南黃海渦動能及其譜特征的季節性變化

張菀倫, 劉志亮, 王世紅

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南黃海渦動能及其譜特征的季節性變化

張菀倫1, 2, 劉志亮1, 王世紅1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點開放實驗室, 山東青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

為進一步了解南黃海渦動能的季節變化特點, 本文利用氣候態月平均數據分析了南黃海渦動場的季節變化規律, 并通過計算動能通量譜探討了相關的變化機制。結果顯示, 南黃海渦動能在季節變化尺度上存在雙峰結構, 9月和1月各存在一個峰值, 9月峰值較大, 1月峰值較小。而且, 上半年南黃海存在的渦主要為經向伸長, 下半年主要為緯向伸長。動能通量譜的計算結果顯示, 9月存在的渦動能峰值主要是斜壓不穩定過程直接作用的結果, 而1月的峰值主要與渦渦相互作用相關。本文從一個新的角度(渦動能)對南黃海進行了探究, 有利于加深人們對該海域海水動力機制的認識。

南黃海; 渦動能; 動能通量譜

南黃海由山東半島、蘇北平原和朝鮮半島所包圍, 是以山東半島的成山頭與朝鮮半島的長山串連線為北界, 以長江口至濟州島連線為南界的半封閉海域, 總面積30多萬平方公里, 平均水深46 m。黃海環流主要受大氣變動產生的風應力、潮余流、海面熱交換、周邊河流的淡水輸入以及海區南部開邊界等條件的影響[1-2]。南黃海緊連我國大陸, 并且沿海分布有很多我國重要的漁場、生態資源豐富, 因此南黃海的水文狀況對我國沿海生態環境及經濟發展有重大影響。南黃海環流存在明顯的季節性變化, 冬、夏季環流的基本形態有很大差別。冬季環流基本上是由南黃海中部北上的黃海暖流與其兩側向南的沿岸流所組成, 黃海暖流及其余脈分別與東西沿岸流之間形成反氣旋和氣旋式環流[3-4]。而黃海夏季環流一般認為是以熱鹽環流為主要成分。每當夏季來臨, 逐漸產生與黃海底層冷水團相適應的黃海夏季環流, 其水平環流主要表現為上層氣旋式邊緣環流[5-12]。一般認為, 該水平環流在靠近我國大陸一側大約沿40~50 m等深線向南流動。而在40 m以淺海域, 劉志亮等[13]認為存在風驅的北向流, 并且該觀點已基本被接受[14]。南黃海環流的季節變化, 必然與該海域不同運動尺度間能量的傳輸過程密切相關。本文的目的是對南黃海渦動能的季節變化特征進行分析, 并討論相關的變化機制。

1 研究區域及數據來源

為減小邊界以及周邊淡水輸入的影響, 并包含沿40~50 m等深線熱鹽環流及南黃海渦場的主要信號, 本文所選擇的研究區域為33.5~35.7°N, 121.5°~ 124.1°E的范圍(圖1黑框中所標出的區域)。

由于近海捕撈作業等因素的影響, 使得近海海流的直接觀測很困難, 長時間的連續觀測資料更是稀少, 因此對近海環流的研究常常采用模式數據。為研究南黃海渦場的季節性變化及不同尺度渦之間的能量運輸, 本文流場和溫度場數據采用的是區域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)[15]輸出的在東中國海氣候態模擬的結果(模式模擬區域如圖1)。該模式以大氣風場(QuikSCAT風應力)和熱通量(COADS 熱通量)為主要外強迫場, 考慮M2、S2、O1、K1 等10個影響黃海環流的主要分潮, 采用美國海軍1/12°太平洋海盆模擬結果為邊界條件進行氣候態模擬。模式水平分辨率為1/12°, 垂直方向分為26層。

圖2a、圖2b分別為夏季垂向平均的黃海環流模擬結果和劉志亮等[13]利用夏季ADP實測資料給出的南黃海環流模式概念圖。兩圖對比可以看出模擬結果與劉志亮等[13]的結果比較吻合, 說明模擬結果較為可信。

2 南黃海渦動能季節性變化

為研究南黃海渦動能季節性變化的特點, 我們首先對整個研究區域的渦動能(Eddy Kinetic Energy, EKE)進行平均。渦動能由緯向速度和經向速度計算得出:

圖3繪制的是區域平均的渦動能的時間序列, 從圖中可以看出全年渦動能呈現一個雙峰值的結構, 峰值分別出現在冬季和夏季, 最大峰值出現在9月, 約為1.34×10–4(m/s)2, 次峰值出現在1月; 最低值出現在5月, 約為1.34×10–5(m/s)2, 最大值與最小值幾乎相差一個量級, 差值大約為1.2×10–4(m/s)2。

