《自然·通讯》刊发！中国海洋大学在海洋亚中尺度动力学研究领域取得重要进展

近日，由中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心、物理海洋教育部重点实验室成员张志伟副教授、赵玮教授、田纪伟教授等组成的科研团队在海洋亚中尺度动力学研究领域取得重要进展，首次发现亚中尺度过程可通过能量逆向串级对大洋经向热量输运产生重要影响。国际权威学术期刊Nature Communications（《自然·通讯》）3月12日以“Submesoscale inverse energy cascade enhances Southern Ocean eddy heat transport”（亚中尺度逆向能量串级增强南大洋涡致热量输运）为题对上述成果进行了在线报道。
空间尺度O(1–10)公里、时间尺度O(1–10)天的海洋亚中尺度过程，在大洋能量串级和物质输运中扮演重要角色，对海洋生地化过程和海气相互作用等具有重要调控作用，是当前海洋科学的前沿和热点研究领域。尽管高分辨率观测和数值模拟均表明亚中尺度过程可产生很强的垂向热量输运，但已有研究普遍认为由于亚中尺度过程水平尺度小、扩散效率低，根据经典的“混合长”理论，它在大洋经向（水平）热量输运中的作用可能极为有限。然而，亚中尺度过程可通过能量跨尺度传递（即能量串级）影响中尺度涡等其它动力过程，但对于这种能量串级效应能否以及如何影响大洋经向热量输运，目前尚不清楚。
4 D% f9 L, e- M0 H' l. {8 m本研究以中尺度涡和亚中尺度过程极为活跃的南大洋为例，对上述问题开展了深入研究。基于两套不同分辨率但其它配置完全相同的高分辨率数值模拟资料（1/48°，可分辨亚中尺度；1/24°，不能分辨亚中尺度但可分辨中尺度），通过开展多尺度热量输运和能量收支的诊断分析并与观测数据对比验证，研究发现尽管亚中尺度过程自身引起的经向热输运很小，但它可通过能量逆向串级显著增强中尺度涡动能进而增强中尺度经向热输运，从而间接地增强南大洋向极的总体热输运。在南极绕极流纬度带，亚中尺度能量逆串级对向极热输运的增强比例可达到~20–50%，因而在南大洋热量收支中扮演举足轻重的角色。此外，研究还发现，对应于亚中尺度能量逆串级增强中尺度涡，南大洋顺时针和逆时针的residual-mean大尺度经向翻转环流也分别显著地减弱和增强。
) o4 I7 P2 V, T) W# R% A4 n. p上述研究结果，开辟了亚中尺度过程影响海洋水平热输运的新路径，明确了亚中尺度能量串级对海洋大中尺度环流系统具有重要作用，为今后改进气候模式涡致输运参数化方案提供了理论支撑。
研究成果由国家自然科学基金优秀青年基金获得者张志伟副教授担任第一作者，张志伟副教授、赵玮教授、田纪伟教授作为共同通讯作者，学校多位在读研究生参与，并联合国内外合作机构多位专家学者共同合作完成，研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金“西太平洋”重大研究计划、国家优秀青年科学基金、山东省泰山学者青年项目、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。
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图1.(a, b) 南大洋海表罗斯贝数（相对涡度除以行星涡度），量值大于0.5表示存在活跃的亚中尺度过程；(c) 1/48°模式计算的南大洋垂向积分的涡致经向热输运（负值代表往南）；(d) 模式考虑亚中尺度过程后涡致经向热输运的增加量，即1/48°模式结果与1/24°模式结果之差。

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图2. 亚中尺度能量逆串级增强南大洋经向热输运示意图。其中，黑色符号SM、MS、LS分别表示亚中尺度过程、中尺度涡、大尺度环流；橙色箭头EHTsm和EHTme分别表示亚中尺度和中尺度经向热输运；红色和蓝色箭头代表模式分辨亚中尺度过程后中尺度涡能量收支项的变化，KTms、KTlm、BC、WW、DS分别表示中尺度与亚中尺度能量传递、中尺度与大尺度能量传递、中尺度斜压转化、风应力做功、耗散项，其中，增大最多的是亚中尺度能量逆串级KTms项。
7 M+ v+ k6 n: Q* r' `文章链接：
; l5 L, u; I; F; y% Z9 P2 Shttps://www.nature.com/articles/s41467-023-36991-2
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信息来源：中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室 作者：侯霞。