海洋动力学评价模型使用墨西哥湾流作为一个例子

最后更新Mon, 05年6月2023年|海洋学

哈雷e·赫尔伯特·e·约瑟夫·Metzger詹姆斯·g·里奇曼

Yann Drillet埃里克·p·Chassignet奥利维尔·勒Galloudec马修•w•赫克特

杰伊·f·施赖弗Xiaobiao徐和路易斯Zamudio

文摘墨西哥湾流的重点旨在动力学的理解和评价当前系统模拟eddy-resolving海洋环流模式(OGCMs),包括有或没有数据同化和结果从四个例子OGCMs (HYCOM, MICOM,尼莫和流行),前两个包括拉格朗日等密度的垂直坐标,最后两个使用固定的深处。墨西哥湾流一直具有挑战性的模拟和理解。有时虽然不同non-assimilative模型模拟现实的湾流路径,模拟微小的变化非常敏感,如subgrid-scale参数化和参数值。因此很难获得一致的结果和严重缺陷通常模拟上游和下游海岸的墨西哥湾流分离在哈特拉斯角。在现实的模拟,指导当前关键深海和湾流反馈机制约束附近的墨西哥湾流的纬度68.5°W。此外,墨西哥湾流是一个常数绝对涡度(CAV)轨迹从哈特拉斯角到W ~ 70°,但是没有68.5°W,附近的纬向约束的路径通常发展北部或南部的偏见。一个浅偏见的深海向南流大西洋经向翻转环流(大西洋经向翻转环流)在许多模拟创造了一个严重的问题,因为它的结果在深海洋流等深线太浅,带动关键深海当前或其他深海洋流提供类似的路径约束。通路与南部的偏见是由深海洋流的组合交叉在分离点附近的墨西哥湾流和增加机会强流不稳定更南部通道。eddy-driven意味着深海洋流限制意味着相关的通路。由于倾斜的地形,流不稳定抑制沿着更北部西部路线~ 69°W,尤其是对通路与北部的偏见。北部偏见发生在深海当前指导约束需要一个现实的途径是缺失或模拟过于软弱,屈服于线性动力学的要求超过通路。风强迫和上层海洋的分支

海洋部门,海军研究实验室,斯坦尼斯航天中心密西西比州,女士,美国电子邮件:(电子邮件保护)

a·席勒g . b . Brassington (eds),操作海洋学在21世纪,545年

DOI 10.1007 / 978 - 94 - 007 - 0332 - 2 - _21,©Springer科学+商业媒体帐面价值(在美国)2011

这些要求的大西洋经向翻转环流的贡献。模拟与北方路径偏差都是迫于风产品特别是有利于这一结果,他们有强烈的或典型的大西洋经向翻转环流的运输向南流浅的偏见。模拟迫于相同的风产品(或其他风产品)有一个弱向南大西洋经向翻转环流的浅偏见的肢体表现出墨西哥湾流路径与南部的偏见。数据同化有非常积极的影响在模型动力学通过增加先前弱大西洋经向翻转环流的强度和增加的深度范围向南深分支。增加深度范围向南的分支生成更现实的深海洋流沿着大陆坡。这个结果结合涡产生的拉伸和压缩data-assimilative近似蜿蜒在墨西哥湾流和相关涡流在海洋上产生一个模型响应模拟海湾Stream-relevant深海电流特性中看到历史的原位观测,包括关键深海当前68.5°附近W,当前没有观察到在同化数据集或相应的模拟数据同化。此外,模型维护这些深海洋流的意思是48 14日预测,但不维护海湾地区的力量东流西方的边界。

21.1介绍

海洋与大气模型运行迫使但没有海洋资料同化是有用的在海洋动力学模型和仿真的研究技能。模型给现实的和精确的动力学仿真,运行时没有数据同化,eddy-resolving海洋预测至关重要,因为海洋的多个角色模型必须在海洋短时预测和预报,包括动态插值数据同化过程中,代表稀疏观测地下海洋混合层深度的特性深海洋流,海洋大气强迫转换成响应,地形及几何约束,执行海洋预测,提供嵌套区域和边界和初始条件沿海的模型,并提供预测表面温度耦合的气氛和海冰模式。广泛的海洋动力学导致这些不同的角色。在这里,我们专注于评估和理解先进的中纬度洋流的动力学模拟,eddy-resolving海洋环流模式(OGCMs),使用墨西哥湾流作为一个例子。

动力的理解和评价当前系统OGC-Ms一直是一个挑战,因为模拟的模型和当前系统的复杂性,一个主题讨论最近的评论Chassignet和马歇尔(2008)和赫克特和史密斯(2008)与墨西哥湾流和北大西洋。在一些地区已经取得了更大进展。Tsujino et al。(2006)研究了大型振幅的动力学黑潮蜿蜒日本南部。臼井仪人et al。(2006)使用相同的模型,使黑潮data-assimilative初始状态预测,通常表明40到60天预测能力日本南部。臼井仪人et al . (2008 a, b)也使用的模型在动力学研究1993 - 2004年data-assimilative追算。赫尔伯特et al。(2008 b)检查OGCM动力学及其与底层的地形研究意味着日本和以东黑潮蜿蜒意思是电流在南部一半的日本/东海。模拟与动力学符合观察和纯粹的垂直分辨率较低的水动力模型和vertically-compressed否则现实地形局限于最低层。与观测一致(戈登et al . 2002),相同的日本/东海OGCM仿真建模的动态intrathermocline艾迪在这一地区形成,讨论霍根和赫尔伯特(2006)。这些都是无法模拟的动态纯粹的水动力模型。赫尔伯特et al。(2008 b)也调查了南国OGCM动态模拟当前系统南岛东部,新西兰,那里的地形坎贝尔高原和查塔姆上升侵入到分层海洋这样低的设计垂直分辨率模型不适用。在这种情况下,另一种方法被用来研究动态。最近的观测证据足以为研究结果提供强有力的支持。

