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《中国科学院研究生院(海洋研究所)》 2012年
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南海北部以及吕宋海峡次级中尺度动力过程数值模拟研究

刘国强  
【摘要】:空间尺度在~(1km),时间尺度为~(1day),罗斯贝数Ro~O(1)的海洋混合层中次级中尺度过程对动量、能量和温盐的垂向输运有重要作用,同时次级中尺度过程帮助我们理解能量是如何从中尺度涡串级到可以耗散为热量的小尺度湍流的。本论文使用单向嵌套方案AGRIF和原始方程海洋模式ROMS再现了夏季西南季风期南海北部陆架海区的次级中尺度过程。首先用观测数据验证了模式的模拟结果,台湾海峡和吕宋海峡的流量与以往的观测数据吻合;模拟的海表温度与AVHRR数据比较,误差控制在8%之内。海表温度场和密度场分布表明了南海北部陆架海区夏季经常出现次级中尺度的涡旋和细丝状流场结构,与卫星数据发现的冷暖丝的分布类似。强烈的次级中尺度活动使得沿着锋面附近垂向速度可以达~50m/day,该海域的混合层深度明显加深。海表的动能分布和有效扩散率表明次级中尺度涡旋和涡丝大大增强了水平的扩散,可以达到~40-120m2/s,比通常没有次级中尺度活动近岸海区扩散率大得多(~10m2/s)。最后,通过两个敏感性试验,分别阐明次级中尺度过程的发展情况,在出现明显的锋面之后,停止沿锋面射流风场强迫,锋面不稳定和混合层不稳定的发展相互作用,产生次级中尺度活动,在锋面附近产生涡旋和弯曲,并消耗混合层中储存的有效位能,并最终使混合层达到稳定分层的状态,整个过程要持续大概十天左右。而在出现明显的锋面后继续使用沿锋面风场强迫,非线性的埃克曼效应使锋面附近出现冷水穿刺到暖水区的现象,并加强了该海区的次级中尺度活动的空间尺度和强度,持续的风场强迫将维持一定的水平浮力梯度,所以只要沿锋面风场强迫一直存在,锋面附近的次级中尺度过程就会持续。 与南海北部产生的次级中尺度过程的机制不同,吕宋海峡处的次级中尺度活动主要是由海流和岛屿之间的相互作用产生。本论文第一次使用ROMS_Agrif双向嵌套方法模拟了吕宋海峡中的岛屿尾流现象。比较有无岛屿存在情况下涡度拟能的分布发现,如果在计算中将岛屿去掉,那么涡度拟能大概要下降~60-70%,这主要发生在岛屿的附近。敏感性试验表明除了Babuyan岛之外,其他各个岛屿处的岛屿尾流现象均对潮流十分敏感。通过分析模拟结果,发现除了靠近吕宋岛的四个岛屿之外岛屿尾流现象主要产生机制是流场与岛屿的侧边界的侧摩擦应力;对于靠近吕宋岛的四个岛屿,海底的摩擦也是不容忽视的。高分辨的模拟结果与SAR图像的观测结果有较好的对应,对于黑潮在吕宋海峡的流向和卡曼涡街的动力特性,模拟结果与SAR图像的观测有很好的一致性。岛屿尾流现象可以导致垂向输运增大,将深海的营养盐输运到上混合层中进而诱发浮游植物的爆发。我们发现吕宋岛西北部冬季的浮游植物的爆发不仅是由于冬季季风驱动的上升流而把深层营养盐带到上透光层,岛屿尾流导致的营养盐也可以被黑潮水平输运到吕宋西北部,另外冬季比较活跃的吕宋冷涡对营养盐的垂向输运也有很大的贡献。最后通过数值试验研究了岛屿尾流现象对吕宋海峡处的平均流场的影响,发现只有水平网格分辨率达到1/32度才能较好的模拟吕宋海峡处的动力过程,1/16度分辨率水平网格由于不能分辨海峡内的主要岛屿的分布而不能正确再现海峡南部的流场结构。通过数值模拟,我们发现次级中尺度活动在南海北部的陆架海区和吕宋海峡处广泛存在,次级中尺度活动对环流系统和黑潮动力过程都有很重要的影响。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P731

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