论文总字数：17907字

目 录

1 引言 1

1.1海洋次中尺度概述 1

1.2研究黑潮流区次中尺度热量输运的意义 1

1.3次中尺度过程研究成果 2

2 模式介绍及方法 4

2.1模式介绍 4

2.2模型区域和设置 4

2.3尺度分解 5

3 次中尺度空间分布特征 6

4 次中尺度水平热量输运 8

5 次中尺度垂直热量输运 10

6 结论 11

参考文献 12

致谢 14

黑潮流区次中尺度热量输运特征研究

吴迪茜

, China

Abstract：Oceanic submesoscale processes (spatial scale is O(1-10) km, time scale is O(1) days) are transitions between mesoscale and small-scale processes. It plays an important role in the ocean dynamic process. The oceanic submesoscale has its own unique dynamic characteristics. It can induce a strong vertical movement, resulting in vertical heat and material transport. Therefore, it plays an extremely important role in the vertical transportation of the upper ocean’s heat and matter. The Kuroshio, as one of the strongest western boundary flows in the world, is an important gathering area of ocean energy. The study of the dynamic process of the Kuroshio area is not only concerned by oceanographers, but also by meteorologists. However, there are few studies on the submesoscale heat transport in Kuroshio District. This paper is based on the high-resolution ROMS numerical model (with a spatial resolution of 1 km) . The spatial distribution characteristics of the submesoscale processes in the Kuroshio area and the induced heat transport characteristics were studied. The simulation results show that there is a very active submesoscale process in the Kuroshio area, especially in the sea areas in the Kuroshio area and around the island like the area where the topography changes drastically. The distribution characteristics of relative vorticity and vertical velocity show that the submesoscale show significant asymmetry in the aspect of relative vorticity and vertical velocity. The positive relative vorticity is stronger than the negative relative vorticity, and the downward vertical velocity is stronger than the upward vertical velocity. The phenomenon is mainly caused by inertial instability. By calculating the heat transport caused by the submesoscale, the results show that the horizontal submesoscale heat flux is in the northeast direction, from the lower latitude to the higher latitude, which means that the submesoscale can promote the exchange of heat at different latitudes. The vertical heat flux shows the characteristics of upward transport, that is transport from the deep to the surface, which means submesoscale processes can lead to the redistribution of heat in the vertical direction. Hence, it makes the ocean tend to restratification.

Key words: submesoscale; Kuroshio; heat transport

1 引言

1.1海洋次中尺度概述

地球是一个存在巨大水体的星球，地球表面积为5.1亿平方公里，其中，海洋为3.61亿平方公里，占总面积的70.8%。自人类诞生至现在对陆地的探索和开发基本已呈饱和状态，相比于陆地具有更大面积的海洋对人类而言是一个巨大的潘多拉宝盒。陆地的资源经过有限年间的开发终有枯竭的一刻，而海洋这个神秘的潘多拉宝盒，它蕴藏着大量的资源。但对海洋资源的开发利用是基于对其有充分的研究和认知，才能想出应对之道，得其所需。

通过现有的了解可知，海洋中存在着各个尺度的动力过程，其中包括了大尺度、中尺度、次中尺度以及小尺度等动力过程。对于环流而言，主要动力学模式包括由小尺度流动（例如湍流边界层和破碎的内波）引起大尺度和中尺度环流的混合和耗散。大尺度过程主要有海表的风生大洋环流和热盐环流，其空间尺度为几千公里，时间尺度为几十年甚至上百年；中尺度过程有潮汐、中尺度涡等，中尺度涡遍布大洋，其空间尺度为几十到数百公里，时间尺度除潮汐为一天外，中尺度涡等过程的时间尺度为几个月。在小尺度和中尺度之间存在着次中尺度过程。所谓的次中尺度定义为小于中尺度的空间尺度：水平空间尺度为O（1-10）km，小于第一斜压变形半径；垂直空间尺度为O（1-10）km，比混合层厚度还薄，时间尺度为O（1）天的动力过程。而小尺度过程主要是小尺度的内波以及混合等，它们的空间尺度仅仅为几米。然而海洋中的这些动力过程并非独立而存在，它们之间有着千丝百缕的联系。

