黑潮延伸体的空间与时间不稳定性增长及其多尺度动力学研究

We propose to investigate the spatial/temporal growth of the perturbation and, correspondingly, the underlying convective/absolute instability and local/global instability processes, of the Kuroshio Extension (KE) east of Japan, which has been of wide interest not only because of the importance in physical oceanography on its own, but also because of the broader impact it exerts through influencing the climate over the region. So far, all the KE instability studies are regarding temporal growths, while the satellite observations during the past 20 years reveal that KE may grow more in space than in time. These processes are in general highly nonlinear, multiscale interactive, and intermittent in space and time, posing a great challenge to the community. During the past few years, we have developed a series of theories and methodologies to address this kind of challenge, which include a mathematical machinery namely the multiscale window transform, a mean-eddy-turbulence interaction law, a novel methodology called MS-EVA, etc. With them it is expected to obtain for KE a 4-dimensional field of nonlinear instability (hence the distribution of intrinsic instability sources), and for its variability a selection of frequencies and wavelengths. These results are conducible to differentiating the intrinsic and extrinsic mechanisms for the KE variability, and to singling out the KE input from those affecting the Pacific Decadal Oscillation.

本项目研究日本以东黑潮延伸体（KE）的空间与时间增长及其对应的平流失稳、绝对失稳、局地失稳、全局失稳的多尺度时空结构。KE的稳定性及其伴随的扰动增长、漩涡产生等现象不但是物理海洋学的重要课题，也因其对东亚与中北太平洋地区气候的影响而广为其它学界关注。迄今为止，所有的KE稳定性研究都集中在扰动的时间增长上，然而近二十年来的卫星观测资料表明，KE更是一个空间增长过程。项目采用最近几年中申请人针对KE区域这些高度非线性、多尺度交互作用性、时间间隙性、空间局地性的动力现象而创建并发展的多尺度子空间变换、平均流-涡旋-湍流交互作用律、以及MS-EVA分析等工具，以期得到一个KE非线性时空稳定性的四维场，并由此求得KE的内部失稳源、KE变异的频率、波长选择等。这些结果有助于区分导致黑潮延伸体变异的外因与内因、搞清北太平洋代际振荡中来自黑潮延伸体的贡献。

项目旨在对黑潮延伸体的不稳定性及其多尺度动力学进行研究，主要内容为通过一个二十多年的黑潮延伸体及其变异的数值模拟，探索延伸体的内在振荡源与多尺度相互作用，研究延伸体的失稳过程，区分平流失稳、绝对失稳等，并完善局地多尺度能量与涡度分析（MS-EVA），形成可移植的软件包。通过研究，我们澄清了目前学界关于多尺度能量（尤其是涡动能）存在的概念误区，为涡旋等研究提供了多尺度子空间变换（MWT）等工具，并在MWT的基础上导出一个叫“正则传输”的量来表征平均流-涡旋-湍流的交互作用。正则传输有着Hamiltion力学中的Poisson bracket的形式，满足Jacobi等式及能量守恒律。利用这些工具以及理论，我们详细研究了黑潮延伸体的非线性不稳定性增长过程，发现黑潮延伸体确实存在很强的局地内在振荡源，特别是正压不稳定源的低频振荡导致了该海区涡动能的年代际变化；详细探讨了黑潮延伸体的多尺度相互作用的时空结构，发现黑潮延伸体上游失稳，能量是正向串级，而下游相对稳定，能量逆向串级；从季节变化上看，上游涡动夏季增长主要受流体不稳定所控制，而下游则主要受平流作用控制；另外我们还研究了一次黑潮甩涡过程的内部非线性动过程，发现与前人的结果大不相同。通过区分正、斜压失稳过程中的平流失稳与绝对失稳，我们发现黑潮延伸体的空间增长与时间增长多处存在局地绝对失稳现象，而且至少一部分的季节内振荡来源于此。. 依托本项目完善的多尺度动力学理论与工具是基础性的东西，它们已被应用到海洋与大气不同的领域，并在业务部分得到应用。对黑潮延伸体的动力过程及不稳定性的了解，最终将对预测太平洋地区的气候起到促进作用；振荡源的发现将为我们的大洋观测布局提供科学依据；平流失稳与绝对失稳的结果已被用来提高大洋锋面大弯曲变异的预报技巧。由于这些工作，我们在项目执行期间数次在国际一流机构做讲座，并有成果被美国著名科学杂志《今日物理》报道。

内容获取失败，请点击重试