吕宋海峡附近中尺度涡与黑潮的相互作用数值研究

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吕宋海峡以东常年存在着大量的中尺度涡旋,目前关于这些涡旋的形成机制研究较多,但涡旋在形成之后如何演变消亡研究较少,在到达吕宋海峡黑潮时与平均流之间如何进行能量交换同样值得研究。  本博士论文基于数值模拟的手段,研究了中尺度涡旋在生成之后的演变过程。首先利用一个正风应力旋度在菲律宾岛东部海域驱动出一气旋涡,完成了迅速移动过程中的气旋涡和西边界流相互作用的各种实验,研究了该涡旋在遇到吕宋海峡黑潮时的演变过程。动量平衡表明在气旋涡的整个生命周期内(33天),始终表现为准地转平衡,其中正压项(BT)、斜压项(BC)和科氏力项(COR)起主导作用。利用洛伦兹能量分析法研究了该涡旋的衰减机制,结果表明,在涡旋生成之后,涡动能(EKE)和涡势能(EPE)都开始迅速下降,对流项(adv)、压力工作项(PW)和摩擦耗散项(DIFF)对涡旋有效范围内涡动能方程的平衡起主导作用,正压不稳定项(T4)仅在涡旋与黑潮发生强烈相互作用的有限范围内起主导作用。  此外,本论文还继续添加了一高斯型的暖涡在菲律宾岛东部同样的海域,完成了迅速移动过程中的反气旋涡和吕宋海峡黑潮的相互作用研究。结果表明,反气旋涡的生命周期明显较气旋涡长,达94天。动量平衡同样表明在反气旋涡的整个生命周期内,始终表现为准地转平衡,且正压项(BT)、斜压项(BC)和科氏力项(COR)同样起主导作用。洛伦兹能量分析结果表明,在涡旋的起始阶段,与气旋涡相同,对流项(adv)、压力工作项(PW)和摩擦耗散项(DIFF)对反气旋涡的涡动能平衡起主导作用,且摩擦耗散项占据主导地位,从而导致了涡动能(EKE)的迅速耗散。与气旋涡不同的是,在涡流强烈相互作用阶段,正压不稳定项(T4)、压力工作项(PW)和摩擦耗散项(DIFF)对涡动能方程的平衡起主导作用,其中正压不稳定项(T4)对涡动能的增长起到了决定性的作用,表明此时反气旋涡从黑潮获取大量涡动能。在涡流强烈相互作用阶段,主要的涡动能(EKE)耗散、大的压力工作项(PW)以及从平均动能(MKE)向涡动能(EKE)的转换都出现在海洋上层。对于迅速移动的反气旋涡而言,受强烈的涡流相互作用影响,涡动能平衡方程中的各项要素都较大且波动较大,因此导致了涡动能的迅速衰减;一旦反气旋涡离开了平均流(黑潮),涡动能平衡方程中的各项要素开始迅速减小,且能基本维持平衡,从而导致了在涡旋的生命后期,尽管较弱,但仍能维持较长的时间。  对于中尺度涡旋而言,摩擦耗散作用是其能量衰减的主导要素。此外,在和吕宋海峡黑潮相互作用时,涡旋是否从平均流获取涡动能主要取决于涡旋在相互作用区域内的形态与速度分布。
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