在墨西哥湾流模拟的动态评价eddy-resolving全球和盆地规模OGCMs,我们采用一个增强版的方法使用的赫尔伯特et al . (2008 b) OGCM模拟/东海黑潮和日本。因此我们建立从墨西哥湾流分离的解释东部西部边界及其通路在赫尔伯特和霍根(2008)。这个解释是使用结果来自五水动力等容度模型与vertically-compressed否则现实地形局限于最低层。测试和观测证据和理论,后者直接贡献的部分解释。教派。21.2中我们将讨论五模型结果,相关的解释和理论和观测证据。21.3在教派。我们评估海湾流动力在eddy-resolving OGCM模拟混合协调海洋模型(HYCOM)(2002年黑色物质),迈阿密等密度的协调海洋模型(MICOM)(1990年黑鞋油和Smith),细胞核为欧洲造型的海洋(NEMO) (Madec 2008),在法国使用的墨卡托海洋预测工作,和海洋并行程序(流行)(史密斯et al . 2000年)。墨西哥湾流的模拟和评估各种不切实际的特性和具体的缺陷识别。教派。21.4我们评估数据同化的影响变量有关墨西哥湾流动态稀疏地观察到,在某些情况下没有观察到。是现实的模型动态维护data-assimilative模型?是不现实的动态改进?是什么动力在墨西哥湾流的影响预测技能?

21.2动力学的湾流边界分离及其途径

21.2.1墨西哥湾流的线性模型模拟

作为第一步,我们检查一个线性等效正压解决方案相同的风强迫和上层海洋运输大西洋经向翻转cir -

culation(大西洋经向翻转环流)作为非线性教派中所讨论的解决方案。21.2。模型边界位于货架,决议与用于非线性解决方案在本章后面讨论。旋转上升意味着解决方案有一个斯维德鲁普(1947)内部,芒克(1950)西部边界电流和戈弗雷(1989)岛的规则是一致的,除此之外,与芒克(1950),解决方案是通过运行一个数值模型与横向摩擦应用无处不在。

图21.1描述了大规模运输streamfunction从1/16°l。5层线性模拟失重(底层无限深和静止)迫使平滑Hellerman和Rosenstein(1983)风应力气候学加上上向北海洋流14 Sv大西洋经向翻转环流。相比覆盖的意思是红外northwall通路是沿着北部墨西哥湾流边缘,线性的解决方案给两个不切实际的途径,广泛的观察到附近的一个集中分离纬度(35.5°N),向东和向北第二个近相同的运输延长沿西部边界。向东途径是风力(~ 22 Sv)和北通路有14 Sv大西洋经向翻转环流分量加上一个8 Sv风动组件,但是这两个途径导致的情况~ 31 Sv 44 Sv(~ 70%)分开的西部边界北部观察分离纬度。从图21.1很容易欣赏的挑战模拟一个精确的非线性墨西哥湾流路径

图21.1意味着运输streamfunction从1/16°(T), 1.5层线性平滑Hellerman失重模拟强迫的和Rosenstein(1983)风应力气候学和上层海洋向北流(Sv) 14日大西洋经向翻转环流(大西洋经向翻转环流),迫使用于所有教派的模拟。21.2。等高线间距是2 Sv。15年的意思是(1982 - 1996)墨西哥湾流红外northwall通路±1 o”Cornillon和Sirkes(未发表)覆盖。这个途径有0.1°纵向分辨率和基于平均每0.1°674数据点增加到76°之间55°W。早先的分析这个额途径及其变异性(基于数据从1982 - 1989年)讨论了李和Cornillon (1996)。这里显示的streamfunction涵盖了9-47°N模型域使用的所有讨论的非线性模拟。21.2。2008年(从赫尔伯特和Hogan,改编自汤森et al . 2000年)

在一个海洋模型。看到汤森et al。(2000)线性解决方案从11个不同的风应力气候学。

21.2.2 Eddy-Driven深海环流影响,深的西部边界电流(DWBC)墨西哥湾流边界分离及其途径

这是一个流行的理论,提出了由汤普森和施密茨(1989),从西方DWBC影响墨西哥湾流分离边界通过下面。调查这一假设赫尔伯特和霍根(2008)使用一种非线性五水动力等密度的模型覆盖相同的域图21.1所示。他们还使用了月度气候风强迫和包括14 Sv大西洋经向翻转环流,后者通过流入和流出港口北部和南部边界。图21.2描述了平均海平面高度(SSH)从六个模拟。

-64 -48 - 48 DWBC 32-16 0 1 6 32我巴二世我没有DWBC ^ M (cm)

图21.2意味着SSH从六个五大西洋模拟(9-47°N)放大的哈特拉斯角与墨西哥湾流区域大银行。模拟中描述a, c和e包括DWBC而b, d和f。a和b描述从1/16°模拟结果。氟从相应的1/32°模拟。模拟二次底摩擦系数,Cb = 0.002。d和f Cb = 0.02增加了10倍。大西洋经向翻转环流的上层海洋向北流包含在所有六个模拟。等容度的拉普拉斯算子系数涡流粘度= 20 (10)m2 / s为1/16°(1/32°)模拟。SSH等高线间距是8厘米。平均墨西哥湾流红外northwall通路±1 o”Cornillon和Sirkes覆盖在每个面板。关于模拟的更多信息用于教派。21.2,看到赫尔伯特和霍根(2008)。(从赫尔伯特和霍根2008)

图21.2是SSH从六个五大西洋模拟(9-47°N)放大到墨西哥湾流区域之间的哈特拉斯角和大银行。模拟中描述a, c和e包括DWBC而b, d和f。a和b描述从1/16°模拟结果。氟从相应的1/32°模拟。模拟二次底摩擦系数,Cb = 0.002。d和f Cb = 0.02增加了10倍。大西洋经向翻转环流的上层海洋向北流包含在所有六个模拟。的拉普拉斯算子系数等密度线涡粘性是一个= 20为1/16 (10)m2 / s°(1/32°)模拟。SSH等高线间距是8厘米。平均墨西哥湾流红外northwall通路±1 o”Cornillon和Sirkes覆盖在每个面板。 For more information about the simulations used in Sect. 21.2, see Hurlburt and Hogan (2008). (From Hurlburt and Hogan 2008)

