题名 | 德雷克海峡扇区南极绕极流流量跃变的可预报性研究 |
作者 | 周利 |
答辩日期 | 2021-11-19 |
文献子类 | 博士 |
授予单位 | 中国科学院大学 |
授予地点 | 中国科学院海洋研究所 |
导师 | 穆穆 |
英文摘要 | 南极绕极流(the Antarctic Circumpolar Current,ACC)作为南大洋中最显著的风生环流系统,具有宽流幅、高流速、深影响等特征,对跨海盆尺度的物质能量输运、局地海气相互作用、生态与天气系统、海洋碳汇过程等具有重要的调制作用。观测和模拟均发现ACC流量存在较大的不确定性,特别是在次季节尺度内的快速变化现象,又被称为ACC流量跃变现象。该现象为ACC流量的短期预报带来了巨大挑战。 ACC流量短期变率主要受到涡旋、锋面等中小尺度过程的影响。因此,本文从海洋内部变率的角度开展了德雷克海峡(the Drake Passage,DP)扇区ACC流量跃变的可预报性研究。具体地,基于区域海洋模式(Regional Ocean Modeling System,ROMS)和条件非线性最优扰动(Conditional Optimal Nonlinear Perturbation,CNOP)方法,本文分别计算了ACC流量跃变的最优前期征兆(optimal precursor,OPR)和最快增长初始误差(optimally growing initial error,OGIE),并在此基础上开展了ACC流量跃变的目标观测研究。主要研究结果如下: (1)利用ROMS对南大洋ACC进行了高分辨率的数值模拟。结果表明:ROMS能够较为准确地模拟ACC气候态结构和多尺度时间变率特征;模拟的ACC流量为136.5±8.0 Sv(1 Sv=106 m3 s–1),与观测结果一致;特别地,在次季节尺度内ACC流量具有较强的时间变率,且能够表征30天内的跃变现象,为计算OPR和OGIE提供了研究基础。 (2)基于ROMS伴随模式建立的非线性优化框架,针对三个高流量个例和三个低流量个例,分别计算了导致ACC流量跃变事件发生的OPR。结果表明:OPR在不同个例中具有相似的结构特征,其大值区均位于DP中部(58°S-62°S,72°W-64°W)1000-3000米区域;通过在上层流场中激发出一对涡旋状偶极子扰动模态,OPR对ACC流量产生影响;在高流量(低流量)个例中,OPR倾向于触发流量由高向低(由低向高)跃变;在OPR的非线性发展过程中,受到斜压不稳定的主导作用,扰动动能具有更快的增长速度。 (3)基于OPR所触发的ACC流量跃变过程计算了导致预报误差发展最大的OGIE。结果表明,OGIE的结构特征、发展和演变机制与OPR类似。OGIE集中分布在DP中部(58°S-62°S,72°W-64°W)3000米区域;对于高流量向低流量(低流量向高流量)跃变过程,OGIE倾向于增大(减小)预报的流量;整体而言,OGIE能够减弱甚至消除背景场中流量跃变过程;该过程受到斜压不稳定的主导作用,表现为一对涡旋状偶极子误差模态的生成与发展;同时,涡度误差收支的诊断分析表明线性平流和非线性平流过程相互制约,共同维持了OGIE的局地性发展。 (4)利用OGIE的水平分布,确定了预报ACC流量跃变的CNOP型观测敏感区,并进行目标观测研究。敏感性试验表明,ACC流量对于CNOP型敏感区内(尤其2000 m以下)的初始“观测”误差具有更大的敏感性。进一步,利用观测系统模拟试验,验证了在CNOP型敏感区内(尤其2000 m以下) 去除初始“观测”误差能够较大程度改善(超过50%)ACC流量跃变的预报效果。 本文通过探究ACC流量跃变的OPR、OGIE以及目标观测问题,揭示了海洋内部斜压不稳定和非线性过程对ACC流量短期变异的重要作用。同时,验证了在识别的敏感区内增加观测和优化初始场将有助于提升ACC流量跃变的预报技巧,对于设计和优化南大洋德雷克扇区ACC的观测网络具有一定的指导意义。 |
语种 | 中文 |
内容类型 | 学位论文 |
源URL | [http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/177051] |
专题 | 海洋研究所_海洋环流与波动重点实验室 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 周利. 德雷克海峡扇区南极绕极流流量跃变的可预报性研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学. 2021. |
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