加利福尼亚流系次中尺度研究综述外文翻译资料

 2022-11-19 15:17:12

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加利福尼亚流系次中尺度研究综述

摘要:在理想化副热带东部边界上升流系统(以加利福尼亚上升流系统为例)的数值模拟中,当水平网格尺度减小到O(1)km时,涡度的动力特征朝着次中度过渡。本篇论文主要基于流场结构和相关时间平均涡致通量对这一过渡进行了研究。风场所驱动的沿岸海流的能量除了通过不稳定过程向中尺度涡旋输送外,还有大量的能量被转移到海洋上层的次中尺度锋面和涡旋中。次中尺度是通过表面锋生过程而形成,这些锋生过程或者是由沿岸上升流引起的,或者与中尺度涡的流场拉伸有关。然后,这些次中尺度锋面又会发生不稳定,继而出现曲流,并最终发展成次中尺度涡旋。这些次中尺度过程会对应着强的垂直涡度、Rossby数和垂直速度,以及相对平坦的水平波数谱。此外,次中尺度过程的垂直运动不但会引起强的垂直浮力通量从而导致再分层,同时还会引起能量从势能向动能的转变以及物质在垂向上的交换。垂直浮力通量用于抑制上层海洋,另一个是从潜能到动能的次中尺度能量转换,与现有观测资料的对比表明,次中尺度锋面和不稳定过程广泛存在与上层海洋,且与模拟的结果具有相似的特征。

关键词:中尺度、次中尺度

一、 引言

风生流表现出中尺度的不稳定性,由此产生的中尺度涡旋带有大的动能。一般环流的主要动力学模式包括主要由微尺度流动(例如湍流边界层和破碎的内波)引起的大尺度和中尺度环流的混合和耗散。本文中研究的次中尺度的存在对于中尺度的重要性,这也是海洋环流中的重要部分之一。由于采样仪器和分辨率计算的限制,目前对次中尺度海流的认识还比较少。将次中尺度系统暂时定义为小于中尺度的空间尺度:水平空间尺度为O(10)km,小于第一个斜压变形半径;垂直空间尺度为O(10)km,比密跃层还薄,时间尺度为O(1)天。

我们在亚热带东边界的上升流系统(例如加利福尼亚流; Marchesiello et al。2003)对次中尺度海流进行了调查。信风驱动了离岸埃克曼输送、上升流和具有垂直切变的沿岸流。除了较冷的上升流区域外,海表加热使上层海洋强烈分层。由观测的迹象表明,次中尺度上升流变化程度很大,与温暖的近表层海水和近期上涨的冷水交织在一起。特征是由冷涡丝产生的温度锋引起次中尺度涡旋和表面螺旋涡。其他地方有足够的证据证明在海表密度方面至少有一个次中尺度宽度和长期的次中尺度存在,次表面涡度,这表明次中尺度的变化是广泛存在的。

在考虑次中尺度时,存在几个问题。其中一个问题是它们的产生机制。在大气中,由西风不稳定所形成风暴中的一个演变阶段中的锋生作用是众所周知的。在海洋中,根据类比的方式,我们预测在中尺度涡旋的演化过程中,次中尺度的锋面会自发地出现。另一个问题是次中尺度海流是否会引起动能和通量的变化,是否会造成静力不平衡和地转不平衡。

二、.加利福尼亚流的流场结构、涡流通量和观测实验

2.1问题的设立

区域海洋模拟系统(ROMS)是在典型夏季风风场下模拟加利福尼亚流的理想化版本,这个版本有利于沿海上升流。

研究五支理想化的加利福利亚流方案(ICC12,ICC6,ICC3,ICC1和ICC0),他们的水平网格点的距离不同:12,6,3,1.5和0.75公里。海洋边界条件规模较大(2200kmlon*1500kmlat),ROMS模式是水平网格间距为12km(USW12),使用了气候学资料和适用于开阔海洋边界的边界条件。所有的ICC模式通过模拟两年后的情形对USW12eta;,T, S, u,v进行插值而初始化的。在更高分辨率的ICC解决方案中,特别是在表面附近,湍流涡旋快速增长、迅速发展。在ICC初始化大约30天后,海表水平动能接近最大值并开始出现波动。我们认为这个时候旋转已经结束了。计算解决方案额外的360天,在此期间,所有的物理变量每天存储一次,即瞬时场和日平均值。这个初始化过程总结在图1中。除非另有说明,统计诊断在最后的360天进行。特别是,任何给定数量的平均值被定义为在此期间的平均值。