大西洋经向翻转环流的北方海洋上层组件驻留在前4层和总是包括在内,而DWBC居住在深海层包括在图21.2的模拟在左列和关闭模拟在右列。由于模型是纯粹的水动力,DWBC可以关闭在不改变watermass特征。在图21.2的三排模型分辨率变化与横向摩擦和底部行底部摩擦是潮湿eddy-driven深海循环增加了10倍。东部的68°W的所有模拟给相似,generally-realistic墨西哥湾流途径,除了50°附近W,模拟DWBC展览两个意思通路(内外蜿蜒)墨西哥湾流的位置转换到北大西洋海流这轮南端的大银行,这一现象讨论了动态在赫尔伯特和霍根(2008)。三个模拟DWBC和一个模拟没有表现出真实的意思是墨西哥湾流途径以西68°W,但是其他两个模拟没有DWBC展览通路过度观察到分离纬度符合流线性理论的约束。这些结果表明深海当前影响途径以西68°W。

研究深海洋流的影响在墨西哥湾流途径,我们使用一个两层的理论目前深海方向盘上洋流通路(赫尔伯特和汤普森1980;赫尔伯特et al . 1996, 2008 b)。在一个两层的模型没有diapycnal混合,第一层的连续性方程是冲击+ vi -Vhi + hi V - vi = 0, (21.1)

hj上层厚度,t是时间导数和vi的速度层。平流项的地转组件相关(21.1)可以吗地转速度(中收取)层中收取2×■Vhi = V2g - v嗨,(21.2)

因为从地转状态,kx f(中收取- V2g) = - g 'Vhi (21.3)

v - v2g平行于等高线的h1。在(21.3)k是一个单位向量在垂直,f = 2 msin6科里奥利参数,m是地球自转速度,6是纬度,g = g (p2 pt) / p2减少重力是由于浮力,g是地球的重力加速度,和π水的密度层我。因为地转状态通常是一个很好的近似赤道波导外,通常近地表水流更强于深海洋流,然后通常| vj»| v2 |,使Vhj vt在这些条件下的好措施。从前面我们看到深海洋流可以用平流输送上层厚度梯度,因此上洋流的途径。深海当前的海面上洋流的途径是加强当强大的深海洋流上洋流近直角相交,但通常这平流的最终结果是正压,因为附近海面降低随着vt和v2越来越近平行或反平行的。

这个理论被证明是有用的在理解海洋动力学模型与垂直分辨率更高,当满足以下所有条件:

(a)几乎是geostrophically流平衡,(b)正压和第一baroclin-ic模式占主导地位,和(c)地形不干预的情况下显著分层海洋。此外,近地表水流的诠释适用于当| vnear证监会| > > | vabyssal |。注意理论并不适用在低纬度地区,因为(a)和(b),但应该是有用的在大部分的分层海洋,即使在当前系统相对较弱,如well-stratified南部一半的日本/东海(赫尔伯特et al . 2008 b)。虽然深海洋流由任何方法可以引导上洋流通路,斜压不稳定或混合barotropic-baroclinic深海洋流的一个重要来源,因为斜压不稳定是非常有效的传递能量从上到深海海洋。这些eddy-driven深海洋流约束遵循地形的地转轮廓,反过来又可以引导上洋流的途径,包括他们的意思是途径。这种上层ocean-topographic耦合通过流动不稳定性要求斜压不稳定性的物理很好解决为了获得足够的下降能量转移。因此,这种类型的耦合是一个关键的标准区分eddy-resolving eddy-permitting海洋模拟,在它发生的地区(赫尔伯特et al . 2008 b)。从这个模型和海洋模型结果讨论。21.3表明,上层ocean-topographic耦合需要第一斜压罗斯比半径变形解决至少6个网格间隔和更高分辨率的现实需要向东渗透惯性的飞机。这种耦合还强调了需要eddy-resolving海洋模型在海洋预报系统和气候预测模型,讨论在赫尔伯特et al . (2008, 2009)。raybet雷竞技最新

基于前面的讨论,我们在图21.3寻找深海洋流以西~ 68°W可能用平流输送模拟墨西哥湾流路径在图21.2。我们从仿真开始21.2和21.3摄氏度无花果所示。因为它有1/32°决议,标准的底摩擦和DWBC。在模拟深海水流通过墨西哥湾流68.5°附近W, 72°W,通常和西部边界向南。68.5°附近的深海洋流W和72°W横在大角度下,可以清楚地用平流输送墨西哥湾流路径,但是深海目前西部边界附近几乎是反平行的十字架在墨西哥湾流,一个点Pickart所指出的(1994)基于观察,从而转向疲软影响墨西哥湾流途径。相应的仿真没有DWBC(无花果。21.2和21.3 d)几乎相同的湾流途径用更强大的深海当前交叉在它附近68.5°W。另外两个模拟没有DWBC只有一个弱的意思是深海下当前交叉经度(< 3厘米/秒),而所有的模拟与现实的湾流分离有一个更健壮的深海下电流通过墨西哥湾流68.5°附近W(> 4厘米/秒)。没有一个模拟没有DWBC附近的深海下电流穿越72°W,而所有的模拟DWBC有一个由北面的两个分支。1/32°模拟DWBC和标准(无花果。21.2摄氏度和21.3摄氏度)或高底摩擦(无花果。21.2 e和21.3 e)几乎相同的湾流路径之间的西部边界和68°W,但在模拟高底摩擦下的深海洋流穿越墨西哥湾流近72°W极其薄弱。因此,深海下电流穿越墨西哥湾流68.5°附近W显然是一个模型的simula -至关重要

80 W 75 W 70 W 65 W 60 W 55 W 50 W 45 W 40 W 75 W 70 W 65 W 60 W 55 W 50 W 45 W 40 W

5厘米/秒

DWBC

没有DWBC

图21.3相同的模拟图21.2但描绘意味着深海洋流(箭头)覆盖等风速线(在cm / s)。DWBC是最容易看到并联模型北部边界以北41:N 65至51:W在面板(a, c, e)。在模拟DWBC(面板b, d, f),目前不存在。(从赫尔伯特和霍根2008)

