海冰对楚科奇陆坡流机械能的影响
作者:sio
时间:2024年03月27日
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北冰洋楚科奇陆坡区域存在陆坡流,它能够携带太平洋水自东向西输运,影响西北冰洋的温盐结构。楚科奇陆坡还是北冰洋涡旋活动最显著的区域之一。这些涡旋可以通过局地斜压不稳定产生,也可能从其他海域传播而来。夏季观测表明,楚科奇陆坡流内部存在相反的位涡梯度,这是斜压不稳定发生的必要条件。然而,目前的研究尚未对海冰覆盖期间陆坡流的斜压不稳定问题进行讨论,对于冰-海应力如何影响陆坡流机械能(包括动能和有效位能)的机制尚不清楚。

本研究基于麻省理工大洋环流模式(MITgcm)和线性斜压不稳定模式,设计理想实验探讨了海冰刚盖近似条件下,冰-海应力对陆坡流机械能的调节作用,得到以下结论:(1)冰-海应力能直接抑制海洋表层的斜压不稳定模态,阻碍表层涡旋的生成,但不影响次表层模态(图1和图2);(2)冰-海应力旋度能驱动Ekman pumping,削弱背景流的垂向剪切并释放有效位能,从而阻碍有效位能向涡动能转化;(3)作用于涡旋之上的Ekman pumping也能释放有效位能并削弱涡动能(图3)。后两种机制发生在埃克曼层以下,垂直尺度为100 m。

1. 模拟的相对涡度的水平分布,左列为表层,右列为次表层,虚线之间为陆坡区域

2.a表层(蓝色和红色)和次表层(黑色)斜压不稳定模态的增长率,对应表层埃克曼深度ds = 0, 5, 10, 20 m和底层埃克曼深度db=20mb)各不稳定分支最不稳定模态的垂直结构函数的平方,紫色曲线为模拟的涡动能廓线

3a, b)垂直速度和密度等值线沿断面分布,(c, d)垂向密度通量沿断面分布,左列无冰-海应力,右列有冰-海应力,(b上方Ekman pumping

尺度分析表明,对于大尺度海流而言,冰-海应力旋度驱动的Ekman pumping会主导有效位能的释放。然而,当背景流水平尺度接近罗斯贝变形半径且涡旋速度与背景流速度相当时,斜压不稳定对于有效位能的释放也起重要作用。

该研究发表于Ocean Science,我所冷恒凌博士后为第一作者兼通讯,合作者包括我所何海伦副研究员(共同通讯)和伍兹霍尔海洋研究所的Michael Spall研究员。本研究得到了国家自然科学基金(42006037)、中国博士后基金面上项目(2022M723703)、海洋二所专项项目(JB2304)以及中国极地环境综合考察与评估项目的支持。

论文引用:Leng, Hengling*, He, Hailun*, Spall, Michael A. (2023): A numerical investigation on the energetics of a current along an ice-covered continental slope, Ocean Science, 19(2): 289-304.