北太平洋低纬度西边界流系湍流混合的微观结构测量和参数化方法评估

湍流混合在调控海洋垂向物质、能量交换以及气候变化中都起着重要作用,尤其是在北太平洋低纬度西边界流系,湍流混合通过调节温跃层及海气相互作用,在西太平洋暖池结构及演化和厄尔尼诺与南方涛动的发生、发展中都起着关键作用。然而,由于湍流观测的高风险性和高费船时特征,直接的湍流观测资料非常稀缺,因此,对该海域的湍流混合认知大多数来自细尺度参数化估计。鉴于湍流的高时变特征及该海域海洋环流结构的复杂性及西边界流区动力环境的特殊性,验证不同细尺度参数化方法对该海域湍流估算的适用性对于我们准确了解该海域的垂向混合特征、提升其在数值模拟的精度具有重要作用。本研究利用2020年9月在北太平洋低纬度西边界流系沿130°E,10°~18°N进行的直接的微结构观测剖面仪和同期获取的细尺度温盐流测量,研究该海域湍流混合的特征及两种常用的参数化方法--GHP(Gregg-Henyey-Polzin)参数化方法、MG(MacKinnon-Gregg)参数化方法在该海域的适用性。观测结果表明,该海域上200 m湍流混合总体较强,直接观测得到的平均湍动能耗散率约为10^(-8)W/kg。在温跃层中,某些站点观测的湍动能耗散率可达10^(-7)W/kg,特别是在14°N附近,24.5σθ与25.5σθ之间发现一块强湍动能耗散区,初步分析表明其机制与全日内潮的参数化次谐波不稳定有关。参数化评估结果显示,MG方法与观测值相差0.5个数量级的比例为95%,而基于应变的GHP方法和基于剪切的GHP方法与观测值相差0.5个数量级的比例分别为55%和58%,表明MG方法能较好地估算低纬度西边界流系的湍流混合特征并在水平分布和垂直分布表现出一致的分布特征。该评价结果可为研究人员选择细尺度参数化来探讨北太平洋低纬度西边界流系湍流混合的强度和空间分布提供有益参考。

吕宋海峡不同湍流估算方法的应用对比研究

由于湍流混合直接观测技术难度大、成本高,很大程度限制湍流混合的研究,所以基于温、盐、流资料估算海洋湍流混合的方法应运而生。本文应用在吕宋海峡观测到的23个自由下降微结构湍流剖面仪观测数据和水文观测数据,首次对目前常用的Gregg-Henyey-Polzin(GHP)细尺度参数化、Mackinnon and Gregg(MG)参数化和Thorpe尺度方法进行比较研究,评估它们的适用性。发现GHP参数化方法能够很好地估算吕宋海峡的湍流混合。虽然GHP参数化方法估算的耗散率总体上要偏弱于观测的结果,但估算和观测的差异在2倍以内的结果占71%,与微结构湍流剖面仪观测到的耗散率在水平分布和垂向分布上呈现出相同的分布特征。基于MG参数化方法发现估算的吕宋海峡西侧1200m以浅的耗散率比观测值大,但总体上呈现出相同的分布特征。另外,MG参数化估算与观测差异在2倍以内的结果占58%。表明相比于GHP参数化方法,MG参数化方法的估算值更偏离观测值。Thorpe尺度方法在估算吕宋海峡的耗散率时,估算和观测的差异在2倍以内的结果仅有30%,70%的估算结果与观测结果相差高出1个量级,空间分布上与观测结果差异较大。对比吕宋海峡湍流混合参数化方法的结果表明GHP参数化方法最优,MG参数化方法其次,Thorpe尺度方法相对GHP和MG参数化方法较差。