地形诱导下亚中尺度过程生成机制研究

As a bridge between meso- and micro-scales, submesoscale processes are a key link in ocean multi-scale dynamical processes, which make significant contribution to ocean energy and material transports. It has been revealed that submesoscale processes are very active in ocean areas with complex topography such as islands, indicating that topography is an important factor to induce the generation of submesoscale processes. However, the physical mechanisms that how topography induces submesoscale processes are still unclear. It can be inferred that the generation of submesoscale processes should have a tight relationship with the background dynamical environment and topography features. Based on models of ideal island and Dongsha Islands, this project will utilize model simulation and laboratory experiment to analyze the quantitative relationship between the generation of submesoscale processes and the background parameters such as background current, stratification, Coriolis parameter, topography scale and slope, and reveal the generation mechanisms, energy sources and quantitative contribution to ocean forward energy cascade of submesoscale processes under topography inducing. Based on the research above, this project aims to solve the key scientific question of the key factors and their mechanisms for modulating the generation of submesoscale processes under topography inducing. This work will deepen our understanding of submesoscale dynamical features, and provide ideas for the development of a complete parameterization scheme of submesoscale processes.

作为衔接中、小尺度的桥梁，亚中尺度过程是海洋多尺度动力过程中的关键环节，对海洋能量和物质输运具有重要贡献。相关研究表明，地形是亚中尺度过程生成的重要诱导因素，岛屿等地形复杂海区往往存在着十分活跃的亚中尺度过程。然而地形诱导下亚中尺度过程生成的具体物理机制目前仍不明确。可以推测，地形诱导下亚中尺度过程的生成必然与背景动力环境和地形特征有着密切关系。基于理想岛屿和东沙群岛模型，结合数值模拟和物理模型实验等研究手段，本研究将统计分析亚中尺度过程生成与背景物理参量诸如背景流强度、层结强度、科氏参数、岛屿地形尺度和坡度等因素之间的定量关系，揭示岛屿地形诱导下亚中尺度过程生成机制、能量来源及其对能量正级串的贡献，从而解决岛屿地形诱导下亚中尺度过程生成的关键调控因子和调控机制这一关键科学问题。这一研究将有助于深化我们对于亚中尺度过程动力学特征的认识，从而为亚中尺度过程完备的参数化方案的研发提供思路。

海洋亚中尺度过程是串联中、小尺度的纽带，对海洋能量串级、物质输运有着重要贡献。针对海洋亚中尺度过程的时空特征、动力学特征的研究在深化多尺度动力学认识的同时，也将推动模式参数化研究和气候模式的发展。本研究基于现场观测资料、卫星反演数据和高分辨率海洋模式数据，对海洋亚中尺度过程开展了覆盖其生成机制、能量串级、物质输运和参数化等多个维度的研究，主要研究成果如下：（1）在生成机制方面，揭示了岛屿诱导亚中尺度涡旋的演变规律及其耗散，并指出了平均切向速度垂向剪切诱导的湍流输运对涡动能的耗散作用，给出了混合层不稳定和对称不稳定空间尺度和活跃性的全球分布。（2）在亚中尺度能量串级方面，阐明了混合层不稳定能量逆向串级对亚中尺度季节变化的调制作用，并估算了对称不稳定能量正向串级对风能输入的耗散效果。（3）在亚中尺度热量输运方面，针对南海北部陆架区亚中尺度锋面定量计算了亚中尺度过程对跨陆架热量输运的作用。（4）在亚中尺度参数化方面，对已有的对称不稳定参数化方案进行了部分优化之后，将其应用到区域海洋模式CROCO中，并开展了对称不稳定参数化方案应用评估研究。上述研究成果深化了对亚中尺度动力机制、能量串级认识，并可为未来旨在分辨亚中尺度的观测和模型在分辨率的选择方面提供指导，而参数化方面的研究将推动海洋高分辨率模式的优化和发展。