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全息论中尺度过程与风险传递和转移谈环境治理与生境生态修复讲人工与自然效能话临界谐同调制之最优数理路径选择(一)

已有 154 次阅读 2020-7-29 11:11 |系统分类:观点评述

引子   确界    临界   全息     动态    平衡   阈值    环境    气候     生态    资源     能源    相对尺度  特征尺度    非线性    方向    层化边界   模态    阶跃   配置    相空间    背景场   多样性     微循环   灾害   风险    治理    修复能力   服务功能    体系    自组织    协同学

中尺度过程相关

        一定的大尺度环境场内,由各种能量梯度、扰动机制和界面条件(切变、辐合、辐散、层化)相互作用形成平移、 对流、  旋转、 驻滞等的运动形态。 中尺度涡的普遍存在,它们在移动过程中携带动能和有效重力位能,同时为伴生的多种动力过程提供能量,从运动的物理本质和时空尺度的差异出发,建立湍流、波动、涡旋和环流等四个动力子系统对应的控制方程。为解析和数值描述各类运动乃至整个运动的数学物理依据,较小尺度运动由较大尺度运动的平流输运和梯度不稳定生成,较大尺度海洋运动由较小尺度运动的输运通量剩余量混合。混合通常用来描述那些控制方程不能描述或者模式网格不能分辨的物理过程。由于水平混合系数的改变,出现较大差异的区域对应了传统认识的涡旋较多的区域。温度方程对水平混合系数的响应和盐度方程的响应均与动量方程类似,也主要出现在涡旋较多的区域。近惯性动能(NIKE)几乎占到表层动能的一半, 对维持上层强混合、经向翻转环流、深层混合和内波等有重要贡献。中尺度涡对NIKE的传播、演化、耗散等皆有显著影响。中尺度涡对障碍层季节变化的影响,刻画了中尺度涡诱导近惯性能量垂向传播、激发谐波和地形罗斯贝波的过程和机理。目前中尺度涡旋研究采用的资料主要有,一是卫星高度计反演的高度异常(SSHA)场,需要经计算提取才能表现涡旋环流。二是浮标资料,通常提供局部区域要素,并不反映整体涡旋。三是再分析数据和数值模拟产品,可给出由风应力强迫的涡旋,通常环流模式的流场相对稳定,涡旋形态良好。并且时空精度会优于卫星反演数据。

渐变孕灾   连续性    离散化    介观尺度    消长周期   

风险传递与转移相关

变异因子   中尺度过程      临界   异变    突发急剧    突变急转    非平衡动态

边际效应   基带  边缘   波动突变     梯度累积   分类圈层

灾害链    群发   串发  并发  次生   

风险治理之改造修复

除考虑大尺度低频流场外,还须了解中小尺度过程(如涡旋)和高频振荡过程(如潮流和内波)造成的传输、混合和扩散作用。维持深层混合的主要能量来源于正压潮与地形相互作用产生内潮、中尺度涡与地形产生内背峰波、中尺度涡和惯性振荡与地形相互作用产生的强化的内惯性波。中尺度涡和近惯性运动与地形相互作用时,将激发近惯性共振运动,使中尺度涡能量向近惯性内波转移,增强了深层混合。中尺度涡精细结构在动力学上最本质的属性与概念基本归属与构型为亚中尺度锋面与亚中尺度涡旋,以及在调整过程中发射的重力惯性波动。亚中尺度的非地转运动能量在涡旋产生和消亡阶段较强,而在涡旋成熟阶段较弱。并且亚中尺度的非地转运动能量由中尺度的地转变形场控制,并定量给出了两者的关系。湍流混合过程严重影响质量、动量、能量输送及全球气候变化,同时,混合对中尺度涡的消亡具有重要作用。中尺度涡旋扮演着重要的角色,是动力学、热力学和生物、生态研究领域中的重要课题。中尺度涡引起的内部混合主要是沿着中性面进行的,因此中性面斜率(isoneutral slope)对于该混合的参数化计算具有至关重要的作用。

 模态水的形成、迁移和耗散都与涡旋活动密切相关。模态水潜沉的“热点”发生在涡旋外围—反气旋涡东侧的南向流处。结合涡分辨率的模式,此种涡旋平流机制对潜沉率贡献可以占到总潜沉率的一半以上。涡旋过脊时,涡管会发生压缩。受位涡守恒的约束,模态水层的位势涡度增大。此外,由于强垂直耗散影响模态水强度,使其减弱20%以上。反气旋涡中上温跃层上拱而温跃层下界向下弯曲的“凸透镜”结构有利于在其中心保存较厚模态水,而较轻的随着季节性温跃层加深快速耗散。表观耗氧量的极小值往往与位涡极小值相对应。跨混合层深度锋面的涡旋外围的位势涡度分布具有不对称性,混合层中低位涡水潜沉发生在反气旋涡东侧的南向流处。主要因为涡旋会产生一个跨跨混合层深度锋面的低位涡水输运,导致该低位涡水的南向潜沉进入温跃层,形成模态水。

