中尺度海洋涡的持久性与物质相干性

海洋涡因其能够跨大距离输运物质、热量、盐度及其他示踪物，在海洋的输运与混合过程中扮演重要角色。它们至少表现出两种时间尺度：一种是与涡度或海面高度等网格化场中可辨识持久特征相关的欧拉寿命，以及通常短得多的多个拉格朗日或物质相干时间尺度。我们提出一种方法，通过构造有限时间相干集序列（计算为动态拉普拉斯算子主特征函数的超水平集）来研究涡与其周边环境之间的多时间尺度物质输运、泄漏与夹带。定义于不同长度时段的动态拉普拉斯算子的主特征值，使我们能够识别出一个使域内单位流时质量损失率最小的最大相干时间尺度。我们将该方法应用于考察阿古拉斯环（南大西洋中的一个海洋涡）的持久性与物质相干性，所用粒子轨迹源自 $0.1^\circ$ 全球数值海洋模拟。利用滑动窗口序列，该方法能够识别并追踪一个持久涡特征，其时间远长于最大相干时间尺度，且物质输运明显大于仅由欧拉信息识别的对应涡特征。此外，所识别特征中流体的中位停留时间远超保证完全物质运动的时尺度。通过停留时间计算，我们发现该特定涡未表现出长寿命的相干内核，其大部分物质输运由涡的准相干外环完成。