2. 中国海洋大学海洋学国家级实验教学示范中心，山东青岛 266100
2. National Oceanography Experimental Teaching Demonstration Center, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
黑潮是世界大洋中速度较大的一支典型的西边界流, 它起源于菲律宾群岛东岸, 具有流速大、流幅窄、流速剪切明显的特点[1].研究表明黑潮延伸体区域具有活跃的中尺度涡活动[2], 不仅影响太平洋区域的气候变化, 而且对全球的气候有重要的影响[3].此外, 地形对黑潮的流量以及涡旋的传播有显著作用.郑小童等[4]表明太平洋区域岛屿地形对黑潮的流量具有重要影响; 罗德海等[5]通过数值计算研究了孤立地形在单涡及双涡融合中的作用, 指出孤立地形对涡旋移动方向及轨迹有着显著影响.因此研究地形强迫在西边界流中的作用及其引起的涡旋有着重要的意义.
大洋中西向强化现象在多年前已被人们发现[6-7], 并可以在实验室中进行模拟[8].而关于涡旋的空间变异过程, 胡天翔等[9]研究了同向涡对在近地面效应影响下的演变和融合过程.但是关于孤立地形对西边界流影响的研究甚少.故本实验旨在研究西边界流在受到孤立地形(如海山)的影响后, 流态及其能量分布的变化情况, 以及流域中产生涡旋的性质.
1 实验仪器及原理 1.1 实验仪器本实验利用中国海洋大学流体力学实验室提供的实验设备(见图 1)来完成, 包括转台、玻璃水槽(410 mm×410 mm)、斜板(倾角15.668°)、水泵、足够高的圆柱体(直径42 mm)、微粒水体、激光器、CCD及示踪粒子(PIV粒子图像测速技术).
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| 图 1 实验设备 Fig.1 Experimental equipment |
本实验利用转台的旋转模拟地球的自转; 采用水泵提供驱动力, 模拟赤道信风驱动[8]; 根据位势涡度守恒定律, 通过添加常角度斜板改变水域深度, 从而改变相对涡度, 产生西边界流模型; 再利用圆柱体障碍物模拟海底孤立地形, 孤立地形会使流动在该处产生扰动, 扰动能量逐渐积累, 进而生成涡旋.
西边界流模拟的实验原理是基于位势涡度守恒定律.位势涡度可以写为
| $ \zeta=(f+\xi) / H $ |
由转换关系[10], 进而得到
| $ \zeta=\left(f_{0}+\left(\beta_{y}+f_{0} \cdot h / D\right)+\xi-f_{0} \eta / D\right) / D $ |
其中ζ为绝对涡度, f为Coriolis参数, ξ为相对涡度, H为水层厚度, D为静止时自由面高度, η为运动时自由面相对平衡位置之偏离, h为地形高度, y坐标指向北, x指向东.因此环境位势涡度的变化部分为βy与f0·h/D的总和, 二者在动力学上是等价的, 即f平面上地形变化与Coriolis参数随纬度的变化在位势涡度动力学中起着同样的作用[8].因此在实验室模拟中, Coriolis参数的变化可以用常角度倾斜底面来近似代替, 以模拟β效应.
就涡旋能量而言, 中尺度涡旋有相当大的动能, 在海洋运动能量谱中是一个显著的峰区[11-12].涡动能与涡旋活动密切相关, 在海洋能量传播过程中以及垂直方向的混合起着重要作用[13-14].本文将涡动能作为定量衡量北太平洋涡旋运动模型的一部分, 采用上文所述的长时间序列海面高度距平(maps of sea level anomaly altimeter data products, MSLA)资料进行了涡动能的计算及分析, 在地转平衡和各向同性假设条件下, 涡动能的计算方法为
| $ \mathrm{EKE}=\frac{1}{2}\left(U_{\mathrm{g}}^{\prime 2}+V_{\mathrm{g}}^{\prime 2}\right) $ |
其中,
首先，保持水泵以及转台关闭, 向水槽中放入斜面, 并向水槽注入35‰的盐水后, 开启转台, 待其稳定后, 打开水泵, 模拟西边界流; 再向水槽注入颜色水, 观测水槽中西边界流的流态并利用PIV探测其表层流场; 关闭转台和水泵, 将圆柱体摆放在指定位置重新开启转台及水泵并重复上述过程; 关闭转台和水泵, 改变物块摆放位置进行多次实验.其中圆柱体的位置如表 1, 每个圆柱体根据西边界流位置选择性摆放.
