《基于粗粒度分析方法下的海洋全球环流能量谱》

  • 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:2022-11-09
  • 卫星测高技术的出现使人们关注到100公里的中尺度涡流的普遍存在,它们是海洋中的天气系统类似物,通常被视为动能(KE)的光谱峰值。然而,对海洋空间尺度的理解大多来自于对小的“代表性”区域的傅里叶分析,不能捕捉到行星尺度上的大动态范围。罗切斯特大学的研究人员和合作者跳出框架思维,使用粗粒度方法首次量化了1000公里以上洋流的能量。在这个过程中,他们发现能量最大的是直径约9000公里的南极环极流(Antarctic Circumpolar Current)。
    该项目由美国国家科学基金会(U.S.National Science Foundation)支持,团队还包括来自罗马托尔韦加塔大学、利物浦大学和普林斯顿大学的研究人员。项目团队使用实验室开发的相同粗粒化技术,记录了在风与尺寸小于260公里的临时环流相互作用时发生的“涡灭”过程。该项目成果近期发表于《自然通讯》(Nature Communications)上。
    研究结果表明,粗粒化技术可以作为了解海洋环流的多尺度复杂性的新方法。该方法使研究人员更好地了解洋流在地球气候系统的关键调节因素上是如何发挥作用的。本质上,粗粒化分析让研究人员能够做到量化不同尺度洋流的结构和能量。这种新方法让科学家能够将洋流运动分成不同的尺度,比以往方法更简单,可以更精确和实用的定义洋流系统。(李亚清 编译)

  • 原文来源:https://beta.nsf.gov/news/researchers-go-outside-box-delineate-major-ocean
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  • 《基于谱分析的海洋中尺度运动的各向异性特征》

    • 来源专题:物理海洋学知识资源中心
    • 编译者:张灿影
    • 发布时间:2020-03-26
    • 中尺度运动是旋转流体力学中旋转效应主导的最小尺度。现有研究表明,尺度从几十公里到几百公里不等的、遍布全球并占据海洋动能90%的海洋中尺度运动,在热量、可溶性碳、叶绿素、营养盐等物质与能量的输送和再分配过程中起着至关重要的作用。最近研究发现海洋中尺度运动存在显著地沿某个方向伸长的特征,然而受观测分辨率和现代湍流理论中各向同性假设的限制,当前对海洋中中尺度运动的各向异性特征的认识仍非常有限。 卫星高度计数据以其大覆盖、准同步、长时间连续观测的特性成为研究中尺度涡最有效的数据,它解决了传统的观测手段在观测时间上的不连续性和观测空间上的局限性。高度计观测对中尺度运动的研究的推动主要在两个方面:全球尺度上的涡旋识别和统计以及能量谱分析。目前,涡旋识别主要关注气旋或者反气旋的核心区域,不能有效的诊断中尺度过程的各向异性特征。使用谱分析的方法探究涡动能在波数空间的分布特征随方向的变化可以有效地诊断中尺度运动的各向异性特征。 基于卫星高度计观测数据和高分辨率模式数据,在全球尺度上分别计算沿纬向的径向的海表面高度波数谱,并进行比较分析。结果表明,纬向波数谱和径向波数谱斜率在中尺度波段存在显著的差异:在赤道地区,纬向波数谱斜率比径向波数谱斜率陡峭,而在高涡动能的东向强流系,径向波数谱斜率比纬向波数谱斜率陡峭。该差异具有普遍性,但是存在显著的区域变化。 结合中尺度运动的动力学分析发现,该差异与中尺度信号非线性发展过程密切相关。在赤道地区,表面强化的不稳定过程产生的中尺度信号在没有充分发展的情况下迅速被Rhines尺度捕捉,而线性不稳定过程产生的中尺度信号是倾向径向伸长的,更多涡动能在径向积累,表现在特定波数的径向的涡动能要比纬向的涡动能高,因此径向波数谱斜率比对应的纬向波数谱斜率平缓。在高涡动能的东向强流系,斜压不稳定产生的中尺度信号得到充分地非线性发展,背景流对其充分拉伸,整体呈现出沿纬向伸长的特征,因此更多的涡动能在纬向积累,表现在特定波数的纬向涡动能要比径向涡动能高,因此纬向波数谱斜率比对应的径向波数谱斜率平缓。 虽然传统的高度计观测揭示了令人意想不到的海洋中尺度湍流特性,但是其空间分辨率仍有限,只能捕捉到较大尺度的中尺度过程,对尺度较小的中尺度和亚中尺度运动描述能力有限。中尺度运动的各向异性特征应与其边缘的亚中尺度运动密切相关。因此,宽带SWOT观测资料能进一步推动中尺度运动各向异性特征的研究。另外,超高分辨率的数值模拟可以用来进一步探究中尺度运动的各向异性特征。 摘自:全球海洋科技发展动态2020年第二期 王世红 编译
