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南海东北部地转运动与近惯性运动间动能交换的时空变化特征研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2023年第5期53卷 21-31页

作者：冯哲缪明芳孙忠斌张志伟中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国海洋大学三亚海洋研究院海南三亚572024 青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东青岛266237

地转平衡运动与近惯性运动是海洋里普遍存在且含能较高的两种运动形态,二者间的相互作用与能量传递在大洋能量串级中扮演着重要角色。然而受到现场观测和数值模式时空分辨率不足等因素的制约,目前对于二者间动能交换的时空变化特征及其... 详细信息

地转平衡运动与近惯性运动是海洋里普遍存在且含能较高的两种运动形态,二者间的相互作用与能量传递在大洋能量串级中扮演着重要角色。然而受到现场观测和数值模式时空分辨率不足等因素的制约,目前对于二者间动能交换的时空变化特征及其在二者动能收支中所扮演的角色尚不清晰。本文利用1/48(°) MITgcm数值模式资料,对南海东北部地转与近惯性运动的动能交换率时空变化特征进行了刻画,并定量评估了动能交换率在二者动能收支中的作用。研究结果表明,在地转动能较强的吕宋海峡区域,二者间的动能交换率显著高于地转动能较弱的南海东北部内区。在吕宋海峡,地转运动向近惯性运动正向传递动能,年平均总动能交换率为3.61×10^(-7)m^(3)·s^(-3),但季节变化不显著;在南海东北部内区,近惯性运动向地转运动逆向传递动能,且受黑潮入侵影响,表现为冬强(-11.37×10^(-8)m^(3)·s^(-3))、夏弱(-5.26×10^(-8)m^(3)·s^(-3))。与风场做功对比发现,二者的动能交换率在地转动能收支中可忽略不计,但在近惯性动能收支中扮演重要角色。

关键词：地转运动近惯性运动能量交换南海东北部能量串级

对一个表面准地转涡旋在Beta平面自由漂移的模拟研究

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对一个表面准地转涡旋在Beta平面自由漂移的模拟研究

作者：张彤辉广东海洋大学

学位级别：硕士

上层海洋运动受到表面浮力通量的驱动且蕴含丰富的亚中尺度结构,然而传统的准地转(Quasi-Geostrophic,QG)模型并不考虑这一边界条件。因此Blumen(1978)提出了表面准地转(Surface Quasi-Geostrophic,SQG)模型,其刻画了海面浮力异常驱动... 详细信息

上层海洋运动受到表面浮力通量的驱动且蕴含丰富的亚中尺度结构,然而传统的准地转(Quasi-Geostrophic,QG)模型并不考虑这一边界条件。因此Blumen(1978)提出了表面准地转(Surface Quasi-Geostrophic,SQG)模型,其刻画了海面浮力异常驱动的地转运动。相比于海洋内区涡度驱动的QG运动,浮力驱动的SQG流场富含亚中尺度结构,同时,遥感发现海面流场在中尺度波段也符合SQG湍流的统计特征。因此SQG模型可以一定程度地解释上层海洋亚中尺度结构生成机制。海洋能量主要以势能形式储存在宏大的水团中。由于太阳辐射的纬向分布不均匀以及行星beta效应,大尺度水团大致沿纬向分布。水团交界处的纬向锋面通过斜压不稳定等机制将势能其转化为动能,产生大量中尺度、亚中尺度涡旋、涡丝。在横穿锋面的南北方向,水团密度差会造成强烈的密度梯度。对于新生成的SQG涡旋而言,这一背景密度梯度可以近似认为是准定常的。鉴于SQG流场中表面浮力异常驱动随体守恒,密度梯度起到了beta效应的作用,使得任意扰动都能激发罗斯贝波。然而前人对SQG流场中的beta效应的鲜有研究。本文将基于理想数值模型模拟研究beta平面上一个SQG涡旋的漂移过程,分析流场演化过程中能量在不同尺度之间的串级及其对于相关参数的敏感性。通过一系列数值实验,本研究发现:在涡旋漂移的初始阶段,涡旋是以其激发的罗斯贝波速向西漂移,速度大小约为每秒几厘米。在此过程中涡旋尾部会不断通过剪切不稳定产生细长的涡丝,这些涡丝卷曲后进一步形成小涡旋。涡旋动能通过这一机制正向串级到小尺度,形成k结构的能谱。该结果符合前人对海洋亚中尺度波段能谱的观测。通过分析能谱重心的演化,发现强beta效应有利于对初始阶段的能量正向串级。这是由于强beta效应使涡旋迅速远离涡丝等小尺度结构,后者由于不被涡旋裹挟,被更好地保留了下来。

关键词：准地转运动能量串级谱方法

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中国近海中尺度涡分区分类与影响初探

海洋开发与管理 2023年第6期40卷 93-110页

作者：齐庆华自然资源部第三海洋研究所厦门361005 福建省海洋物理与地质过程重点实验室厦门361005

海洋中尺度涡作为物质循环、能量串级和信息传递的关键尺度和重要环节,具有丰富的热动力学内涵。文章基于中国近海及毗邻海域的涡动能分区,重点综述中尺度涡的运动属性、动力学本质和局地特征,从尺度局限与尺度关联的角度阐示中尺度涡... 详细信息

