潮汐驱动的亚中尺度涡旋在沿海系统中的涡度和能量再分配

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Vorticity and energy redistribution by tide-driven submesoscale eddies in a coastal system

　　

•在复杂的岛屿 - 水道沿海系统中诊断了正压潮汐动力学。
•反复出现的潮汐驱动亚中尺度涡在剩余环流上留下了持久印记。
•剩余涡旋主要通过平均涡度平流和涡通量散度达到平衡。
•正水平雷诺应力产率在潮汐射流周围的剪切区增强。
•潮汐驱动亚中尺度涡介导双向动能传递，并在局部向潮汐流进行逆级联传递。

引言
潮汐驱动亚中尺度涡 (TSMEs) 是潮汐主导沿海海域中常见的瞬态涡旋特征，其水平尺度为 O(0.1–10) km，持续时间从几小时到几天不等 (Thomas et al., 2008; McWilliams, 2019; Zatsepin et al., 2019)。与通常解释为拟地转平衡的中尺度涡不同，亚中尺度涡具有高罗斯贝数和强非地转剪切、应变及次级环流 (Pedlosky, 1987; Lévy et al., 2018; Taylor and Thompson, 2023; Z. Zhang et al., 2024)。在沿海环境中，这些涡旋产生剩余流和中小尺度的区域环流 (Reeve et al., 2022)。更广泛地说，它们占据旋转主导的大尺度运动和更小尺度湍流之间的中间尺度 (Capet et al., 2008; McWilliams, 2016; Naveira Garabato et al., 2022)，同时也为向下和向上能量传递提供途径 (Cao et al., 2021; Luko et al., 2023; Torres et al., 2024)。它们还可以进一步影响沉积物输送、弥散和不稳定性 (Boccaletti et al., 2007; Capet et al., 2008; Ramachandran et al., 2013)。

Sentinel-2 卫星真彩色图像（图 1a）显示，亚中尺度涡在韩国南部海岸统营市沃基面（以下简称沃基）地区无处不在。旋转的浑浊度模式清晰地勾勒出岛屿周围众多的涡旋结构，包括环状、蘑菇状特征和冯·卡门涡街 (Fedorov et al., 1989; Stern and Whitehead, 1990)。特别是，卫星检测到两个气旋式（C1 和 C2）和一个反气旋式（A1）涡旋。这些涡旋也在潮汐相位与卫星图像相同的无人机观测中被发现（图 1b–d），这暗示了涡旋生成对潮汐的依赖性。韩国南部海岸以复杂的里亚式海岸线为特征，岛屿分布密集，水道狭窄，海岬突出，浅水地形变化迅速。区域环流主要以潮汐为主，M2 提供最主要的信号，其次是 S2 和 K1 (Teague et al., 2001)。这种复杂的地形预计会通过流分离和水平剪切促进 TSME 的反复形成。然而，沃基系统中控制涡旋的详细动力学仍然知之甚少。

研究区域的涡旋生成机制预计与大型开阔海域不同。在分层的近海环境中，亚中尺度变异性经常与斜压不稳定性 (Boccaletti et al., 2007; Callies et al., 2015; Buckingham et al., 2017)，锋面生成 (Jing et al., 2021)，和对称不稳定性 (Thomas et al., 2013; Bachman et al., 2017) 有关。相比之下，海岬、水道和复杂地形周围的强剪切沿海流可以通过洋流与地形相互作用引起的正压水平剪切不稳定性产生亚中尺度涡 (Zatsepin et al., 2011; Gula et al., 2016; Delandmeter et al., 2017; Wu et al., 2018; Luko et al., 2023; Li et al., 2024)。沃基系统非常适合检查正压潮汐动力学，因为现有观测表明分层微弱或缺失，且垂直方向上具有相干的流速。使用向上看的 600 kHz 声学波浪和流速仪 (AWAC; Nortek) 系泊观测显示流速剖面大部分垂直均匀（图 A1d，附录），之前来自统营的水文测量也显示冬季季节水层混合良好且强正压性 (Park et al., 2021)。

