冀承振， 葉瑞杰， 董濟海， 張志偉， 田紀偉

(中國海洋大學物理海洋實驗室，山東 青島 266100)

南海中尺度渦邊緣亞中尺度過程模式研究?

冀承振， 葉瑞杰， 董濟海??， 張志偉， 田紀偉

(中國海洋大學物理海洋實驗室，山東 青島 266100)

基于高分辨率ROMS模式數(shù)據(jù)，對南海中尺度渦邊緣的亞中尺度過程進行了研究。結果表明：在中尺度渦邊緣處存在明顯的溫度細絲結構，渦度值要明顯大于1，O～W參數(shù)趨于正值，即在渦旋邊緣存在強速度剪切，加強了渦絲的形成。對亞中尺度過程動能空間分布分析發(fā)現(xiàn)，中尺度渦邊緣區(qū)域動能所占的比例大約為88.4%，比中心區(qū)域動能所占的比例11.6%要大許多。從動能譜的分析來看，在中尺度渦邊緣處動能譜的斜率趨近于k-2，與表層準地轉理論(SQG)相吻合，而在中心處呈現(xiàn)k-3，與準地轉理論(QG)相一致。

亞中尺度過程；中尺度渦；動能譜；ROMS模式

在現(xiàn)在海洋研究中，人們對中尺度過程(～100km)已有了深入的認識，中尺度過程主要是以中尺度渦旋的形式存在，其水平尺度有幾百公里，攜帶了海洋中大部分能量，通過衛(wèi)星高度計等觀測手段，人們已經(jīng)對其動力機制及其對水平熱量、動量和物質(zhì)輸運的貢獻有了很好的理解；同樣，人們對尺度小于1km(0.1～100m)的三維湍流過程，及其對海洋混合和能量耗散的作用也做了大量細致的研究[1]。然而，處于中間狀態(tài)的亞中尺度過程(時間尺度為1 d，空間尺度為1～10km)，由于觀測資料和數(shù)值模擬的限制，往往被人們忽視。實際上，亞中尺度過程往往以亞中尺度渦旋，渦絲，鋒面等形式廣泛存在上層海洋中[1-8]。在亞中尺度過程發(fā)生區(qū)域，相對渦度ζ與行星渦度f相當，甚至有時候大于行星渦度f，人們基于羅斯貝數(shù)Ro=ζ/f～O(1)來定義亞中尺度過程[1]。

相對于中尺度渦和湍流混合觀測而言，亞中尺度過程這一關系到從中尺度過程到小尺度混合之間的過渡階段的觀測工作甚少，其主要原因是：(1)亞中尺度過程水平特征尺度小，目前高度計分辨率過低難以有效監(jiān)測到；(2)亞中尺度過程時間壽命短，難以有效捕捉到它的生成、傳播與消亡過程；(3)亞中尺度過程的生成源具有一定的“隨機性”，難以有效開展現(xiàn)場斷面觀測；(4)盡管亞中尺度過程垂向運動較強，但垂向速度仍在O(mm/s)量級內(nèi)，對測流儀器的精度要求非常高，目前常規(guī)海流觀測儀器的精度難以滿足。

亞中尺度過程的研究是目前物理海洋研究的前沿之一，其對海洋環(huán)流的整體運行機制以及海洋能量的收支平衡有很重要的意義。本文將基于高分辨率(空間分辨率為1km)ROMS模式數(shù)據(jù)對中尺度渦邊緣亞中尺度過程進行研究。

