至2018年海洋中尺度涡研究现状

PAGEPAGE15海洋中尺度涡的国内外研究概述一、海洋中尺度涡研究的起源十九世纪三十年代之前,人们认为海洋的深处是平静的,由于缺乏精密的海洋观测手段,人们只能通过观察一些物理现象,发现大洋中的表层环流,建立起风生海流的理论[1].然而,根据这种理论,并不能绘制出更为准确的大洋海流图,对于具体海流的动力及能量交换关系,难以做出令人信服的评价.1936年艾斯林(Iselin)就对中尺度涡旋进行了观测及记录,但当时没有给出的中尺度涡的概念,只认为是一种大范围的水温异常[2].195710号”——Sputnik11958年,Swallow设计了一套用声学追踪在大洋中一定水层自由漂浮的中性浮子"系统,对大西洋百慕大海域的底层海流进行测量[3].按照人们通常的看法,湾流区域内的海流是一支稳定、宽广的缓慢海流.10多倍,10多千米距离之内,流向竟完全相反；同时,1个月左右的时间里海流就显示出相当大变化.发现引起了海洋学界的重视.1970年,前苏联的海洋科学家在热带大西洋东北部开展了以海流观测为主的多边形大洋实验(POLYGON),经过半年多的持续观测,在这个过去认为是弱流(1cm/s左右)的海区里,10cm/s100km时间尺度为几个月的中尺度涡[3].1973年,,了第一次中大洋动力学实验(MODE-1),POLYGON大致相同.后来发现了越来越多的中尺度涡.从1975年开始,美苏等国的海洋学家开始进行一项规模巨大的中大洋动力实验——POLYMOD,其重点是研究中尺度涡的动力学及其消长机制.1976年,伴随着卫星观测技术的广泛应用,先后发现了九十多处中尺度涡.例如,的夏威夷群岛等地附近海域,以及在印度洋西北地区、中国南海海域等,都能见到这种涡流.1978年,美国航空航天局(NASA)及美国海洋大气局(NOAA)共同发射的第一颗海洋遥感卫星——SEASET,其雷达应用了高压缩比的脉冲方式,促进了海洋中尺度研究的快速发展.1979年,我国的郑全安发表了关于海洋中尺度涡的文章[3],其中关于对大西洋湾流中尺度涡的研究,郑全安和袁业立对海洋中尺度涡的衰变过程进行了动力分析.此后,人们发现了越来越多的海洋中尺度涡,也受到了相关学者的更多关注.二、海洋中尺度涡相关研究大洋中尺度涡的发现是人类对大洋环流认识的一个突破性进展,它改变了人们对海流的传统看法.中尺度涡的旋转速度很大,而且边旋转边移动,表现则十几天,长则数年.中尺度涡是动力海洋系统中普遍存在的组成成分,其蕴80%.图1中国Argo实时资料中心:/data/argo.php最近几年随着以Argo浮标系统为代表的新一代海洋观测平台日趋完善,(CTD)、锚系声海洋中尺度涡的模型研究将经典非旋转流体力学中的涡旋概念引入到旋转流体中,甚至直接运用过来,建立了一批中尺度涡涡旋意义下的解析模型,用以描述中尺度涡的形态结构与运动特征[4].GlennR.FlierlMory,MAref,H.,Siggia,D.学者在其发表的文章中给出了单涡模型[5,6],偶极子模型[7],多涡系统相互作用的模型[8,9].β效应相关,Larichev,D.和Reznik,G为了解释这一现象,Rossby波的模型[10,11],1979Berestov,A.LRossby(罗斯贝)孤立波的模型[12,13].另一方面,Killworth,P.D.1983β平面下西移的特性[14,15].二十世纪八十年代中后期,卫星高度计所得的大范围覆盖能力的卫星图像对中尺度涡发现和研究发挥了重要作用,这一观测平台使得研究者可以得到全球分布的准确同步的海表面的观测序列,这使得对中尺度统计特征的研究成为可能.1996Rossby波理论预言的第一斜压模的速度,发现两者的变化存在一定程度的一致[16].二十世纪九十年代Argo浮标的出现促进了中尺度涡研究的发展FuLL,CheltonDB.提出实际的中尺度涡移动的速度要比第一斜压模的Rossby倍[17-18].2014年从中尺度涡定义为位涡异常的角度,从观测给出中尺度水体通量以突显其在气候系统中可能扮演的重要角色[19,20].张志伟、田纪伟等在2016年研究了关于南海东北部海洋中尺度涡的三维(3D)结构以及产生和消散系统完整的水深测量结果并进行整理[21].ZhangZ,ZhangY,WangW.2017年考虑加勒比海内中尺度涡的三维结构,分别研究了各类特征的垂向、水平和速度结构,析[22].PearsonBrodiePearson,BaylorFox-Kemper,ScottBachman,FrankBryan.等在2017年采用遵循大涡模拟的子网结构技术,在高分辨率的全球海洋模型下将动量和追踪的两种参数化水平混合中尺度涡[23].