海洋所研究闡明風生近慣性內(nèi)波深層傳播機理
近日,《物理海洋雜志》(Journal of Physical Oceanography)發(fā)表了中國科學院海洋研究所于非團隊最新研究成果“Downward Propagation and Trapping of Near-Inertial Waves by a Westward-Moving Anticyclonic Eddy in the Subtropical Northwestern Pacific Ocean”。該成果利用潛標觀測研究了西向傳播的反氣旋渦對風生近慣性內(nèi)波傳播的影響以及它們之間的能量傳遞,并通過射線追蹤模型和理論分析闡明了風生近慣性內(nèi)波的深層傳播機理。
近慣性內(nèi)波是海洋內(nèi)部頻率接近于慣性頻率的一種波動,占據(jù)了內(nèi)波譜中約一半的能量,并存在強的垂向剪切,因此是海洋混合重要的能量來源。已有研究指出,風生近慣性內(nèi)波向深層傳播的過程中,中尺度渦起著至關(guān)重要的作用,尤其當風生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦內(nèi)生成時,近慣性內(nèi)波在渦邊緣被反射,從而被捕獲并向渦心和深層傳播,最終停留在臨界層內(nèi),該過程被稱為反氣旋渦的“慣性煙囪”效應。
然而,關(guān)于近慣性內(nèi)波在反氣旋渦內(nèi)傳播的臨界深度一直存在不同的觀點。一些學者認為臨界深度可超過上千米,從而促進深?;旌希?/span>e.g., Jing et al. 2011; Whalen et al. 2018),而一些學者認為反氣旋渦內(nèi)的臨界深度較淺,局限在上層~200 m,近慣性能量很難穿透至深海(e.g., Zhang et al. 2018)。因此,有必要理清風生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦中臨界深度差異的問題。
研究團隊基于潛標觀測發(fā)現(xiàn),當風生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦外生成且反氣旋渦向西運動經(jīng)過近慣性內(nèi)波時,近慣性內(nèi)波也會被反氣旋渦捕獲,臨界深度超過最大觀測深度(870米)。結(jié)合射線追蹤模型發(fā)現(xiàn),在反氣旋渦內(nèi)生成的風生近慣性內(nèi)波,其臨界深度較淺,只有100-300米。進一步通過理論分析發(fā)現(xiàn),近慣性內(nèi)波到達反氣旋渦前,渦度垂向梯度大于0,增大近慣性內(nèi)波垂向波長,從而加快垂向群速度;而進入反氣旋渦內(nèi)時,渦度垂向梯度小于0,減小垂向波長,從而減慢垂向群速度,最終停留在臨界層內(nèi)。因此,相比在反氣旋渦內(nèi)的風生近慣性內(nèi)波,反氣旋渦外的風生近慣性內(nèi)波傳播深度要更深,從而回答了風生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦影響下傳播深度差異的問題。
研究還發(fā)現(xiàn),在近慣性內(nèi)波向深層傳播過程中,反氣旋渦傳遞至近慣性內(nèi)波的能量相當于風強迫生成近慣性能量的71%,對維持臨界層內(nèi)長期存在的近慣性能量具有重要意義(超過40天);而在臨界層內(nèi),近慣性能量向高頻內(nèi)波能量的正向串級比向平均流能量的逆向串級高1個量級,是反氣旋渦內(nèi)捕獲的近慣性內(nèi)波能量耗散的一個重要途徑。因此,該研究促進了在真實海洋中風生近慣性內(nèi)波的傳播特征和能量傳遞的研究。
論文第一作者為中國科學院海洋研究所博士后陳子飛,通訊作者為于非研究員以及中國科學院南海海洋研究所陳植武研究員,合作者包括海洋研究所研究員南峰、助理研究員王建豐、工程師任強等,以及浙江大學副教授曹安州。該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金、山東省自然科學基金和LTO開放基金等資助。
文章信息:
Chen Zifei, Yu Fei*, Chen Zhiwu*, Wang Jianfeng, Nan Feng, Ren Qiang, Hu Yibo, Cao Anzhou, and Zheng Tongtong, 2023, Downward Propagation and Trapping of Near-Inertial Waves by a Westward-moving Anticyclonic Eddy in the Subtropical Northwestern Pacific Ocean, Journal of Physical Oceanography, DOI: 10.1175/JPO-D-22-0226.1.
https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/53/9/JPO-D-22-0226.1.xml

圖1 潛標觀測的臺風Sanvu生成的近慣性緯向流速(a)、經(jīng)向流速(b)和近慣性動能(c)

圖2 西向傳播反氣旋渦中近慣性內(nèi)波傳播示意圖。在西向傳播的反氣旋渦中,相對于在反氣旋渦內(nèi)生成的近慣性內(nèi)波(i),在反氣旋渦外生成的近慣性內(nèi)波(ii)傳播的深度更深,從而促進更深層混合
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