加热和气候格局以及涡波流动力分解。海气耦合影响中尺度涡的关键动力和热力过程以及影响的范围和量级,包括中尺度耦合在不同区域、不同季节的变化特征,以及大气对中尺度涡所致SST变化的响应和大气变化对海洋的反馈。不同季节、不同类型涡旋上风速与SST耦合的强度不同。这与耦合背景场的季节变化以及不同类型涡旋的空间分布特征有关。天气尺度波-行星尺度波-基本流的多尺度相互作用是动力学的核心。水平方向有涡旋移动及与海流的分离与合并,垂直方向上有与深层系统如南半球翻转流及与上层大气系统的对流及感热传递。建立包含湍流二阶闭合的涡旋分解力数值模型,通过中尺度涡旋在能量级串中的作用及物质输运机制,关注涡旋分解力数值模型的涡旋分辨力与湍混合系数之间的关系。物理实验关注有无旋转科氏力作用以及局地风波流综合效应水体涡旋和近水面气体涡旋的特征。对环境强迫因子进行诊断与模拟,获得台风、气旋、锋面、急流、地形、海流等多种强迫对该海域涡旋生命演变的影响作用。融合中尺度涡旋后,中高纬度的通风过程有着显著的动力学和热力学变异。通风也强烈受到中尺度涡旋的动力学和热力学影响。潜沉过程可能会对全球变暖停滞的气候现象起到一定的积极贡献。若区域环流存在较强的非线性。中尺度涡旋活动对该区域非线性环流起着较大作用。而基于线性涡度假设的Sverdrup理论不能描述该区域的环流。季风-陆地地形作用可诱生丰富的局地风场切变特征,形成尺度为100-400公里左右的强风应力旋度场,且这些旋度场与中尺度涡紧密相关。

风暴路径是上游的主要天气尺度波来源,风暴路径和与之相联的副热带急流下方是西边界流及其延伸体区域,该区域具有较强的表面温度锋和中尺度涡能量,是海-气耦合的活跃区域。中纬度锋面存在南北摆动和经向分支合并两个主要模态,与之对应的风暴轴变率也具有类似结构,其中分支合并模态与NAO振荡显著相关,该模态对应的物理过程为:锋合并(分支)→单支(双支)风暴轴→NAO正(负)位相→北负南正(北正南负)SLP异常→海盆尺度风生环流加强(减弱)→锋合并增强(分支减弱)。锋面与风暴轴和中高纬大尺度环流存在1~3年的年际共振,其中准一年共振信号体现了锋面和NAO的对应关系。三者的共振机制是通过锋面改变低层大气斜压性和经向热通量,引起涡动有效位能变化,再通过非绝热加热使涡动有效位能转变为涡动动能,从而改变风暴轴异常并东移影响下游NAO。天气尺度波位涡强迫的空间结构决定了下游行星尺度环流的弯曲和变形,只有当风暴轴异常激发的位涡强迫与下游NAO异常具有相同经向结构时才引发NAO共振加强,否则NAO崩溃衰亡。这种匹配关系暗示风暴轴对于NAO发生发展具有诱导作用,且其对于NAO的强迫效应在NAO发展的不同阶段作用截然不同。天气尺度波非均匀性会诱发对于大尺度流的能量反串级,其诱发的大尺度流的空间分布决定了涡动能量的传播方向,也进一步决定了NAO的位相和发展。锋面通过影响风暴路径进一步影响NAO的物理过程。而NAO异常的反馈效应能显著影响NAO正负位相的振幅和持续时间,进一步影响锋面变率。斜压能量转化在水平上跨据反气旋涡和伴生的气旋涡,平均流同时向这两个中尺度涡提供有效位能,弯曲形变加剧。斜压不稳定的盛期,能量热点垂向可涵盖100-400m,主温跃层处最强。到脱落阶段,斜压能量转化大值区逐渐偏移到气旋涡,平均流主要提供有效位能给伴生气旋的成长,终将反气旋涡从主体上切断下来。通过风应力旋度的形式驱动出强劲的气旋涡,再引入由温度梯度变化所致的斜压高斯涡(反气旋涡),在涡旋生成之后,涡动能和涡势能都开始迅速下降,对流项、压力工作项和摩擦耗散项对涡旋有效范围内涡动能方程的平衡起主导作用。频发的涡旋所引起的水体抽吸和热盐输运在温跃层的维持及演化过程中起重要的作用,中尺度涡通过影响海洋层结而导致近惯性能量变异。