( 图1为USW12和ICC解决方案的启动程序,时间跨度在几天之内。 )

2.2.平均环流

平均环流和温盐结构(如图2)符合副热带东部边界上升流系统的总体情况。

(图2,平均环流:ICC0垂直于海岸的断面上的平均速度u和V、S和T;在盐度S图中平均层深度用虚线表示)

离岸埃克曼运输(在ult;0处)被限制在20-30米厚的表层内。深远且慢的沿岸回流的存在是由赤道沿岸压力梯度所造成的。这个回岸流在Ugt;0的部分为上升流(Wgt;0)提供补充,同时它Vgt;0的部分会变成一个转向极地的潜流。在热成风平衡下,当Vlt;0时垂直剖面上也有一个很重要的赤道流。ICC0沿岸的上升趋势日益增加,沿岸上升流被限制在一个由两到三个网格点组成的日益狭窄的层面上,这个层面上ICC0的速度每天随着网格点的分辨率增长,直到分辨率为50m。总体向上运输是不变的。这意味着系统的主要动能来源是中尺度的不稳定性,在加利福尼亚上升流中发现,盐跃层比温跃层深。尽管在ICC区域范围内没有地形的变化,模拟方案中表明存在一个时间周期较弱的平均涡旋,这与USW12中的规定相符。

2.3.速度场和温度场结构

水平分辨率对瞬时变化的T、rho;的影响如图3。在初始化的30天以后,其在ICC模拟方案中的相关性依然很高。且在所有的模式中可以识别出中尺度活动。然而在提高网格分辨率时所允许的小范围上会出现额外复杂的结构问题。最为显著的ICC0中T(x,y)在表面边界层内(z=-10m)表现出强烈的次中尺度活动。次中尺度活动现象是普遍的,尤其是在温度梯度较大的区域,也就是中尺度涡旋的边缘区。温度梯度非常强,表明有次中尺度锋生。次中尺度活动集中在除涡旋中心外的涡旋区域,这一现象在垂直涡度上是显著的。

(图三,ICC初始化后的30天中T和rho;的瞬时场,图a为ICC12,12m深处的T的瞬时场;图b为ICC6,10m深的T的瞬时场,图c为ICC1在10m处T的瞬时场,图d为ICC0在10m处T的瞬时场;与图e为ICC0在70m处的T的瞬时场;图f为ICC0在70m处的rho;的瞬时场)

次中尺度涡度结构的特点是O(1) 的罗斯贝数(|xi;^z|ge;f)。由于罗斯贝数很大,我们认为次中尺度流动明显是非地转的。在同一地区|xi;^z|是很大的,垂直速度W也是很大的。

在从ICC12到ICC0的模拟序列中,发生了剧烈次中尺度过程的转变。

从速度和示踪物谱可看出产生次中尺度活动的速度在增加。总体而言,随着水平分辨率的增加,在波数最高处波数谱的斜率较小,尤其是当Kge;5*10^-5 rad/m,对应弧度为L=K^-1le;20km时,当然K值越大波数的范围也会扩大。但是波谱的形状会随着数量和深度而变化。

对于最高分辨率(ICC0和ICC1)下的表面速度而言,波谱的斜率大于k^-1.5小于k^-2,明显比k^-3低,k^-3是准地转湍流涡度拟能的范围。这表明对次中尺度而言动能的增加是非常重要的。相比之下,表层以下速度谱不会有剧烈的变化,尽管又新增了模拟方案,谱的斜率仍然很大。因此,说明次中尺度过程在表层比较活跃。

在密度跃层及其以下部分受到强烈的地转平衡,尤其表现在温度因盐度的密度补偿性波而产生一些细小的波动。T的这些细小的波动在表面和密度跃层上也是明显的。因此可以说在ICC12~ICC0的模拟方案中,有次中尺度过程发生。基于我们运行的最高分辨率模式(ICC0和ICC1)下所得速度和示踪物谱的斜率变化分析可知。分辨率的增加会将频谱的斜率从次中尺度范围朝着更高的斜率转变,但这是我们不希望看到的情况。

