南海次级中尺度过程的基本特征和机理研究

Sub-mesoscale processes is ubiquitous in the South China sea (SCS), which plays an important role in the transport of upper-ocean mass and energy, mesoscale variability, air-sea interaction, and climate change. Because of the limitations in the observation and the numerical simulation, the studies on sub-mesoscale processes in the SCS are rare. To data, there is still no systemic research on the characteristics and mechanisms of the sub-mesoscale processes in the SCS. Based on historical cruise measurements, satellite images and numerical simulation, this study intends to investigate the characteristics of sub-mesoscale processes systematically, including its spatial distribution, spacial structure, slope of the wave number spectrum, and seasonal variation. Then, we will examine the horizontal wavenumber spectra and energy cascade over the submesoscale range, and compare it with the theory predictions. Using a high resolution regional ocean model, focused on the typical sub-mesoscale processes, we will analyze the relative importance of the monsoon forcing and mesoscale vortex supplied strong shear to submesoscale processes. Then combined Atmospheric -Marine dynamics theory, we will reveal the dynamical mechanisms for formation and continuation of the sub-mesoscale processes in the SCS.

南海蕴含着丰富的次级中尺度过程。次级中尺度过程对南海及其邻近海域上层海洋的物质与能量输运、中尺度过程变异、海气相互作用、以及气候变化等有重要影响。由于观测和数值模拟等方面的限制，南海次级中尺度过程的研究仍处在初级阶段，研究成果零星，缺乏对其基本特征和产生及维持机制的系统认识。本项目计划利用多年积累的南海航次观测资料，结合卫星遥感数据和数值模拟，分析南海次级中尺度过程的空间分布、空间结构、季节变化规律及其对浮游植物分布的调控；分析波数谱和能量串级在次级中尺度范围的特征，并与理论预测结果进行对比分析；使用高分辨率的区域海洋模式，以南海典型次级中尺度过程为研究对象，定量研究季风强迫和中尺度涡旋提供的变形流场对次级中尺度过程产生和维持的重要性，结合海洋-大气动力学理论,初步阐明南海次级中尺度过程的产生和维持机制。

海洋次级中尺度过程是时空尺度介于中尺度涡和小尺度耗散之间的一类海洋运动，它们在大洋物质输运和能量传递中扮演重要角色。由于黑潮的入侵和脱落，南海广泛分布着中尺度涡旋。 同时，吕宋海峡的潮汐形成强烈的内潮汐，尤其是南海北部。 这些都使得南海具有丰富的平衡和不平衡亚中尺度过程，为潮汐的存在对亚中尺度过程的影响进行数值实验提供了良好的场地。由于现场观测资料的匮乏，目前对次级中尺度过程的生成机制及能量级联作用的认识极为有限，对潮汐过程的次级中尺度效应的更是鲜有研究。本项目将围绕中尺度过程和次级中尺度过程的非线性耦合及其伴随的能量转化和转移，以及潮汐的次级中尺度效应开展研究，以高分辨率数值模拟为手段，配合卫星遥感观测，刻画中尺度和次级中尺度过程的时空特征及其随深度的变化特征，以及两者之间的动能串级，阐明次级中尺度过程的发生和发展机制。. 围绕上述研究目标，本项目基于高分辨率的数值模拟资料，发现中尺度过程和次级中尺度过程都存在显著的季节变化特征，但是中尺度过程的季节变化特征随中尺度及价值的变化而变化，而次级中尺度过程的季节变化特征不随中尺度过程的动力机制变化而变化；在次级中尺度范围同时存在反向和正向的动能串级，即大部分次级中尺度动能反向传递到中尺度范围，只有少部分次级中尺度动能是小尺度传递，并最终耗散掉。此外反向动能动能串级和正向也存在显著的季节变化，但是反向动能串级由于需要与中尺度过程耦合，所以滞后于正向动能串级。次级中尺度动能主要来源于混合层储存的有效位能。潮汐对平非平衡的次级中尺度过程有显著影响，且非平衡的次级中尺度过程和平衡的次级中尺度过程的季节变化特征是反向的。这些成果对加深理解南海多尺度过程能量级联具有重要意义，对改进涡分辨率模式的参数化方案具有重要参考价值。