中尺度涡旋三维结构与经向热输送研究

论文摘要

全球大洋中遍布着中尺度涡旋。涡旋在水平方向上由于自身的旋转特性而具有较强的非线性,同时垂向上能够影响到几十米到几百米甚至更深的水层,从而对全球海洋的热量、淡水等的输送具有重要影响。其中,涡旋所产生的热输送对于维持全球海洋和气候的状态至关重要。本研究首先利用Chelton涡旋数据集,对副热带西北太平洋的涡旋特性进行了分析。我们发现涡旋在向西移动的同时,大致以21°N附近为界,以南区域的涡旋都倾向于向极向偏移,而以北区域的涡旋都倾向于向赤道偏移。此外,涡旋的平均半径、强度、振幅、旋转速度等特性都在21°N附近的纬度范围出现了高值,这些都是由于涡旋在此处的局地经向移动规律造成的。接下来就以21°N为界将研究区域划分为南北两个子区域分别对涡旋性质讨论。首先结合AMSR-E SST数据和AVISO海表面高度数据,运用合成的方法得到21°N以北（N区）和以南（S区）的区域内涡旋在海表面各自的平均温度异常和旋转流动结构。合成结果发现涡致SSTA结构具有很明显的反对称特性,将其进行分解得到一个单极子部分,剩余部分是一个近似于偶极子的结构。结合涡旋对水体热量的影响机制来看,气旋涡/反气旋涡的负/正SSTA单极子结构主要由涡旋对水体温跃层的抬升/下压作用导致的,而SSTA偶极子结构主要由涡旋自身旋转流动搅动背景水体的等温线导致的。不论是气旋涡还是反气旋涡,在背景海表面温度比较均匀的子区域都是单极子部分的SSTA占主导地位,而在背景海表面温度经向变化比较剧烈的子区域内,偶极子部分相对方差贡献有所增加,尤其气旋涡,在N区偶极子比单极子部分略占优势。这初步说明涡旋对热量重新分布的效果很大程度上受海表面温度背景场强度的影响。进一步将两个子区域内的涡旋按照所处局地背景SST梯度的强度重新进行了聚类,重新对涡致SSTA结构逐个合成。发现偶极子部分的涡致SSTA的相对贡献的确随着背景场SST梯度有增长的趋势,尤其是气旋涡表现得更为明显。又按照月份对涡旋再次重新聚类合成,发现随着背景温度场和西太平洋暖池水平和深度范围的季节变化,涡致SSTA结构的两个部分的量值也有相应的季节变化特征:夏秋季节,暖池南北范围和厚度都比较大,所研究海域内SST相对比较均匀,所以SSTA偶极子部分的振幅较小,而涡旋对温跃层的抬升和下压作用在海表面所体现出的SSTA振幅也比较弱;冬春季节,暖池向南后退,厚度变薄,所研究海域内等温线变得密集,SST梯度比较大,所以SSTA偶极子部分的振幅较大,而涡旋对温跃层的抬升和下压作用在海表面所体现出的SSTA振幅就比较强。这些结论都印证了我们对涡致SSTA结构的划分及其各自代表的物理机制是基本吻合的。我们进一步结合Argo浮标剖面对区域内涡旋的三维空间结构进行合成,估算整个区域内由涡旋引起的经向热量输送。发现涡致温度异常值的核心区域在N区更靠近表层,并且在400-600米附近的水层有一个稍弱的温度异常值核心结构;在S区,涡致温度异常值只有一个核心结构,在比N区表层核心结构稍微深一点的深度层。除此以外,涡旋导致的温度异常和流速异常基本上都局限在距离涡心不超过两倍半径的范围内。按照涡旋影响热量水平分布的两个机制分别求涡致经向热通量和时间平均经向热输送,从热通量的垂直剖面看到涡旋搅动所致热通量远大于携带所致热通量,超过了几乎一个量级,这是由于涡旋旋转速度远大于移动速度经向分量造成的。而垂向积分的时间平均经向热输送除了搅动分量比携带分量大210倍的特点之外,还表现出了在N区要强于S区的特征。我们还对全球大部分海洋当中的涡旋进行海表面异常结构的合成,从而得到涡旋结构特征的全球性分布。结果显示涡旋导致的海表面温度异常结构的极值在全球海洋的高值区主要集中在中纬度大洋的西边界附近和南极绕极流相关区域,而涡旋海表面合成平均旋转流速的高值区也同样集中于这些区域。这种分布规律与以往研究者统计的全球涡旋平均振幅分布大致相同,同样说明这些区域的涡旋活动更为活跃、涡旋能量相对较高。进一步估算了涡旋导致的海表面经向热通量的两个分量,即通过裹挟水体随其自身水平移动从而导致热量的输送,与通过涡旋自身绕涡心的旋转流动扰乱背景场的等温线从而导致热量的输送。最终得到的结果显示,单独针对某一极性的涡旋来说,搅动作用导致的海表面经向热通量超出携带作用导致的经向热通量5倍左右;而除了在南极绕极流相关区域气旋涡和反气旋涡的携带作用会同样导致向南的经向热通量以外,在其他开阔海盆,气旋涡和反气旋涡通常会产生方向相反的经向热通量,两者作用相互抵消;搅动作用则不一样,气旋涡和反气旋涡在几乎南北半球的所有海域均产生经向的热通量,两者效果相互迭加。