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下载CSV 表 1 圆柱体摆放位置 Tab.1 Position of cylinder |
实验时水槽实际注水部分长41.0 cm, 宽23.6 cm, 最深处水深16.7 cm, 最浅处水深5.2 cm; 转台转速4 rad/min, 水泵泵速为17 cm3/s; 利用PIV粒子图像测速技术探测高度为水表面以下1.45 cm处, 帧率为20 fps, 每组实验记录120 s.在圆柱体6种不同的摆放位置中, 实验5产生的涡旋最为明显, 实验4流场流态变化以及能量变化较为显著, 具有典型性, 因此本文对实验4与实验5进行重点分析.
2.1 地形强迫涡以及西边界流流态变化在无地形扰动时, 流场矢量的分布如图 2所示, 流动存在明显的西向强化现象, 同时, 此流域的涡动能可达到2.5 cm2/s2以上, 故其可被认为是西边界流模型并作为实验对照组.
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| 图 2 实验0平均态流场及相对涡度分布, 平均态流线及涡动能分布(流场矢量单位为m·s-1, 涡度单位为s-1, 涡动能单位为cm2·s-2; 图中阴影为水泵位置, 红色点划线断面用来反映水流流量; 图片上方为正北.下列图片同理) Fig.2 Average flow field and relative vorticity distribution, average streamline and eddy energy distribution in experiment 0(Flow field vector/(m·s-1), vorticity/ s-1, eddy energy/(cm2·s-2). The shadow shows the position of pump; the red dash line transects represent the flow of current; the top of the picture is north. The following pictures are the same) |
实验5中地形扰动对西边界流的影响较为显著, 图 3流场矢量分布显示, 位于西边界流区域的圆柱物使西边界流产生了分叉, 其中一支水流由于圆柱物的阻挡转而向东汇入, 转向部分相对涡度大小在0.5/s左右, 存在逆时针旋转的趋势; 同时, 另一支水流通过西边界与圆柱物之间形成的狭窄通道向北流动, 其相对涡度增大, 大小可达1/s, 顺时针流动, 这表明了该处流体微团由于旋转而造成的形变增大, 从而旋度增大.
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| 图 3 实验5平均态流场及相对涡度分布, 平均态流线及涡动能分布(圆形阴影为圆柱位置) Fig.3 Average flow field and relative vorticity distribution, average streamline and eddy energy distribution in experiment 5 (The circular shadow shows the position of cylinder) |
从计算流场的能量分布(见图 3)发现, 在西边界流遇到圆柱物前, 其涡动能可达到2.5 cm2/s2以上, 而由于圆柱物的阻挡, 其能量传播随流场分叉而改变, 大部分能量随北上的流动向北传播.北上的一支流动转向东传播后具有较大的相对涡度以及涡动能, 并且具有强烈的不稳定性, 可见该流动很好地模拟了黑潮延伸体.
此外, 在西边界流向北传播的过程中, 由于流体不稳定性增强, 相对涡度增大, 因此产生了非定常涡旋, 平均生命周期约为18.8 s. 图 4显示了一组涡旋从产生到消亡的生命过程, 可见该涡旋在相对涡度显著的北上分流由向北转向东流时产生, 且随流动向东传播, 达到水域东北角时涡旋呈西北-东南向椭圆状, 涡旋范围达到最大; 而后涡旋向南传播, 并耗散加剧, 其范围减小; 新的涡旋将再次由非线性流动产生(如图 4绿圈所示).
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| 图 4 实验5一组涡旋的产生及消亡过程(红圈代表涡旋位置, 绿圈代表下一组涡旋即将生产的位置) Fig.4 Generation and extinction process of one eddy in experiment 5(Red circles represent the position of eddies, and green circle represents the position where the next eddy will be produced) |
图 5为涡旋相对涡度以及涡旋范围达到最大时4 s内流场的平均态.此时涡旋外侧的涡动能可达到1~1.5 cm2/s2.
