导读

南大洋是全球海洋涡旋最丰富的区域之一，这些涡旋在南大洋的动力学和热力学平衡中发挥着举足轻重的作用，研究其变化可以帮助我们理解南大洋乃至全球环流对气候变化的响应。涡动能（EKE）作为衡量涡旋强度的重要参数，是研究南大洋涡旋变化的关键。本文通过运行大量的理想数值试验，研究了海底地形和风应力扰动对南大洋EKE变化的影响。研究结果揭示了地形在EKE变化中的重要作用，并发现即便增大风应力扰动，EKE变化依然受其内在变率主导。本文研究加深了我们对南大洋EKE变化的理解，为南大洋动力演变的预测提供了理论支撑。

研究结果

丰富的涡旋是南大洋典型的动力学特征。受全球气候变暖和南极臭氧层衰竭的影响，南大洋上空的西风带呈现增强的趋势，风场的变化对南大洋涡动能产生了怎样的影响是近年来国际上研究的热点问题。由于南大洋EKE变化受自然随机信号影响较大，风应力的异常在多大程度上能够引起EKE的显著变化需进一步讨论。此外，南大洋EKE的空间分布明显受地形调控，但地形在其变化中的作用尚不明晰。为解决以上问题，本文基于大量的理想数值试验，利用集合分析的方法将EKE变化分解为强迫变化（forced variability）和内在变率（intrinsic variability），分别分析了EKE的强迫变化和内在变率对风应力扰动和地形的敏感性。结果表明，风应力扰动的增大明显增加了EKE的强迫变化，但是对EKE的内在变率影响不大（如表1）。地形的存在生成陡峭的等密面，使得EKE变化对外界强迫更加敏感（如图1）。同样的风应力扰动强迫下，含有地形的试验呈现出更大的EKE强迫变化，并且EKE的强迫变化随风应力扰动的增大而明显增大。此外，地形的存在还将增强海洋内部变化，从而增大EKE的内在变率，但风应力扰动大小的变化对其影响不大（如表1）。最后，无论是否有地形的存在，EKE的变化都主要由其内在变率控制，即便是增大风应力扰动。

表1 EKE强迫变化/内在变率的幅度(单位:cm2/s2)

图1. 地形和风应力扰动影响EKE变化的示意图

总结与展望

本文通过运行大量的理想数值试验阐明了风应力扰动和地形对南大洋EKE变化的影响，揭示了地形在EKE变化中的重要作用，并进一步强调了内在变率的主导地位。研究结果凸显了南大洋EKE变化的复杂性，为其观测分析提出了更高的要求。同时，也为改进气候模式中涡混合的参数化方案提供了理论依据。但是，本文的模式配置较为理想，地形设计较为简单，亦没有考虑浮力通量强迫以及盐度变化对结果的影响，后续应考虑更为复杂的过程和真实的地形进行深一步的讨论。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/olar.0042（点击跳转）

文章标题：Factors Modulating the Variability of Eddy Kinetic Energy in the Southern Ocean from Idealized Simulations

文章作者：Yongqing Cai, Dake Chen, Ru Chen, Ruibo Lei, Lichuan Wu.

文章摘要：

The Southern Ocean is characterized by high levels of eddy activity, which are crucial for the vertical exchange or transfer of matter, energy, and momentum. Previous studies have shown that the variability of eddy kinetic energy (EKE) in the Southern Ocean is primarily intrinsic. However, the factors that modulate the forced and intrinsic variability of the EKE remain unclear. In this study, we conduct a series of idealized simulations and apply ensemble analysis to investigate the impact of topography and wind-stress perturbations on the forced and intrinsic variability of the EKE and their relative contributions. The results show that while the large wind-stress perturbation obviously increases the forced variability of EKE by enhancing the Ekman response, the topography not only amplifies the forced variability by sharpening isopycnals and energizing the mean flow but also intensifies the intrinsic variability of EKE. However, EKE variabilities in both complex-topographic and flat-bottom cases are dominated by their intrinsic components, even when driven by escalated wind-stress perturbations. These findings deepen our understanding of the eddy field, its ongoing variability in the Southern Ocean, and its potential impact on the balance of heat, carbon, and freshwater.

文章引用：

Yongqing Cai, Dake Chen, Ru Chen, Ruibo Lei, Lichuan Wu. Factors Modulating the Variability of Eddy Kinetic Energy in the Southern Ocean from Idealized Simulations. Ocean-Land-Atmos Res. 2024;3:0042.DOI:10.34133/olar.0042

第一作者&通讯作者：

蔡永庆，中国极地研究中心，助理研究员，主要从事南大洋动力学和冰海相互作用研究。

联系邮箱：caiyongqing@pric.org.cn

OLAR 期刊简介

Ocean-Land-Atmosphere Research (OLAR) 由南方海洋实验室和美国科学促进会合作出版，入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目、2024年度广东省高起点英文期刊创办项目，海洋负排放国际大科学计划（Ocean Negative Carbon Emissions, ONCE）学术出版合作平台，已被Scopus, Directory of Open Access Journals (DOAJ) 等15个数据库收录。本刊以海洋相关学科为重点，刊稿主题包括但不限于：海陆气相互作用、海洋碳中和、物理海洋学、海洋生物与生态、海洋地质与地球物理、化学海洋学、海洋气象学、大气物理与大气环境、冰冻圈科学、河口海岸学、海洋工程与海洋技术、海洋资源开发与利用。分享卓见，探索前沿，OLAR 诚邀您一起荟萃科学发现，共享学术盛筵！

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