王庆业在2017年利用海洋高分辨率模拟太平洋西部热带中尺度涡,得到了中尺度涡的结构[24].海洋中尺度涡的物理特征研究联合高度计卫星与浮标系统对中尺度涡结构展开研究的思想出现了,michD,GilsonJ.2001XBTT/P高度计资料,利用合成的方法分析了北太平洋区域中尺度涡旋的温度结构[25].RhinesPB.2001年给出一个更为清晰的中尺度涡结构,进行分析中尺度涡的物理特性[26].ChaigneauA,GizolmeA,GradosC.2008式的高分辨率卫星测量高度值研究了太平洋东南海岸秘鲁地区的中尺度涡,并运用几何曲率和风角法来来了解中尺度涡发生频率、寿命和结构[27].Chelton,D.B.,P.Gaube,M.G.Schlax,J.J.2011Rossby波所应表现出的频散性质,而表现出了波长与频率呈线性关系的非频散的谱结构[28].FengNan,ZhigangHe.2011尺度涡进行研究,从而总结出其涡核的存在规律[29].PierGianLucaPortaMana.等采用准地转模型进行随机参数化处理,得到相对较为准确的中尺度涡等级湍流级联[30].郑全安等在2017年对南海中尺度涡的研究进行了总结,并提出以罗斯贝波和中尺度涡为表现形式的太平洋中尺度扰动直接进入南海,并与海盆固有振荡模态发生共振,从而构成太平洋了起源[31].AnsteyJA,ZannaL.等在2017年考虑雷诺应力张量适用于海洋问题,对动量、涡旋、能量和涡量拟能预算参数化分析其影响[32,33].CuiWei,DuanYongliang.2016析了孟加拉湾中尺度涡的统计特征[34][35].LiC,ZhangZ,TianJ,etal.在2017年基于太平洋西北部的2002-2015年的温Argo特征[36].YuHsinCheng,ChungRuHo.2017细分析了台湾岛和吕宋岛以东黑潮的涡旋统计特征[37].海洋中尺度涡的分布规律研究JacobsGA,HoganPJ.1999层海洋模型(NLOM)的结果进行分析,说明中尺度涡的移动对东海的影响[38].2001附近海域的海洋内部中尺度涡的情况[39].2008涡的分布和传播特征[40].20071993~2004TP/Jason-1ERS/ENVISAT提供的海平面异常(SLA)融合数据,12年来的平均海平面异常的变化特征及中尺度涡的分布规律[41].KanekoA,20082015,,和演化的总体特征,又深入研究了南海具有代表性涡旋的特点[42-47].张正光于2013年考虑了中尺度涡的普遍存在性及在宇宙中的动力学结构.尽管中尺度涡在振幅、范围和极性等方面有显著的区域差异,通过综合分析在全球范围内卫星高度计和Argo浮标的数据,作者给出了一个通用的中尺度涡结构[48].HuangX,ZhangZ,ZhangX.2017综合合成分析中国南海(SCS)东北部海域,发现一种具有内部独居现象类型的波浪(ISW),由海洋中尺度涡旋引起的长前端.在这些卫星观测数据的支持下,进行数值模拟[49].KuoYC,ChernCS.2017年研究了吕宋海峡(Luzon)旋,并利用非线性减重(原始方程)模型对该现象进行了研究,并对动态过程进行了分析[50].海洋中尺度涡的输运功能研究中尺度涡旋携带质量的问题,对于海表面漂流浮标以及其他一些被动示踪物的观察研究发现,中尺度涡旋具有携带水体与其一起移动的能力,并且有时可以携带一块水体行进相当长的一段距离[51-53].HollowayG,StammerD.VolkovDL经向移动在经向输送热量[54-58].McneilJD,JannaschHW.1999以及生物地球化学测量都被用来描述上层海洋生物反应的特征,由于与涡流有关的等温线的覆盖而将硝酸盐引入到透光层[59].MartinAP,RichardsKJ.2001于海洋中营养物质在垂直方向移动所造成的影响[60].Y.J.Jian,J.Zhang.等在2009年对中国南海西南部进行远程声传播观测,结果发现一个反气旋涡和三个气旋涡对声音的传播和声速分布产生不同的影响[61].Chelton.2011数据,分析了叶绿素分布的变化及所受影响[62].LiuF,TangS,ChenC.等在2013年研究了南海北部中尺度涡的非线性因素对浮游植物分布造成的影响[63].AmoresA,MonserratS,MelnichenkoO.2017年分析了中尺度涡的性质的作用[64].GaoW,WangZ,ZhangK.等在2017年基于对太平洋西部地区的光学测量,研究中尺度涡流对温盐结构和原位叶绿素分布的控制效果[65].海洋中尺度涡对海洋深层影响McdowellSE.