结果两个涡旋内部的垂直速度均呈现出显著的偶极子结构，即沿着运动方向，在暖涡（冷涡）的前部是下降流（上升流），而后部有一个上升流（下降流区）。同样的，结合有/无β项的ω方程的诊断结果，再次证明了在β效应的作用下，孤立涡旋的垂直速度呈现显著的东-西向偶极子结构。在传统的“涡旋抽吸”理论中，涡旋中心的垂向运动是单一的上升（冷涡）或下降流（暖涡）这样的单级子结构，即冷涡中心水体辐散上升形成上升流，暖涡中心水体辐聚下沉形成下降流，本文提出的由β效应引起的孤立近对称涡旋垂直速度的偶极子结构，修正了经典理论的认识。

结合以上结果，我们提出了一个“涡旋β螺旋”机制，将大洋环流尺度下的经典“β螺旋”理论扩展到孤立且近似对称的海洋中尺度涡旋。“涡旋β螺旋”机制指出，孤立中尺度涡的经向速度呈现东-西向偶极子结构，那么其垂直速度自然会形成东-西向偶极子结构，其中β效应是该偶极子的成因。涡旋的垂直速度偶极子强度与涡旋的经向速度大致成正比。基于ROMS的理想化孤立涡旋的数值模拟和高分辨率的OFES模式输出的孤立涡旋，以及ω方程的诊断结果均很好地证明了该机制的正确性。

尤其值得关注的是，孤立涡旋内由β效应引起的垂直速度偶极子结构的强度随着深度的增加而显著增强。它在海面附近很弱，但在深层却变得很强，其最大值出现在几千米深的深层海洋。因此可以预计，中尺度涡旋可能会对其移动路径上的深层海洋的垂向运动产生重要的影响，进而引起涡旋内的垂直输运和混合作用。因此，有关涡旋的垂直输运仍有待深入探讨，本研究结果为进一步研究涡旋垂直运动及其对深层海洋混合与垂直输送的影响提供了一个全新的视角和启示。