实验室观测两层斜压不稳定产生亚中尺度涡旋、涡丝过程中的能谱演化

Submesocale structures in the ocean often spontaneously emerge in the mesoscale background during the frontal instability and/or the mixing layer instability. Investigating the generation process of the submesoscale structures is important to understand the forward energy cascade in the ocean. Previous studies showed that the kinetic energy spectrum over the range of submesoscales commonly manifest a scaling law of k to the power of approximately -2 , where k is the wavenumber. However the formation of this -2 spectrum, as the submesoscale structures extracting energy from the mesoscale background, has not been covered before. In this project, laboratory experiment is employed to study the generation of oceanic submesoscale structures by the 2-layer baroclinic instability and the frontogenesis instability. By using the theoretical criterion for the instabilities, the temporal-spatial location of the instabilities could be identified in the experiment. By analyzing the local flow instability in the physical domain and its spectrum evolution in the wavenumber domain, the energy cascade processes contributing to the establishement of the characteristic -2 slope could be identified.

海洋中尺度背景场的锋生不稳定和混合层不稳定会间歇性产生亚中尺度的涡旋和涡丝。研究亚中尺度结构的生成过程对理解海洋能量从中尺度向小尺度串级有着重要的意义。前人研究发现：当不稳定发生后，在亚中尺度波段的能量正比于波数的-2次幂，然而并没有对这一能谱结构的形成过程进行数据论证。本项目利用实验室实验，模拟两层斜压不稳定以及锋生不稳定产生亚中尺度涡旋、涡丝的这一普遍海洋过程，结合多种观测手段定位不稳定发生的时空位置，同步分析物理空间内的局地流场演化和谱空间内的能量串级，展现亚中尺度能谱结构形成过程所伴随的能量串级过程。

海面亚中尺度过程的激发往往伴随着中尺度背景场的破坏以及势能向动能的转换。在层结稳定的理想情形下，海表密度扰动可以驱动流场演化并不断产生锋面，表面准地转模型刻画了这一过程，并且可以反演部分亚中尺度流场信息。本项目通过数值模拟，展现了一个温度异常涡旋自由漂移所驱动的流场演化。通过同步分析流场与能谱的变化，发现涡旋边缘不断生成的涡丝、锋面使得亚中尺度波段的能谱趋于k-2结构，第一次用表面准地转模型验证了前人的观测。同时，考虑了密度梯度造成的beta效应，将Rhines尺度的概念移植到了表面准地转流中，发现其和涡旋漂移速率有关。然而，当剧烈的海面密度扰动导致层结失稳时候，重力不稳定激发亚中尺度的机制显然不符合表面准地转模型。我们通过室内实验模拟了表面蒸发驱动的旋转热对流，研究了其表面流场与密度场的耦合关系。发现热通量驱动的垂直对流在旋转作用下形成了大量对流泰勒柱。在表面，这些泰勒柱表现为气旋式冷涡，被大量暖涡丝包裹。这一特征和表面准地转流场统计特征类似，同时也符合海面亚中尺度涡旋的观测统计。能谱分析指出泰勒柱使得流场准二维化，其正向串级势能源源不断地转换成动能并且逆向串级，与表面准地转运动类似。这意味着表面准地转运动的表观特点可能会延伸到更小的尺度上，在这些尺度上层结不再稳定，而旋转热对流将主导流场运动。