西北太平洋跨等密度面湍流混合的時空分布特征

海洋中的等密度間隔文本混合對加熱、水交換、世界氣候和熱鹽循環強度等因素都有重要影響。因此，研究中的混合時空變化特征及其影響因素具有重要意義。早在20世紀60年代,Munk等(1966)就指出,為了維持深海的層結結構,至少需要大洋平均擴散系數為10–4m2/s。但是隨后的觀測實驗發現遠離邊界的大洋內區的擴散系數僅為10–5m2/s(Gregg,1987;Ledwelletal,1993)。直至上世紀90年代之后,在海底地形粗糙的海山(Luecketal,1997)、海脊(Polzinetal,1997)、峽谷(Carteretal,2002)等處觀測得到了強擴散系數,可達O(10–4m2/s)甚至更強。海洋內部混合主要由內波破碎導致,而除了正壓潮流與粗糙地形相互作用激發的內潮外,海表面風應力是內波場的另一個重要能量來源,因此風輸入到海洋中的能量隨時間的變化將導致混合的變化。已有研究發現上層海洋混合存在明顯的季節變化,而且與海表面風應力密切相關(Jingetal,2010,2011;Wuetal,2011)。但在不同海區,風應力的影響深度有所差異,如在西太平洋137°E斷面上為300—1500m(Jingetal,2010),在副熱帶西北太平洋的呂宋海峽及黑潮源地為300—600m(Jingetal,2011),在夏威夷島附近為300—600m(荊釗,2012),在南極繞極流區域是1000—2000m(Watermanetal,2013)。由于西北太平洋海區地形復雜,而且有大量的風生近慣性能量輸入(Alford,2001),因此海洋混合必將具備一定的空間分布特征,同時,上層的湍流混合也將隨風應力存在一定的季節變化。為此,本文利用歷史水文觀測剖面資料,基于細尺度參數化方法研究該區域的跨等密度面湍流混合的時空特征,以及風應力對上層海洋混合的影響深度。1數據和方法1.1海底地形特征參數的計算本文采用日本海洋數據中心(JODC)提供的高分辨率CTD剖面資料,選用空間區域135°—180°E、25°—45°N,且采用資料較多的時間段2000—2007年。經過質量控制后,只取采樣深度超過600m的剖面,得到共計8609個站位,站位分布如圖1。由于剖面數據的垂向分辨率小于2m,因此統一將溫度、鹽度垂直插值到2m間隔以便于湍流混合的計算分析。同時,采用了美國國家地球物理數據中心(NGDC)2006年發布的全球海底地形數據ETOPO2v2來計算地形粗糙度,該數據空間分辨率為2′×2′,本文取1/3°×1/3°網格區域內的地形高度的方差(Kunzeetal,2006)。定義平坦地形為粗糙度小于1.0×105m2,而粗糙地形則為粗糙度大于1.0×105m2。這一臨界值的選取參考了研究區域總體地形粗糙度以及各站位所在位置的平均地形粗糙度(圖3—4),而且臨界值的微小變動不影響本文的分析結果。此外,為了計算風生近慣性能量,采用了海表面風應力和混合層深度數據。其中,風應力數據來自美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心再分析資料(NCAR/NCEP),時間分辨率是6小時,而混合層深度數據采用的是來自Levitus94數據集的氣候態月平均資料。1.2內波破碎引發的擴散系數海洋內部的擴散系數與耗散率是研究混合的兩個有效參量。內波間的相互作用不斷地將能量從大尺度向小尺度傳播,內波破碎引發湍流混合,基于這一思想,可將細尺度上的由內波引起的垂向剪切及應變與擴散系數及耗散率聯系起來(Greggetal,2003;Kunzeetal,2006),因此擴散系數被參數化為:1.3u3000通過線性范圍直接估計風生近慣性能量是上層海洋中內波場的重要能量來源。風輸入到混合層中的近慣性能量可以通過海表面風應力與混合層流速直接計算得到,但是由于混合層速度不易獲得,本文采取Pollard等(1970)提出的一個slab模型,直接利用風應力資料和混合層深度來計算風生近慣性能量。對于混合層內流速分量u和v,D’Asaro(1985)得到其控制方程為:本文先將時間分辨率為6小時的風應力數據插值到8分鐘的時間格點上,再將控制方程進行傅立葉變換,從而得到頻域的解為:由于當慣性頻率f接近或超過NCEP風場的Nyquist頻率(2cpd)時,由以上方法計算的能量通量將偏小,因此本文在緯度高于40°的區域進行了修正。