1 模式數(shù)據(jù)介紹

本文中的ROMS模式使用了單向離線嵌套的方法，對南海北部的亞中尺度過程進行模擬[11]。大區(qū)海域范圍為15°N～25°N，110°E～126°E，水平分辨率為5 km，該區(qū)域模型命名為R5(見圖1，黑色實框)；嵌套的小區(qū)區(qū)域范圍為18°N～23°N，115°E～121°E，水平分辨率為1 km，該區(qū)域模型命名為R1(見圖2，藍色實框)。地形數(shù)據(jù)使用的是由NOAA提供的分辨率為2′的ETOPO2數(shù)據(jù)，兩個模型在垂向上分層一致，均分為30層，在表層和底部都進行了適當?shù)募用芴幚怼Ｍ牧鞣忾]模型本文選擇了Generic Length Scale(GLS)模型[12]，而邊界條件則使用的是放射性邊界條件[13]。對于R5模型，其強迫場數(shù)據(jù)來自于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)月平均資料，水平分辨率為0.125°，而開邊界條件數(shù)據(jù)則是來自于HYCOM的月平均資料。為消除不同模式之間的誤差，同時獲得R5穩(wěn)定的初始場，先以HYCOM以及ECMWF的氣候態(tài)數(shù)據(jù)作為初始、邊界以及強迫條件，對R5模型模擬了30年。此時，根據(jù)動能和勢能隨時間的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，模式結果已基本穩(wěn)定。然后，再以得到的穩(wěn)定結果為初始條件，以HYCOM以及ECMWF的2004—2012年的月平均資料為邊界以及強迫條件，對R5模型進行了模擬。在得到R5模型結果之后，再以其作為初始及邊界

(顏色代表水深。The contour represents water depth.)

條件，以ECMWF的2008—2012年的月平均資料為強迫條件，對R1模型進行了模擬，最終得到R1模型高分辨率的模擬結果。在分析的過程中，我們主要選取了模式穩(wěn)定后有中尺度渦存在的流場進行分析，以來研究中尺度渦邊緣亞中尺度的特征。

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 溫鹽場、渦度場分布

本文選取了2009年12月第19天的模擬結果，從海表面高度(SSH，見圖2(a))的結果來看，在南海北部存在一個較強的暖渦，渦中心大致位于118°E，21°N，渦旋半徑大約為60km；從海表面溫度(SST，見圖2(b))可以看出明顯的中尺度渦結構，并且在中尺度渦邊緣處有明顯的溫度細絲結構。本文取圖2(a)中的黑色實線位置的斷面(“118斷面”)來分析穿越中尺度渦中心溫度和密度的分布。圖3給出了沿斷面的溫度和位勢密度的分布，從斷面溫度的分布來看，最高溫度可以達26℃，出現(xiàn)在渦中心的位置，邊緣處的溫度要低于中心的溫度，由于中尺度渦中心存在下凹的緣故，存在明顯的等溫線下降，在中尺度渦邊緣時，混合層底的深度為50m左右，由于中心下凹，混合層底被下壓到100m左右的深度上，從位勢密度的水平分布上可以看到存在明顯的等密度線露頭，上混合層中保持了一定的水平浮力梯度。以上的分析表明，中尺度渦自身的特性支持了海洋上混合層中水平浮力梯度的存在，儲存了有效位能，正是由于上混合層存在的這種不穩(wěn)定，為亞中尺度過程的形成創(chuàng)造了潛在的條件[14]。

((a)中的黑色實線為選取的“118斷面”位置。The black line in (a) is “118 section” that we choose.)

圖3 沿118斷面的溫度分布(單位：℃) (a)及沿118斷面的位勢密度分布(b)(單位：kg/m3)

倘若能將我們的設想與現(xiàn)實結合，將會吸引來大批高校學生的向往，在互聯(lián)網(wǎng)時代，什么都很便利了，人們的生活質(zhì)量提高，對于服務的追求越來越高，只有以客戶為中心，才能為我們引來更多的人流量，進而才能實現(xiàn)共贏，客戶得到了美的體驗，商家得到了利益。然而在這過程中，應當對商家進行嚴格的要求，切勿追捧蠅頭小利，而送走了客戶。

圖4 相對渦度的分布(單位: 10-4 s-1) (a)和Okubo-Weiss 參數(shù)計算結果及分布 (Unit:10-8s-1) (b)

2.2 動能空間分布

圖5(a)表示水平流速的u的斷面分布，向東為正，由于是一個暖渦，表現(xiàn)為順時針旋轉，因此在21°N以南，u<0，在21°N以北，u>0。最大流速約0.8m·s-1，發(fā)生在中尺度渦邊緣的表層20m處。相對于水平流速u來說，流速v要小的多，最大流速僅0.15m·s-1。