  • 《海洋环流模式的挑战与前景》

    • 来源专题:物理海洋学知识资源中心
    • 编译者:张灿影
    • 发布时间:2019-12-02
    • 过去十年,随着对海洋过程理解的深化、数值方法的改进、空间分辨率的提升、网格配置的优化、观测数据的丰富以及参数化、数据同化技术的发展等,海洋环流模式得到了飞速发展。全球高分辨率模式的研制加速了模式的大尺度应用:如南大洋模拟,经向翻转流。亚中尺度过程在区域模式中得到解决并将逐步推广到全球模式,次网格参数化不断改进。环流模式和海冰、冰架以及高分辨率大气模式的耦合激发了新的研究并推动了数值研发的进步。观测促进了对全球湍流和混合的深入了解,边界层和海洋内部的混合过程的参数化改善了模拟效果。 方程、数值方法和离散化 通过整合任意拉格朗日—欧拉(ALE)数值方法的思想,在海洋和大气模型垂向网格改进方面取得了重大进展。这些改进提供了增长模型时间步长的机会,并可减少虚假数值混合。水平方向逐渐采用嵌套方法的结构网格或具有多重分辨率的非结构网格,这为解决亚中尺度过程或多尺度问题提供了方案。然而非结构网格缺乏经过严格测试的可从粗网格到细网格转换的参数化方案。随着水平分辨率增加,非静力效应逐渐变得不可忽略。目前边界层大涡模拟和少数环流模式(PSOM,SUNTANS,MITgcm,CROCO-ROMS等)采用非静力近似。 离散的数值格式需要保持相容性、稳定性及守恒性。数值方法的改进(如ALE,Newton-Krylow,隐格式,参数化等)大大提高了海洋气候模式的稳定性。其他数值格式如谱元法、间断有限元法、特征线法等也在尝试用于海洋模式中。由于数值格式引起的虚假跨密度面混合和隐式耗散需要引起注意。 耦合海洋-冰冻圈模式 海冰是当前海洋—海冰模拟框架的重要组成部分。它激发重要的气候反馈机制,改变大气-海洋相互作用。目前大规模海冰模拟采用多类别海冰厚度分布参数化;海冰盐度的预测得到发展;融池已被引入到最新的海冰模式中;海冰-波浪相互作用在最近几年受到关注并受益于卫星观测;破碎海冰的分布作为变量被引入模式中,并影响海洋热量输运、涡旋和气候;冰动力学得到发展,基于拉格朗日的具有弹脆流变和热力学的海冰模式可用于海冰预报;关于大气-海冰-海洋耦合,主要关注空气-冰和冰-海拖曳系数的变化及其对海洋过程的影响。未来的工作将评估海冰模型复杂性并提高分辨率对气候预测的改善能力。 陆地冰存储了大量的热量,冰盖的演变以及陆地冰与海洋之间的相互作用对未来海平面变化至关重要。冰川峡湾和冰架-海洋相互作用的精准表示仍然是气候模拟中支持海平面科学研究的主要挑战之一。 耦合海洋-波浪模式 波浪模式长期以来一直用于数值天气预报系统。随着波浪破碎效应和浪致混合的重要性越来越受到重视,波浪的影响逐渐在海洋模式中得到体现:如Langmuir湍流及其密切相关的非破碎表面波导致湍流;海况和表面粗糙度的变化对海气动量耦合的影响;海浪飞沫溶胶生成和飞沫对台风预报的影响;波浪对潮流的影响和环流对波浪的影响;波浪对其他气候过程的影响等。 海洋过程参数化 描述海洋中尺度及其涡旋特征,是海洋模式中最具挑战的参数类别。海洋中尺度漩涡包含的能量大于时间平均洋流,并强烈影响关键的大尺度海洋过程(如海洋热吸收,经向输运和碳储存)。目前有两种主要的体现涡旋影响的参数化方法:涡旋导致的水平对流和涡旋诱导的扩散。而涡旋的随机参数化、反向散射方法等新的参数化方法逐步推出并应用到少量模式中。 海洋表面和底部的边界层描述了风、淡水、冰、加热和冷却以及固态地球上的相对运动。边界层深度与全球气候敏感性直接相关并影响天气预报。边界层变异的改善的观测集合驱动了边界层和混合层参数化的改进。过去十年,边界层方案的一个显著变化是意识到了波浪驱动混合的重要性。 跨等密面混合相对于表层混合量值小,但却是全球海洋环流的重要组成部分。早期的模型将跨等密度面混合作为常数或依赖深度的函数,现代气候和区域模式更多地关注物理意义,允许混合时空变化以响应海洋的变化。主要混合方式由剪切不稳定驱动或利用能量收支公式化。 