《中国科学院海洋研究所研究发现全球斜压不稳定的类型分布及其与次表层涡的关系》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2021-03-22
  • 中尺度涡在海洋中随处可见,其携带了约90%的海洋动能,在经向物质和能量输运中占据重要地位。研究发现,中尺度涡的种类丰富,除了在表层旋转速度最大的表层涡旋,还有在次表层旋转速度最大的次表层涡旋。然而,对于不同结构涡旋的全球分布特征未有清楚的认知。斜压不稳定是中尺度涡旋最主要的生成机制,针对斜压不稳定的研究对理解不同结构涡旋的生成机制和分布规律具有重要意义。

    中国科学院海洋研究所王凡团队通过线性稳定性分析得到了全球大部分海区的斜压不稳定特征,并将其归纳为四种类型:表层和底层强、中间弱的类Eady型;表层最强,向底层递减的类Charney型(Charney_s);底层最强,向表层递减的类Charney型(Charney_b);次表层最强,向表层和底层递减的类Phillips型。

    类Eady型主要分布在南极绕极流主轴和北半球高纬度区域;Charney_b型零星分布在Eady型周围;Charney_s型分布最为广泛,遍布全球大部分区域,集中在副热带(10°–35°)区域;类Phillips型则主要分布在低纬度(5°–20°)及黑潮以南、秘鲁智利以西和北大西洋中高纬度区域。

    不同类型形成机制不同,可以发展形成不同种类的涡旋。进一步研究发现,类Phillips型不稳定与观测到的次表层涡旋在空间位置上重合度极高,同时前者的临界层深度(约等于最大旋转流速所在深度)与次表层涡旋的核心深度也具很高的一致性。因此,类Phillips型不稳定的研究对于次表层涡旋的研究有启发性意义。其他不稳定类型的全球分布对预测不同种类涡旋的全球分布也具有重要指导作用。

    上述研究成果发表在《Journal of Geophysical Research: Oceans》上,论文除了阐释上述类型的分布规律外,还阐释了其发生机制以及全球不稳定波的波动形态特征。该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委等项目资助。

    相关成果及链接如下:

    Ling, Feng, Chuanyu, Liu, Armin K?hl, Detlef Stammer, & Fan Wang (2021). Four types of baroclinic instability waves in the global oceans and the implications for the vertical structure of mesoscale eddies. Journal of Geophysical Research: Oceans, 126 (3), 1-24, e2020JC016966. https://doi.org/10.1029/2020JC016966