圖6給出了歸一化的動能空間分布，本文利用Butter濾波的方法將原始流速分解為中尺度波段(MP，尺度大于20km)和亞中尺度波段(SP，尺度小于20km)，對于中尺度波段來說，動能的兩個峰值分別出現(xiàn)在20.4°N以及21.4°N附近，處于中尺度渦邊緣向中尺度渦內(nèi)部轉化的區(qū)域，因為這個區(qū)域內(nèi)流速出現(xiàn)最大值，因此動能較大；相對于中尺度波段的動能來說，亞中尺度波段動能分布大大不同，動能的峰值主要集中于中尺度渦的兩個邊緣，通過計算，兩個邊緣區(qū)域動能所占的比例分別為26.5%和61.9%，比中心區(qū)域動能所占的比例11.6%要大許多。亞中尺度波段動能的分布表明亞中尺度過程在中尺度渦邊緣處較為活躍，而在中尺度渦內(nèi)部則較為“安靜”。

圖5 水平流速u的斷面分布(a)和水平流速v的斷面分布(b)(單位：m·s-1)

(紅線代表亞中尺度波段的動能分布，灰線代表中尺度波段的動能分布。縱坐標經(jīng)過了各波段最大值歸一化處理。The red line and the gray line represent the kinetic energy distribution of SP and MP, respectively and the kinetic energy is normalized by the maximum value of SP and MP, respectively.)

圖6 從表層到200m深度動能垂向積分分布圖

Fig.6 Depth mean distribution of kinetic energy from top layer to 200m

2.3 動能譜分析

從上面的分析可以得出初步的結論，亞中尺度過程在中尺度渦邊緣時要比中尺度渦內(nèi)部更強一些。作為一種有效的手段，許多高分辨率的數(shù)值模式利用動能譜來描述亞中尺度過程[16-20]。在海洋中，處于亞中尺度波段的強非地轉流可以從平衡態(tài)中獲取能量，然后傳輸給小尺度，準地轉二維中尺度過程動能譜特征是斜率為k-3，而高分辨率的能夠分辨亞中尺度過程的數(shù)值模式發(fā)現(xiàn)，譜的斜率變的平緩，變?yōu)閗-2，受這一啟發(fā)，本文這一小節(jié)從動能譜的角度來分析。

本文在模式中選取了一條穿過中尺度渦中心的斷面(118斷面，見圖2(a))，通過對斷面流速的動能譜分析，來探究中尺度渦中心和邊緣的差異。根據(jù)圖6(a)水平流速的分布，作者把穿越中尺度渦中心的118斷面分為三個部分，RR1，RR2和RR3，其中RR1的區(qū)域范圍為20°N～20.7°N，RR2區(qū)域范圍為20.7°N～21.4°N，RR3區(qū)域范圍為21.4°N～22.1°N，RR1和RR3代表中尺度渦的邊緣區(qū)域，RR2則代表中尺度渦的中心區(qū)域。

圖7給出了RR1，RR2和RR3 3個區(qū)域不同深度上的水平流速u的動能譜分析。從圖7(a)中可以看出，在RR1區(qū)域50、100和150m 3個不同深度上，水平流速波數(shù)譜的斜率都接近于k-2，通過線性擬合，可以得到在尺度5～20km的亞中尺度波段，50m處的波數(shù)譜斜率為-2.17，100m處為-2.30，150m處為-2.34，說明亞中尺度過程到150m處還比較強；在RR3處也有相類似的結果(見圖7c)，在5～20km的亞中尺度波段，50，100和150m處的波數(shù)譜斜率分別為-2.15，-2.27，-2.24，斜率隨深度的變化更接近于k-2；但在RR2處，情況有所不同(見圖7(b))，50，100和150m的波數(shù)譜斜率分別為-2.81，-2.82，-2.91，比RR1和RR3區(qū)域的波數(shù)譜斜率要陡一些，斜率隨深度的變化更接近于k-3。

從以上的分析可以得出，中尺度渦邊緣動能譜的斜率更接近于k-2，比較符合表層準地轉理論(SQG理論)，而在中尺度渦內(nèi)部，動能譜的斜率更接近于k-3，與二維準地轉理論的預測相一致。Callies[19]及Rocha[21]等在文章中綜述了內(nèi)潮等也有可能使動能譜的斜率變緩，接近于k-2。由于在本文的模式模擬中沒有加入潮的作用，因此，本文分析所得到的在中尺度渦邊緣處斜率平緩接近于k-2的結果，排除了內(nèi)潮因素的干擾，即中尺度渦邊緣動能譜斜率呈現(xiàn)k-2變化是由于存在豐富的亞中尺度過程導致的。

(其中k-2和k-3通過兩條灰色直線標出。k2andk-3are warkod by the two grey line.)

