海洋水文学

基于湾流海域船载ADCP观测资料的地转平衡态和非地转动能分析

  • 刘余亿 , 1, 2 ,
  • 曹海锦 3 ,
  • 经志友 , 1
展开
  • 1.热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2.中国科学院大学, 北京 100049
  • 3.河海大学海洋学院, 江苏 南京 210098
经志友。email:

刘余亿(1997—), 女, 湖南省长沙市人, 硕士研究生, 从事中小尺度海洋动力过程研究。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2022-02-17

  修回日期: 2022-04-17

  网络出版日期: 2022-04-19

基金资助

中国科学院基础前沿科学研究计划原始创新项目(ZDBS-LY-DQC011)

国家自然科学基金项目(42225602)

国家自然科学基金项目(92058201)

国家自然科学基金项目(42149907)

Analysis of kinetic energy of balanced geostrophic motions and unbalanced wave motions based on ship-board ADCP observation data in the Gulf Stream

  • LIU Yuyi , 1, 2 ,
  • CAO Haijin 3 ,
  • JING Zhiyou , 1
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. College of Oceanography, Hohai University, Nanjing 210098, China
JING Zhiyou. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-02-17

  Revised date: 2022-04-17

  Online published: 2022-04-19

Supported by

Original Innovation Project of Basic Frontier Scientific Research Program of CAS(ZDBS-LY-DQC011)

National Natural Science Foundation of China(42225602)

National Natural Science Foundation of China(92058201)

National Natural Science Foundation of China(42149907)

摘要

本研究基于湾流海域14a(2005—2018年)船载ADCP观测的水平流速数据, 利用Helmholtz分解和波数谱分析等方法, 分离了海域内的地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动, 分析了两者的动能在连续波数谱空间的转换尺度, 并初步探讨了影响湾流海域转换尺度的潜在因素。研究结果表明, 湾流强流区的地转平衡态运动活跃, 其转换尺度小于10km, 且季节性差异较小; 弱流区的非地转运动显著强于强流区, 其转换尺度约为15km, 夏季(~28km)明显大于冬季(~13km); 湾流海域的转换尺度受夏秋季频繁发生的飓风向海洋输入的近惯性波动能量影响。同时, 湾流海域转换尺度的深度变化结果表明, 转换尺度与亚中尺度范围内地转平衡态运动的动能水平呈负相关关系, 当地转平衡态运动的动能占主导时, 转换尺度相应减小, 较小的转换尺度对应较弱的非地转内波动能和较强的地转平衡态动能。本研究关于地转运动和非地转运动的有效分离, 有助于理解海洋不同尺度的动力过程及其能量转化。

本文引用格式

刘余亿 , 曹海锦 , 经志友 . 基于湾流海域船载ADCP观测资料的地转平衡态和非地转动能分析[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(1) : 22 -31 . DOI: 10.11978/2022030

Abstract

Based on the horizontal velocity data observed by ship-board ADCP in the Gulf Stream for 14 years (2005-2018), we use the methods of Helmholtz decomposition and wavenumber spectrum analysis to decompose the balanced geostrophic motions and unbalanced wave motions of ocean, and analyze the transition scale between them. We also discuss the main factors that affect the transition scale of the Gulf Stream. The results show that the balanced geostrophic motions in the strong current region of the Gulf stream is more active, its transition scale is less than 10 km with small seasonal difference. The unbalanced motions in the weak current region are significantly stronger than that in the strong current region, and its transition scale is about 15 km, which is significantly larger in summer (~28 km) than in winter (~13 km). The transition scale of the Gulf Stream is affected by the near-inertial wave energy input by frequent hurricanes in summer and autumn. Further, the results of transition scale dependence on depth show that the transition scale is negatively correlated with the kinetic energy level of the balanced geostrophic motions at submesoscale. When the kinetic energy of balanced geostrophic is active, the transition scale decreases accordingly. The smaller transition scale corresponds to the smaller kinetic energy level of unbalanced wave motions and the larger of balanced geostrophic motions. The effective separation of balanced geostrophic motions and unbalanced wave motions in this study is helpful to understand the dynamic processes and the energy transformation at different scales.

