基于ROMS的中尺度涡理想模型的构建及中尺度涡非外强迫西向运动影响因素的探究

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海洋中尺度涡是动力海洋学的一个重要组成部分。海洋中尺度涡对海洋物质和能量的输运,调节全球气候变化和海洋自然资源的分布等起着重要的作用。对于中尺度涡这一海洋学问题,一般从观测和数值模式入手。近些年高度计资料和Argo浮标资料已经有了一定积累,数值模式也有快速的发展,对中尺度涡相关问题也有了一定的解决。但是目前对于中尺度涡西向运动尚没有统一的结论。故本文的主旨是想借助ROMS工具,先构建中尺度涡理想三维结构,然后进行一系列中尺度涡理想实验,对影响中尺度涡西向运动速度的因素进行探讨。本文首先利用ROMS构建中尺度涡理想三维结构。构建的方法有两种:一种是在海洋表面加一个类似台风结构的风场驱动出来一个中尺度涡;另外一种方法是利用Zhang等(2013)提出的涡旋标准化三维公式构建理想中尺度涡。在中尺度涡理想模型构建好后,将涡三维结构以初始场的形式输入ROMS模型中,通过对模型中设置参数,如f0参数、beta参数、背景场温度等,以及中尺度涡的一些特征参数,如涡旋强度等进行控制,来构建一系列中尺度涡进行对比实验,对影响涡旋西向运动的因素进行探究。所有实验都是在无背景流,无强迫风场的条件下进行的。实验一到实验六均为独立实验,且每一个实验中均有若干个对比小实验。实验一中关于中尺度涡在f平面与β平面运动实验发现,首先中尺度涡能够在f平面稳定的持续的存在,且相较与在β平面其涡动能衰减得更慢。其次中尺度涡在f平面没有明显的西向运动,但在β平面,无论是暖涡还是冷涡都有明显的西向运动,而且暖涡向西偏南运动,冷涡向西偏北运动。实验一中f平面和β平面的唯一差别在于,β平面存在科氏力参数梯度而f平面没有,所以可以说,在无其它外强迫因素(如海流、风场等)影响的情况下,只有在有科氏力梯度存在的情况下,中尺度涡才会出现西向移动。实验二中由中尺度涡在实际经纬度区域运动实验发现,中尺度涡有明显的向西运动并且暖涡向赤道偏转而冷涡向两极偏转,这和中尺度涡在β平面的运动情况较为一致。实验三到实验六均在β平面下进行,分别探讨了 beta参数、f0参数、涡强度、背景场温度对中尺度涡西向运动的影响。实验三中从beta参数对中尺度涡运动影响的实验发现,同一中尺度涡在只有beta参数值设置不同而其它设置相同的模型中,中尺度涡西向运动速度有很大差异,且随着beta参数的增大,中尺度涡西向运动的速度成线性增大。实验四中从f0参数对中尺度涡运动影响的对比实验发现,不同f0参数值下构建的一系列尺寸相同、表层平均涡动能相近的中尺度涡,在只有f0参数值设置不同而其它设置相同的模型中,中尺度涡西向运动速度有很大差异,且随着f0参数的增大,中尺度涡西向运动的速度成线性减小。实验五中从中尺度涡强度对中尺度涡运动影响的对比实验发现,尺寸相同但表层平均涡动能不同的中尺度涡,在其它设置相同的模型中,中尺度涡西向运动的速度有很大差异,且中尺度涡的表层平均涡动能越强,中尺度涡西向运动速度也越大,暖涡向南运动的速度和冷涡向北运动的速度也越大。实验六中从背景温度对中尺度涡运动影响的对比实验发现,在只有背景温度场设置不同而其它设置相同的模型中,中尺度涡西向运动速度有很大差异,背景温度场设置越低,在这背景温度场下形成的尺寸相同、表层平均涡动能相近的中尺度涡的西向运动速度越小,暖涡向南运动的速度和冷涡向北运动的速度也越小。本文通过在ROMS模型中先构建中尺度涡理想三维结构,然后对中尺度涡运动进行了一系列理想实验,研究结果表明,在无其它外强迫因素(如海流、风场等)影响的情况下,只有在有科氏力梯度存在的情况下,中尺度涡才会出现西向传播,中尺度涡西向传播速度随着beta参数、涡强度的增大而增大,随着f0参数增大而减小、随着背景场整体温度的增大而增大。
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