南海潮致混合估算及其对深层水团和环流的影响研究

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南海是西北太平洋最大的半封闭边缘海,具有多尺度海洋动力过程。吕宋海峡是南海与太平洋的唯一深水通道,也是全球内潮能量最丰富的海区之一。然而,目前关于南海和吕宋海峡的潮致混合与深层水团和环流,以及海洋模式的潮致混合方案等方面的研究工作仍比较匮乏,因此开展这些问题的相关研究对于丰富该海区的认识以及改进现有区域模式都具有重要的科学意义和应用价值。本文同时考虑局地和非局地内潮的贡献,对南海和吕宋海峡的潮致耗散和潮致混合过程及其对该海区深层水团分布及环流结构的影响及动力机制进行了综合研究。  本文基于内潮模拟与垂向积分能量收支分析,估算了整个南海和吕宋海峡区域的潮致耗散率和潮致混合跨等密度面扩散率的三维气候态分布。能量收支分析揭示,主导南海内潮能量耗散的不是局地生成内潮,而是吕宋海峡辐射的非局地内潮,其影响主要包括为南海局地输入大量内潮能量以及改变南海局地的正压潮向内潮能量转化。最强的潮致混合发生在吕宋海峡两海脊附近,扩散率达到O(10-2)m2 s-1。南海北部大陆边缘和深水海盆的扩散率分别达到O(10-4-10-3)m2 s-1和O(10-3-10-2)m2 s-1。南海中南部海盆大部分区域的潮致混合强度比北部海盆小1-2个量级,沿岸浅水区的潮致混合强度远远弱于深水海盆区域。本文估算结果与前人微结构观测和细尺度估算结果一致,比只考虑局地潮致混合的参数化方案的估算结果至少高1个量级,为南海区域环流模式提供了更加可靠和准确的跨等密度面扩散系数。  基于南海区域三维环流模式,利用本文估算的三维跨等密度面扩散系数,开展了一系列不同潮致混合方案的数值实验。结果显示,南海和吕宋海峡潮致混合的共同影响可以维持贯穿吕宋海峡的深层高密度梯度,增强整个南海深层水平密度梯度;从而驱动吕宋海峡深层更多的水体输运,南海深层更强的水平环流和垂向循环以及更多向上的水体输运,且形成次海盆尺度气旋式涡。南海和吕宋海峡潮致混合的各自影响有所不同,单一区域的潮致混合只能维持其上游区域和局地区域之间的深层密度梯度;对于南海深层水平密度梯度、水平环流和垂向循环,南海潮致混合起到增强作用,而吕宋海峡潮致混合起到减弱甚至逆转作用。位涡积分约束揭示,吕宋海峡深层水体输运是驱动南海深层海盆尺度气旋式环流的动力机制之一。能量收支分析揭示,潮致混合可增强南海深层次海盆尺度涡旋的平均有效位能向平均动能的转化以及平均动能向扰动动能的转化,导致平均动能和扰动动能的显著增加,并且南海深层北边界流的强变异所导致的正压和斜压不稳定可能是深层次海盆尺度涡旋形成和发展的热动力机制之一。采用南海和吕宋海峡潮致跨等密度面扩散系数的模拟结果与前人的水文观测和理论诊断更加接近,因此潮致混合方案有效提高了南海区域环流模式的深层模拟能力。
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