西北太平洋跨等密度面湍流混合的時空分布特征

西北太平洋跨等密度面湍流混合的時空分布特征

海洋中的等密度間隔文本混合對加熱、水交換、世界氣候和熱鹽循環(huán)強度等因素都有重要影響。因此，研究中的混合時空變化特征及其影響因素具有重要意義。早在20世紀60年代,Munk等(1966)就指出,為了維持深海的層結(jié)結(jié)構(gòu),至少需要大洋平均擴散系數(shù)為10–4m2/s。但是隨后的觀測實驗發(fā)現(xiàn)遠離邊界的大洋內(nèi)區(qū)的擴散系數(shù)僅為10–5m2/s(Gregg,1987;Ledwelletal,1993)。直至上世紀90年代之后,在海底地形粗糙的海山(Luecketal,1997)、海脊(Polzinetal,1997)、峽谷(Carteretal,2002)等處觀測得到了強擴散系數(shù),可達O(10–4m2/s)甚至更強。海洋內(nèi)部混合主要由內(nèi)波破碎導致,而除了正壓潮流與粗糙地形相互作用激發(fā)的內(nèi)潮外,海表面風應(yīng)力是內(nèi)波場的另一個重要能量來源,因此風輸入到海洋中的能量隨時間的變化將導致混合的變化。已有研究發(fā)現(xiàn)上層海洋混合存在明顯的季節(jié)變化,而且與海表面風應(yīng)力密切相關(guān)(Jingetal,2010,2011;Wuetal,2011)。但在不同海區(qū),風應(yīng)力的影響深度有所差異,如在西太平洋137°E斷面上為300—1500m(Jingetal,2010),在副熱帶西北太平洋的呂宋海峽及黑潮源地為300—600m(Jingetal,2011),在夏威夷島附近為300—600m(荊釗,2012),在南極繞極流區(qū)域是1000—2000m(Watermanetal,2013)。由于西北太平洋海區(qū)地形復雜,而且有大量的風生近慣性能量輸入(Alford,2001),因此海洋混合必將具備一定的空間分布特征,同時,上層的湍流混合也將隨風應(yīng)力存在一定的季節(jié)變化。為此,本文利用歷史水文觀測剖面資料,基于細尺度參數(shù)化方法研究該區(qū)域的跨等密度面湍流混合的時空特征,以及風應(yīng)力對上層海洋混合的影響深度。1數(shù)據(jù)和方法1.1海底地形特征參數(shù)的計算本文采用日本海洋數(shù)據(jù)中心(JODC)提供的高分辨率CTD剖面資料,選用空間區(qū)域135°—180°E、25°—45°N,且采用資料較多的時間段2000—2007年。經(jīng)過質(zhì)量控制后,只取采樣深度超過600m的剖面,得到共計8609個站位,站位分布如圖1。由于剖面數(shù)據(jù)的垂向分辨率小于2m,因此統(tǒng)一將溫度、鹽度垂直插值到2m間隔以便于湍流混合的計算分析。同時,采用了美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)2006年發(fā)布的全球海底地形數(shù)據(jù)ETOPO2v2來計算地形粗糙度,該數(shù)據(jù)空間分辨率為2′×2′,本文取1/3°×1/3°網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的地形高度的方差(Kunzeetal,2006)。定義平坦地形為粗糙度小于1.0×105m2,而粗糙地形則為粗糙度大于1.0×105m2。這一臨界值的選取參考了研究區(qū)域總體地形粗糙度以及各站位所在位置的平均地形粗糙度(圖3—4),而且臨界值的微小變動不影響本文的分析結(jié)果。此外,為了計算風生近慣性能量,采用了海表面風應(yīng)力和混合層深度數(shù)據(jù)。