水平温差驱动环流的本征振荡规律研究

Global climate change is not only a hot topic of public concern but also one of the many key scientific issues in physical oceanography. For multi-decadal oscillations such as AMO and PDO, however, there is still no acceptable explanation. Observations indicate that this kind of low frequency oscillation may come from the thermohaline circulation, but lacking of sufficient compelling evidence. An equilibrium state of a periodic oscillation will exist if there is an intrinsic restoring force in the system driven by horizontal differential heating. Furthermore, if the existence of such a restoring force does not depend on spatial scale it can be investigated systematically in laboratory. Analysis showed that the horizontal pressure gradient which is related to the fluid velocity and the vertical heat flux acts as the restoring force and it is independent on spatial scales. Therefore, we intend to simulate the intrinsic oscillation of thermohaline circulation in laboratory, measure the dispersion relation of the fluctuations. This study covers cases from the 2D steady non-rotating buoyancy forcing to the 3D unsteady rotating buoyancy forcing. The experimental results will show some new basic attributes of the thermohaline circulation and will lay a solid physical foundation for further theoretical research and will help understanding the low frequency variability of the climate.

全球气候变化不仅是公众关注的热点，也是物理海洋学面临的诸多关键科学问题之一。对于像AMO、PDO这种温盐多年代纪振荡，其产生原因一直无法达成共识。有迹象表明，这种低频变化可能来自于热盐环流，但缺乏足够令人信服的证据。热盐环流是否存在本征振荡，归结为水平温差驱动的环流能否存在一个内在恢复力，使流体处于一个周期振荡的平衡态。特别地，假如这种恢复力的存在不依赖于空间尺度，那么就可以在实验室中对这一过程加以系统研究。分析表明，与流体运动速度及垂直热通量紧密相关的水平压力梯度充当了恢复力的角色，他的存在与空间尺度无关。基于此，本项研究拟在实验室中模拟热盐环流的本征振荡，定量给出这种波动的频散关系以及时空演变规律。研究内容涵盖从非旋转的二维定常浮力强迫到旋转的三维非定常浮力强迫，实验结果将从机制上展现热盐环流的一些新的基本属性，为进一步的理论研究奠定坚实的物理基础，为解释气候低频变异提供一种新思路。

本项目已经按计划完成了各项研究内容，实现了各项目标。总的来说，项目从中尺度涡旋和大尺度热盐环流两个方面开展了研究，取得了如下进展。我们首次发现了表层及次表层中尺度涡旋的三维结构的统一分布规律，并在此基础上研究了中尺度涡旋导致的水体输运，发现了其潜在的重要影响。我们从理论出发，思考了中尺度涡旋的衰减问题，提出了中尺度涡旋通过地转调整衰减的假想，并且得到了观测的验证。在大尺度热盐环流方面，我们利用实验室旋转水平对流实验发现了位势涡度制约对热盐环流的控制作用；发现从位势涡度的角度实验室实验和大洋实际有高度的相似性，从而证明实验室实验这种研究手段的优越性；在此基础上我们进一步发现了实验室实验中水平对流的自然震荡过程，验证了我们对热盐环流的自然变率的理论猜想，这个方面的很多问题还有待在将来的工作中进一步解决。