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| 图 5 实验5涡旋相对涡度最大值时流线及涡动能分布 Fig.5 Average streamline and eddy energy distribution in experiment 5 when relative vorticity is maximum |
实验4的结果(见图 6)表明, 在圆柱物的影响下, 其上下两侧均出现了尺度近似相等的流涡, 涡旋的主要位置在赤道流北侧与黑潮延伸体南侧, 相对涡度的数值大小在0.2~0.4/s, 且在圆柱体附近的涡度大小相等方向相反, 这一现象可由圆柱绕流解释.同时, 圆柱体在该位置时, 水流在西向强化流域及其以北的涡动能相比于对照组(实验0)较大, 数值可达2~2.5 cm2/s2.相对涡度与能量的分布反映了该流域水流强烈的不稳定性.
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| 图 6 实验4平均态流场及相对涡度分布, 平均态流线及涡动能分布 Fig.6 Average flow field and relative vorticity distribution, average streamline and eddy energy distribution in experiment 4 |
实验1与实验2(见图 7)的圆柱物并未入侵到西边界流中, 距离西边界流主轴的距离较远, 因此, 这两组实验对西边界流的流态影响较小.实验1在圆柱物的地形扰动下, 西边界流产生了分流, 分别形成了上下两组流涡, 除此之外, 该组地形扰动对流场的相对涡度、涡动能的分布产生的影响较小.实验2中圆柱物对流场的速度分布以及能量分布基本无影响.
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| 图 7 实验1, 实验2, 实验3, 实验6的平均态流场及相对涡度分布 Fig.7 Average flow field and relative vorticity distribution in experiment 1, experiment 2, experiment 3 and experiment 6 |
同样, 实验3和实验6(见图 7)的圆柱物从西边界流模型外侧入侵.该位置的地形扰动并没有使西边界流产生明显的涡旋, 但是由于圆柱绕流作用, 使得黑潮延伸体部分产生分叉现象, 且圆柱靠近水槽一侧的涡度相较于外侧的一侧更大.实验6中的绕流现象与实验3不同, 实验6的流体并没有完全绕流圆柱, 而是在圆柱的作用下使得黑潮延伸体出现的位置更加靠南, 没有完全发生绕流的原因可能是圆柱体后方的空间较小, 无法使绕流流体发生边界层分离, 无法增大机械能量的损失, 从而无法在圆柱后方形成涡旋.而实验3与实验6的涡动能分布基本一致, 在西边界流及黑潮其延伸体部分的涡动能相对较大, 圆柱体的摆放并未对涡动能产生较大的影响.
此外, 为了进一步探究实验5中黑潮延伸体模型的动力不稳定性, 本文还对该组实验中S2断面中点处流速平均值与流速异常值进行了分析.由表 2可见, 在实验5中, 上述位置的东西向流速大于南北向流速; 而实验5该点的东西向流速以及南北向流速相比于对照组都较小.
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下载CSV 表 2 S2断面中点平均流速 Tab.2 Average flow velocity at the midpoint of S2 transect |
对于上述位置的流速异常值, 根据图 8显示, 实验0和实验5该处速度的振幅都随着时间变化.实验5由于圆柱物的扰动, 振幅变化更加剧烈, 且存在更多的微小波动.对比东西方向与南北方向, 放置圆柱物对西边界流模型下游的东西方向流速的影响要强于其南北方向.西边界流流速的强弱与流轴的摆动幅度相关, 当西边界流流速较弱时, 流轴的摆动幅度相对较大, 而流速较强时, 流轴的摆动幅度相对较小[15].这说明圆柱体的摆放在一定程度上改变了西边界流流轴的摆动幅度, 进而影响了西边界流的流速, 并进一步说明了经过地形扰动后的西边界流具有强烈的不稳定性.
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| 图 8 S2断面中点东西向(a)以及南北向(b)速度异常值(实验5) Fig.8 Velocity anomaly of east-west and north-south at the midpoint of S2 section (experiment 5) |
针对流场情况变化较复杂的两组实验, 即实验4和实验5, 本文讨论了水流通过不同的断面在单位时间内体积通量变化情况, 并且与实验0进行对照，见表 3. S1、S2、S3、S4为断面编号, 实验0中断面位置如图 2; 实验4中断面位置如图 6; 实验5中断面位置如图 3.
