对一个表面准地转涡旋在Beta平面自由漂移的模拟研究

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上层海洋运动受到表面浮力通量的驱动且蕴含丰富的亚中尺度结构,然而传统的准地转(Quasi-Geostrophic,QG)模型并不考虑这一边界条件。因此Blumen(1978)提出了表面准地转(Surface Quasi-Geostrophic,SQG)模型,其刻画了海面浮力异常驱动的地转运动。相比于海洋内区涡度驱动的QG运动,浮力驱动的SQG流场富含亚中尺度结构,同时,遥感发现海面流场在中尺度波段也符合SQG湍流的统计特征。因此SQG模型可以一定程度地解释上层海洋亚中尺度结构生成机制。海洋能量主要以势能形式储存在宏大的水团中。由于太阳辐射的纬向分布不均匀以及行星beta效应,大尺度水团大致沿纬向分布。水团交界处的纬向锋面通过斜压不稳定等机制将势能其转化为动能,产生大量中尺度、亚中尺度涡旋、涡丝。在横穿锋面的南北方向,水团密度差会造成强烈的密度梯度。对于新生成的SQG涡旋而言,这一背景密度梯度可以近似认为是准定常的。鉴于SQG流场中表面浮力异常驱动随体守恒,密度梯度起到了beta效应的作用,使得任意扰动都能激发罗斯贝波。然而前人对SQG流场中的beta效应的鲜有研究。本文将基于理想数值模型模拟研究beta平面上一个SQG涡旋的漂移过程,分析流场演化过程中能量在不同尺度之间的串级及其对于相关参数的敏感性。通过一系列数值实验,本研究发现:在涡旋漂移的初始阶段,涡旋是以其激发的罗斯贝波速向西漂移,速度大小约为每秒几厘米。在此过程中涡旋尾部会不断通过剪切不稳定产生细长的涡丝,这些涡丝卷曲后进一步形成小涡旋。涡旋动能通过这一机制正向串级到小尺度,形成k-2结构的能谱。该结果符合前人对海洋亚中尺度波段能谱的观测。通过分析能谱重心的演化,发现强beta效应有利于对初始阶段的能量正向串级。这是由于强beta效应使涡旋迅速远离涡丝等小尺度结构,后者由于不被涡旋裹挟,被更好地保留了下来。
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