其中,風應(yīng)力數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預報中心和國家大氣研究中心再分析資料(NCAR/NCEP),時間分辨率是6小時,而混合層深度數(shù)據(jù)采用的是來自Levitus94數(shù)據(jù)集的氣候態(tài)月平均資料。1.2內(nèi)波破碎引發(fā)的擴散系數(shù)海洋內(nèi)部的擴散系數(shù)與耗散率是研究混合的兩個有效參量。內(nèi)波間的相互作用不斷地將能量從大尺度向小尺度傳播,內(nèi)波破碎引發(fā)湍流混合,基于這一思想,可將細尺度上的由內(nèi)波引起的垂向剪切及應(yīng)變與擴散系數(shù)及耗散率聯(lián)系起來(Greggetal,2003;Kunzeetal,2006),因此擴散系數(shù)被參數(shù)化為:1.3u3000通過線性范圍直接估計風生近慣性能量是上層海洋中內(nèi)波場的重要能量來源。風輸入到混合層中的近慣性能量可以通過海表面風應(yīng)力與混合層流速直接計算得到,但是由于混合層速度不易獲得,本文采取Pollard等(1970)提出的一個slab模型,直接利用風應(yīng)力資料和混合層深度來計算風生近慣性能量。對于混合層內(nèi)流速分量u和v,D’Asaro(1985)得到其控制方程為:本文先將時間分辨率為6小時的風應(yīng)力數(shù)據(jù)插值到8分鐘的時間格點上,再將控制方程進行傅立葉變換,從而得到頻域的解為:由于當慣性頻率f接近或超過NCEP風場的Nyquist頻率(2cpd)時,由以上方法計算的能量通量將偏小,因此本文在緯度高于40°的區(qū)域進行了修正。參考Alford(2003),取修正系數(shù)uf061在40°N處為1,在70°N處為0.5,將其在40°—70°N之間進行線性插值,得到修正的能量通量為(47)/uf061。最后,將計算的能量通量進行日平均后再進行分析。2結(jié)果與分析2.1海洋經(jīng)向非均質(zhì)性分布的特征西北太平洋的地形較為復雜,日本以南140°E處有伊豆-小笠原海脊,水深僅1000m,而日本群島以東是一狹長的水深超過8000m的日本海溝,其東側(cè)則是地形較為平坦的大洋內(nèi)區(qū),水深約6000m,只有165°E和170°E附近水深較淺約3000m(圖1)。西北太平洋地區(qū)的地形起伏變化明顯,同時,跨等密度面的混合也呈現(xiàn)顯著的空間變異。計算觀測站位所處位置的地形粗糙度及300m以深垂直平均的耗散率,結(jié)果如圖3所示。可以看到,耗散率在日本近岸的海溝附近較大,尤其是在日本以南的伊豆–小笠原海脊處最大,而在日本以東的大洋內(nèi)區(qū)較小(圖3b),這一空間分布與地形粗糙度的空間分布(圖3a)相似。在地形粗糙的區(qū)域,耗散率達到O(10–8m2/s3),而在地形平坦的區(qū)域,耗散率僅O(10–11m2/s3)。該結(jié)果與Whalenetal(2012)利用全球ARGO資料計算的結(jié)果一致(參考其圖1)。進一步地,計算了該區(qū)域經(jīng)向平均的背景浮力頻率、耗散率及地形粗糙度,如圖4所示。伴隨著背景層結(jié)隨深度增加而減弱,耗散率也明顯地隨深度增加而衰減,上層達O(10–8m2/s3),而深層僅O(10–11m2/s3)。耗散率的這一垂直分布與Kunze等(2006)利用太平洋海區(qū)CTD數(shù)據(jù)計算的結(jié)果一致。另外,在上層海洋,背景浮力頻率隨經(jīng)度先減小,至145°E附近后再增大;而在1500m以深,尤其是在1500—4000m,浮力頻率隨經(jīng)度的變化不再明顯。相反地,耗散率與背景層結(jié)的這一空間變化明顯不同(圖4b)。在142°E附近的伊豆-小笠原海脊處,地形變化最為劇烈,粗糙度超過106m2,相應(yīng)的耗散率超過10–8m2/s3。