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下载CSV 表 3 各组实验中各断面流量 Tab.3 Flow on current on each transect of each experiment |
首先, 对表 3的数据进行纵向分析. S1断面反映了西边界流遇到圆柱物前的南北向(经向)水流流量.由表 3可看出, 相比于对照组, 圆柱物的影响会使西边界流流量增大, 这种现象是由于向北流动的西边界流模型在遇到圆柱物阻挡后, 向东转向的水流产生了回流流涡, 产生的回流又汇入西边界流上游, 使得通过S1断面的流量相对增加.另外, 实验4中S1断面的流量略大于实验5, 这是由于实验5中圆柱物位置相比于实验4更偏北, 回流过程中产生的耗散增加造成的. S3断面反映了黑潮延伸体东西方向的流量, 相比于对照组, 实验4在S3断面的流量较大, 而实验5的流量较小.这是由于在实验4中圆柱的北面产生了回流流涡; 而实验5在此位置没有产生流涡, 而是产生了非定常涡旋, 其耗散作用较明显, 因此对S3断面的流量不做贡献.
进而对表 3进行横向比较, S2断面反映了西边界流在遇到圆柱物的作用后分叉向北的流量输运; 而S4断面则反映了遇到圆柱物后西边界流向东转向的一支分流的流量.实验4中S4此分流的流量小于北上(S2)的西边界流分流; 而实验5中转向的分流(S4)与北上的分流(S2)流量大小基本相等.这是由圆柱物在西边界流中的南北位置差异造成的: S2处的流量主要由西边界和圆柱物之间通过的水流所贡献, 而S4处的流量主要由转向东流的水流所贡献, 在西边界流上游, 水流相对较集中, 大部分能够通过此狭窄的通道; 而在西边界流的下游, 水流受到边界影响开始右偏, 而此时会有更多的水流从圆柱的右边通过, 而从狭窄通道内通过的水流相对减少.另外, S2与S4断面通过的流量总和应与通过S1断面的流量相等, 实验5很好地符合这一理论, 而实验4中S2与S4断面流量的和远大于S1断面的流量, 这可能是由于西边界流通过圆柱后速度显著变快导致单位时间的流量增加.
3 结论通过7个实验的对比研究, 地形强迫作用所引起的西边界流流态变化主要有以下两个方面:
(1) 正压条件下在西边界流域内侧的地形强迫(实验4、实验5)会使西边界流产生分叉, 并产生定常的回流流涡.同时, 圆柱物从内侧的入侵会导致向北传播的水流产生强烈不稳定的流动, 流轴摆动幅度较大, 而流速较慢.由于流动的动力不稳定性, 西边界流转向处产生非定常涡旋, 并且随流动向东传播.而距离西边界流主轴较远的圆柱物(实验1、实验2), 以及从西边界流域外侧入侵的圆柱物(实验3、实验6)对西边界流流态以及能量分布基本无影响.
(2) 圆柱物的阻挡作用使西边界流产生分叉后, 两支分流的流量总和等于西边界流上游流量; 且圆柱物在西边界流域的南北向位置不同, 两支分流流量存在差异; 而由分流产生的回流流涡使西边界流域上游流量增加.