參考Alford(2003),取修正系數uf061在40°N處為1,在70°N處為0.5,將其在40°—70°N之間進行線性插值,得到修正的能量通量為(47)/uf061。最后,將計算的能量通量進行日平均后再進行分析。2結果與分析2.1海洋經向非均質性分布的特征西北太平洋的地形較為復雜,日本以南140°E處有伊豆-小笠原海脊,水深僅1000m,而日本群島以東是一狹長的水深超過8000m的日本海溝,其東側則是地形較為平坦的大洋內區,水深約6000m,只有165°E和170°E附近水深較淺約3000m(圖1)。西北太平洋地區的地形起伏變化明顯,同時,跨等密度面的混合也呈現顯著的空間變異。計算觀測站位所處位置的地形粗糙度及300m以深垂直平均的耗散率,結果如圖3所示。可以看到,耗散率在日本近岸的海溝附近較大,尤其是在日本以南的伊豆–小笠原海脊處最大,而在日本以東的大洋內區較小(圖3b),這一空間分布與地形粗糙度的空間分布(圖3a)相似。在地形粗糙的區域,耗散率達到O(10–8m2/s3),而在地形平坦的區域,耗散率僅O(10–11m2/s3)。該結果與Whalenetal(2012)利用全球ARGO資料計算的結果一致(參考其圖1)。進一步地,計算了該區域經向平均的背景浮力頻率、耗散率及地形粗糙度,如圖4所示。伴隨著背景層結隨深度增加而減弱,耗散率也明顯地隨深度增加而衰減,上層達O(10–8m2/s3),而深層僅O(10–11m2/s3)。耗散率的這一垂直分布與Kunze等(2006)利用太平洋海區CTD數據計算的結果一致。另外,在上層海洋,背景浮力頻率隨經度先減小,至145°E附近后再增大;而在1500m以深,尤其是在1500—4000m,浮力頻率隨經度的變化不再明顯。相反地,耗散率與背景層結的這一空間變化明顯不同(圖4b)。在142°E附近的伊豆-小笠原海脊處,地形變化最為劇烈,粗糙度超過106m2,相應的耗散率超過10–8m2/s3。而在173°E,30°N附近,地形也較為粗糙,起伏方差達6×105m2,相應的耗散率接近10–9m2/s3。垂直平均的耗散率隨經度自西向東存在一個減弱的趨勢(圖4c)。總體上,垂直平均的耗散率與地形粗糙度的變化有很好的一致性,兩者之間的相關系數達0.71,超過95%顯著性檢驗。例外的地方是在137°E附近,地形雖然較為平坦,但耗散率很強,可達到10–8m2/s3。Qiu等(2012)在分析西北太平洋中的137°E斷面上的跨等密度面湍流混合時,同樣發現在25°—29°N區間地形較為平坦而混合較強,并指出這是由次諧波不穩定性導致。而對于耗散率的經向差異,主要是由于西部的伊豆–小笠原海脊是西北太平洋的一個重要的半日潮生成區,而內潮與地形相互作用將引起強混合(Niwaetal,2001;Simmonsetal,2004)。根據St.Laurent等(2002),內潮能量可以輻射的空間尺度達O(1000km),因此在伊豆-小笠原海脊東西兩側約5°范圍內的混合依然很強。另外,從圖4b也可看出,地形對混合的影響可至海底之上2000—3000m,尤其是在伊豆-小笠原海脊附近。Kunze等(2006)在全球若干海區包括日本以南都發現近海底的強混合可向上延伸至主溫躍層,而這些海區都具有粗糙的地形及較強的近海底流。考慮到黑潮延伸體強流流經此處,因此這里由海底至上層的強混合除了由內潮維持之外,很可能與黑潮延伸體與粗糙地形相互作用有關。2.2海洋混合負荷與風生近慣性能量的關系除了內潮與地形的相互作用,風生近慣性能量也對維持海洋內部的混合有重要意義。風應力使得在海表面混合層內產生近慣性流,一部分能量在表層耗散掉,另一部分能量以近慣性內波的形式向下傳播從而影響海洋深層的湍流混合(Nagasawaetal,2000;Zhaietal,2009)。已有研究表明,風應力對于海洋混合的季節變化有明顯作用,但在不同海區存在不同的影響深度(Jingetal,2010;荊釗,2012;Watermanetal,2013)。為此,本節將研究風應力影響深度在西北太平洋海區的空間分布。