海洋是一个多尺度过程耦合的复杂系统, 且不同尺度之间存在显著的相互作用, 使物质和能量能够在不同尺度之间实现输运和串级。尽管海洋80%以上的动能集中在中尺度(~100km), 但符合准地转平衡的中尺度过程趋向于将这些能量逆向串级至大尺度。而空间尺度为O (10km)、时间尺度为O (1d)的亚中尺度过程不仅包括将能量从亚中尺度逆向串级至中尺度的地转平衡运动, 也包含通过非地转不稳定将中尺度能量正向串级至更小尺度的非地转运动(D'Asaro et al, 2011; Cao et al, 2021), 是平衡海洋能量循环的重要过程。同时, 亚中尺度过程能够引起高达~100m·d-1的垂向速度, 可显著增强上层海洋以及海洋-大气之间的垂向物质能量交换, 可能是调控海洋生态系统的关键动力过程(Mahadevan et al, 2016)。
目前人们对于中尺度能量如何实现正向串级与耗散这一重要科学问题的认识仍处于探索阶段, 最主要的原因之一是难以确定地转平衡态涡旋运动(亚中尺度涡旋、涡丝等)和非地转内波运动(近惯性波、内潮和惯性重力波等)在亚中尺度范围内的相对贡献(McWilliams, 2016; Qiu et al, 2018)。二者在亚中尺度范围内存在很大程度的重叠, 不易分离, 而且对海洋地转能量的转移有着截然不同的影响。地转平衡态涡旋运动的湍流场倾向于将能量逆向串级至更大尺度的运动, 并沿等密度面混合; 非地转内波运动的相互作用与破碎则将能量正向串级至耗散尺度, 通过湍动能的串级闭环海洋的能量循环(Callies et al, 2015)。最近的研究表明, 基于Helmholtz分解原理的波-涡分解方法可以在满足均匀性、各向同性和平稳性假设的前提下, 从给定的一维速度剖面中有效地分离地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动(Bühler et al, 2014)。波-涡分解方法在观测数据分析和理论模型研究中的广泛应用不仅证实了其结果的可靠性, 也提高了人们对亚中尺度过程这一前沿科学问题的认识(Rocha et al, 2016; Qiu et al, 2017, 2018; Cao et al, 2019)。
湾流是副热带北大西洋永久性的西边界流(Talley et al, 2011), 空间尺度可达数千公里。湾流海域内动力环境复杂, 中尺度涡旋丰富(Chelton et al, 2011), EKE (eddy kinetic energy, 涡动能)和亚中尺度运动均存在显著的季节变化(Zhai et al, 2008; Mensa et al, 2013), 是研究中尺度和亚中尺度范围内动力过程的理想海域。随着观测技术和数值模拟的发展, 人们逐渐认识到亚中尺度动力过程的重要性, 但以高时空分辨率的观测资料来分析湾流海域亚中尺度范围内地转平衡运动和非地转运动的变化及其影响机制是十分罕见的。本文利用湾流海域14a(2005—2018年)船载ADCP测量的高分辨率流速数据(2.5km), 基于Helmholtz分解原理, 采用谱分析方法分离海域内的地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动, 并探讨两者的动能在连续谱空间的转换尺度及其垂向分布特征、季节性差异和主要影响机制等。

1 数据与方法

1.1 卫星观测数据

本文使用的卫星观测数据为日均的地转流速异常数据和北大西洋飓风观测数据。地转流速异常数据(2005—2018年)来源于法国国家空间研究中心提供的AVISO (Arching Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic)网格化产品(数据获取网址: ftp://ftp.aviso.oceanobs.com/global/), 空间分辨率为0.25°×0.25°, 反演精度约为0.02m。飓风观测数据(2005—2018年)来源于NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, 美国国家海洋和大气管理局)附属的NHC (National Hurricane Center, 国家飓风中心)提供的统计资料(数据获取网址: https://www.nhc.noaa.gov/data/#tcr), 该数据包含北大西洋海域内飓风生成和发展的具体时间、移动路径、位置和强度等信息。

1.2 船载ADCP数据

本文使用的水平流速数据(2005—2018年)来源于NOAA支持的Oleander项目, 该项目始于1992年, 至今已持续开展了近30a。项目的主要内容是将ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler, 声学多普勒海流剖面仪)安装在重复往返横跨湾流海域的新泽西和百慕大之间(两地距离约1000km)的集装箱船上(平均船速为8m·s-1), 进行该区域流速数据的采样, 采样频率为75kHz (Flagg et al, 2006)。后期由专业技术人员对实测数据进行处理, 并利用巴恩斯滤波器(Daley, 1991)将这些数据插值到2.5km长(即原始数据平均的时间间隔约为5min)、20m深的常规网格中(数据获取网址: http://po.msrc.sunysb.edu/Oleander/)。研究海域的湾流流动大致沿东北方向, 基本和航线正交(图1a)。为确保数据质量, 本文舍弃采样点缺值间隔过大的观测剖面, 且仅使用包含90%以上良好采样点的数据样本。经严格筛选, 本文使用的观测数据样本共310组, 每组数据包含200个采样点, 约500km长, 580m深。其中, 春季(3—5月)共75组, 夏季(6—8月)共124组, 秋季(9—11月)共71组, 冬季(12—2月)共40组。为减小误差, 确保数据的准确性, 本文仅分析40~360m深度范围内的观测资料。为探讨湾流对不同尺度范围内动力过程的影响, 本文以平均流速为0的位置作为分界线(图1b中的黑色虚线), 将观测断面分为湾流强流区(图1a中玫红色断面)和弱流区(图1a中浅蓝色断面)。
图1 研究海域多年平均的EKE分布