对一个现实的湾流途径西部边界至68°W。此外,DWBC没有必要的模拟现实的湾流途径,但它增加关键深海当前充分发生在两个模拟弱eddy-driven深海发行量。

1/32°模拟标准底摩擦和DWBC(图21.3摄氏度)用于变焦的深海洋流的地形轮廓(图21.4)。绘制轮廓是vertically-uncompressed(真正的)地形促进模型之间的比较和观察到的深海洋流与地形特征。图21.4 b描述意味着深海洋流和未压缩的地形从相应的1/8°eddy-permitting模拟在一个更大的区域与缩放区域在图21.4一个标有一个盒子。应该注意,eddy-resolving和eddy-permitting OGCMs高垂直分辨率和热力学通常特点是赤道的决议,而宗派的模拟。21.2的特点是中纬度决议。因此,相应的赤道解决模拟图21.4 a, b是1/24和1/6°,分别。

与1/32°模拟(图21.4),深海环流在1/8°模型由DWBC,横跨在墨西哥湾流的观察位置附近72°W和eddy-driven深海环流极其微弱(图21.4 b)。特别是,1/8°模型不能模拟深海当前68.5°附近W的关键。DWBC增加当前的两个模拟(图21.3 a, e)因为DWBC和eddy-driven深海环流相互作用,成为eddy-resolving模拟交织在一起。的表面循环在1/8°模型基本上是一个左右摇摆的版本的线性解决方案(赫尔伯特2000年霍根,图4),也存在众多的模型数据比较的1/16 21.2°模拟在无花果。21.3和1/32°模拟在无花果。21.2摄氏度和21.3摄氏度。

除了当前西部边界附近深海,深海洋流被认为通过三种不同路径下穿越墨西哥湾流集中在不同等深线之间的西部边界和68°W。北部墨西哥湾流这些途径都集中在4200年,3700年和3100米等深线,第一个十字路口附近下68.5°W,其他两个路口附近的融合下72°W。所有三个深海洋流交叉等深线更深的深度,同时通过在墨西哥湾流。他们这样做保护潜在的涡度与向下从北到南坡的基地温跃层符合霍格理论和Stommel (1985)。两个电流在更深的等深线retroflect朝东,然后采用多种简单到复杂途径进入海洋内部(复杂甚至在的意思是,例如图21.3摄氏度)。最终所有这些途径摆脱内部作为一个强大的深海电流沿着温柔的悬崖。图21.4,目前出口近72°W和前端与DWBC附近的大陆坡33°N。相比之下,分支集中的3100米等深线北流继续沿着大陆坡南流(集中在3700米等深线)。每个cross-under途径受到地形的特定功能和每个流沿一侧的一个关联的eddy-driven深海环流中心直接在墨西哥湾流。这些环流是位于地区的斜坡地形和温跃层的基础

图21.4放大的图21.3摄氏度(完整的振幅,未压缩的)轮廓深度(米)覆盖,促进地理协同定位的模型数据比较。b一样但覆盖更大的地区从相应的1/8°模拟覆盖框列出的地区覆盖。1/8 = 100平方米/ s°模拟和Cb = 0.002。(从赫尔伯特和霍根2008)

匹配密切足以创建的区域相当统一的深海洋流的潜在涡度,如赫尔伯特和霍根(2008)所示。最浅的和最西端的反气旋环流,而与东翻转到内部相关联的两个气旋,所有三个符合相对涡度的符号由于地形限制路径生成相关的深海洋流的十字架在墨西哥湾流(赫尔伯特和霍根2008)所示。

21.2.3观测证据的深海洋流在墨西哥湾流区域

图21.5(下)(来自约翰et al . 1995年)提出了观测证据目前关键深海下穿越墨西哥湾流68.5°附近W,包括当前速度相似模型,电流穿越等深线更深的深度在墨西哥湾流,和一个封闭的气旋环流。此外,电流高于最浅的等深线观察数组内流沿着等深线会流入retroflecting下深海电流穿过墨西哥湾流近72°W。图21.6(从Pickart和瓦1990)提供了一个综合的历史100 - 300米深海电流测量底部。它提供了明显的证据完整的气旋深海环流中心附近37°N, 71°W与当前速度相似模型。另一个重要的观察是~ 12.5 cm / s west-southwestward当前34.5°N附近71.1°W沿着温柔的悬崖,证实了强烈的深海目前在图21.4(10.5厘米/ s模型)在同一位置。

像模型(图21.4),当前基于深海施密茨的示意图和麦卡特尼(1993,图12)描绘了一个retroflecting深海之后重返DWBC电流通路,除了继续在大陆坡的途径。这两个通路也符合范围和修复的声音(批)浮动轨迹在3500米深度讨论Bower和亨特(2000)。批漂浮交叉在西部的墨西哥湾流~ 71°W通常持续向南沿着更深等深线的大陆坡,在浮穿越东部W ~ 71°retroflected进入室内,他们中的大多数复杂旋转的轨迹,但六retroflecting轨迹所示Bower和亨特(2000年,他们的图7),一个在关键位置的海底下交叉电流(接近69°W)(无花果。7 j)了涡流轨迹途中小振幅双反曲,第一东方(36.7°N, 70.1°W),然后向西(36.0°N, 68.4°W)后迅速前近直线轨迹沿着温柔的悬崖,整个轨迹在良好的协议与模型在图21.4,意味着提供了额外的证据强烈eddy-driven深海电流沿着温柔悬崖(见图21.4)的南部。这深海目前(也见图21.6)是完全没有在1/8°eddy-permitting模拟(图21.4 b),也观察到的气旋深海环流中心附近37°N, 71°W(图21.6)和深海目前观察到的穿越在墨西哥湾流之间的68°和69°W(图21.5)。

图21.5意味着当前速度计400(上)和3500(底)在整个部署,1988年6月- 1990年8月。所有的向量代表26个月意味着除了在网站H5和M13,大概是1年的意思。(来自约翰et al . 1995年)

