研究进展
我实验室前沿研究中心对全球海洋三维涡动能进行了估算
来源:倪钦彪
2023.08.14
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卫星高度计揭示大洋表面布满了时间尺度为几十到几百天、空间尺度为几十到几百公里的中尺度涡。这些涡旋包含了海洋中大部分的动能,并在热、盐和碳等重要气候示踪物输运中扮演重要角色。短期内气候模式仍将依赖于涡旋参数化,其中一个关键未知量是三维涡动能(EKE)。然而,由于海洋内部直接的观测十分匮乏,导致目前对海洋全水深EKE了解甚少。



间接的办法是利用涡旋结构将卫星观测的海表EKE向下进行推演。一方面,可以通过线性理论动力模来刻画涡旋垂向结构,如正压模、第一斜压模和表面模,但其准确性还有待观测进一步验证。另一方面,卫星高度计和Argo浮标积累了近20年全球观测资料,使用静力方程


和客观分析方法也可以合成涡旋垂向结构。式中,为高度计测到的海平面异常, 为Argo浮标测到的密度异常。


图1.(a)每10°纬度内,高度计和Argo资料合成的涡旋垂向结构(黑线)及其最佳指数拟合(红线),已用海表值归一化。(b)纬度<30°的海流计观测资料的平均EOF第一模(黑线)及标准差(灰色)。红线代表距离海流计2.5°范围内的合成涡旋结构,蓝线和橙线分别代表海流计位置的平均表面模和平均第一斜压模。(c)同(b)但纬度>30°


我实验室前沿研究中心海气观测组发现合成涡旋垂向结构在低纬海域呈表面强化,但在高纬海域呈向下延伸(图1a)。尽管全水深的海流计观测资料十分有限,但是其EOF第一模证实了合成涡旋结构的可靠性(图1b-c)。利用该合成涡旋结构推演全球三维EKE,发现其在黑潮、湾流和南极绕极流等强流区量级更大影响更深(图2)。据此估算出海洋总EKE约为3.1×1018J,与表面模估算的结果(3.0×1018J)相当,但比传统正压模和第一斜压模估算的结果(4.6×1018J)小约30%。该研究加深了对中尺度涡结构和海洋能量学的认识,为海洋模式模拟结果的评估和气候模式涡旋参数化方案的改进提供了新参考依据。


图2. 基于合成涡旋结构估算的涡动能(EKE; cm-2s-2)在不同深度的全球分布



近日,该研究成果发表在物理海洋学主流期刊Geophysical Research Letter上,题目为“Full-depth eddy kinetic energy in the global ocean estimated from altimeter and Argo observations”,第一兼通讯作者为实验室倪钦彪副研究员,合作者包括英国东英吉利大学翟晓明副教授、挪威奥斯陆大学Joseph H. LaCasce教授、南方海洋实验室主任陈大可院士和英国牛津大学David P. Marshall教授。该研究得到了国家自然科学基金、博士后国际交流计划派出项目和南方海洋实验室前沿研究中心建设经费等支持。


引用:

Ni, Q., X. Zhai, J. H. LaCasce, D. Chen, and D. P. Marshall (2023). Full-depth eddy kinetic energy in the global ocean estimated from altimeter and Argo observations. Geophysical Research Letter, 50, e2023GL10.


原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023GL103114


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