近日，由中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心、物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員張志偉副教授、趙瑋教授、田紀(jì)偉教授等組成的科研團(tuán)隊(duì)在海洋亞中尺度動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)亞中尺度過程可通過能量逆向串級(jí)對(duì)大洋經(jīng)向熱量輸運(yùn)產(chǎn)生重要影響。國(guó)際權(quán)威學(xué)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(jí)增強(qiáng)南大洋渦致熱量輸運(yùn)）為題對(duì)上述成果進(jìn)行了在線報(bào)道。

空間尺度O(1?10)公里、時(shí)間尺度O(1?10)天的海洋亞中尺度過程，在大洋能量串級(jí)和物質(zhì)輸運(yùn)中扮演重要角色，對(duì)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(dāng)前海洋科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。盡管高分辨率觀測(cè)和數(shù)值模擬均表明亞中尺度過程可產(chǎn)生很強(qiáng)的垂向熱量輸運(yùn)，但已有研究普遍認(rèn)為由于亞中尺度過程水平尺度小、擴(kuò)散效率低，根據(jù)經(jīng)典的“混合長(zhǎng)”理論，它在大洋經(jīng)向（水平）熱量輸運(yùn)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(jí)）影響中尺度渦等其它動(dòng)力過程，但對(duì)于這種能量串級(jí)效應(yīng)能否以及如何影響大洋經(jīng)向熱量輸運(yùn)，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(duì)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(yùn)和能量收支的診斷分析并與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)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(yùn)很小，但它可通過能量逆向串級(jí)顯著增強(qiáng)中尺度渦動(dòng)能進(jìn)而增強(qiáng)中尺度經(jīng)向熱輸運(yùn)，從而間接地增強(qiáng)南大洋向極的總體熱輸運(yùn)。在南極繞極流緯度帶，亞中尺度能量逆串級(jí)對(duì)向極熱輸運(yùn)的增強(qiáng)比例可達(dá)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(duì)應(yīng)于亞中尺度能量逆串級(jí)增強(qiáng)中尺度渦，南大洋順時(shí)針和逆時(shí)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(qiáng)。

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(yùn)的新路徑，明確了亞中尺度能量串級(jí)對(duì)海洋大中尺度環(huán)流系統(tǒng)具有重要作用，為今后改進(jìn)氣候模式渦致輸運(yùn)參數(shù)化方案提供了理論支撐。

研究成果由國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者張志偉副教授擔(dān)任第一作者，張志偉副教授、趙瑋教授、田紀(jì)偉教授作為共同通訊作者，學(xué)校多位在讀研究生參與，并聯(lián)合國(guó)內(nèi)外合作機(jī)構(gòu)多位專家學(xué)者共同合作完成，研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金“西太平洋”重大研究計(jì)劃、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

圖1.(a,b)南大洋海表羅斯貝數(shù)（相對(duì)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(jì)算的南大洋垂向積分的渦致經(jīng)向熱輸運(yùn)（負(fù)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(yùn)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(jí)增強(qiáng)南大洋經(jīng)向熱輸運(yùn)示意圖。其中，黑色符號(hào)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(yùn)；紅色和藍(lán)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(xiàng)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(fēng)應(yīng)力做功、耗散項(xiàng)，其中，增大最多的是亞中尺度能量逆串級(jí)KTms項(xiàng)。

通訊員：侯霞