亚中尺度过程具有一阶Rossby数特征,其尺度介于大部分平衡中尺度和非平衡重力波尺度之间。对海洋环流模型进行参数化的第一个亚尺度过程是通过混合层涡旋对上层海洋边界层重新层化。最近研究表明,当边界层混合或海洋对流与亚中尺度之间存在竞争时,会出现更复杂的情况。其他亚中尺度过程如对称混合层不稳定性的参数化,亚中尺度过程在海底边界层的影响,亚中尺度过程和边界层湍流的相互作用等也受到学者们的关注。 大多数海洋环流模式使用静力近似和浅网格单元,因此无法显示表示非静力现象。然而,许多海洋过程有显著的垂直速度和对流,因此非静力影响须参数化。表面边界层参数化包含了受表面浮力损失导致的对流混合。由海洋内部对流翻转(破碎内波)导致的混合的一个更基于物理的参数化方案已经在区域和过程模拟中实现,但在大尺度模式中仍有待发展。浮力羽流模型可表达由于淡水向海洋内部输入(例如来自融化的冰川和冰架)引起的对流,其已经被应用到更大规模的环流模式中。 溢流中携带大量小于网格尺度的过程如摩擦边界层、环境水挟带等,需要参数化描述。对于粗分辨率压力坐标模式,高密度水随斜坡下沉时过多的数值扩散是最具挑战性的问题,目前大量的数值或参数化格式可消除其影响。小尺度地形控制溢流的表示也是目前突出的问题,对狭窄通道其可以通过使用部分障碍和薄壁来解决,对小尺度粗糙度,可通过增强挟带解决。 在生物地球化学模拟的背景下,河口和其他地方的生物地球化学示踪剂源和汇的理论,观测和参数化将是未来研究的重要方向。 模式诊断和评估 全局诊断:海表面温度(SST)影响海气热通量,并通过SST-风的反馈调节海洋-大气耦合作用。海表面盐度(SSS)不直接影响局地的海气热通量,但存在SSS诱导的障碍层的区域,间接影响SST和海气相互作用。卫星观测可用于SSS和SST的诊断。海洋热含量,包括其吸收的速率和途径是另一个重要诊断要素。海洋热量的径向传输受大气影响,而垂直传输主要受海洋混合、涡旋等过程影响。海平面变化有重要的社会影响,海洋变暖是全球海平面上升的主要原因之一,约占观测结果的1/3至1/2,是模式中一个重要的诊断要素。海洋和气候模式提供了量化物理过程如何影响区域和全球海平面结构的工具。另外,示踪剂、海洋质量和角动量、径向输运等也是全局诊断中的重要要素。 过程诊断:欧拉过程诊断是非常普遍的过程诊断方法,最新进展是结合锚系阵列进行高分辨率海洋和潮汐模型频谱评估。拉格朗日过程粒子跟踪方法提供了一种强大的诊断环流特性的工具,可用于描绘由海洋速度场确定的海洋环流路径,客观地量化由连贯的涡旋产生的物质输运。随着更复杂的湍流混合模型的发展,参数化的准确性可以通过比较观测和这些模型产生的扩散率或耗散的三维空间结构及其时间变化来评估,或者通过检查参数化对海洋环流和气候的影响来评估。涡度收支是诊断环流控制下海洋过程机制的另一个有力工具。与能量收支相比,可能会因非局部辐射效应变得复杂化而不同,涡度收支在局地封闭。涡度拟能和位涡拟能是二维和准地转湍流的有用诊断工具。此外,亚中尺度过程、水团、能量学也是过程诊断的常用工具。 海洋模式的应用前沿 南大洋海洋环境复杂,是人类活动导致的能量和碳的主要汇集区。近十年来,在南大洋进行的环流及耦合模式理想化或匹配实验加深了对南大洋的认识。海冰模式的改进、空间分辨率的提升、逐渐增加的现场和卫星观测促进了模式在北极的应用及对北极海洋过程的研究。大西洋经向翻转流(AMOC)不仅显著影响北大西洋和周边地区的气候,而且还通过海洋和大气遥相关影响整个地球气候系统。但目前单一或耦合模式都存在对AMOC平均及其变率模拟的不确定性。其他应用如海平面变化、全球耦合中尺度模拟、全球亚中尺度模拟、海洋状态估计和再分析以及年代际预测等都取得了大量进展并成为目前模式应用的热点。 未来十年发展预期 至2030年,全球模式的分辨率进一步提高,非结构化网格和ALE垂直坐标得到进一步改进和使用;嵌套和区域降尺度模拟进一步发展;更多的使用集合高分辨率海洋及耦合模式,将有助于区分内部变化与强迫,气候与天气的差异;改进及提出新参数化方案;通过数值改进、提高分辨率、海洋和冰动力学更紧密的耦合等方法,提高海洋-大气、大气-海冰耦合作用;通过允许自由海面,模拟冰盖和冰架等更直接地模拟海平面变化;海洋模式特别是高分辨率模式中对潮汐更直接的模拟;古气候对海洋环流和变化的影响;人工智能、神经网络和深度学习将在海洋模式中逐步普及。 全球海洋科技发展动态2019年第五期,尹丽萍 编译