海洋棱镜
南海多层环流形成和维持的动能诊断
基于斯托克斯定理原则，南海存在复杂的多层环流 (Gan et al., 2016)。目前对南海环流的生成与维系机制的认识多基于平均态的涡度平衡分析，即将海盆环流的涡度生消过程与侧向行星涡度通量建立联系。但南海的内在动力过程，包括地转运动、非线性过程和湍混合，对南海环流同样起到重要作用。一方面，海盆内的强混合导致了与太平洋之间的密度差和压强梯度，进而调控具有强非线性的侧向交换流；另一方面，海盆内部地转陆坡流-地形相互作用及混和过程在各层间建立垂向交互，影响环流结构。然而，目前对外部驱动-内在动力的耦合过程如何相互影响并共同维持南海环流仍知之不多。本研究从能量诊断分析的角度，展示南海环流的动能三维结构，刻画由内-外耦合动力过程主导的维持南海环流的能量通道。
图1：各层积分的(a-c) 平均动能和(d-f)涡动能的水平分布，三层分界面位于750米和1500米，箭头表示各层积分的流速。
空间上，南海环流平均动能主要由强陆坡流产生，涡动能的空间分布则与环流的垂向剪切和跃层有关（图1）。南海环流动能分析揭示，上层环流主要受外部驱动控制，平均动能主要来自于黑潮入侵和风应力输入，其中黑潮入侵贡献更强，这与涡动力框架下的结论一致，而环流中涡动能的产生则由风作用主导；在半封闭的中层和底层，侧向水交换直接输入的动能有限，响应外部驱动的内在动力所形成的动能转换过程对维持环流更为重要，即中层和底层环流动能主要来自于内部压力做功和垂向浮力通量引起的有效位能释放（图2）。
图2. 南海环流动能收支示意图，背景颜色表示密度场的经向分布
进一步分析表明，在半封闭的中层和底层，内部湍混合与侧向水交换决定了密度场的水平分布，同时侧向行星涡度通量在海盆陆坡地形上建立了压力扭矩，驱动跨地形地转输运和垂向运动，进而生成垂向浮力通量释放有效位能，以间接方式维系海盆西边界和南部的环流运动。内部压力做功则主要由压力场和湍耗散过程相互作用产生，为海盆北部环流提供动能输入。
本研究为理解南海环流的外部驱动-内在响应的形成和维持机制提供了新视角，相关成果Cai and Gan (2021) 发表在期刊Journal of Physical Oceanography.
参考文献：
Cai, Z. and J. Gan, 2021. Dynamics of the layered circulation inferred from kinetic energy pathway in the South China Sea. J. Phys. Oceanogr., https://doi.org/10.1175/JPO-D-20-0226.1.
Gan, J., Z. Liu and C. Hui, 2016. A three-layer alternating spinning circulation in the South China Sea, J. Phys. Oceanogr. doi:10.1175/JPO-D-16-0044