68°W经度

77°75°73°71°69°67°65°

图21.6意味着当前速度计100 - 300 m以上从历史底部中间测量收集大西洋海湾。记录长度的测量从4个月到2年不等,和盒子每个向量表示的不确定性意味着,通常1 - 2 cm / s。(从Pickart和瓦1990)

21.2.4墨西哥湾流分离和路径动态,第一部分:深海电流的影响

一个eddy-driven深海电流、当地地形配置和湾流反馈机制约束附近的墨西哥湾流的纬度68.5°W。帮助说明的步骤解释这句话,图21.7描绘了的意思是基本模型的温跃层的深度覆盖相同的意思是深海水流和地形轮廓为图21.4。结果是相同的1/32°模拟DWBC无花果所示。21.2 c, 21.3度和21.4。

解释中的步骤(1)是一个eddy-driven深海,DWBC可能增强的方法从东北和用平流输送向南墨西哥湾流途径,即防止过度通路在无花果。21.2 b, f。(2)保护潜在的涡度,深海电流穿过更深的深度,同时通过在墨西哥湾流(霍格和Stommel 1985),一个反馈机制,允许墨西哥湾流,以帮助确定自己的纬度。(3)由于地形的配置,通过更深层次的深度需要曲率朝东,一代积极相对涡度。(4)一旦深海当前成为平行于墨西哥湾流,进一步向南湾流的平流

76 W 74 W 72 W 70 W 68 W 66 W

图21.4与图21.7相同。但随着等风速线(颜色)取代了均值模型的底部温跃层深度(米)从相同的仿真(的颜色),即是说深度之间的界面层4层5(从1/32°模拟深海层)中描述无花果。21.2摄氏度和21.3摄氏度。(从赫尔伯特和霍根2008)

76 W 74 W 72 W 70 W 68 W 66 W

途径是停止。(5)当地的纬度的墨西哥湾流是由深海当前的最北的纬度可以成为平行于墨西哥湾流。(6)由于当地地形限制配置在这个过程中,产生的当地墨西哥湾流纬度对深海的强度不是很敏感,一旦它足以执行平流的作用。然而,这些动态的结果将是敏感的位置等深线深海洋流的关系,模型的准确性表示关键地形特征,和深度的变化在墨西哥湾流温跃层的基础。

基本相同的解释可以应用于深海电流的影响下穿越墨西哥湾流近72°W(现在和足够强劲时)和深海洋流开发气旋或反气旋曲率和成为平行或反平行的墨西哥湾流,同时跨越下面。然而,应对当前深海近72°W是最小的体现在无花果。21.2和21.3和影响是可见的只有在1/32°模拟DWBC和标准底摩擦(Cb = 0.002)(图21.2摄氏度)。在图21.2摄氏度矫直的墨西哥湾流途径~ 73 W - 70°未见其他图面板。这种现象也很明显的覆盖的意思是墨西哥湾流红外northwall额途径在墨西哥湾流途径所描述的12°C等温线在400米深度,后者瓦et al .(1995)所示。解释了这深海当前的轻微影响墨西哥湾流模拟将在下一节讨论。

此外,应该注意的是,eddy-driven的规模意味着深海环流在墨西哥湾流类似于流的宽度(图21.7)和相关地区几乎统一的潜在的涡度流(2008年Hurl-burt和Hogan),下面的山坡地形和温跃层的基础很好匹配。这些环流不相关的意思是蜿蜒在墨西哥湾流。相比之下,黑潮展览两个的意思是向北蜿蜒东面的黑潮的分离日本沿海蜿蜒,是动态相关eddy-driven意味着深海环流,讨论在赫尔伯特et al . (1996、2008 b)。

21.2.5墨西哥湾流边界分离作为一个惯性的喷气机

后一个常数绝对涡度(CAV)轨迹

约束附近的墨西哥湾流纬度68.5°W墨西哥湾流的不是一个充分的解释途径西部边界至69°W。进一步,深海当前交叉在墨西哥湾流近72°W证明小影响途径。因此,必须有另一个重要贡献墨西哥湾流路径动态经度范围。

使用沿径数据从四个卫星高度计,图21.8描述的窄带高SSH可变性沿着西部的墨西哥湾流69°W,表明一段相对稳定的途径。因此,我们测试某一特定类型的相关性理论惯性喷气通路,即一个骑兵轨迹(罗斯比1940;Haltiner和马丁1957;瑞德1972;赫尔伯特1980年汤普森,1982)。在非线性1.5层低引力模型中,骑兵轨迹需要一个无摩擦的稳定自由射流与简化后当前的核心不断SSH和层厚度的轮廓。后者需要geo-strophic平衡,这样潜在的涡度守恒变得绝对涡度守恒沿着简化目前的核心。因此,图21.2中的模拟测试,看看(a)的平均路径当前核心的顶层模型(图21.9)中黑线覆盖一个SSH轮廓(黄绿色线在图21.9)和(b)有一个窄带高SSH的可变性以及当前核心之间的西部边界和69°W(颜色绘制在图21.9)。

里德(1972)和赫尔伯特和汤普森(1980、1982)的骑兵轨迹计算cos = cos a0 + \ / 2 y2lx2 - y / y0, (21.4)

这是一个集成的形式的微分方程,假定当前速度的核心,加州大学,是一个常数,r = (uc /英尺)/ 2,英国《金融时报》的变化吗

我弗兰克-威廉姆斯^ JRUHIUMWHIWIMMMinnilMW Sk7 < =■- v: IauI

图21.8沿径SSH可变性quasi-contemporaneous卫星高度计数据在4种不同的轨道覆盖地形轮廓(m)的深度,jason - 1号在2002年1月15日- 2007年10月18日,GFO超过15 1999年7月- 2007年12月12日,萨特在2002年9月24日- 2007年10月29日,和Topex交叉轨道在2002年9月16日- 2005年10月8日。跟踪覆盖在下列顺序从上到下:(1)环境,(2)GFO, jason - 1号(3),(4)Topex交错。(由格雷格·雅各布斯,海军研究实验室)。(从赫尔伯特和霍根2008)

