近日,《物理海洋雜志》(Journal of Physical Oceanography)發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所于非團(tuán)隊(duì)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”。該成果利用潛標(biāo)觀測(cè)研究了西向傳播的反氣旋渦對(duì)風(fēng)生近慣性內(nèi)波傳播的影響以及它們之間的能量傳遞,并通過射線追蹤模型和理論分析闡明了風(fēng)生近慣性內(nèi)波的深層傳播機(jī)理。
近慣性內(nèi)波是海洋內(nèi)部頻率接近于慣性頻率的一種波動(dòng),占據(jù)了內(nèi)波譜中約一半的能量,并存在強(qiáng)的垂向剪切,因此是海洋混合重要的能量來源。已有研究指出,風(fēng)生近慣性內(nèi)波向深層傳播的過程中,中尺度渦起著至關(guān)重要的作用,尤其當(dāng)風(fēng)生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦內(nèi)生成時(shí),近慣性內(nèi)波在渦邊緣被反射,從而被捕獲并向渦心和深層傳播,最終停留在臨界層內(nèi),該過程被稱為反氣旋渦的“慣性煙囪”效應(yīng)。
然而,關(guān)于近慣性內(nèi)波在反氣旋渦內(nèi)傳播的臨界深度一直存在不同的觀點(diǎn)。一些學(xué)者認(rèn)為臨界深度可超過上千米,從而促進(jìn)深?;旌希?span lang="EN-US">e.g., Jing et al. 2011; Whalen et al. 2018),而一些學(xué)者認(rèn)為反氣旋渦內(nèi)的臨界深度較淺,局限在上層~200 m,近慣性能量很難穿透至深海(e.g., Zhang et al. 2018)。因此,有必要理清風(fēng)生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦中臨界深度差異的問題。
研究團(tuán)隊(duì)基于“科學(xué)”號(hào)科考船在2017年至2018年布放的潛標(biāo)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦外生成且反氣旋渦向西運(yùn)動(dòng)經(jīng)過近慣性內(nèi)波時(shí),近慣性內(nèi)波也會(huì)被反氣旋渦捕獲,臨界深度超過最大觀測(cè)深度(870米)。結(jié)合射線追蹤模型發(fā)現(xiàn),在反氣旋渦內(nèi)生成的風(fēng)生近慣性內(nèi)波,其臨界深度較淺,只有100-300米。進(jìn)一步通過理論分析發(fā)現(xiàn),近慣性內(nèi)波到達(dá)反氣旋渦前,渦度垂向梯度大于0,增大近慣性內(nèi)波垂向波長,從而加快垂向群速度;而進(jìn)入反氣旋渦內(nèi)時(shí),渦度垂向梯度小于0,減小垂向波長,從而減慢垂向群速度,最終停留在臨界層內(nèi)。因此,相比在反氣旋渦內(nèi)的風(fēng)生近慣性內(nèi)波,反氣旋渦外的風(fēng)生近慣性內(nèi)波傳播深度要更深,從而回答了風(fēng)生近慣性內(nèi)波在反氣旋渦影響下傳播深度差異的問題。
研究還發(fā)現(xiàn),在近慣性內(nèi)波向深層傳播過程中,反氣旋渦傳遞至近慣性內(nèi)波的能量相當(dāng)于風(fēng)強(qiáng)迫生成近慣性能量的71%,對(duì)維持臨界層內(nèi)長期存在的近慣性能量具有重要意義(超過40天);而在臨界層內(nèi),近慣性能量向高頻內(nèi)波能量的正向串級(jí)比向平均流能量的逆向串級(jí)高1個(gè)量級(jí),是反氣旋渦內(nèi)捕獲的近慣性內(nèi)波能量耗散的一個(gè)重要途徑。因此,該研究促進(jìn)了在真實(shí)海洋中風(fēng)生近慣性內(nèi)波的傳播特征和能量傳遞的研究。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士后陳子飛,通訊作者為于非研究員以及中國科學(xué)院南海海洋研究所陳植武研究員,合作者包括海洋研究所研究員南峰、助理研究員王建豐、工程師任強(qiáng)等,以及浙江大學(xué)副教授曹安州。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和LTO開放基金等資助。
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

圖1 潛標(biāo)觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)Sanvu生成的近慣性緯向流速(a)、經(jīng)向流速(b)和近慣性動(dòng)能(c)

圖2 西向傳播反氣旋渦中近慣性內(nèi)波傳播示意圖。在西向傳播的反氣旋渦中,相對(duì)于在反氣旋渦內(nèi)生成的近慣性內(nèi)波(i),在反氣旋渦外生成的近慣性內(nèi)波(ii)傳播的深度更深,從而促進(jìn)更深層混合