由于采样仪器和分辨率计算的限制，目前对次中尺度海流的认识还比较少。大尺度环流为中尺度涡提供能量，而次中尺度的产生又将从中尺度过程中汲取能量，导致中尺度过程的消亡，次中尺度又为小尺度过程的混合耗散提供能量。对于已获得丰硕成果的大尺度、中尺度以及小尺度过程而言，作为中尺度和小尺度之间过渡的次中尺度过程，关于它的研究少之又少。但物理海洋学的发展以及模式分辨率的提高，这为次中尺度的研究提供了很好的条件。

次中尺度特殊的时空尺度特征正是区别于其它动力过程最重要的一个动力学特征。即次中尺度的 Ro ～ 1，这表明次中尺度是非地转运动，正是因为这一特点，次中尺度过程能够引起海水水平上的辐聚辐散，进而引起垂向运动，以至在研究海洋动力过程中次中尺度过程的作用往往不容忽视。

1.2研究黑潮流区次中尺度热量输运的意义

次中尺度具有明显的非地转特征，对于热量和物质输运有着非常重要的意义。次中尺度同时也是中尺度与小尺度之间的过渡过程，对完善整个海洋动力系统也有着重要的意义。已有的研究表明，次中尺度会从中尺度中汲取能量加速中尺度过程的消亡和耗散，且次中尺度较强的地区会使混合加强（Capet et al., 2008c）。海洋混合层中次中尺度过程对动量、能量和温盐的垂向输运有重要作用（刘国强，2011）。次中尺度的Rossby 数接近于 1，是强非地转运动，其垂直速度可高达100米/天。这较强的垂直流速会引起垂向上一定程度的热量与物质的交换。

而黑潮作为全球最强的西边界流之一，是海洋能量的重要聚集区。黑潮是一支世界著名的以高温、高盐、流速强、流量大为显著特征的西北太平洋的强大暖流。它将低纬地区大量太阳辐射的热量,向中高纬地区输送。同时,与大气间通过潜热与感热的方式交换热量。由于黑潮流域宽广,在低纬地区朝高纬地区输送时，可能会对周围海区造成一定的影响，且有极大可能引起全球海气热量收支的变化，将导致与之相应的大气环流圈发生改变。黑潮对海洋环流、海水的热盐输运、海洋中的各种尺度物理过程、海洋生态环境、海洋资源以及全球能量平衡等都起着重要的作用。因此,对黑潮流区的研究,不仅受海洋学者的关注，也备受气象学者的关注。相关研究表明，黑潮流区上层海洋中次中尺度存在明显的季节性，即冬强夏弱。同时，黑潮地区热量输运也具有明显的季节变化特征，黑潮流区冬季的热量输运明显强于夏季的（程雪丽，2016）。因此本文时间数据选择为黑潮流区冬季的海洋数据。

海流是海洋热量的“输送带”，有学者曾提出，虽然中尺度运动的垂向输运为上层海洋提供了营养物质，却不能完全满足上层海洋生物每年生产力所需的营养物质（McGillicuddy et al., 2007）。次中尺度过程对垂向的物质和热量输运有着重要意义，它较强的垂向运动不但可以使海洋中的浮游植物等物质在垂向上输运，而且可以使之聚集在海表。一般而言，上层匮乏的营养盐会限制浮游动植物的生长。显然存在着一些未知的机制来平衡全球的营养盐输运。然而次中尺度过程可以实现这一输运。在黑潮流区，次中尺度将富含热量及营养物质的水体输送到上层海洋，这为海洋初级生产力的增长提供了支持。热量的输运影响着周围沿岸地区的气候及海洋产业。因此了解黑潮流区次中尺度热量输运的特征，有利于对渔业及海洋环境保护的发展。

1.3次中尺度过程研究成果

通过前人已有的研究结果表明，次中尺度过程的生成机制主要包括四种：1）锋生过程；2）不稳定过程（主要是指混合层不稳定）；3）外力强迫（主要是指非线性埃克曼输运）；4)地形诱导（包括岛屿以及剧烈地形等）。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17907字

相关图片展示：