a. 基于AVISO提供的2005—2018年日均地转流速异常数据计算得到的副热带西北大西洋海域14a平均的EKE分布, 其中EKE的计算公式为: $\mathrm{EKE}_{\mathrm{g}}=\frac{\left(u_{\mathrm{g}}^{\prime}\right)^{2}+\left(v_{\mathrm{g}}^{\prime}\right)^{2}}{2}$,$u_{\text{g}}^{'}\mathcal{和}v_{\text{g}}^{\prime}$分别为沿纬向和沿经向的地转流速异常。b. 基于2005—2018年船载ADCP观测的水平流速数据计算得到的14a平均的EKE剖面分布(填色), 其中EKE的计算公式为: $\text{EKE=}\frac{(u')^2+(v')^2}{2}$,$u'\text{}\mathbb{和}v'$分别为将观测的水平流速数据进行坐标轴转换后的沿航线和跨航线流速异常(异常是指减去14a平均的流速值)。图a中白色矩形框为距离航线300km的范围; 图b中白色等值线为14a平均的沿航线流速(单位: m·s-1), 黑色虚线为湾流强流区和弱流区的分界线(西北侧为强流区, 东南侧为弱流区)。图a基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1665号的标准地图制作

Fig. 1 Regional eddy variability and eddy kinetic energy along cruises

(a) Surface eddy kinetic energy distribution in the subtropical Northwest Atlantic based on the daily AVISO geostrophic current velocity anomaly data from 2005 to 2018. (b) Vertical structure of ADCP-derived eddy kinetic energy along the Oleander Project's repeating cruises. Here, eddy kinetic energy (contours) is evaluated by removing the time-mean ADCP-derived velocities from individual cruises. Note that white contours in (b) that denote the horizontal velocity data (unit: m·s-1) and is measured by the ship-board ADCP from 2005 to 2018 show the mean along-track flows. Black dotted line in (b) is the boundary between the strong current region and the weak current region of the Gulf Stream (the strong current region on the northwest and the weak current region on the southeast)

1.3 分解方法

在对数据进行分解之前, 假设其满足以下4个前提条件:
1) 获取的水平流速数据满足平稳性、均匀性和各向同性;
2) 非地转内波分量的动能谱是在静压状态下计算得到的, 忽略垂向运动产生的动能;
3) 地转平衡态涡旋分量和非地转的内波分量独立存在, 互不影响;
4) 地转平衡态的涡旋运动是水平无辐散的二维运动。
首先对观测数据进行坐标轴转换, 即将ADCP观测的沿纬向和沿经向的流速数据转换为沿航线和跨航线的数据, 对每组数据应用Hanning窗后计算功率谱, 并进行离散傅里叶变换, 最终得到所有可用数据样本傅里叶分量平方的平均值、沿航线的波数k, 以及速度方差沿航线和跨航线的动能谱 S u S v
根据Bühler等(2014)提出的方法, 引入辅助函数 D ψ D ϕ, 其中 ψ代表旋转分量, ϕ代表辐散分量:
D ψ ( r ) = r [ S u ( r ¯ ) c o s h ( r - r ¯ ) + S v ( r ¯ ) s i n h ( r - r ¯ ) ] d r ¯
D ϕ ( r ) = r [ S u ( r ¯ ) s i n h ( r - r ¯ ) + S v ( r ¯ ) c o s h ( r - r ¯ ) ] d r ¯
式中: r = l n k, k表示沿航线的波数; S u S v分别表示沿航线和跨航线的动能谱。需要注意的是, 若 s i n h ( r - r ¯ )为负数, 可能导致 D ψ D ϕ出现负值。例如, 当观测数据由于不满足均匀性和各向同性的前提假设而产生的误差与测量仪器的噪声误差量级接近时, D ψ D ϕ会变得非常小, 甚至会出现小于0的情况。当 k趋近于无穷大时, 存在稳定衰减的边界条件:
D ψ ( + ) = D ϕ ( + )
在平稳性、均匀性、水平各向同性的假设前提下, 旋转分量和辐散分量的动能谱为:
K ψ = ( 1 - k d d k ) D ψ = D ψ - D ϕ + S v
K ϕ = ( 1 - k d d k ) D ϕ = D ϕ - D ψ + S u
式中: K ψ K ϕ分别为旋转分量和辐散分量的动能谱。因此, 总动能谱S可以分解为两种不同的形式, 即 S = K ψ + K ϕ S = S u + S v
为进一步对流速数据进行波-涡分解, 假设内波运动具有Garrett-Munk谱的特征, 从而获得 K W ψ K W ϕ(下标W代表内波分量)的比值。根据Bühler等(2014)提出的方法, 比值 K W ψ K W ϕ = f 0 2 ω * 2可用下式估算:
f 0 2 ω * 2 = f 0 2 ω 2 l 2 K ϕ ( k , l , ω ) d l d ω l 2 K ϕ ( k , l , ω ) d l d ω
式中: f0为研究海域的科氏参数; ω为基于GM谱获得的波频率; l为跨航线的波数; ω为波频率。
K ϕ K ψ可直接由观测数据计算得到, 假设满足地转平衡的涡旋运动是水平无辐散的二维运动, 那么辐散部分仅由波分量 K W ϕ提供, 即 K ϕ = K W ϕ; 而旋转部分同时包含涡分量 K V ψ和波分量 K W ψ, 即 K ψ = K W ψ + K V ψ, 其中 K W ψ可以通过下式计算得出:
K W ψ = f 0 2 ω * 2 K W ϕ = f 0 2 ω * 2 K ϕ
最终可完全分解动能谱中的波分量和涡分量:
S W u = f 0 2 ω * 2 D ϕ –k d d k D ϕ
S W v = - k d d k ( f 0 2 ω * 2 D ϕ ) + D ϕ
S V u = D ψ - f 0 2 ω * 2 D ϕ
S V v = - k d d k ( D ψ - f 0 2 ω * 2 D ϕ )
式中: S W u S W v分别为非地转内波运动沿航线和跨航线的动能谱; S V u S V v分别为地转平衡态涡旋运动沿航线和跨航线的动能谱。
由于本文对观测数据进行Helmholtz分解的前提假设是地转平衡态涡旋运动是水平无辐散的, 辐散分量全部由非地转内波运动贡献, 但在现实海域中涡旋运动也有可能产生辐散部分的能量(D'Asaro et al, 2018), 因此可能出现分解后的波分量动能谱值高于辐散分量动能谱值的结果。本文将波-涡分解后地转平衡态涡旋运动与非地转内波运动的动能谱值相等时的波长记为转换尺度Lt, 当波长大于转换尺度时, 地转平衡态涡旋分量的动能谱大于非地转内波分量, 此时研究海域内的动能主要由地转平衡态涡旋运动贡献; 当波长小于转换尺度时, 非地转的内波运动占主导。