所以综合讨论所有涡旋,绝大部分海域还是以搅动所致经向热通量为主。最后,我们使用大量的高质量Argo水文剖面和高分辨率的卫星高度计数据估算了全球三维涡致热输送。有效结合两种数据的优势和长处,既解决了卫星高度计和微波遥感数据无法提供海表面以下的涡旋结构信息的缺点,又弥补了Argo浮标剖面的分布离散、覆盖率比较低的缺陷。结果证明两者相互配合得到一个比较可靠的全球热输送的三维分布的定量估计。我们首先通过对全球大洋中127个子区域的气旋性涡旋和反气旋性涡旋的平均三维结构分别进行重建,来展示涡旋平均结构的空间变化;接下来计算了在全球大洋5°×5°方框区域内的涡旋热通量。结果表明涡旋的所有参量都随纬度和经度明显变化,这进一步导致了涡旋热通量和热输送的空间变化。我们发现,海洋中的涡旋不仅能够将热量向高纬度海域进行顺温度梯度的输送,同时也能将热量向低纬度海域进行逆温度梯度的输送,尤其是在北太平洋中纬度海域的次表层和大西洋的低纬度海域中。涡旋热输送主要局限于全球各大洋中纬度西部海域的1000米以上的水层,这个分布特征与海洋中经向温度梯度的高值区相吻合。其中,涡旋热输送在南北半球的最大值分别出现在45°S（0.8PW）和35°N（0.3PW）,这个结果稍强于以往基于模式的研究结果,分别占据了相应纬度上大约一半和三分之一的海洋总热输送。此外,在除南极绕极流相关区域以外的海域,涡旋搅动作用导致的热输送都明显强于涡旋携带作用导致的热输送,即在全球大部分海洋,涡旋经向热输送主要是由搅动作用提供的。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 大洋中尺度涡旋研究进展
•     1.2.1 大洋中尺度涡旋的观测
•     1.2.2 大洋中尺度涡旋的基本特性
•     1.2.3 大洋中尺度涡旋输运的研究
•   1.3 副热带西北太平洋中尺度涡旋研究进展
•     1.3.1 副热带西北太平洋中尺度涡旋的基本特性和空间结构
•     1.3.2 副热带西北太平洋中尺度涡旋的输运
•   1.4 本文研究内容
• 第2章 资料和方法
•   2.1 资料
•     2.1.1 Chelton涡旋数据集
•     2.1.2 AMSR-E海表面温度（SST）数据
•     2.1.3 AVISO卫星高度计数据
•     2.1.4 Argo浮标剖面数据
•     2.1.5 气候态温盐数据
•   2.2 方法
•     2.2.1 涡旋海表面二维结构合成
•     2.2.2 涡旋三维空间结构合成
• 第3章 副热带西北太平洋中尺度涡旋分析
•   3.1 副热带西北太平洋的涡旋特性分析
•     3.1.1 涡旋空间分布及生命周期
•     3.1.2 涡旋性质的空间演变
•     3.1.3 涡旋性质的时间演变
•     3.1.4 涡旋的移动规律
•   3.2 涡旋海表面结构分析
•     3.2.1 涡旋海表面结构
•     3.2.2 涡致SSTA结构随背景场的变化
•     3.2.3 涡致SSTA结构的季节变化
•   3.3 涡旋三维空间结构分析
•   3.4 涡致热输送
•   3.5 小结
• 第4章 全球中尺度涡旋结构与经向热输送
•   4.1 全球涡旋特性分布统计
•     4.1.1 涡旋分布
•     4.1.2 移动速度
•   4.2 全球涡旋海表面结构
•     4.2.1 背景介绍
•     4.2.2 区域性结构特征及空间变异
•     4.2.3 全球涡旋海表面结构及热通量
•   4.3 全球涡旋三维结构及空间演变
•     4.3.1 数据与方法
•     4.3.2 全球涡旋三维结构及空间演变
•   4.4 涡旋经向热通量的垂向和经向演变
•   4.5 涡旋经向热输送的空间分布
•   4.6 小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 论文创新点总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙博雯

导师: 王凡,刘传玉

关键词: 中尺度涡旋,合成分析,海表面异常结构,三维空间结构,经向热输送

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

分类号: P445

总页数: 114

文件大小: 8775K

下载量: 189