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搅拌(stirring)是海水混合的重要组成,其尺度大于分子扩散尺度,可看作小尺度的剧烈平流现象。搅拌作用的强度可由基于拉格朗日观点的有限时间李亚普诺夫指数(Finite Time Lyapunov Exponents,FTLE)衡量。FTLE计算的是空间某位置处的流体质点与其极小距离邻域内质点的相对距离在限定时间范围内的平均变动率。本文利用卫星高度计资料,统计分析2002-2011十年间南海[105°-122°E,5°-25°N]地转流场的FTLE时空分布和变化特征。结果显示,FTLE在越南东南海域强度最大,对应水平搅拌作用最强;而在南海西北、东南区域值偏低。近十年的南海水平搅拌呈缓慢增强趋势,且存在明显的季节变化,夏秋季较强而春季偏弱。
本文基于拉格朗日流场观点的FTLE与基于欧拉动力诊断的EKE(Eddy KineticEnergy,涡动能)和应变速率(Strain Rate)进行空间关联比较,结果表明,三者具有非常类似的空间分布。强搅拌作用的区域,其EKE,应变速率亦较高。且三者间存在一定拟合关系,拟合方程参数与FTLE计算时积分时间长度有关。另一方面,FTLE空间分布的脊线结构代表了流场中的稳定和不稳定流形,表现为流体运输的通道/壁垒作用,能精确地将流场中不同运动性质的子系统区分出来。这使得我们可以用FTLE来识别流场中各中小尺度几何结构,如涡旋、锋面,甚至更细微的不规则射流、涡丝等。对涡旋结构的识别表明,相比常用的欧拉动力参数Okubo-Weiss,空间表现为相互连接的椭圆脊线和流丝结构的FTLE具有更精确的涡旋揭示能力。由于FTLE计算不仅包含空间信息,亦包含时间积分信息,故放大了原始流场中的空间质点速度差别信息。结合生态要素遥感SST和海表叶绿素作为示踪物,进一步证实了FTLE对流场几何结构的揭示能力,其脊线结构能非常出色地探测到SST锋面或海表叶绿素分布的扩散衰减。甚至能表现出高于高度计分辨率的流场空间布局的揭示能力。