海洋所研究阐明风生近惯性内波深层传播机理
时间 : 2023-10-08     

近日,《物理海洋杂志》(Journal of Physical Oceanography)发表了中国科学院海洋研究所于非团队最新研究成果“Downward Propagation and Trapping of Near-Inertial Waves by a Westward-Moving Anticyclonic Eddy in the Subtropical Northwestern Pacific Ocean”。该成果利用潜标观测研究了西向传播的反气旋涡对风生近惯性内波传播的影响以及它们之间的能量传递,并通过射线追踪模型和理论分析阐明了风生近惯性内波的深层传播机理。

近惯性内波是海洋内部频率接近于惯性频率的一种波动,占据了内波谱中约一半的能量,并存在强的垂向剪切,因此是海洋混合重要的能量来源。已有研究指出,风生近惯性内波向深层传播的过程中,中尺度涡起着至关重要的作用,尤其当风生近惯性内波在反气旋涡内生成时,近惯性内波在涡边缘被反射,从而被捕获并向涡心和深层传播,最终停留在临界层内,该过程被称为反气旋涡的“惯性烟囱”效应。

然而,关于近惯性内波在反气旋涡内传播的临界深度一直存在不同的观点。一些学者认为临界深度可超过上千米,从而促进深海混合(e.g., Jing et al. 2011; Whalen et al. 2018),而一些学者认为反气旋涡内的临界深度较浅,局限在上层~200 m,近惯性能量很难穿透至深海(e.g., Zhang et al. 2018)。因此,有必要理清风生近惯性内波在反气旋涡中临界深度差异的问题。

研究团队基于“科学”号科考船在2017年至2018年布放的潜标观测发现,当风生近惯性内波在反气旋涡外生成且反气旋涡向西运动经过近惯性内波时,近惯性内波也会被反气旋涡捕获,临界深度超过最大观测深度(870米)。结合射线追踪模型发现,在反气旋涡内生成的风生近惯性内波,其临界深度较浅,只有100-300米。进一步通过理论分析发现,近惯性内波到达反气旋涡前,涡度垂向梯度大于0,增大近惯性内波垂向波长,从而加快垂向群速度;而进入反气旋涡内时,涡度垂向梯度小于0,减小垂向波长,从而减慢垂向群速度,最终停留在临界层内。因此,相比在反气旋涡内的风生近惯性内波,反气旋涡外的风生近惯性内波传播深度要更深,从而回答了风生近惯性内波在反气旋涡影响下传播深度差异的问题。

研究还发现,在近惯性内波向深层传播过程中,反气旋涡传递至近惯性内波的能量相当于风强迫生成近惯性能量的71%,对维持临界层内长期存在的近惯性能量具有重要意义(超过40天);而在临界层内,近惯性能量向高频内波能量的正向串级比向平均流能量的逆向串级高1个量级,是反气旋涡内捕获的近惯性内波能量耗散的一个重要途径。因此,该研究促进了在真实海洋中风生近惯性内波的传播特征和能量传递的研究。

论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士后陈子飞,通讯作者为于非研究员以及中国科学院南海海洋研究所陈植武研究员,合作者包括海洋研究所研究员南峰、助理研究员王建丰、工程师任强等,以及浙江大学副教授曹安州。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和LTO开放基金等资助。

文章信息:

Chen Zifei, Yu Fei*, Chen Zhiwu*, Wang Jianfeng, Nan Feng, Ren Qiang, Hu Yibo, Cao Anzhou, and Zheng Tongtong, 2023, Downward Propagation and Trapping of Near-Inertial Waves by a Westward-moving Anticyclonic Eddy in the Subtropical Northwestern Pacific Ocean, Journal of Physical Oceanography, DOI: 10.1175/JPO-D-22-0226.1.

https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/53/9/JPO-D-22-0226.1.xml

1 潜标观测的台风Sanvu生成的近惯性纬向流速(a)、经向流速(b)和近惯性动能(c)

西向传播反气旋涡中近惯性内波传播示意图。在西向传播的反气旋涡中,相对于在反气旋涡内生成的近惯性内波(i),在反气旋涡外生成的近惯性内波(ii)传播的深度更深,从而促进更深层混合

(本文来源于中国科学院海洋研究所官网,科学号信息员封婧改编提供)