2 结果与分析

湾流是中尺度涡旋丰富的西边界强流, EKE的分布特征大致可以表征地转平衡态涡旋运动的能量分布(Chelton et al, 2011)。EKE水平分布显示(图1a), 湾流海域的EKE显著高于其他海域, 且在69°24'W(图1a中强流区和弱流区的交界处)附近存在从高值到低值的显著变化。而基于船载ADCP观测的水平流速数据计算得到的EKE剖面分布显示(图1b), 湾流强流区的高EKE可延伸至300m, 且比弱流区大1个量级左右(强流区的EKE平均值约为0.21m2·s-2, 而弱流区仅为0.06m2·s-2)。ADCP观测的流速剖面分布结果显示(图1b中白色等值线), 湾流海域的平均流速在70°~71°W附近存在最大值, 并以其为中心向东、西两侧逐渐减小, 但在69°24'W(图1b黑色虚线所示)附近存在明显的转向, 且流动随着深度的增加不断减弱, 与EKE的分布存在良好的对应关系。

2.1 湾流海域动能和转换尺度的空间差异

将船载ADCP获取的水平流速数据进行分解, 得到各分量14a平均的动能谱, 并以此分析不同观测断面动能和转换尺度的差异。由图2显示, 动能谱在小于200km的水平尺度(波长)范围内显著减小, 而在大于200km的范围内相对平坦。虽然动能谱在大尺度范围内(>200km)的变平可能反映了海洋动力过程的真实变化, 但船载ADCP观测数据长度的限制也可能对其造成影响(Rocha et al, 2016)。此外, 观测数据的水平分辨率为2.5km, 而小于10km水平尺度的波数谱计算结果受观测数据分辨率的影响较大(Wang et al, 2010)。为了确保分析结果的准确性, 本文仅讨论水平尺度在10~200km范围内的结果。已知研究海域的一阶斜压罗斯贝变形半径约为30km (Chelton et al, 1998), 因此本文将10~30km定义为研究海域的亚中尺度范围。
图2 强流区(a—c)和弱流区(d—f)40m深度层内各分量的动能谱分布图

$S^u,S^v,K^\psi,K^\phi$分别为沿航线、跨航线、旋转分量和辐散分量的动能谱; $S_{V}^{u}$、$S_{V}^{v}$分别为沿航线和跨航线的地转平衡分量动能谱,$(S^u+S^v)$、$(S^u_V+S^v_V)$、$(S^u_W+S^v_W)$分别为总的动能谱、地转平衡分量和非地转分量的动能谱。垂直的黑色实线段表示转换尺度(30km); 灰色虚线表示k-2k-3斜率参考曲线(k表示波数); 95%表示计算动能谱的置信区间是95%

Fig. 2 Velocity Spectra at 40 m in strong current region (a~c) and weak current region (d~f)