海洋中尺度涡作为物质循环、能量串级和信息传递的关键尺度和重要环节,具有丰富的热动力学内涵。文章基于中国近海及毗邻海域的涡动能分区,重点综述中尺度涡的运动属性、动力学本质和局地特征,从尺度局限与尺度关联的角度阐示中尺度涡旋的扰动生成、传播、能量级联和耗散,及其在海洋多尺度动力过程、热盐配置、生源要素调控和中尺度海气相互作用中的影响,并就相关科学问题和进展提出研究建议。研究结果表明:研究中尺度涡的演变规律对理解海洋物质能量传递的多维度层次、尺度规模和过程形式具有重要意义,需整体加深海洋中尺度涡自适应观测和可预报性研究,增强海洋中尺度涡的尺度演绎分析和特异性分析,建立从天气尺度到气候环境变化、生物生态影响以及致害致灾风险的能量信息通道,构建中观海洋生态系统动力学理论与模型,探索海洋中尺度涡精细化灾害风险预评估区划和安全保障新途径。

关键词：涡波流相互作用能量串级中尺度海气相互作用中观生态系统动力学影响区划

动能空间尺度分解及其在高原切变线的分析应用

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高原气象 2019年第2期38卷 314-324页

作者：罗潇李国平成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/南京信息工程大学江苏南京210044

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加... 详细信息

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大体与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小。在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能变化影响明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,构成动能的降尺度串级,这种能量串级转换有利于中尺度的高原切变线生成。

关键词：切变线扰动动能动能分解能量串级

北太平洋黑潮延伸体区域和副热带逆流区域中尺度涡能量特征研究

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海洋学报 2019年第11期41卷 1-14页

作者：王茹李海艳孟雷中国科学院大学地球与行星科学学院

不同科研工作者对黑潮延伸体区域和北太平洋副热带逆流区域的中尺度现象进行过不同的研究,但对两区域中尺度涡进行统一比较分析的工作较少。因此,本文利用11年的卫星高度计海表面高度异常资料分别对这两个区域的中尺度现象特征及其能量... 详细信息

不同科研工作者对黑潮延伸体区域和北太平洋副热带逆流区域的中尺度现象进行过不同的研究,但对两区域中尺度涡进行统一比较分析的工作较少。因此,本文利用11年的卫星高度计海表面高度异常资料分别对这两个区域的中尺度现象特征及其能量变化过程进行系统的分析和对比。研究发现,两区域的气旋涡与反气旋涡在分布、振幅、能量和寿命上均存在差异;进一步的动能谱分析和能量串级讨论发现:两区域的动能谱密度虽均集中在2×10–3~4×10–3周/km的波数域上,但黑潮延伸体区域大部分涡旋信号分布在经向上,而北太平洋副热带逆流区域主要分布在纬向上,这可能与两区域中尺度涡能量来源的不同有关。由于两区域在2×10–3~3×10–3周/km的波数域上动能转移项以负值为主,这说明两区域在此波数域上均存在能量源,并且发生能量逆向串级。

关键词：黑潮延伸体北太平洋副热带逆流中尺度涡 Okubo-Weiss方法动能谱能量串级

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

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热带海洋学报 2020年第3期39卷 10-18页

作者：周霄雯曹海锦经志友廖光洪河海大学海洋学院江苏南京210098 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所) 广东广州510301

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km,时间尺度约为1天,里查森数和罗斯贝数为0(1),能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级,并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional o... 详细信息

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km,时间尺度约为1天,里查森数和罗斯贝数为0(1),能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级,并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果,采用方差椭圆方法,评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征,并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明,黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域,主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域,各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系,表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制,较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。

关键词：次中尺度过程黑潮延伸体涡旋各向异性能量串级上层海洋

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涡旋环流区域内精细复杂结构的研究

中国科学：地球科学 2010年第7期40卷 947-952页

作者：罗哲贤马革兰平凡南京信息工程大学遥感学院南京210044 中国科学院大气物理研究所云降水物理和强风暴实验室(LACS)北京100029

应用准地转正压涡度方程数值研究了涡旋精细复杂结构的形成和演变问题.结果显示,初始分布对称的一个大尺度主涡与4个β中涡通过非线性相互作用,可以激发出大尺度分量和小尺度分量之间能量输送通量的高度局域化的非对称复杂结构.复杂结... 详细信息

应用准地转正压涡度方程数值研究了涡旋精细复杂结构的形成和演变问题.结果显示,初始分布对称的一个大尺度主涡与4个β中涡通过非线性相互作用,可以激发出大尺度分量和小尺度分量之间能量输送通量的高度局域化的非对称复杂结构.复杂结构的主要特征是:存在正、负通量的两支波列,波列中有7～8个空间尺度能量输送通量的复杂结构与主涡中心移动之间也存在联系.不同尺度涡旋的非线性相互作用是精细复杂结构形成和演变的根源.

关键词：涡旋复杂结构非线性相互作用能量串级