德雷克海峡扇区南极绕极流流量跃变的可预报性研究

• Main Author: 周利
• Other Authors: 穆穆
• Format: Other/Unknown Material
• Language: Chinese
• Published: 2021
• Subjects: Antarctic; The Antarctic; Drake Passage; Antarc*
• Online Access: http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/177051

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=10 6 m 3 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。