北太平洋的风能输入及其转化

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风输入到海洋的能量是大洋环流的重要机械能源。风是通过应力对表面地转流做功向海洋输送能量的,以动能和重力位能的形式储存在大洋中,来维持准稳态的大洋环流。已有研究发现,由于南半球西风带的加强,近几十年来风输入到南大洋的能量在增大。北太平洋区域作为全球第二重要风能输入区域,其情况如何?本文利用SODA2.2.4资料计算1871-2010年在该区域风能输入,探讨了变化趋势及影响因子,最后进一步讨论了该区域中尺度涡动能变化与风能输入的关系,及该区域动能与重力势能转化项的垂直和水平分布情况。  结果表明,在近140年来,与风向全球大洋输入能量增加趋势相反,风输入到北太平洋的能量整体上呈降低趋势;其主要减少区域为赤道区域;而黑潮区域的风能输入呈现东减西增的模态。由于全球变暖,Walker环流减弱,使得输入北太平洋的风能减少。不过,由于IPO(Interdecadal Pacific oscillation)的调节作用,近30年风输入到北太平洋的能量逐步增加。  在IPO正相位时,北太平洋的赤道区域的风应力逐渐增强,输入能量逐渐增加,在北太平洋中累积的能量也逐渐增加;在IPO负相位的时候,赤道区域风应力减弱,输入的风应力能量也逐渐减少,北太平洋中积累的能量会逐步减少。当IPO由正相位向负相位转化时,中纬度的西风将减小,黑潮延伸区的流速也减小,从而使得由黑潮及延伸区输入的风应力能量减小;当IPO由负相位向正相位转化时,中纬度西风增加,黑潮延伸区流速增加,从而使得由黑潮延伸区输入的风应力能量增加。因此,IPO为正相位时输入到北太平洋的风应力能量大于在IPO冷相位时输入的风应力能量。  风能输入到海洋后,并不直接作为重力位能在当地储存起来,而是经过Ekman层输送到其他区域然后再进入海洋内部存储。部分能量转化会在斜压不稳定的情况下转化为中尺度涡的有效重力势能,从而转化为涡动能EKE(Eddy KineticEnergy)。结果是:1993年-2010年间,北太平洋上的总EKE与总的风能量输入有很好的相关性,相关系数达到0.5150。黑潮区域EKE不仅受到黑潮延伸区风能输入实时的影响,还受到赤道区域输入能量的滞后2年的信号的影响。但副热带区域的EKE与局地的风能输入也并无明显的正相关性。不过,该区域的EKE与IPO指数具有明显的正相关性。  受制于观测资料与模式数据,关于风能量在进入海洋内部的垂向转化研究较少。文利用SODA2.2.4数据对北太平洋的动能与有效重力位能之间的转化项C(K,P)的垂直及空间分布做了计算。在赤道流系区域,主要为平均动能Km(MeanKinetic Energy)与平均势能Pm(Mean Available Potential Energy)的转化,且能量转化在200m以上。在涡旋活动高值区(黑潮延伸区与副热带环流区),能量在上层海洋的主要转化路径为:平均动能Km(Mean Kinetic Energy)→平均势能Pm(Mean Available Potential Energy)→涡有效势能Pe(Eddy Available PotentialEnergy)→涡动能Ke(Eddy Kinetic Energy)(斜压过程);在下层海洋(1km以下)中,两个高值区的涡旋将动能转化为重力位能,这为深层的海洋混合等动力过程提供能量。整个北太平洋下层海洋的总C(Ke,Pe)为0.0186TW。  
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