而在173°E,30°N附近,地形也較為粗糙,起伏方差達6×105m2,相應(yīng)的耗散率接近10–9m2/s3。垂直平均的耗散率隨經(jīng)度自西向東存在一個減弱的趨勢(圖4c)?？傮w上,垂直平均的耗散率與地形粗糙度的變化有很好的一致性,兩者之間的相關(guān)系數(shù)達0.71,超過95%顯著性檢驗。例外的地方是在137°E附近,地形雖然較為平坦,但耗散率很強,可達到10–8m2/s3。Qiu等(2012)在分析西北太平洋中的137°E斷面上的跨等密度面湍流混合時,同樣發(fā)現(xiàn)在25°—29°N區(qū)間地形較為平坦而混合較強,并指出這是由次諧波不穩(wěn)定性導致。而對于耗散率的經(jīng)向差異,主要是由于西部的伊豆–小笠原海脊是西北太平洋的一個重要的半日潮生成區(qū),而內(nèi)潮與地形相互作用將引起強混合(Niwaetal,2001;Simmonsetal,2004)。根據(jù)St.Laurent等(2002),內(nèi)潮能量可以輻射的空間尺度達O(1000km),因此在伊豆-小笠原海脊東西兩側(cè)約5°范圍內(nèi)的混合依然很強。另外,從圖4b也可看出,地形對混合的影響可至海底之上2000—3000m,尤其是在伊豆-小笠原海脊附近。Kunze等(2006)在全球若干海區(qū)包括日本以南都發(fā)現(xiàn)近海底的強混合可向上延伸至主溫躍層,而這些海區(qū)都具有粗糙的地形及較強的近海底流?？紤]到黑潮延伸體強流流經(jīng)此處,因此這里由海底至上層的強混合除了由內(nèi)潮維持之外,很可能與黑潮延伸體與粗糙地形相互作用有關(guān)。2.2海洋混合負荷與風生近慣性能量的關(guān)系除了內(nèi)潮與地形的相互作用,風生近慣性能量也對維持海洋內(nèi)部的混合有重要意義。風應(yīng)力使得在海表面混合層內(nèi)產(chǎn)生近慣性流,一部分能量在表層耗散掉,另一部分能量以近慣性內(nèi)波的形式向下傳播從而影響海洋深層的湍流混合(Nagasawaetal,2000;Zhaietal,2009)。已有研究表明,風應(yīng)力對于海洋混合的季節(jié)變化有明顯作用,但在不同海區(qū)存在不同的影響深度(Jingetal,2010;荊釗,2012;Watermanetal,2013)。為此,本節(jié)將研究風應(yīng)力影響深度在西北太平洋海區(qū)的空間分布。為研究風應(yīng)力對湍流混合的影響,首先應(yīng)盡量去除地形的影響,因此根據(jù)上一節(jié)的分析結(jié)果,本文選取地形平坦的區(qū)域且距離海底4000m的剖面數(shù)據(jù),最終得到2833個剖面資料。首先從能量平衡的角度看,在西北太平洋區(qū)域,平均風生近慣性能量為1.8×10–3W/m2,而在平坦地形處,300—600m與300—1800m垂直積分的耗散率分別為7.6×10–4W/m2,1.8×10–3W/m2,與風輸入該海區(qū)的能量相當。這一結(jié)果意味著在西北太平洋海區(qū),風輸入能量對于維持上層海洋混合具有重要作用,但是風對混合的影響深度仍不清楚。為此,本文將研究區(qū)域劃分為6個子區(qū)域(圖1),每個子區(qū)域的觀測剖面?zhèn)€數(shù)分別為359、206、201、441、1054、572,可以保證每個子區(qū)域都有足夠的剖面資料用來研究混合隨時間的變化及風應(yīng)力的影響深度。在每個子區(qū)域,對每一深度的耗散率,先計算其區(qū)域平均,再計算其季節(jié)平均(本文取春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—10月,冬季為12—2月,因此2000—2007年共得到32個數(shù)據(jù))。