纬度的科里奥利参数,一个是当前的角度对积极的y轴上的#飞机,y是轨道的距离从x轴,y是轨迹曲率半径,下标o显示值轨迹计算的起源(在一个转折点哟^ <»)。振幅(b)(这里最北点)的轨迹与拐点可以计算从b = 2 r 1/2ao罪。(21.5)

为了让墨西哥湾流分离的西部边界作为自由射流骑兵轨迹之后,骑兵轨迹必须初始化一个轨迹弯曲(哟^®)位于分离点。因为分离的角度(ao)是向东北方,骑兵轨迹必须随后发展曲率凹向南。如果仿真展品曲率北分离后,那么它并不独立于西方的边界自由射流,甚至通过它可能有一个或多个段下游遵循CAV的轨迹。

计算骑兵轨迹覆盖为红色曲线在图21.9。骑兵轨迹计算的细节可以在表2的赫尔伯特和霍根(2008)。当前的核心速度(uc)分离从西边界附近是1/16 1.6 - -1.7 m / s°模拟和1.9 - -2.0 m / s°的1/32

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

■_J__ | _ | _, _j_L_J。_ _ -_SCll_I_ _L_, _, _J__I_I_ _._I_

76 W 74 W 72 W 70 W 68 W 66 W 76 W 74 W 72 W 70 W 68 W 66 W

图21.9骑兵轨迹分析六湾流路径模拟的模拟见图21.2。最大速度的途径当前的核心(黑线),最近的SSH轮廓(黄绿色线),相应的骑兵轨迹(排除点拐点),观察到的红外northwall额通路±std. dev。(紫线)和模拟SSH可变性是覆盖在每个面板。由于覆盖线的层级(光紫色,红色,黑色,黄绿色从上到下),线在底部往往是模糊关闭协议发生的地方。特别的黄绿色SSH W ~ 68°以西的轮廓,在当前的核心覆盖单个SSH轮廓是一个骑兵轨迹的存在的先决条件。SSH轮廓接近最大速度的途径是倾向于模型的北边描绘在SSH和湾流-24厘米。b -16厘米。c -28厘米,d-f -24厘米。图21.2中看到相应的面板。西部边界附近的墨西哥湾流轴从Topex /波塞冬测高法李(1997)从红外发散额途径符合模型模拟面板,c, d, e(看到赫尔伯特和霍根2000,图7)。(从赫尔伯特和霍根2008)

■_J__ | _ | _, _j_L_J。_ _ -_SCll_I_ _L_, _, _J__I_I_ _._I_

76 W 74 W 72 W 70 W 68 W 66 W 76 W 74 W 72 W 70 W 68 W 66 W

模拟,符合1.6 - -2.1 m / s的观察报告。对于罗斯比(1985),乔伊斯et al。(1986),约翰et al .(1995),施密茨(1996),和罗斯比et al。(2005)。模型意味着加州大学75 - 70°W是用于骑兵轨迹计算。分离的角度是53±3°以北向东的模拟现实的途径,用于初始化的拐点骑兵轨迹计算的轨迹上的红点。

西部边界和W ~ 70°之间,四个模拟与现实的湾流途径证明关闭通路之间的协议模型,由加州大学,和相应的骑兵轨迹。然而,两个模拟通道,过度的纬度观测墨西哥湾流途径展览曲率北后立即分离和拐点(红点)位于东北西部边界的分离。这意味着他们不独立于西方自由射流边界,而是表明线性动力学约束的强烈影响(图21.1)。因此,骑兵轨道动力学本身并不足以解释墨西哥湾流路径之间的西部边界和69°W。但是,它们解释的小影响深海当前交叉在墨西哥湾流近72°W(图21.4),因为目前深海和CAV轨迹给几乎相同的湾流纬度位置(图21.9摄氏度)。

21.2.6墨西哥湾流分离和路径动态,第二部分:角色CAV轨迹

在模拟现实的墨西哥湾流,意味着通路密切遵循一个骑兵轨迹之间的分离从西部边界和W ~ 70°。骑兵轨迹取决于(1)边界电流分离的角度(对纬度),在很大程度上取决于货架的角度打破分离之前,(2)当前的核心速度,和(3)一个转折点位于边界电流发生分离。

21.2.7墨西哥湾流分离和路径动态,

第三部分:合作互动的深海洋流和骑兵轨迹

深海洋流和骑兵的轨迹就足以解释墨西哥湾流分离的西部边界及其途径。深海附近的墨西哥湾流的当前约束纬度68.5°W,结合地形配置和湾流反馈机制,并不是一个充分的解释之间的墨西哥湾流途径西部边界和68°W。墨西哥湾流模拟与真实速度的核心当前不够惯性(a)克服线性解决方案需求的过度通路和(b)获得现实的分离没有援助从附近的深海当前68.5°W。因此骑兵轨迹和约束在墨西哥湾流的纬度接近68.5°W一起工作在模拟现实的墨西哥湾流的通路之间的西部边界和68°W。

eddy-driven深海环流电流足以获得关键的深海,并没有模拟没有它。DWBC不是必要的,但增加了关键的深海电流,并协助eddy-driven深海环流影响现实的湾流分离,当后者本身不够结实。DWBC在湾流的影响分离依赖分辨率,需要1/16°,但不是在1/32°决议。

最后,动态的解释是健壮的。只要当前的核心速度符合观察和关键深海电流足够强,模拟墨西哥湾流分离及其通路东与观测密切协议尽管模型分辨率不同,底摩擦,深海环流强度,DWBC的存在与否。进一步的解释是一致的一系列关键在上部和深海海洋观测证据,包括15年的意思是墨西哥湾流红外northwall通路,当前的核心速度靠近墨西哥湾流分离、海面高度变化的模式从卫星测高和平均深海洋流。赫尔伯特和霍根(2000)存在大量额外的模型数据比较模拟图21.2中所示,c。