等在1978年针对巴哈马群岛区域的反气旋涡的研究,通过研究地中海与大西洋东部的水团运动研究了中尺度涡影响下的水团特性[66,67].M.Dengler,F.A.Schott,C.Eden,P.Brandt,J等在2004年研究大西洋深层西边界流的运动,发现了从大西洋北部将深层水运输到大西洋的南部的主要动力是海洋中尺度涡[68].WunschC.2008涡的影响,并通过分析与比较说明中尺度涡在很大程度上影响了大气环流[69].AdamsDK,JrMGD,ZamudioL.等在2011年研究了东太平洋深海通过热液喷射的方式将氢热化学物质及幼虫传输到海洋表层,其过程中有海洋中尺度涡的生成及其运动[70].SiegelDA,PetersonP等在2011光学足迹与中尺度涡流动过程之间的关系[71].MingxianGuo,FeiChai.等在201519912008年的模拟结果,物和浮游动物有关,而反气旋的涡流对生物地球化学循环起到抑制作用[72].GruberN,LachkarZ.2011于海洋生产海生物的产量的相关影响[73].PrantsSV,BudyanskyMV,UleyskyMY.等在2017年运用拉格朗日方法模拟、跟踪、记录和分析了海洋中尺度水质量的成因和历史,解决了中尺度涡的水源质量问题[74].海洋中尺度涡与其他海洋活动的相互作用FalkowskiPG,ZiemannD,McgillicuddyDJ,RobinsonAR,SmallRJ等在1991-2012年研究了中尺度涡对初级生产及风场的影响[75-79].RolovSA,WeiJ,WangDP.等在2003年和2009涡带来的影响[80,81].PolzinKL在2010年研究了海洋中尺度涡与内波之间的相互作用[82,83].RodríguezR,ViudezA.2011其涡核呈三角形排列的中尺度涡合并的过程,同时说明与加那利群岛南部的涡的合并及涡动力学的分析相一致[84].SaenkoOA,ZhaiX.2012混合的影响[85].张志伟和赵玮等在2017年采用希波阵列和多卫星同步数据分析了中国南海东北部气旋涡与反气旋涡之间的关系[86].三、近期中尺度涡仍需思考的问题随着观测手段的更新得到大量的海洋资料,中尺度涡研究具有了一定量的观测资料,但每一次观测技术的更新都带动中尺度涡研究的飞跃,技术的研发仍有必要,也需布置大量的观测阵列.数值模式庞杂的输出结果迫切需要海洋中尺度涡理论上明确的解释,洋中尺度涡理论的进一步精确分析急需解决.目前的数值模式中模拟出了大量的中尺度涡,但是研究者并不清楚模拟出的中尺度涡是否真实,其表现出的种种特征是否正确.常迫切而重要,但中尺度涡本身的研究现状却无法满足现实的需求.尺度涡研究发展的最大的问题就是难以形成统一的认识.数值模式数量庞大的输出结果不能被研究者所理解,并且由于数值模式一定程度的黑箱特性,甚至也无法判断模拟结果的对错,的结果有较大差距,研究者在很多时候无法解释原因.海洋中尺度涡作为非线性系统,研究中尺度涡的稳定性,系统如何与其他系统的耦合如何进行解耦,有待进一步研究.得到更准确的研究对象,从而更为精确地研究中尺度涡的特性.体对背景大尺度环流的作用有待进一步研究.中尺度涡的产生具有多种假说和建模形式,建模及分析还需基于对原有研究的深入理解和取舍.海洋中尺度涡在移动过程中对藻类生长的影响,跃层的移动造成的不同影响.海洋中尺度涡在移动过程中形态的变化规律,样的.海洋中尺度涡在移动过程中垂直速度与水平速度间存在怎样的数量关系.海洋中尺度涡在移动过程中会受到那些因素的干扰,如何抑制这些干扰对海洋中尺度涡的影响,将海洋中尺度涡对人类有益的方面发挥到最好.海洋中尺度涡携带水体运动过程中,及对于水体运输的影响.海洋中尺度涡在移动过程中所受光照、影响对其存活周期产生怎样的影响,针对绝大多数的海洋中尺度涡,的影响具有怎样的规律.如何更加精确地划定海洋中尺度涡的半径.合得到多方面分析,从而得到更为准确的偏微分方程描述的立体结构.同一海域中冷涡与暖涡之间的相互作用关系以及与洋流及大气的关系.海洋中尺度涡三维结构的构建及其分析其存在周期.海洋中尺度涡的消亡机制与耗散机制的深入研究及其相互之间的关系.海洋中尺度涡作为典型的非线性系统,考虑其非线性特性时的演化机制.海洋中尺度涡在运动过程中与陆地之间的碰撞的演化过程.海洋中尺度涡各个水层之间的相互作用及其相应的环境效应.参考文献SverdrupHU.Wind-drivencurrentsinabaroclinicocean;withapplicationtotheequatorial 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