為了更好地研究南黃海渦動能在不同方向上的分布特征, 我們計算了該區域氣候態月平均的EKE能量譜密度(圖4), 其中k是緯向波數,k是經向波數,是月份。

圖4顯示了1月~6月(除3月外)渦信號在k上比在k上有更大的能量水平, 表明這段期間渦更多的是經向伸長。然而, 7月~12月渦信號在k上有較大的能量水平, 表明這段期間渦更多的是緯向伸長。從整個的量值上來看, 在9月和1月渦動能有較高水平, 這與圖3相符。

為觀察不同方向上渦動能所占總渦動能的比例, 本文利用Qiu[16]定義的兩類渦動能, 計算了經向伸長的渦動能m(k>k)和緯向伸長的渦動能z(k<k), 如公式(2)和公式(3)所示,cpkm(cycles per kilometer),為網格間距,是每個方向上的格點數(本文中=32)。水平波數矢量,。

(3)

圖5繪制了緯向伸長的渦動能和經向伸長的渦動能之差與總渦動能的比值, 表示的是緯向伸長或經向伸長渦動能所占總渦動能的比例。如果, 則表示該階段渦動能更多的是緯向分布, 反之則更多的是經向分布。經向伸長的渦主要為剛產生的渦, 緯向伸長的渦主要是經過了非線性渦渦相互作用調制后的渦[16]。

在接下來兩個部分, 本文將探討渦動能的這種特性分別與斜壓不穩定和渦渦相互作用(不同尺度渦動之間能量的傳輸)之間的關系。

3 渦動發展與斜壓不穩定

為了探討南黃海EKE存在雙峰結構的機制, 本部分分析了南黃海斜壓結構(與斜壓不穩定過程相關)與EKE的變化關系。圖6和圖7分別是利用ROMS模式氣候態月平均數據繪制的本文研究區域在35°N處全年溫度剖面圖和平均經向流的速度剖面圖。二者在夏季與冬季存在著明顯不同的結構特征: 夏季溫度存在顯著的季節性溫躍層, 深度在10 m左右, 7月、8月溫躍層最強, 并且在溫躍層上方存在只有在夏季出現的北向流, 溫躍層下方受南黃海冷水團環流左支的影響出現南向流; 而在冬季, 由于本文研究海區深度較淺并且受強勁的西北風影響, 整個深度上溫度混合均勻, 并且幾乎全部為南向流。此時,斜壓結構很弱, 很難為渦動場直接提供能量。

為了分析斜壓不穩定過程對EKE的影響, 本文選取2 m處和10 m處的流場數據計算了研究區域的速度垂向切變(圖8實線所示), 圖8中虛線為上文提到的本文研究區域的氣候態月平均EKE的時間序列。從圖中可以看出二者變化趨勢幾乎一致。與EKE類似, 垂向切變也存在雙譜峰結構, 7月存在較大的譜峰, 1月存在較小的譜峰, 4月和11月分別存在一個極小值, 但垂向切變的季節變化領先了EKE大約2個月。

由圖8可看出, 南黃海EKE的變化受斜壓不穩定過程的影響較為顯著, 特別是在夏季: 當3月~7月垂向切變增強時, 渦動能從5月~9月也逐漸增加, 而且這時經向伸長的渦比較多(圖5); 當8月~11月垂向切變減小時, EKE在2個月后也開始減小, 此時緯向伸長的渦比較多。所以, 我們認為, 夏季存在的EKE譜峰主要是由于夏季較強的斜壓不穩定過程直接導致的。

4 不同尺度過程的相互作用

4.1 譜演化方程

因為冬季南黃海幾乎沒有斜壓結構, 所以1月份存在的譜峰應該與斜壓不穩定過程無關。為了探討1月EKE譜峰的產生機制, 本部分我們通過計算動能通量譜[17-19]分析渦渦相互作用(不同尺度渦之間的能量傳輸過程)對EKE變化的影響。

計算方法如下, 考慮旋轉地球上笛卡爾坐標系下水平動量方程, 并對其做離散傅里葉變換后整理得到譜密度的發展方程:

其中譜密度:

(5)

(7)

(8)

則有:

上橫線表示長期平均。

方程(7)和(9)為解釋通量譜提供了重要依據。根據方程(7), 正向(負向)通量表示動能從小(大)波數向大(小)波數傳輸, 也就是正向(反向)串級。另外根據方程(9), 通量譜的斜率為正(負), 則強迫項強(弱)于耗散項, 表示長期平均在該尺度上的一個能量源(匯)。可以假設耗散項主要發生在高波數處, 在低波數時渦動能的譜運輸主要和強迫項相平衡。