21.3动态评价的湾流模拟Eddy-Resolving全球和盆地规模OGCMs

技术已经取得了重大成功模拟墨西哥湾流途径eddy-resolving盆地规模OGCMs热力学和垂直分辨率(20 - 50层或水平)高于5层中使用的水动力模型讨论教派。21.2。然而,OGCM模拟变化非常敏感,如次网格尺度参数化和参数值。因此,它已经很难获得一致的结果,许多模拟表现出严重缺陷(Paiva et al . 1999;史密斯et al . 2000;布莱恩et al . 2007;Chassignet和马歇尔2008;赫克特和史密斯2008;赫克特et al . 2008年)。在本节中,我们执行一个动态评价eddy-resolving全球和盆地规模OGCM墨西哥湾流分离的模拟及其途径。最直接的目标是更好地识别和理解成功和失败的根源,和教派。21.4数据同化的影响。 So far, eddy-resolving global and basin-scale ocean prediction systems have demonstrated only 10-15 day forecast skill in the Gulf Stream region based on anomaly correlation >0.6 versus 30 days or more in some regions (Smedstad et al. 2003; Shriver et al. 2007; Hurlburt et al. 2008a; Chassignet et al. 2009; Hurlburt et al. 2009). Future goals are improved and more consistently realistic simulations of the Gulf Stream, increased ability to nowcast and forecast it on time scales up to a month, improved climate prediction in the Gulf

流区域,增加努力理解OGCM动力学和动态地评估他们的其他地区的模拟。

一组eddy-resolving全球和盆地规模模拟从HYCOM MI-COM,尼莫,流行是用于评估(见表21.1)。分辨率和模型域范围从1/10°大西洋全球1/25°。除了与现实的湾流路径和动态模拟与观测一致,模拟几种类型的缺陷进行评估,包括(a)一个现实的途径与不切实际的动力学,(b)过度途径,(c)的哈特拉斯海角则过早分离(观察到的位置),(d)通路,哈特拉斯角不同,但有一个路径段东南部分离太远了一点,(e)通路,分叉或分离后,和(f)通路影响上游的分离点不切实际的行为,如过度变化或持续大东部外海循环观察意味着通路。这里使用的所有四个模型模拟了各种各样的湾流途径,说明这里和在上面引用的引用。

精简的评估的讨论中,我们关注的是以下几点:(1)评估平均路径,意思是SSH从模型覆盖了15年的意思是墨西哥湾流红外northwall通路±1(标准差)Cornillon和Sirkes(未出版)。这个额通路有0.1°纵向分辨率和谎言沿着墨西哥湾流的北部边缘。(2)SSH可变性是用来寻找一个窄带高可变性以西69°W,结合深海艾迪动能(补充),它是用来确定斜压不稳定的地区。因此这些字段帮助识别墨西哥湾流的动态路径段和源区域eddy-driven意味着深海洋流。(3)平均速度在当前的核心是用来评估是否模拟墨西哥湾流in-ertial喷气西部边界附近的观测结果是一致的。(4)DWBC(一个术语用来识别意味着深海洋流显然是大西洋经向翻转环流的一部分)和eddy-driven意味着深海洋流是用来评估其影响转向墨西哥湾流途径和相关的上层海洋的特性。取决于他们的强度和位置与等深线、深海洋流有可能改善或增加模拟通路中的错误。(5)大西洋经向翻转环流的强度和深度结构会影响墨西哥湾流路径。增加强度可以使模拟墨西哥湾流更多的惯性,但也可以增加过度的倾向途径基于线性动力学。大西洋经向翻转环流影响的深度结构等深线DWBC和紧随其后的深处DWBC和eddy-driven深海循环之间的相互作用。 (6) The basin-wide linear solution response to the mean wind stress forcing yields the constraints of linear dynamics on the strength and pathways of wind-driven currents in the Gulf Stream region. CAV trajectories were not calculated because there is sufficient proxy information to assess this from the mean pathway, the mean core speed near separation, and the characteristic narrow band of SSH variability along the Gulf Stream west of ~69°W.