要解释 TSME 动力学，必须确定振荡潮汐运动如何在地形复杂的环境中重新分配涡度并组织剩余环流。虽然潮汐流主要是振荡的，但与非线性海岸几何形状和地形的相互作用可以在平均后产生剩余流。从涡度预算的角度来看，高分辨率深度平均模型可以保留复杂地形上的主要平流结构 (Prandle and Ryder, 1989)。早期研究表明，潮汐周期内的不对称底摩擦可以为剩余环流提供净涡度输入 (Robinson, 1983)，这与 Nihoul 和 Ronday (1975) 引入的潮汐应力概念一致。在此基础上，Reeve 等人 (2022) 将潮汐驱动的雷诺应力重新表述为涡旋涡度通量的散度，并显示稳态剩余涡度平衡由平流、拉伸、底摩擦旋度和涡旋涡度通量散度项组成。基于能量的诊断进一步有助于识别与 TSME 生成相关的能量途径。水平雷诺应力产率 (PHRS) 已被广泛用于诊断平均流和波动运动之间剪切驱动的能量转换，正的 PHRS 被视为正压不稳定性和相关涡旋生长的证据 (Gula et al., 2015b; Liu and Chang, 2018; Cao et al., 2021; Luko et al., 2023)。同时，基于空间滤波的粗粒化方法已被用于诊断亚中尺度流中的尺间动能 (KE) 传递，允许在不依赖域平均频谱诊断的情况下识别局部能量传递 (Aluie et al., 2018)。这些方法提供了跨越规定长度尺度的向下和向上 KE 传递的局部估计，并已应用于识别亚中尺度运动与大尺度环流之间 KE 交换的区域模式 (Schubert et al., 2020; Cao et al., 2021; Luko et al., 2023; D. Zhang et al., 2024)。

基于这些先前的研究，我们为研究区域开发了数值模型，并应用了 Reeve 等人 (2022) 的剩余正压涡度平衡框架。此外，我们研究了与 PHRS 和粗粒化 KE 通量 (Π(L)) 相关的系统能量学。涡度平衡用于识别维持剩余环流的过程，PHRS 用于检查 KE 在哪里在剩余运动和波动运动之间转换，Π(L) 用于诊断 KE 是传递到更小还是更大的空间尺度。我们特别关注一个正压、潮汐主导的沿海系统，其中反复出现的 TSME 是通过潮汐射流与复杂岛屿 - 水道地形的相互作用产生的。

具体来说，本研究解决了沃基地区 TSME 动力学的三个相关方面：(1) 反复出现的 TSME 对潮汐平均剩余环流的印记及相关剩余涡度平衡，(2) 正压剪切产率在支持涡旋生长和维持中的作用，以及 (3) TSME 区域周围及其与潮汐流相互作用区沿线的尺间 KE 传递的空间组织。本文其余部分组织如下。第 2 节描述了模型配置和诊断框架，第 3 节展示了结果和讨论，第 4 节总结了主要结论。

部分片段
模型配置
本研究使用了由 Deltares 开发的三维模型 Delft3D (http://oss.deltares.nl/web/delft3d)。Delft3D 是基于 Boussinesq 近似下原始方程的有限差分模型，其连续性方程、动量方程和数值求解方法由先前研究详细描述 (Lesser et al., 2004)。图 2 显示了基于韩国海洋水文及海洋测量所提供的测深数据 (BADA) 的模型域和测深图。

沃基 TSME 结构
为了检查沃基沿海水域中模拟的 TSME 结构，我们分析了无人机观测期间的模拟流场。图 3a 和 b 说明了涨潮和落潮阶段（2024 年 11 月 14 日 08:30 UTC+9 和 2024 年 11 月 13 日 23:00 UTC+9）的归一化相对涡度，表示为罗斯贝数 (Ro=ξ/f)。模拟结果揭示了一个强烈的非线性区域，Ro 在整个区域域内达到约 20 的值。这种大的 Ro

总结与结论
我们使用高分辨率深度平均正压模型研究了沃基地区观测到的反复出现的 TSME 的治理机制。我们的分析表明，这些地形生成的涡旋与该复杂沿海系统内跨尺度涡度和 KE 的重新分布动态相关，而不是代表局限于单个潮汐相位的孤立尾迹特征。通过结合涡度预算、PHRS 和 Π(L) 诊断，我们表明 TSME 活跃地

CRediT 作者贡献声明
Sin-Young Kim: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Gi-Seop Lee: 写作 – 审阅与编辑，监督，软件，方法论。Jong-Seok Lee: 写作 – 审阅与编辑，资源，调查。Dawoon Jung: 写作 – 审阅与编辑，资源，调查。Young-Heon Jo: 写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，形式

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
作者衷心感谢韩国国家研究基金会 (NRF)，由韩国政府资助 (RS-2023-0028065062) 的题为“基于卫星观测推导的三维数据对地下物理海洋中尺度现象的分析”项目资助，以及韩国海洋水产部资助的题为“管辖区海洋研究站建立与融合研究”项目资助（授予

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