近日，由中國海洋大學深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心、物理海洋教育部重點實驗室成員張志偉副教授、趙瑋教授、田紀偉教授等組成的科研團隊在海洋亞中尺度動力學研究領(lǐng)域取得重要進展，首次發(fā)現(xiàn)亞中尺度過程可通過能量逆向串級對大洋經(jīng)向熱量輸運產(chǎn)生重要影響。國際權(quán)威學術(shù)期刊NatureCommunications（《自然·通訊》）3月12日以“SubmesoscaleinverseenergycascadeenhancesSouthernOceaneddyheattransport”（亞中尺度逆向能量串級增強南大洋渦致熱量輸運）為題對上述成果進行了在線報道。

空間尺度O(1?10)公里、時間尺度O(1?10)天的海洋亞中尺度過程，在大洋能量串級和物質(zhì)輸運中扮演重要角色，對海洋生地化過程和海氣相互作用等具有重要調(diào)控作用，是當前海洋科學的前沿和熱點研究領(lǐng)域。盡管高分辨率觀測和數(shù)值模擬均表明亞中尺度過程可產(chǎn)生很強的垂向熱量輸運，但已有研究普遍認為由于亞中尺度過程水平尺度小、擴散效率低，根據(jù)經(jīng)典的“混合長”理論，它在大洋經(jīng)向（水平）熱量輸運中的作用可能極為有限。然而，亞中尺度過程可通過能量跨尺度傳遞（即能量串級）影響中尺度渦等其它動力過程，但對于這種能量串級效應能否以及如何影響大洋經(jīng)向熱量輸運，目前尚不清楚。

本研究以中尺度渦和亞中尺度過程極為活躍的南大洋為例，對上述問題開展了深入研究?；趦商撞煌直媛实渌渲猛耆嗤母叻直媛蕯?shù)值模擬資料（1/48°，可分辨亞中尺度；1/24°，不能分辨亞中尺度但可分辨中尺度），通過開展多尺度熱量輸運和能量收支的診斷分析并與觀測數(shù)據(jù)對比驗證，研究發(fā)現(xiàn)盡管亞中尺度過程自身引起的經(jīng)向熱輸運很小，但它可通過能量逆向串級顯著增強中尺度渦動能進而增強中尺度經(jīng)向熱輸運，從而間接地增強南大洋向極的總體熱輸運。在南極繞極流緯度帶，亞中尺度能量逆串級對向極熱輸運的增強比例可達到~20?50%，因而在南大洋熱量收支中扮演舉足輕重的角色。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，對應于亞中尺度能量逆串級增強中尺度渦，南大洋順時針和逆時針的residual-mean大尺度經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流也分別顯著地減弱和增強。

上述研究結(jié)果，開辟了亞中尺度過程影響海洋水平熱輸運的新路徑，明確了亞中尺度能量串級對海洋大中尺度環(huán)流系統(tǒng)具有重要作用，為今后改進氣候模式渦致輸運參數(shù)化方案提供了理論支撐。

研究成果由國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金獲得者張志偉副教授擔任第一作者，張志偉副教授、趙瑋教授、田紀偉教授作為共同通訊作者，學校多位在讀研究生參與，并聯(lián)合國內(nèi)外合作機構(gòu)多位專家學者共同合作完成，研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金“西太平洋”重大研究計劃、國家優(yōu)秀青年科學基金、山東省泰山學者青年項目、中央高校基本科研業(yè)務費專項等項目的資助。

圖1.(a,b)南大洋海表羅斯貝數(shù)（相對渦度除以行星渦度），量值大于0.5表示存在活躍的亞中尺度過程；(c)1/48°模式計算的南大洋垂向積分的渦致經(jīng)向熱輸運（負值代表往南）；(d)模式考慮亞中尺度過程后渦致經(jīng)向熱輸運的增加量，即1/48°模式結(jié)果與1/24°模式結(jié)果之差。


圖2.亞中尺度能量逆串級增強南大洋經(jīng)向熱輸運示意圖。其中，黑色符號SM、MS、LS分別表示亞中尺度過程、中尺度渦、大尺度環(huán)流；橙色箭頭EHTsm和EHTme分別表示亞中尺度和中尺度經(jīng)向熱輸運；紅色和藍色箭頭代表模式分辨亞中尺度過程后中尺度渦能量收支項的變化，KTms、KTlm、BC、WW、DS分別表示中尺度與亞中尺度能量傳遞、中尺度與大尺度能量傳遞、中尺度斜壓轉(zhuǎn)化、風應力做功、耗散項，其中，增大最多的是亞中尺度能量逆串級KTms項。

通訊員：侯霞