致谢 感谢中国海洋大学海洋与大气学院研究生郭钰林、吕王雨沛以及汪佳莹对本次实验提供的指导与帮助.| [1] |
胡冬, 陈希, 赵艳玲, 等. 两个西边界流延伸体区域中尺度涡统计特征分析[J]. 海洋学报, 2018, 40(6): 18-31. Hu D, Chen X, Zhao Y L, et al. Statistical characteristics of mesoscale eddies in the two western boundary current extension regions[J]. Acta Oceanolo-gica Sinica, 2018, 40(6): 18-31. (in Chinese) |
| [2] |
Chen Y H, Ho C R, Zheng Q N, et al. Statistical characteristics of mesoscale eddies in the north pacific derived from satellite altimetry[J]. Remote Sensing, 2014, 6(6): 5164-5183. DOI:10.3390/rs6065164 |
| [3] |
汪敏. 琉球群岛两侧西边界流观测研究进展[J]. 科学技术创新, 2018(7): 34-35. Wang M. Progress in observation of the western boundary current on both sides of the Ryukyu Island[J]. Scientific and Technological Innovation, 2018(7): 34-35. DOI:10.3969/j.issn.1673-1328.2018.07.018 (in Chinese) |
| [4] |
郑小童, 刘秦玉, 胡海波, 等.琉球海脊与太平洋西边界流[C].中国海洋湖沼学会第九次全国会员代表大会暨学术研讨会论文摘要汇编, 2007. Zheng X T, Liu Q Y, Hu H B, et al. The Ryukyu Ridge and Pacific western boundary current[C]. Abstracts of the Ninth National Conference and Symposium of the China Society of Marine limnology, 2007(in Chinese). http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGHI200709001087.htm |
| [5] |
罗德海, 卢燕. 海洋中地形强迫的孤立涡旋的演变及其相互作用[J]. 海洋学报, 1999, 21(6): 1-8. Luo D H, Lu Y. Evolution of solitary eddies over a Gaussian topography and their interactions[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1999, 21(6): 1-8. (in Chinese) |
| [6] |
Stommel H. The westward intensification of wind-driven ocean currents[J]. Eos Transactions American Geophysical Union, 1948, 29(2): 202-206. DOI:10.1029/TR029i002p00202 |
| [7] |
Munk W H. On the wind-driven ocean circulation[J]. Journal of Meteorology, 1950, 7(2): 80-93. DOI:10.1175/1520-0469(1950)007<0080:OTWDOC>2.0.CO;2 |
| [8] |
刘永正, 欧衍达, 陈旭, 等.西边界强化模拟实验[C].第九届全国实验流体力学学术会议, 杭州: 2013. Liu Y Z, Ou Y D, Chen X, et al. An experimental study on the Westward Intensification[C].The Ninth National Conference on Experimental Fluid Mechanics, Hang-zhou: 2013(in Chinese). http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-AGLU201307002014.htm |
| [9] |
胡天翔, 陈庆民, 刘岳, 等.同向涡对近地面多涡系干扰水槽实验研究[C]. 2018年全国工业流体力学会议, 北京: 2018. Hu T X, Chen Q M, Liu Y, et al. Experimental study on interference of coaxial vortex on near-surface multi-vortex system in water tank[C]. 2018 National Conference on Industrial Fluid Mechanics, Beijing: 2018(in Chinese). http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-HKDX201808001031.htm |
| [10] |
Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics[M]. 2nd ed. New York: Springer-Verlag, 1987.
|
| [11] |
王桂华, 苏纪兰, 齐义泉. 南海中尺度涡研究进展[J]. 地球科学进展, 2005, 20(8): 882-886. Wang G H, Su J L, Qi Y Q. Advances in studying mesoscale eddies in South China Sea[J]. Advances in Earth Sciences, 2005, 20(8): 882-886. DOI:10.3321/j.issn:1001-8166.2005.08.009 (in Chinese) |
| [12] |
Shum C K, Werner R A, Sandwell D T, et al. Variations of global mesoscale eddy energy observed from Geosat[J]. Journal of Geophysical Research, 1990, 95(C10): 17865-17876. DOI:10.1029/JC095iC10p17865 |
| [13] |
Ducet N, Le Traon P Y. A comparison of surface eddy kinetic energy and Reynolds stresses in the gulf stream and the Kuroshio current systems from merged TOPEX/Poseidon and ERS-1/2 altimetric data[J]. Journal of Geophysical Research, 2001, 106(C8): 16603. DOI:10.1029/2000JC000205 |
| [14] |
Gaspar P, Grégoris Y, Lefevre J M. A simple eddy kinetic energy model for simulations of the oceanic vertical mixing:tests at station Papa and long-term upper ocean study site[J]. Journal of Geophysical Research:Oceans, 1990, 95(C9): 16179. DOI:10.1029/JC095iC09p16179 |
| [15] |
吕彩霞. 东海J断面上黑潮表层流速变化的初步分析[J]. 海洋湖沼通报, 1983(1): 9-14. Lv C X. A preliminary of the variation of surface velocity of the Kuroshio on section J in the East China Sea[J]. Transactions of Ocanology and Limnology, 1983(1): 9-14. (in Chinese) |