Velocity spectra of along-track, cross-track, rotational and divergent are shown by $S^u,S^v,K^\psi\text{and}K^\phi$. Along-track versus cross-track balanced geostrophic velocity spectra are shown by $(S^{u}+S^{v}),(S_{V}^{u}+S_{V}^{v})\mathrm{~and~}(S_{W}^{u}+S_{W}^{v})$ indicate the total velocity spectra with its decomposition into balanced geostrophic motions and unbalanced motions. The vertical black solid line segment indicates the transition scale. Dashed gray lines in background denote the k-2 and k-3 reference curves and the 95% denote the 95% confidence intervals

强流区内(图2a、2b、2c), 非地转分量的动能谱远小于地转平衡分量。根据图2a显示, 总动能谱的斜率基本维持在-3左右, 在大于30km的中尺度范围内略大于-3, 表明湾流强流区的海水运动主要受准地转动力学控制。跨航线的动能谱值始终小于沿航线, 这可能是由于船载ADCP的观测断面始终横跨湾流, 从而使该处的地转流场高度各向异性。图2c显示, 地转平衡态涡旋运动向非地转内波运动转换的尺度小于10km, 表明强流区非地转内波运动对水平尺度大于10km的总动能贡献较小, 亚中尺度范围内地转平衡态涡旋运动的动能占主导, 其中地转平衡态涡旋运动的动能在10~200km水平尺度范围内的积分约占总动能的99.8%。弱流区内(图2d、2e、2f), 总动能谱的斜率在水平尺度为30~200km的范围内基本保持在-3左右, 而在小于30km的范围内则接近-2(图2d)。这表明在大于30km的水平尺度范围内, 弱流区海水运动产生的动能主要由地转平衡态涡旋运动贡献, 而在小于30km的范围内则由近惯性波、内潮等非地转的内波运动贡献。由图2f可知, 地转平衡运动与非地转运动的转换尺度约为15km, 而地转平衡态涡旋运动的动能在10~200km波长范围内的积分值仅占总动能的77%, 远小于强流区。湾流强流区和弱流区转换尺度的空间差异结果显示, 转换尺度的大小可能与亚中尺度范围内地转平衡态涡旋运动的能量水平呈负相关关系: 湾流强流区地转平衡态涡旋运动占主导, 转换尺度相应较小, 亚中尺度范围内的能量主要通过逆向串级至中尺度过程; 而弱流区地转平衡态涡旋运动较弱, 转换尺度相对较大。

2.2 转换尺度的季节性差异及其影响机制

基于不同断面在冬、夏季的动能谱差异, 进一步探讨湾流强流区和弱流区转换尺度的季节变化及其主要的潜在影响因素。根据图3显示, 各分量的动能在中尺度(30~200km)范围内冬、夏季差异很小, 但在亚中尺度(10~30km)范围内均存在冬季显著高于夏季的情况, 表明亚中尺度范围内的运动受季节变化影响更大。强流区内(图3a、3b), 夏季的转换尺度略大于冬季, 基本维持在10km左右。总动能谱的斜率在冬、夏季基本保持在-3左右, 表明强流区水平尺度为10~200km范围内的运动主要受准地转动力学控制, 且全年相对稳定, 季节性变化较小。弱流区内(图3c、3d), 转换尺度的季节差异较大, 夏季(~28km)远大于冬季(~13km)。夏季的总动能谱在大于转换尺度的波长范围内基本遵循-3的斜率逐渐降低, 而在小于30km的水平尺度范围内, 斜率略大于-2, 这可能是由于夏季混合层的不稳定性较弱, 内波等非地转平衡运动较强。冬季的总动能谱斜率则在100km附近呈现从-3至-2的转变, 在小于100km的水平尺度范围内始终维持在-2左右, 表明该尺度范围内的能量主要实现从中尺度过渡至耗散尺度的逆向串级(Kraichnan et al, 1967), 这可能受冬季活跃的非地转运动作用。此外, 弱流区冬季小于100km范围内的动能显著高于夏季, Sasaki等(2014)指出水平尺度小于100km的动能变化主要是受混合层不稳定的影响。混合层斜压不稳定能够有效地激发亚中尺度运动, 且混合层越深, 由次级环流引起的等密度面坍塌或锋面不稳定释放的有效位能越多, 亚中尺度不稳定等非地转运动对总动能的贡献也就越大(Callies et al, 2015)。结合高分辨率数值模拟结果证实, 混合层不稳定机制可能在以深混合层为特征的所有海域(例如冬季的湾流和黑潮延伸体等强西边界流海域)调制亚中尺度动能的变化(Mensa et al, 2013; Sasaki et al, 2014)。因此, 湾流弱流区上层海洋冬季亚中尺度范围内的动能可能主要由混合层不稳定激发的非地转运动所贡献; 而夏季由于混合层较浅, 混合层的不稳定性较弱, 因此非地转动能水平较低。
图3 强流区(a、b)和弱流区(c、d)40m深度层内冬、夏季的动能谱分布图