表层流不稳定或风应力旋度、流场与陆架陆坡的相互作用产生、底地形的流场不稳定是造成涡旋的三维结构差异的主要原因。主轴两侧涡旋呈极性不对称分布,水平剪切项和垂直浮力通量项是涡旋生成的主要能量来源;路径的弯曲使得涡旋受到挤压,旋涡生命周期较长,水平剪切不稳定(斜压不稳定性)导致涡旋生命期较短。 反气旋涡内的物质被位涡线裹挟着前行,反气旋涡比气旋涡具有更好的粒子输运能力,能够将更多涡旋内的物质输运到更远地点,同时位涡切变引起的对称不稳定是粒子聚集于边缘的主要动力因素。气旋涡诱导的东向热量输运和反气旋涡诱导的西向热量输运几乎可以互相抵消,因此涡旋诱导的纬向热量输运不明显,涡旋诱导的经向热量输运的分布较复杂,中尺度涡旋诱导的其内部混合层深度具有明显的变化,其中气旋涡会诱导混合层深度的变浅,反气旋涡会诱导混合层深度的加深。中尺度涡旋在稳定态下满足地转平衡,但在受外界扰动失稳时,会通过地转调整回到新的平衡状态;作为调整过程的一个重要结果,能量以近惯性内波的形式由涡旋向外传播,在引起中尺度涡旋能量衰减的同时导致近惯性能量在深层的增强。

灾害分异与风险适应适度相关

特征值   多度构建   阈值触发    暴露指数    累积度(持续、聚集、强度)   相对致损   临界度(交汇《错》区、过渡带、边缘《岸线》带)   自适应   适度适应

超临界     分异交汇区    强化适应

由于强迫不均与中尺度涡的水平搅拌作用,混合层中普遍存在水平密度梯度(锋面),因此极易通过斜压不稳定性产生次中尺度涡,从而造成显著的混合层再层化。混合层内密度的水平变率主要受盐度控制,波数谱的标度率具有显著的区域性差异,在陆架陆坡区的水平波数谱呈-3 次标度率,符合经典的准地转湍流理论,而在深海盆中尺度过程活跃的海区平波数谱呈-2 次标度率,在没有显著中尺度过程的海区水平波数谱呈-3 次标度率.湍流耗散与混合受边界层湍流与锋面不稳定过程联合控制。岛屿相互作用可产生显著的次中尺度结构,流轴左侧与地形相互作用后在岛屿、浅滩附近生成强的涡度异常场,有利于局地发生正压不稳定,生成次中尺度结构,实现平衡运动的能量降尺度串级,流轴右侧与岛屿、浅滩相互作用后则易生成负的 Ertel PV,有利于局地发生离心不稳定或 对称不稳定。

空间与时间增长及其对应的平流失稳、绝对失稳、局地失稳、全局失稳的多尺度时空结构。高度非线性、多尺度交互作用性、时间间隙性、空间局地性的动力现象而创建并发展的多尺度子空间变换、平均流-涡旋-湍流交互作用律、以及MS-EVA分析等为非线性时空稳定性的四维场提供依据,并由此求得内部失稳源、KE变异的频率、波长选择。

治理修复相关

孕灾本源   风险区划   易损脆弱性     稳定性恢复力     生态环境安全    

风险转移    资源能源保护和资源环境人工改造   分异线迁移    防御修复重建能力    

路径选择    中尺度条件分析    组合运筹   承灾体分异协同配比   互异互动    聚类组合     稳定法则     最优选择

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内在振荡源与多尺度相互作用,造成失稳过程,区分平流失稳、绝对失稳等,需完善局地多尺度能量与涡度分析。“正则传输”表征平均流-涡旋-湍流的交互作用,有着Hamiltion力学中的Poisson bracket的形式,满足Jacobi等式及能量守恒律。特别是正压不稳定源的低频振荡导致了该海区涡动能的年代际变化。延伸体上游失稳,能量是正向串级,而下游相对稳定,能量逆向串级;从季节变化上看,上游涡动夏季增长主要受流体不稳定所控制,而下游则主要受平流作用控制;通过区分正、斜压失稳过程中的平流失稳与绝对失稳,延伸体的空间增长与时间增长多处存在局地绝对失稳现象,而且至少一部分的季节内振荡来源于此。

  不同尺度的非线性相互作用可以使能量在多尺度动力空间上输运。一般是通过斜压不稳定释放大尺度环流蕴含的有效位能而产生。通过次级中尺度能量逆向级串到中尺度过程,维持甚至是形成中尺度涡,进而通过该机制实现次级中尺度动力过程对环流结构进行调控。





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