动态评估我们关注一段墨西哥湾流扩展从30°N, 80°W,上游的观察分离纬度35.5°N附近,74.5°W到68°W和准确性指路径段的性格特征

表21.1描述OGCM模拟和追用于动态分析

海洋Model3

实验number3

水平Resolutionb

垂直分辨率

年使用

21.3节模拟

大西洋MICOM 1.0°1/12

大西洋NEMO T46 1/12°

全球NEMO T103 1/12°

西洋流行14 x 1/10°

大西洋HYCOM 1.8°1/12

全球HYCOM 9.4°1/12

全球HYCOM 9.7°1/12

全球HYCOM 14.1°1/12

全球HYCOM 18.0°1/12

全球HYCOM 4.0°21.4节模拟和追1/25

全球HYCOM 5.8°1/12

全球HYCOM 60.5°1/12

全球HYCOM 19.0°1/12

全球HYCOM 74.2°1/12

20协调表面50水平50水平40的水平

32个坐标面

32个坐标面32坐标的表面

32个坐标面

32个坐标面32坐标表面32坐标表面32坐标的表面

1982 - 1983 2004 - 2006 2004 - 2006 1998 - 2000

3 - 6和11 - 13

12 - 15 2004 - 2007

2004 - 2007

4 - 6和9

2004 - 2006 2004 - 2006 6/2007-5/2008 6/2007-5/2008

dTwin的1/12 9.7°附近的潮汐双胞胎的1/25 4.0°

没有数据同化eCooper-Haines数据同化eMODAS合成材料

3 MICOM迈阿密等密度线协调海洋模型、等密度线坐标C-grid, NEMO核为欧洲造型的海洋,与地形跟踪z-levels C-grid坐标在浅水区,流行平行海洋项目,z-levels B-grid;HYCOM混合协调海洋模型、混合等容度/压力水平地形跟踪在浅水C-grid;b分辨率为每个预测变量;c双全球HYCOM - 18.0°1/12除了模型域和放松对温度(T)和盐度(S)气候学在缓冲区内3°28:模型边界的年代和80:N,全球HYCOM实验从GLBa系列和所有HYCOM实验使用基于DBDB2 topogrophy D.S.K.(见http://www.7320。nrlssc.navy.mil / DBDB2_WWW);从8 d包括外部和内部潮汐潮汐成分(Arbic et al . 2010);SSH e向下投影方法更新,即库珀和海恩斯(1996)或合成t s概要文件使用模块化海洋资料同化系统(moda)(狐狸等等。2002)。在这两种情况下海军耦合海洋资料同化(NCODA)系统(2005年Cummings)被用来吸收所有的数据和其他特性在这个地区中,即使一个更大的地区可能描述了一些数字。教派。21.3.1我们提出大众运输streamfunction从线性模拟被迫通过风应力的产品用于迫使OGCM模拟稍后讨论。 In Sect. 21.3.2 we discuss four simulations with a realistic Gulf Stream pathway and quite realistic Gulf Stream dynamics. In the remaining subsections we discuss simulations with different types of flaws, outlined earlier, including a simulation with a realistic Gulf Stream pathway but unrealistic separation dynamics. In each case one to four examples are used to help illustrate the range of simulated results and dynamics. None of the simulations in Sect. 21.3 include ocean data assimilation. Additionally, simulations in Sects. 21.2 and 21.3.1 are characterized by mid-latitude resolution (in °), whereas OGCMs in Sects. 21.3 and 21.4 are characterized by equatorial resolution, making 1/16° resolution in Sects. 21.2 and 21.3.1 approximately the same as 1/12° resolution for OGCMs in Sects. 21.3 and 21.4, ~7 km at mid-latitudes.

21.3.1线性模型墨西哥湾流模拟风应力产品用于OGCMs教派,21.3和21.4

线性正压解决方案获得了风应力强迫OGCM模拟讨论了教派所使用的产品,21.3和21.4。获得的解决方案中使用相同的模型21.2.1教派,但这里不包括从大西洋经向翻转环流的贡献。此外,模型在正压运行,平底模式而不是减少重力模式,交通streamfunction收益率相同的意思。图21.10描述了大西洋大规模运输streamfunction从1/16°线性正压模拟迫于不同风产品,但只覆盖感兴趣的纬度范围。风应力产品用于获得的结果在图21.10 (a)一个临时欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析意味着多年来2004 - 2006,(b)意味着操作ECMWF / 2004 - 2006, (c) 1978 - 2002气候学派生使用ECMWF 40年的再分析(ERA-40)(老年痴呆症et al . 2004年)和(d) 2003 - 2008气候学来自海军操作全球大气预测系统(NOGAPS) (Rosmond et al . 2002年)。(c)和(d)风应力计算使用批量公式从10米的风从卡拉et al .(2005)和10米风速修正使用每月QuikSCAT散射仪气候学(卡拉et al . 2009年)。(e)一个ERA-15(吉布森et al . 1999年)气候学(f),使用ECMWF宽外袍全球表面分析1985 - 2001年年初,基于操作

图21.10意味着运输streamfunction (y)从1/16°线性正压平底模拟迫于每月意味着从一个临时ECMWF再分析风应力超过2004 - 2006。b操作ECMWF / 2004 - 2006。c 1978 - 2002气候学与风速修正由QuikSCAT ECMWF ERA-40散射仪气候学。d NOGAPS / 20032008也QuikSCAT校正。e ECMWF ERA-15气候学,f一ECMWF的长袍在1998 - 2000年全球表面分析。等高线间距是1 Sv

35 N

45 N

40 N

45 N

40 N

35 N

30 N

40 N

30 N

威利

80 w 70 w

60 W

10 W

ECMWF的产品,使用(史密斯et al . 2000;布莱恩et al . 2007年)。在10米的风被转换为表面强调使用的中性阻力系数大,池塘(1981)。注意,5个6风应力的产品与ECMWF和NOGAPS。虽然时间意味着年际风产品被用来迫使线性模拟,否则风上面列出的产品被用于迫使模拟列在表21.1:(a) 1/12°大西洋NEMO, (b)全球1/12°NEMO, (c)的所有HYCOM模拟除指出,(d) 1/12全球HYCOM 19.0和74.2°,(e)°大西洋MICOM 1/12和1/12全球HYCOM 5.8和60.5°,(f) 1/10°大西洋流行。

结果streamfunctions在墨西哥湾流地区一般都是类似的,完全不同于模拟使用平滑Hellerman和Rosenstein(1983)风应力气候学(图21.1)。他们独立于西方边界传输从20到27 Sv和30从平滑Hellerman-Rosenstein Sv。总之,绝大多数的streamfunction轮廓分开的西部边界北观测墨西哥湾流分离纬度(35.5°N)和至少50%的独立35°至40°N和趋势east-northeastward后分离。QuikSCAT-corrected风速的风应力两个产品给最强的传输在图21.10 ((c) 26 Sv ERA-40 / QuikSCAT和(d) 27 Sv NOGAPS / QuikSCAT)。它是重要的,几乎所有streamfunction轮廓由这两个产品离开的西部边界北纬度观测墨西哥湾流分离。在平滑的情况下Hellerman-Rosenstein 17 Sv离开西部边界以北35.5°N,表明风应力的一个更大趋势的产品使用在图21.10 c, d驱动的过度通路OGCM模拟。

21.3.2模拟现实的湾流路径

图21.11给出了平均SSH和图21.12 SSH变化从四个模拟与现实的湾流路径段之间的利益分离的西部边界和68°W。这些是1/12°大西洋MICOM(无花果。21.11,21.12),全球NEMO°1/12(21.12无花果。21.11 b, b), 1/12°大西洋HYCOM(无花果。21.11摄氏度,21.12摄氏度),和全球HYCOM°1/25(无花果。21.11 d, 21.12 d)。模拟,意思是红外northwall额通路(红色)密切遵循模拟墨西哥湾流的北部边缘的部分利益和模拟途径通常是现实的情节域中。在1/12°大西洋

继续阅读:总结图

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海洋动力学评价模型使用墨西哥湾流作为一个例子

21.1介绍

21.2.1墨西哥湾流的线性模型模拟

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