黑潮延伸体与热带西太平洋区侧向涡扩散系数的时空分布特征

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作为全球气候变化的敏感地区,黑潮延伸体与热带西太平洋区一直是海洋学研究的热点。这两个区域均拥有强劲的大尺度平均流,并都伴随着强烈的中尺度过程。涡旋与平均流的相互作用会影响北太平洋副热带模态水的生成与输运,并进一步影响到海气热量与气体的交换。因此,研究黑潮延伸体与热带西太平洋区涡旋所造成的侧向混合过程有重要科学意义。目前,已有多种方法可用于侧向涡扩散系数的观测或估计:基于定点锚系观测的通量计算方法、拉格朗日浮标追踪方法、有效扩散系数估计以及混合长度理论。本文主要以混合长度理论为框架,结合Argo盐度剖面数据与ECCO2模式的流速数据计算研究海区的侧向涡扩散系数,并以此分析两个区域内的侧向混合长度、涡旋流速以及侧向涡扩散系数的三维结构,以及侧向涡扩散系数的影响因素。  对黑潮延伸体侧向混合长度、涡旋流速以及侧向涡扩散系数的分析表明,在黑潮延伸体区涡旋流速与侧向涡扩散系数均在主流区附近达到局地极大值,而侧向混合长度的极大值位于黑潮主流区外,且侧向混合长度与侧向涡扩散系数均在中层出现出极大值。在热带西太平洋区,棉兰老涡对侧向涡扩散系数具有显著的影响,侧向涡扩散系数在棉兰老涡影响范围内达到最大值。与在黑潮延伸体区类似,侧向涡扩散系数在北赤道逆流区附近出现出局地极大值,且在赤道附近(4°N以内)侧向涡扩散系数在上层与中层较小,在底层出现出极大值。  为了揭示黑潮延伸体与热带西太平洋区侧向涡扩散系数的主要影响因素,本文结合临界层理论,对涡旋流速、侧向混合长度以及侧向涡扩散系数的垂向分布特征进行了分析。结果表明:在黑潮延伸体海底地形较平坦的区域,临界层理论的适用性较好,侧向涡扩散系数的极大值基本与临界层深度相对应,但侧向涡扩散系数受平均流的抑制作用明显;在黑潮延伸体海底地形变化较复杂的区域,临界层理论适用性较差,且强平均流对侧向涡扩散系数的抑制作用基本消失,在平均流核心处侧向涡扩散系数达到最大值;在热带西太平洋区,临界层深度与侧向涡扩散系数的极大值区不存在对应关系;在棉兰老涡影响范围内,侧向涡扩散系数受棉兰老涡影响较大,平均流对侧向涡扩散系数的抑制作用基本消失;而在北赤道逆流区棉兰老涡影响范围以外,强平均流仍呈现出对侧向涡扩散系数的抑制作用;在赤道潜流的核心区(南北纬2°以内),侧向涡扩散系数受平均流抑制作用明显。  为探讨基于Argo盐度数据的侧向混合长度计算方法的准确性与合理性,本文将其计算结果与基于涡旋直径的理论侧向混合长度进行了对比分析。结果表明:在黑潮延伸体与热带西太平洋区,前者在数值上要大于后者,且无论是否有显著海底地形变化,在平均流核心位置处,理论侧向混合长度均出现局地极小值特征,表明理论侧向混合长度无法刻画黑潮延伸体区海底地形对侧向涡扩散系数的影响;在热带西太平洋区,理论侧向混合长度同样无法准确刻画棉兰老涡以及赤道潜流对侧向涡扩散系数的影响。因此,仅仅考虑涡旋直径的理论侧向混合长度并不适用于黑潮延伸体与热带西太平洋区。
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