  • 原文来源:http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202103/t20210312_5974124.html
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    • 近日,中国科学院海洋研究所王凡团队在全球斜压不稳定类型的季节变异规律及其机制研究上取得新进展,相关成果在学术期刊Journal of Geophysical Research: Oceans发表。 此前,团队已发现全球四种类型斜压不稳定分布特征,分别是表层和底层加强的Eady型,表层加强且向底层减弱的Charney_s型,底层加强且向表层减弱的Charney_b型和次表层加强且向表层和底层减弱的Phillips型。其中,Charney_s型和Phillips型不稳定在全球占比约80%,可以分别发展形成海洋中常见的表层涡旋和次表层涡旋,对全球海洋物质和能量输运起着重要作用。 由于次表层观测数据匮乏,对于次表层涡旋的变异规律知之甚少,因此研究斜压不稳定(尤其是Phillips型不稳定)的时间变异规律有重要指示意义。团队基于季节气候态温盐和流速数据,计算了四个季节的全球斜压不稳定,发现不稳定类型有显著的季节变异。在黑潮延伸体和湾流区域,冬季由表层加强的Charney_s型不稳定主导,夏季则由次表层加强的Phillips型不稳定主导,春秋两季,两种不稳定平分秋色。上述季节变异主要是由层结的季节变异引起的。在热带-副热带区域,Charney_s型和Phillips型不稳定存在清晰的分界线,该分界线在冬季和春季向赤道移动,在夏季和秋季向极地移动;分界线的季节性移动主要是由于平均流的季节性摆动,层结的作用比较小。不同于上述两个区域,在高纬区域,如南极绕极流区,不稳定类型几乎没有显示出季节变化。进一步研究了上述三个主要区域的斜压能量转换率(平均有效位能转化成涡旋有效位能),发现了与不稳定类型季节变异特征一致的季节变化规律。 该研究由第一作者中国科学院海洋研究所冯岭博士、通讯作者刘传玉研究员和王凡研究员,以及德国汉堡大学的Armin K?hl博士共同完成。研究得到了国家自然科学基金项目、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。 最新相关成果链接:https://doi.org/10.1029/2022JC018572 前期相关成果链接:https://doi.org/10.1029/2020JC016966
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    • 近日,中国科学院海洋研究所王凡团队刘传玉研究组携手加州大学洛杉矶分校James C. McWilliams教授,在全球海洋上层亚中尺度斜压不稳定方面提出新的理论认知,在美国地球物理学会权威期刊Journal of Geophysical Research: Oceans发表系列研究成果。 亚中尺度运动,水平尺度约为 1–10 公里,广泛分布于上层海洋,是大尺度平衡动力过程与小尺度非平衡湍流之间的重要中介。这类运动的形态复杂,既包括准地转动力学主导的亚中尺度斜压不稳定和涡旋,也包括由非地转机制驱动的锋生、对称不稳定等现象,准确理解亚中尺度动力过程及其影响,是当前物理海洋学研究的重要前沿方向。 在该系列的第一篇论文中,团队提出了海洋上层斜压不稳定主要由Charney型不稳定主导的观点,并给出了不稳定特征垂向尺度的定义方法。基于季节气候态WOA23(World Ocean Atlas 2023)数据集,采用线性稳定性分析方法,系统分析了上层海洋Charney型亚中尺度斜压不稳定(C-SBCI)的扰动生长率、水平尺度与垂向结构特征,指出C-SBCI 具有典型的表层强化、随深度衰减的振幅分布特征,但衰减范围不仅仅局限于混合层之内;进一步通过准地转位涡梯度的垂向分布特征,提出了一种定义和量化了 C-SBCI 的特征垂向尺度(Charney depth)的方法。通过将 Charney depth与混合层深度(MLD)进行比较,发现全球约 20% 的 C-SBCI 能够穿透混合层并影响更深层的海洋内部。这一发现突破了传统的混合层斜压不稳定(MLI)主要以Eady型为主导、并局限于混合层之内的认知(图1),为深入理解亚中尺度能量输运和物质通量提供了新的科学依据。 在该系列的第二篇论文中,团队揭示了与C-SBCI相关的斜压能量分布规律与转化过程,并提出了C-SBCI特征时空尺度的量化方案。研究表明,C-SBCI引起的侧向和垂向涡旋浮力通量变化主要集中在 Charney depth之上,表明该过程主要依赖于 Charney depth 之上的背景斜压结构,并将该层次的有效位能转化为涡动能。进一步提出了一套基于背景海洋状态估算C-SBCI 的生长率、水平尺度以及传播速度的计算方案,并利用WOA23数据刻画了上述参数的全球分布及季节变异特征。该成果不但加深了对上层海洋亚中尺度不稳定引起的能量转移过程的理解,还为海洋上层亚中尺度涡致混合参数化提供了理论基础和实践依据,具有重要的科学意义与应用价值。 中国科学院海洋研究所博士后冯岭为论文第一作者,刘传玉研究员为通讯作者,合作者还包括美国加州大学洛杉矶分校James C. McWilliams教授和中国科学院海洋研究所王凡研究员。本研究得到了国家自然科学基金(42406017,42430403)、国家重点研发计划(2022YFF0801404)、中国博士后科学基金(2022M713178)及国家留学基金委的资助。 论文信息: Feng, L., Liu, C.*, McWilliams, J. C., & Wang, F. (2025). Global distribution and seasonal variations of Charney‐type submesoscale baroclinic instabilities (C‐SBCIs). Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2024JC022103. https://doi.org/10.1029/2024JC022103 Feng, L., Liu, C.*, McWilliams, J. C., & Wang, F. (2025). Scaling estimation for growth rate and horizontal wavelength of Charney‐type submesoscale baroclinic instabilities (C‐SBCIs). Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2024JC022104. https://doi.org/10.1029/2024JC022104