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中尺度涡旋

中尺度涡旋(又称天气式海洋涡旋),是指海洋中直径有100-300千米、寿命为2-10个月的涡旋。相比于常见的用肉眼可见的涡旋,中尺度涡旋直径更大、寿命更长;但相比一年四季都存在的海洋大环流有小很多,故称其为中尺度涡旋。它通常分为两种:气旋式涡旋(在北半球为逆时针旋转),反气旋式涡旋(在南半球为逆时针旋转)。

中尺度涡旋(又称天气式海洋涡旋),是指海洋中直径有100-300千米、寿命为2-10个月的涡旋。

中尺度涡旋很像大气中的气旋和反气旋,故又称天气式海洋涡旋。

通常分为两种:气旋式涡旋(在北半球为逆时针旋转),其中心海水自下而上运动,将下层冷水带到上层较暖的水中,使涡旋内部的水温比周围海水低(一般中心海面高度比周围低),又称冷涡旋。另一种是反气旋式涡旋(在北半球为顺时针旋转),其中心海水自上而下运动,携带上层的暖水进入下层冷水中,涡旋内部水温比周围水温高(一般中心海面高度比周围高),又称暖涡旋。

中尺度涡旋在世界各大洋中都存在,大部分集中在北大西洋,尤以百慕大三角区为多。在太平洋的西北部从1957年至今,已经发现了近200个反气旋式涡旋。

中尺度涡旋的运动可分为自转、平移和垂直3种。

中尺度涡旋会改变流经海区原有的海水运动,使得海流的方向变化多端,流速增大数倍至数十倍,并伴随有强烈的水体垂直运动。旋涡中心势能最大,越远离中心,势能越小。

涡旋动能的最大值不在中心,而是在水体旋转线速度最大的区域。

首先是中尺度涡对海表温度(SST)的影响,气旋(反气旋)式的中尺度涡对应着低(高)的海面高度(SSH),在地转的作用下使海面海水辐散(辐聚),从而引起了下层(上层)海水的上升(下降)以作为补充,进而使海面呈现出低(高)的SST。故而中尺度涡又有冷涡和暖涡之分,分别对应着气旋涡和反气旋涡。中尺度涡对SST的影响不仅仅是由于它所引起的上升或下降流所造成的,还有一种途径那就是中尺度涡对背景SST的搅拌作用。在海洋的锋面处SST的梯度非常大,在中尺度涡强烈的搅拌作用下,会将冷水带到暖水处,同样也会将暖水带到冷水的地方,这样便会产生SST的“冷丝”和“暖丝”。中尺度涡影响了SST后,会产生一系列的连锁效应,比如说它会改变了海气的热通量,这里不作详谈。

其次是中尺度涡对温、盐、粒子的输运作用,即所谓的eddy flux。对温、盐、流等的平均背景场而言,中尺度涡的存在对背景场产生一种不规则的脉动,所产生的脉动流速与脉动温度(盐度、粒子密度)的共同作用,产生了所谓的涡的热(盐、粒子)输运。相关研究表明,这种涡的输运作用与背景平流作用相比,不可忽略,而在西边界流及延伸体和南极绕极流海区,涡的输运作用更尤为显著。

除了自身的旋转之外,中尺度涡还在不断地“迁移”。从高度计上可以发现,大洋中的中尺度涡以与长Rossby波速相近的速度向西传播,这可能说明大洋中的中尺度涡正是Rossby波的局地表现形式。在这种意义下,大洋中的能量不断地以中尺度涡的形式向西传播,从而对整个大洋的环流进行调整。此外,实际海洋中的中尺度涡并不是严格线性的,即中尺度涡的流线并不严格闭合(或者说中尺度涡的粒子运动轨迹并不闭合),这会使得中尺度涡不断地向西携带物质,但这方面的相关研究还十分匮乏。

中尺度涡对海洋化学及生物环境也有着不可忽视的影响。比如说中尺度涡所造成的上升流,将海洋下层的营养盐携带至海洋真光层,从而促进了海洋初级生产力的提高。此外,中尺度涡在锋面处的搅拌,以及中尺度涡对粒子的涡输运作用,也会影响局地的海洋化学及生物环境。最近在Science上发表的一篇报道指出,在东北太平洋中脊处的一个中尺度涡,正压性特别强,影响深度可达海底,从而帮助了海底热液出口处生物群落的迁移,可见中尺度涡对深海海洋生态有这前所未知的影响。

作为大尺度过程与小尺度过程的衔接,中尺度涡在能量积串中占有至关重要的位置。首先,由于斜压不稳定(或其它原因,如正压不稳定),中尺度涡从从背景流中产生,并从背景场中摄取能量不断成长,从而将能量从大尺度向中尺度传递。而中尺度涡的耗散过程,又将能量从中尺度传递到小尺度,进而最终转化成热能耗散。关于中尺度涡的生成、耗散机制与过程,特别是其耗散的机制与过程,目前尚无定论,相关的报道十分匮乏。目前的几篇报道指出,反气旋式的中尺度涡可能是近惯性能量向下传播的“通道”,有利于深层海水的混合,从而促进了能量向小尺度的传递;此外还有报道指出,中尺度涡在经过海底强地形时可能产生Lee-wave,Lee-wave的破碎造成了海水的混合。

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