岛屿环流理论适用性分析及其在中国近海的应用

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岛屿环流理论是一种可用于解释域际环流形成动力机制和估算域际环流流量的动力学理论。本文首先系统回顾了该理论的发展历程和数学推导过程,并设计了一系列矩形海域的理想情景,应用MITgcm模式模拟了不同情况下岛屿周边的海水流动。以这些数值实验为基础,结合理论分析的方法,分析了各种情况下岛屿环流理论的适用性。本研究给出了一种考虑了摩擦作用的多岛屿环流的解析表达形式,并将该解析解与数值模拟结果进行了对比验证。在分析了在岛屿西侧存在海槛时岛屿环流理论计算解与数值实验结果的差异之后,发现在海槛足够高时,经典岛屿环流理论已经不再适用,并且当海槛南北范围较长时,岛屿西侧风应力对该区域海水通量的影响显著加强。数值实验结果还表明,即便存在海水垂向层化和风应力强迫场随时间变化,经典理论在某些情况下仍然可以良好再现岛屿周边海水流动特点,而在另外一些情况下,考虑了压强梯度修正项以后所得的结果与数值模拟结果更加符合。  本研究对经典的岛屿环流理论进行了修订,并应用于南海域际环流的研究,发现不考虑阻力得到的理论结果在海水输运方向上与实测一致,但在输运量的量值上与实测差别很大。而考虑了摩擦-地形阻力作用后计算所得的各通道的流量与实测结果不但在方向上完全一致,在数值上也具有一定的一致性。由此可见,在考虑了摩擦-地形阻力作用后,多岛环流理论能够很好解释南海域际环流形成的主要动力机制。  采用1948-2014年NCEP逐年资料计算结果表明,各海峡海水输运值均存在明显的年际变化,其中吕宋海峡和民都洛海峡更为明显。通过相关分析我们发现吕宋海峡、民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量之间具有较强的正相关性,其共同组成了太平洋—印度洋贯穿流南海分支。而这些海峡的流量与望加锡海峡流量呈现显著的负相关。太平洋—印度洋贯穿流南海分支及望加锡贯穿流与台湾海峡流量相关性微弱。El Nino过程与印尼贯穿流南海分支及望加锡海峡流量都具有显著的相关性:El Nino正位相期间前者加强而后者减弱。风应力驱动导致的对马-津轻环流流量年平均值与典型厄尔尼诺现象和PDO现象相关性较强,而综合压强梯度效应之后其整体流量变化则主要仅体现出与PDO现象存在一定联系。吕宋海峡、民都洛海峡的西、南向流在长期变化方面都存在明显的增强趋势,并且这种显著变化主要局限于以上两个海峡中,其它海峡基本未受影响。  比较了不同风应力数据集依据岛屿环流理论计算得到的各海峡通量结果,发现并应用高分辨率数值模式验证了在民都洛海峡和吕宋海峡处的海水流动可能对风应力强迫场数据的选择较为敏感。  考虑摩擦-地形阻力作用的修订后岛屿环流理论还被进一步应用于对马暖流的研究,研究表明通过对马-津轻海峡海流流量的年平均值受太平洋内区的风场控制,但是其年际变化主要决定于本州—九州岛链东侧南北两端的压强差。
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