圖7 中尺度渦邊緣RR1處50，100和150m處水平流速的波數(shù)譜分析(a)；同子圖(a)，但為中尺度渦中心RR2處的結果(b)及同子圖(a),但為中尺度渦邊緣RR3的結果(c)

Fig.7 At the edge of the mesoscale eddy (RR1), wavenumber spectra for horizontal velocity at 50 (red line),100 (green line) and 150m (blue line)(a)，similar to (a) but at RR2 (b) and similar to (a) but at RR3 (c)

3 結語

本文利用高分辨率ROMS模式數(shù)據(jù)對南海中尺度渦邊緣亞中尺度過程進行研究，溫度場的結構顯示中尺度渦邊緣處有明顯的溫度細絲結構；上混合層存在水平浮力梯度，導致混合層不穩(wěn)定，為亞中尺度過程的產(chǎn)生奠定了基礎；在中尺度渦邊緣處，正負渦度值交錯，且其值要明顯大于1，O-W參數(shù)在渦邊緣處趨于正值，表明渦邊緣區(qū)域的水平流場切變很強，強速度剪切加強了渦絲的形成；動能的空間分布表明中尺度渦邊緣區(qū)域動能所占的比例大約為88.4%，比中心區(qū)域動能所占的比例11.6%要大許多；從動能譜的分析來看，在中尺度渦邊緣處動能譜的斜率趨近于k-2，與表層準地轉理論(SQG)相吻合，而在中心處呈現(xiàn)k-3，與準地轉理論(QG)相一致，由于在模式模擬中沒有加入潮的作用，因此排除了內(nèi)潮因素的干擾，即中尺度渦邊緣動能譜斜率呈現(xiàn)k-2變化是由于存在豐富的亞中尺度過程導致的。以上只是模式結果的初步探討，在下一步工作中，需要對亞中尺度過程產(chǎn)生及消亡機制進一步的研究。

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責任編輯 龐 旻

The Simulation of Submesoscale Processat the Periphery of a Mesoscale Eddy in the South China Sea

JI Cheng-Zhen, YE Rui-Jie, DONG Ji-Hai, ZHANG Zhi-Wei, Tian Ji-Wei

(Physical Oceanography Lab, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The study investigates thesubmesoscale process at a mesoscale eddy in South China Sea (SCS) based on high-resolution ROMS model. The results show that, at the periphery of themesoscale eddy,there exists obvious temperature filaments, the vorticity value is significantly greater than 1, andO-Wparameter tends to be positive, all of these evidences meanthat the shear of velocity is much stronger and strengthen the formation of vortex filaments. From the view ofkinetic energy’s distribution, for submesoscale process, the proportion at the periphery of the eddy (RR1 and RR3) is 88.4%, which is larger than that at the center (RR2,only 11.6%).The results of kinetic energy spectra indicate that the slope of the spectra at the periphery of the eddy holdsk-2regime, which is more likely with surface quasi-geostrophic (SQG), while the slope exhibitsk-3law at the eddy’s center, consistent with quasi-geostrophic (QG) theory.

submesoscale process; mesoscale eddy; kinetic energy spectra; ROMS model

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2014CB745003) 資助 Supported by the National Key Basic Research and Development Program of China(2014CB745003)

2016-03-13；

2016-05-06

冀承振(1990-)，男，碩士生。E-mail：jichengzhen@126.com

?? 通訊作者：E-mail：jihaihappy@163.com

P722.7

A

1672-5174(2017)01-001-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160068

冀承振， 葉瑞杰， 董濟海， 等. 南海中尺度渦邊緣亞中尺度過程模式研究[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2017, 47(1): 1-6.

JI Cheng-Zhen, YE Rui-Jie, DONG Ji-Hai, et al. The simulation of submesoscale processat the periphery of a mesoscale eddy in the South China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 1-6.