$(S^{u}+S^{v})$为总的动能谱, $(S_{V}^{u}+S_{V}^{v})$为地转平衡分量的动能谱, $(S_{W}^{u}+S_{W}^{v})$为非地转分量的动能谱。红色虚线代表夏季的转换尺度, 蓝色虚线表示冬季的转换尺度; 灰色虚线表示k-2k-3斜率参考曲线(k表示波数); 95%表示动能谱计算的置信区间是95%

Fig. 3 Velocity spectra at 40 m depth in summer versus winter in the strong current (a, b) and weak current (c, d) regions

Veloctiy spectra of total, geostrophic balanced motions and unbalanced motions are shown by $(S^{u}+S^{v}),(S_{V}^{u}+S_{V}^{v})\mathrm{and} \ (S_{W}^{u}+S_{W}^{v})$ Red dashed lines denote the summer transition scales and blue dashed lines denote the winter. Dashed gray lines in background denote the k-2 and k-3 reference curves and the 95% denote the 95% confidence intervals

根据图3显示, 湾流强流区和弱流区的转换尺度均呈现夏季大于冬季的现象, 由于每年的夏、秋两季是北大西洋飓风频繁发生的季节, 因此本文推测副热带北大西洋频繁发生的飓风引起的近惯性波动能量可能对转换尺度季节差异有一定的影响。飓风从大气向海洋输入大量的波动能量, 造成海-气界面的动量通量交换, 现有的研究结果表明飓风过境后产生的近惯性振荡能量传播尺度可达300km长、200m深(D'Asaro et al, 1995; Firing et al, 1997; Curcic et al, 2016), 影响时间可持续5d (Kourafalou et al, 2016)。为验证飓风对转换尺度和非地转动能的影响, 本文统计了40m深度层地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动的动能谱在亚中尺度范围内的积分, 以及研究海域内飓风发生的频次随季节的变化。结果表明, 非地转动能在飓风频繁发生的夏秋两季显著高于其他季节, 在飓风发生频次高的月份(7、8、9月, 飓风占比分别为13%、32%、17%), 非地转动能相对较高, 其转换尺度也较大; 而飓风发生较少的月份, 其动能和转换尺度相应减小(图4)。非地转动能和转换尺度的大小与飓风之间的良好对应关系表明, 飓风过境后产生的近惯性振荡会影响海域内的非地转动能以及转换尺度。由于湾流强流区地转平衡态涡旋运动活跃(非地转运动较弱), 且转换尺度远小于弱流区, 所以该海域虽然受到冬季混合层不稳定和夏秋季飓风的影响, 但其冬、夏季的转换尺度差异略小于弱流区。
图4 飓风对上层海洋(40m深度层)转换尺度的影响

a、b分别为强流区和弱流区内地转平衡分量与非地转分量的动能谱在10~30km波长范围内的积分值占该尺度内总能量比值的逐月分布, 以及该断面内转换尺度的逐月分布; c为飓风(仅考虑发生在研究海域且距离观测航线300km范围内的飓风)发生后3d内航次观测的样本数占总样本数比值的逐月分布。玫红色矩形框中为研究海域飓风发生频率较高的7—9月强流区和弱流区内各分量的变化

Fig. 4 The influence of hurricanes on transition scale at 40 m depth

Monthly histograms of the integrated values of the velocity spectra of geostrophic balanced motions and unbalanced wave motions in the wavelength between 10 km and 30 km with transition scales in strong current and weak current region are shown by (a) and (b). The ratio of storm cruises for each month is shown by (c). The variation of each component in the strong and weak current region from July to September, when the frequency of hurricanes in the Gulf Stream is high, is circled by the magenta rectangle

2.3 转换尺度的垂向分布特征

基于360m深度层内流速数据的分解结果(图5), 得到地转平衡态动能和非地转动能的垂向分布。强流区内(图5a、5b), 250m深度层以上地转平衡态涡旋分量和非地转内波分量的动能谱随深度的增加逐渐减弱; 而在250m以下, 地转平衡态涡旋运动的动能衰减较快, 暗示了湾流强流区贡献地转平衡态动能的中尺度涡旋或大尺度环流的影响深度可达250m左右, 但可能对250m以深的海洋内部影响较弱(Rossby et al, 2005)。弱流区内(图5c、5d), 地转平衡态涡旋运动的动能随着深度的增加迅速衰减, 这基本符合海表准地转理论预估的结果。Blumen(1978)指出海表准地转运动仅局限于海洋表层, 地转平衡态动能在远离海表时将出现指数衰减的现象。
图5 强流区(a、b)和弱流区(c、d)中地转平衡态动能与非地转动能随深度的变化

( S V u + S V v )为地转平衡分量的动能谱, ( S W u + S W v )为非地转分量的动能谱

Fig. 5 Variation of geostrophic balanced and unbalanced kinetic energy with depth in strong current (a, b) and weak current (c, d) regions