同樣地,計算相應(yīng)區(qū)域平均的風生近慣性能量的季節(jié)變化,然后分析兩者的相關(guān)性,得到每個區(qū)域耗散率與風生近慣性能量相關(guān)系數(shù)的垂直分布,結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹?除了子區(qū)域VI外,其余5個子區(qū)域的相關(guān)系數(shù)在上層都比較顯著,直到到達某一深度后,相關(guān)性不再明顯,將這一深度定義為風應(yīng)力的影響深度。得到在五個子區(qū)域I—V中,風應(yīng)力對上層海洋中混合的影響深度分別為620m,940m,940m,1740m,1420m。其中,日本以南伊豆-小笠原海脊以西的子區(qū)域I的影響深度最淺僅620m,而日本東南的子區(qū)域IV的影響深度最深達1740m,沿著日本海溝的子區(qū)域II和III的影響深度均為940m,日本海溝以東的子區(qū)域V的影響深度也較深為1420m。對于子區(qū)域VI,海洋上層的耗散率與風生近慣性能量的相關(guān)關(guān)系較弱,而在940m處存在一顯著相關(guān),意味著在大洋內(nèi)區(qū),上層海洋混合的季節(jié)變化除了受風應(yīng)力影響之外還受其它因素的調(diào)制。對每個子區(qū)域中風應(yīng)力影響深度以內(nèi)的耗散率取垂直平均(對子區(qū)域VI,取940m以淺),再將其與風生近慣性能量進行線性擬合,結(jié)果如圖6所示。同樣可以看到,除了大洋內(nèi)區(qū)的子區(qū)域VI外,季節(jié)平均的耗散率與風生近慣性能量存在很好的一致性,相關(guān)系數(shù)最小0.57,最大0.75,均超過95%顯著性檢驗。同時,線性擬合系數(shù)存在一定的空間差異,在風應(yīng)力影響深度最大的子區(qū)域IV,擬合系數(shù)最小為0.10,意味著風應(yīng)力對上層海洋混合季節(jié)變化的影響程度較小,而在日本近岸的子區(qū)域I—III,擬合系數(shù)最大達0.17,說明該地區(qū)的風應(yīng)力對混合的影響較大。在大洋內(nèi)區(qū),垂直平均的耗散率與風生近慣性能量之間相關(guān)性很弱僅0.38,略超過95%顯著性水平,兩者之間的線性擬合關(guān)系較不明顯,而且擬合系數(shù)遠小于其它區(qū)域。這些結(jié)果進一步證實了在西北太平洋區(qū)域,風應(yīng)力對上層海洋混合具有重要的影響作用,其影響深度最淺620m,最深可達1740m。特別地,在大洋內(nèi)區(qū),上層海洋混合雖然也存在明顯的季節(jié)變化,但與風生近慣性能量的相關(guān)性較弱,意味著混合還受到其它因素的影響。3海洋混合過程中,內(nèi)潮與地形相互作用本文利用歷史水文觀測剖面資料,基于細尺度參數(shù)化方法,分析了西北太平洋海區(qū)跨等密度面湍流混合的空間分布特征及風應(yīng)力的影響深度,結(jié)果表明:耗散率的空間分布與地形粗糙度相似,在地形粗糙的區(qū)域,如日本海溝、伊豆-小笠原海脊處,垂直平均的耗散率達到O(10–8m2/s3),而在地形平坦的大洋內(nèi)區(qū),垂直平均耗散率僅O(10–11m2/s3)。耗散率呈現(xiàn)自西向東遞減的趨勢。在地形粗糙的伊豆-小笠原海脊附近,東西約5°的范圍內(nèi),耗散率普遍較強。由于伊豆-小笠原海脊是西北太平洋一個重要的半日潮生成地,而內(nèi)潮能量的輻射距離可達O(1000km),內(nèi)潮與地形之間的強相互作用使得混合增強(Niwaetal,2001;St.Laurentetal,2001;Simmonsetal,2004)。海脊以西137°E處平坦地形上的強混合則是由次諧波不穩(wěn)定性導致(Qiuetal,2012)。此外,由于黑潮延伸體強流與粗糙地形相互作用,地形對混合的影響向上可達2000—3000m(Kunzee