深层斜压环流基本规律的实验研究

Planetary β has been considered important for determining distribution of potential vorticity (PV) in the world’s oceans, and is essential for the theoretical understanding of the wind-driven circulation. However recently, observational analysis shows that in the deep North Atlantic basin, instead of being zonally oriented as ruled by the β effect, PV contours are aligned with the western boundary, especially in extra-tropical regions. Meanwhile, the resulting abyssal circulation in our previous laboratory experiments on rotating horizontal convection, which did not consider β effect at all, demonstrates surprisingly similar features of PV distribution to the real ocean. This seemingly weird similarity between lab results and ocean reality suggests that the potential significance of another factor, the one we called “baroclinic” PV and relates to elevation of density surfaces, to PV distribution and hence abyssal circulation. We hypothesize that for thermohaline circulation, which is certainly strongly baroclinic, the interface elevation may make a bigger contribution than planetary β effect, and dominates PV. To verify this hypothesis, we propose here an experimental study, which, based on the classical one-layer source-sink driven circulation in a “pie-shaped” rotating tank performed by Stommel and his colleagues more than half a century ago, investigates the “baroclinic” PV gradient, the β effect, and its relative relation to the source-sink driven flow in a two-layer fluid.

一直以来行星β被认为是海洋位势涡度（PV）分布的重要特征，在风生环流理论中占重要位置。然而最近对观测资料的分析表明北大西洋深层中高纬度地区的等PV线并不是依照β效应沿纬向分布，反而在西边界附近沿经向延伸。更令人意外的是，我们前期利用旋转水平对流实验模拟的热盐环流虽然不具备β效应，却具有极为相似的PV分布特征。大洋实际和实验结果显示的这种看似“矛盾”的相似性启发我们思考之前研究中一直被忽略的“斜压”PV梯度（即由密度面起伏造成的PV分布）与β效应的相对关系及其对热盐环流的影响。我们猜测热盐环流由于具有明显的斜压特征，所以与之相关的“斜压”PV梯度在很多区域强于β效应，主导PV分布进而控制环流。为了验证这一猜想，我们以Stommel经典一层源汇实验为雏形，研究两层源汇驱动的流动中“斜压”PV与β效应及环流三者的关系，并以此为切入点研究“旋转”与“层结”影响下三维热盐环流的建立和变化机理。

热盐环流是决定海洋中能量和物质输运和分布的主要力量，直接影响整个气候系统的稳定和变化。然而由于其庞大和复杂性，尽管已有长期的研究历史时至今日很多基本问题仍然悬而未决，大大阻碍我们了对未来气候变化趋势的合理预测。本项目以热盐环流对地形尤其是海脊的依赖为主要研究内容，以多尺度海气相互作用与热盐环流的关系为入手点，取得了以下具有创新性的，处于国际研究前沿的成果。1、我们利用实验室实验首次发现具有热盐属性的深层西边界流不但出现在西边界，也出现在经向海脊的西侧，并会随着海脊高度的变化而升降；同时海脊之上的海域还会伴生强劲的沿等密度面的水平环流，如风生环流一样会对上层海洋的物质能量输运产生重要影响。2、我们明确提出海面强风暴对海洋涡旋的扰动可以使其偏离地转平衡，同时中尺度能量以惯性重力波的形式向外发射，造成深层海洋混合能量的提高，从而对热盐环流的平衡和变化有深远影响。3、我们以经典理论为基础厘清风场通过与海洋中尺度涡旋相互作用进而影响热盐环流和气候的机制。在这项工作中我们取得的一系列成果在整个物理海洋学领域都属首次，包括1）强风场造成海洋涡旋能量的剧烈衰减；2）强风场造成两类涡旋的相对强弱变化；3）涡旋相对强弱变化导致大尺度平均流的变化以及对气候的影响。1）和2）是从观测出发发现的新过程和新特征。3）是在经典湍流Sverdrup关系的基础上对涡-流相互作用机制的重要突破。这项工作纠正了被广为接受的对涡-流相互作用机制的错误理解，部分成果以研究长文的形式在Science上发表。