( S V u + S V v ) and ( S W u + S W v ) show the kinetic energy of geostrophic balanced motions and unbalanced motions, respectively

为了更进一步探讨转换尺度垂向分布特征的潜在影响因素, 本文对40~360m深度层内的地转平衡态涡旋分量和非地转内波分量进行了10~30km水平尺度范围内的积分, 得到二者的比值及其与转换尺度随深度变化的关系。结果表明, 强流区内(图6a), 不同深度层转换尺度的差异较小, 基本维持在10km以内。弱流区内(图6b), 转换尺度基本维持在10~25km的范围内, 且在250~300m深度层内存在极大值。结合能量守恒定律可知, 这可能是因为地转动能在250m深度以下迅速衰减(图5c), 导致该深度范围内转换尺度相应增大。根据图6显示, 转换尺度与亚中尺度范围内的地转平衡态动能呈现良好的负相关关系, 二者的相关系数在强流区和弱流区内分别高达-0.74和-0.85。转换尺度和地转平衡态动能随深度变化的结果与上文得出的转换尺度与亚中尺度范围内地转平衡态动能水平呈负相关关系的结论一致, 地转平衡态动能相对较弱的海域, 转换尺度相应增大。
图6 强流区(a)和弱流区(b)中地转平衡态动能与非地转动能的比值和转换尺度随深度的变化

Fig. 6 The ratio of geostrophic balanced kinetic energy to unbalanced kinetic energy (solid line) and the transition scale (dashed line) change with depth. (a) and (b) are strong current region and weak current region, respectively

3 结论与展望

本文利用湾流海域14a的船载ADCP持续观测数据和卫星遥感资料, 通过波-涡分解和波数谱分析, 评估了湾流海域地转平衡态运动和非地转内波运动的动能谱以及二者的转换尺度, 并初步探讨了转换尺度的季节差异、垂向分布及潜在的主要影响因素。研究结果表明, 湾流强流区地转平衡态运动的动能水平明显高于弱流区, 而非地转内波运动在弱流区显著增强, 且弱流区的转换尺度(~15km)大于强流区(<10km)。转换尺度的季节差异显示, 强流区冬、夏季的转换尺度基本维持在10km左右, 夏季略大于冬季; 弱流区夏季的转换尺度(~28km)明显大于冬季(~13km)。湾流海域飓风发生频次的季节变化结果表明, 夏秋季频繁发生的飓风可能是影响转换尺度季节性差异的一个潜在因素。动能的垂向分布特征表明转换尺度对深度的依赖较弱, 但地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动的动能随深度增加而逐渐衰减。转换尺度的大小和亚中尺度范围内地转平衡态涡旋运动的能量水平存在一定的负相关关系, 当地转流较强时, 转换尺度相应减小。
基于Helmholtz分解原理和波-涡分解方法能够有效地分离海洋多尺度动能的地转平衡态分量和非地转内波分量, 有助于进一步评估和分析不同尺度(例如中尺度、亚中尺度)的动力过程、能量变化及其相对贡献。转换尺度在大尺度环流和中尺度涡旋等地转平衡态运动主导的强流海域相对稳定, 但在地转平衡态运动相对较弱的海域则受大气强迫、天气尺度过程、混合层不稳定等因素影响而可能存在显著的季节性差异, 并可能影响中小尺度相互作用与能量效率, 因而亟待进一步研究。本文基于船载ADCP观测的水平流速数据, 初步分析了湾流海域地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动的动能转换尺度及潜在的主要影响因素, 受限于数据分辨率和潜在的数据误差, 关于平衡态地转过程与非地转内波的相互作用及机制等科学问题, 尚需结合更高分辨率的数值模拟等开展更深入的分析与探讨。
[1]
BLUMEN W, 1978. Uniform potential vorticity flow. Part Ⅰ: theory of wave interactions and two-dimensional turbulence[J]. Journal of the Atmosphere Sciences, 35(5): 774: 783.

[2]
BÜHLER O, CALLIES J, FERRARI R, 2014. Wave-vortex decomposition of one-dimensional ship-track data[J]. Journal of Fluid Mechanics, 756: 1007-1026.

DOI

[3]
CALLIES J, FERRARI R, KLYMAK J M, et al, 2015. Seasonality in submesoscale turbulence[J]. Nature Communications, 6: 6862.

DOI PMID

[4]
CAO HAIJIN, JING ZHIYOU, FOX-KEMPER B, et al, 2019. Scale transition from geostrophic motions to internal waves in the Northern South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 124(12): 9364-9383.

DOI

[5]
CAO HAIJIN, FOX-KEMPER B, JING ZHIYOU, 2021. Submesoscale eddies in the upper ocean of the Kuroshio extension from high-resolution simulation: energy budget[J]. Journal of Physical Oceanography, 51(7): 2181-2201.