4.2 計算結果

由以上計算方法可以得出不同尺度的渦動之間的能量傳輸情況。圖9給出了本文計算的南黃海區域的動能通量譜。圖中可以看出幾乎每個月份都在空間尺度為128.9~154.2 km(即波數=6.485×10–3~ 7.758×10–3cpkm)范圍內存在一個零點, 也就是說在此零點處相對應波數的渦動處于一個相對穩定的狀態, 既不向大尺度傳輸能量也不向小尺度傳輸能量。除了10月和11月, 全年在空間尺度為122.1 km (= 8.19×10–3cpkm)處存在一個很大的負值, 即存在一個反向能量串級。也就是說, 在這些月份中波數小于零點波數時, 存在正的能量串級, 即波的能量由大尺度向小尺度傳輸; 波數大于零點波數時, 則存在負的能量串級即波的能量由小尺度向大尺度傳輸, 在零點波數處達到一個相對平衡。然而在10月和11月則相反, 小于零點波數時, 為負的能量串級, 即波的能量由較大尺度繼續向更大尺度傳輸; 而波數大于零點波數時, 則存在正的能量串級即波的能量由小尺度向更小的尺度傳輸, 我們認為這是一個不穩定的狀態。以12月、1月、2月為主的冬季反向能量串級幅度較大, 1月最大值達到–5.82×10–5m2/s3; 而在7月、8月、9月為主的夏季則與冬季相比反向能量串級幅度較小; 在春季則為過渡階段。

圖9和圖10都顯示, 冬季渦渦之間能量傳輸比較活躍, 而夏季渦渦之間能量傳輸很弱, 這說明冬季渦渦相互作用比較強, 而夏季比較弱。結合圖8我們認為, 與9月EKE的譜峰的產生機制不同, 1月EKE譜峰的存在主要是渦渦相互作用的結果。

5 總結與討論

本文采用區域海洋模式ROMS氣候態月平均的數據, 研究了南黃海EKE的季節性變化并基于動能通量譜探討了相關變化機制, 得出以下主要結論:

1) 南黃海渦動能的季節性變化呈現雙峰值的特征, 最大峰值出現在夏末的9月, 較小峰值出現在1月, 春季和秋季的量值較低;

2) 南黃海EKE的變化受斜壓不穩定過程的影響較為顯著, 特別是在夏季: 當3月~7月垂向切變增強時, 渦動能從5月~9月也逐漸增加, 而且這時經向伸長的渦比較多; 當8月~11月垂向切變減小時, EKE在2個月后也開始減小, 此時緯向伸長的渦比較多。所以, 我們認為, 夏季存在的EKE譜峰主要是由于夏季較強的斜壓不穩定過程直接導致的;

3) 冬季EKE的變化主要與渦渦相互作用過程相關, 此時不同尺度渦之間的能量傳輸比較活躍。

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(本文編輯: 李曉燕)

Seasonal variations of eddy kinetic energy and its spectral characteristics in the southern Yellow Sea

ZHANG Wan-lun1, 2, LIU Zhi-liang1, WANG Shi-hong1, 2

(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China)

Seasonal variations of the eddy kinetic energy (EKE) and its related mechanisms were analyzed in the southern Yellow Sea based on a climatological model output. We found that EKE had a double-peak structure on seasonal scales in this region, with a stronger peak appearing in September and a weaker peak in January. Furthermore, the eddies were found to be more meridionally elongated in the first half of the year, whereas they were zonally elongated in the second half of the year. The spectral characteristics of EKE showed that the EKE peak in September was mainly due to baroclinic instabilities in summer while that in January was possibly due to eddy?eddy interactions.Thus, we discussed the seasonal variations of EKE in the southern Yellow Sea, which provides an understanding of the dynamic mechanisms in this area.

southern Yellow Sea; eddy kinetic energy; spectral kinetic energy flux

Mar.18, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.41276026; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA11020301]

P733.1

A

1000-3096(2017)03-0130-08

10.11759/hykx20160318002

2016-03-18;

2017-02-25

國家自然科學基金(41276026); 中國科學院戰略先導專項(XDA11020301)

張菀倫(1990-), 女, 遼寧沈陽人, 碩士研究生, 從事中國近海環流研究, 電話: 13730920942, E-mail: wanlunzh@126.com; 劉志亮(1977-), 通信作者, 男, 山東濰坊人, 副研究員, 從事中國近海環流研究, 電話: 0532-82898840, E-mail: zhlliu@qdio.ac.cn