為研究風應力對湍流混合的影響,首先應盡量去除地形的影響,因此根據上一節的分析結果,本文選取地形平坦的區域且距離海底4000m的剖面數據,最終得到2833個剖面資料。首先從能量平衡的角度看,在西北太平洋區域,平均風生近慣性能量為1.8×10–3W/m2,而在平坦地形處,300—600m與300—1800m垂直積分的耗散率分別為7.6×10–4W/m2,1.8×10–3W/m2,與風輸入該海區的能量相當。這一結果意味著在西北太平洋海區,風輸入能量對于維持上層海洋混合具有重要作用,但是風對混合的影響深度仍不清楚。為此,本文將研究區域劃分為6個子區域(圖1),每個子區域的觀測剖面個數分別為359、206、201、441、1054、572,可以保證每個子區域都有足夠的剖面資料用來研究混合隨時間的變化及風應力的影響深度。在每個子區域,對每一深度的耗散率,先計算其區域平均,再計算其季節平均(本文取春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—10月,冬季為12—2月,因此2000—2007年共得到32個數據)。同樣地,計算相應區域平均的風生近慣性能量的季節變化,然后分析兩者的相關性,得到每個區域耗散率與風生近慣性能量相關系數的垂直分布,結果如圖5所示。可以看到,除了子區域VI外,其余5個子區域的相關系數在上層都比較顯著,直到到達某一深度后,相關性不再明顯,將這一深度定義為風應力的影響深度。得到在五個子區域I—V中,風應力對上層海洋中混合的影響深度分別為620m,940m,940m,1740m,1420m。其中,日本以南伊豆-小笠原海脊以西的子區域I的影響深度最淺僅620m,而日本東南的子區域IV的影響深度最深達1740m,沿著日本海溝的子區域II和III的影響深度均為940m,日本海溝以東的子區域V的影響深度也較深為1420m。對于子區域VI,海洋上層的耗散率與風生近慣性能量的相關關系較弱,而在940m處存在一顯著相關,意味著在大洋內區,上層海洋混合的季節變化除了受風應力影響之外還受其它因素的調制。對每個子區域中風應力影響深度以內的耗散率取垂直平均(對子區域VI,取940m以淺),再將其與風生近慣性能量進行線性擬合,結果如圖6所示。同樣可以看到,除了大洋內區的子區域VI外,季節平均的耗散率與風生近慣性能量存在很好的一致性,相關系數最小0.57,最大0.75,均超過95%顯著性檢驗。同時,線性擬合系數存在一定的空間差異,在風應力影響深度最大的子區域IV,擬合系數最小為0.10,意味著風應力對上層海洋混合季節變化的影響程度較小,而在日本近岸的子區域I—III,擬合系數最大達0.17,說明該地區的風應力對混合的影響較大。在大洋內區,垂直平均的耗散率與風生近慣性能量之間相關性很弱僅0.38,略超過95%顯著性水平,兩者之間的線性擬合關系較不明顯,而且擬合系數遠小于其它區域。這些結果進一步證實了在西北太平洋區域,風應力對上層海洋混合具有重要的影響作用,其影響深度最淺620m,最深可達1740m。特別地,在大洋內區,上層海洋混合雖然也存在明顯的季節變化,但與風生近慣性能量的相關性較弱,意味著混合還受到其它因素的影響。3海洋混合過程中,內潮與地形相互作用本文利用歷史水文觀測剖面資料,基于細尺度參數化方法,分析了西北太平洋海區跨等密度面湍流混合的空間分布特征及風應力的影響深度,結果表明:耗散率的空間分布與地形粗糙度相似,在地形粗糙的區域,如日本海溝、伊豆-小笠原海脊處,垂直平均的耗散率達到O(10–8m2/s3),而在地形平坦的大洋內區,垂直平均耗散率僅O(10–11m2/s3)。耗散率呈現自西向東遞減的趨勢。在地形粗糙的伊豆-小笠原海脊附近,東西約5°的范圍內,耗散率普遍較強。由于伊豆-小笠原海脊是西北太平洋一個重要的半日潮生成地,而內潮能量的輻射距離可達O(1000km),內潮與地形之間的強相互作用使得混合增強(Niwaetal,2001;St.Laurentetal,2001;Simmonsetal,2004)。海脊以西137°E處平坦地形上的強混合則是由次諧波不穩定性導致(Qiuetal,2012)。此外,由于黑潮延伸體強流與粗糙地形相互作用,地形對混合的影響向上可達2000—3000m(Kunzee