[6]
CHELTON D B, DESZOEKE R A, SCHLAX M G, et al, 1998. Geographical variability of the first Baroclinic Rossby radius of deformation[J]. Journal of Physical Oceanography, 28(3): 433-460.

DOI

[7]
CHELTON D B, SCHLAX M G, SAMELSON R M, 2011. Global observations of nonlinear mesoscale eddies[J]. Progress in Oceanography, 91(2): 167-216.

DOI

[8]
CURCIC M, CHEN S S, ÖZGÖKMEN T M, 2016. Hurricane-induced ocean waves and Stokes drift and their impacts on surface transport and dispersion in the Gulf of Mexico[J]. Geophysical Research Letters, 43(6): 2773-2781.

DOI

[9]
DALEY R, 1991. Atmospheric data analysis[M]. Cambridge: Cambridge University Press:457.

[10]
D'ASARO E, LEE C, RAINVILLE L, et al, 2011. Enhanced turbulence and energy dissipation at ocean fronts[J]. Science, 332(6027): 318-322.

DOI PMID

[11]
D'ASARO E A, ERIKSEN C C, LEVINE M D, et al, 1995. Upper-ocean inertial currents forced by a strong storm. Part I: data and comparisons with linear theory[J]. Journal of Physical Oceanography, 25(11): 2909-2936.

DOI

[12]
D'ASARO E A, SHCHERBINA A Y, KLYMAK J M, et al, 2018. Ocean convergence and the dispersion of flotsam[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 115(6): 1162-1167.

DOI PMID

[13]
FIRING E, LIEN R C, MULLER P, 1997. Observations of strong inertial oscillations after the passage of tropical cyclone Ofa[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 102(C2): 3317-3322.

[14]
FLAGG C N, DUNN M, WANG DONGPING, et al, 2006. A study of the currents of the outer shelf and upper slope from a decade of shipboard ADCP observations in the Middle Atlantic Bight[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 111(C6): C06003.

[15]
KRAICHNAN R H, 1967. Inertial ranges in two-dimensional turbulence[J]. Physical Fluids, 10(7): 1417.

DOI

[16]
KOURAFALOU V H, ANDROULIDAKIS Y S, HALLIWELL JR G R, et al, 2016. North Atlantic Ocean OSSE system development: Nature Run evaluation and application to hurricane interaction with the gulf stream[J]. Progress in Oceanography, 148: 1-25.

DOI

[17]
MAHADEVAN A, JAEGER G S, FREILICH M, et al, 2016. Freshwater in the Bay of Bengal its fate and role in air-sea heat exchange[J]. Oceanography, 29(2): 72-81.

[18]
MCWILLIAMS J C, 2016. Submesoscale currents in the ocean[J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 472(2189): 20160117.

DOI

[19]
MENSA J A, GARRAFFO Z, GRIFFA A, et al, 2013. Seasonality of the submesoscale dynamics in the Gulf Stream region[J]. Ocean Dynamics, 63(8): 923-941.

DOI

[20]
QIU BO, NAKANO T, CHEN SHUIMING, et al, 2017. Submesoscale transition from geostrophic flows to internal waves in the northwestern Pacific upper ocean[J]. Nature Communications, 8: 14055.

DOI PMID

[21]
QIU BO, CHEN SHUIMING, KLEIN P, et al, 2018. Seasonality in transition scale from balanced to unbalanced motions in the world ocean[J]. Journal of Physical Oceanography, 48(3): 591-605.

DOI

[22]
ROCHA C B, CHERESKIN T K, GILLE S T, et al, 2016. Mesoscale to submesoscale wavenumber spectra in drake passage[J]. Journal of Physical Oceanography, 46(2): 601-620.

DOI

[23]
ROSSBY T, FLAGG C N, DONOHUE K, 2005. Interannual variations in upper-ocean transport by the Gulf Stream and adjacent waters between New Jersey and Bermuda[J]. Journal of Marine Research, 63(1): 203-226.

DOI

[24]
SASAKI Y N, MINOBE S, MIURA Y J, 2014. Decadal sea-level variability along the coast of Japan in response to ocean circulation changes[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 119(1): 266-275.

DOI

[25]
TALLEY L D, PICKARD G L, EMERY W J, et al, 2011. Descriptive physical oceanography: an introduction[M]. 6th ed. Amsterdam: Elsevier.

[26]
WANG DONGPING, FLAGG C N, DONOHUE K, et al, 2010. Wavenumber spectrum in the Gulf Stream from shipboard ADCP observations and comparison with altimetry measurements[J]. Journal of Physical Oceanography, 40(4): 840-844.

DOI

[27]
ZHAI XIAOMING, GREATBATCH R J, KOHLMANN J D, 2008. On the seasonal variability of eddy kinetic energy in the Gulf Stream region[J]. Geophysical Research Letters, 35(24): L24609.

DOI

文章导航

/