2.4.热通量和边界层的抑制

另一个重要的过渡特征出现于上层海洋垂直涡流示踪通量中。这些通量在次中尺度上相对于中尺度是增加的,w,T,rho;的波动是有利于对边界层内的约束。ROMS中的逐点热平衡由下式给出:

速度场和温度场进行三次分解。在式子(2)中,水平涡流热通量起着非常重要的作用。水平涡流通量以中尺度涡旋为主。垂直涡流热通量确实表现出了向次中尺度的过渡的特征。在ICC适度的变化时,水平涡流通量以中尺度涡为主。但是涡旋垂直的热通量却表现出了次中尺度特征。在高分辨率(ICC0和ICC1)方案下次中尺度较中尺度而言其占主导地位。近海总涡流的通量差异幅度从ICC12到ICC0增加了10倍。次中尺度垂直涡旋的加热率发散程度约为水平涡旋的5倍。温度仅仅减少了20%,这要归因于边界层的层化作用和海表温度变化不大。我们通过对ICC6和ICC0的平均差异来比较,因为在这两种情况下平均的SST是相当接近的,大气热通量也是接近的。ICC6和ICC0都有可进行对比的中尺度水平热通量,因为这两个模拟方案能充分的解决中尺度动态变化问题。因此,上层海洋的热量平衡并不会对剩余项造成重要的影响。

涡流通量使上层海洋再分层,混合作用会抑制再分层的发展。这两种作用在朝着次中尺度过渡的过程中会持续性的增强。次中尺度过程中垂直热通量的增加与增强的混合作用相平衡。由于在边界层中K是非常大的,因为风产生湍流混合,温度随高度的变化只会产生小小改变进而达到平衡状态。因此SST的影响甚小。

(图4为不同的方案中T和b=-grho;0/rho;时间和沿岸平均垂直涡流通量差异,热通量图上白线是平均等温线;浮力通量图上白线是平均等值线;黑线是边界层深度)

次中尺度的涡旋涡 (图4)和S通量(未示出)比边界层稍深(即也比T通量更深)。因此,在边界层与密度跃层之间的交换也会有次中尺度过程的出现。我们认为这是由于平均S和T分布的差异的结果,其中盐跃层比温跃层更深。

三、结论

通过追踪一个平衡动力学中理想化副热带东边界上升流系统变化的实验,我们证明了次中尺度的转变。这个转变不会显著的改变主要的中尺度流场结构及其水平物质涡流通量,但它增加了具有急剧变化的近表面密度锋和相关的次中尺度不稳定性和涡旋。次中尺度的垂直速度和涡度量级比与对应中尺度的更强。这个次中尺度流在中尺度涡旋区域中产生和发展,并且在平均上升流系统中有了自身的不稳定性。最重要的次中尺度涡旋通量产生了使海洋上层垂直再分层作用,并且被增强的边界层垂直混合所抑制。

通过稳定强迫的模拟,次中尺度再分层通量和边界层湍流混合之间的相似抵消可能被高估。在实际中,在天气尺度(从1天到15天)中上升倾向和减弱变化将会交替。当风减弱和边界层湍流减弱,我们可以预测次中尺度极大地加快了上层的再分层,因此强烈地影响平均通量结构。

从更一般的角度来说,副热带东部边界流有点不寻常,因为它被高度分层和并且在近表面集中。这将非地转运动限制在一个非常薄的近表面层,并可能限制了它们的振幅。如果其他流系统,如西边界流或南极绕极流,经历了与次中尺度相似的转变,其结果可能会更大。

次中尺度涡旋通量取决于他自身的通量分布。因此,它们可能对除了T和rho;以外的示踪物更为重要,并且具有更强的垂直梯度。特别的是次中尺度在生物地球化学中跨越营养层和边界层界面中的物质交换所起的作用非常重要。

然而,现在的模拟只适用于特殊情形,到现在为止我们不能说上层海洋中次中尺度的转变是比较常见的。除了之前关于近表面限制作用外,上升流系统似乎比中尺度上独特的涡流行为更具普遍性; 因此,这似乎说明从中尺度到次中尺度的转变具有普遍性。我们模拟的和实际测量的近表面锋和上层海洋示踪物的波数谱相一致。

四、参考文献

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