南海海洋所科研人員利用漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)揭示全球中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波之間的能量傳遞規(guī)律

　　近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LTO）蔡樹(shù)群研究團(tuán)隊(duì)在全球中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波之間的能量傳遞研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果于2023年8月19日發(fā)表在Geophysical Research Letters上，碩士研究生劉耿濱為論文第一作者，研究員陳植武和蔡樹(shù)群為共同通訊作者，合作者還包括廈門(mén)大學(xué)劉志宇教授等人。

　　中尺度渦包含了海洋中大部分的動(dòng)能。了解并量化中尺度渦的能量傳遞路徑是平衡海洋能量收支以及完善海洋預(yù)報(bào)模式的關(guān)鍵一環(huán)。由于受到地轉(zhuǎn)約束，中尺度渦的能量將逆向串級(jí)至大尺度運(yùn)動(dòng)，而關(guān)于中尺度渦與小尺度耗散運(yùn)動(dòng)間的能量傳遞路徑到目前為止還沒(méi)有十分清晰的認(rèn)識(shí)與結(jié)論。近年來(lái)，近慣性?xún)?nèi)波被認(rèn)為是除次中尺度運(yùn)動(dòng)外的又一溝通中尺度渦與小尺度運(yùn)動(dòng)的重要橋梁，能夠有效地促進(jìn)中尺度渦能量的正向傳遞。

　　目前，中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波間的能量傳遞過(guò)程主要是基于模式數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究的，缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，故該項(xiàng)工作利用美國(guó)NOAA所發(fā)布的全球漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究。前人低分辨率的模式結(jié)果表明，中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波之間的能量傳遞效率較低，可以忽略不計(jì)。本研究利用地轉(zhuǎn)流為準(zhǔn)定常運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，合理地假設(shè)地轉(zhuǎn)流場(chǎng)在一小時(shí)內(nèi)（所用漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔）不會(huì)顯著變化。繼而，利用漂流浮標(biāo)前后兩個(gè)時(shí)刻的地轉(zhuǎn)流速計(jì)算得到具有較高空間分辨率（約1km）的地轉(zhuǎn)流空間梯度，并進(jìn)而計(jì)算中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波之間的能量傳遞效率。結(jié)果表明，全球中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波之間存在著顯著的雙向能量傳遞，但整體上以正向能量傳遞為主(即中尺度渦向近慣性?xún)?nèi)波傳遞能量，圖1)。在全球60^oS-60^oN 的范圍內(nèi)，中尺度渦傳遞給近慣性?xún)?nèi)波的能量總量約為0.025 TW，與全球的近慣性風(fēng)能輸入 (0.2 TW) 相比，能量傳遞效率約為13%。這表明中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波間的能量傳遞在海洋中具有不可忽視的地位。與理想數(shù)值模式的對(duì)比結(jié)果表明，該漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)的處理方法仍然低估了中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波間實(shí)際的能量傳遞效率。

圖1. (a) 中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波間能量傳遞率 (ε) 的氣候態(tài)平均結(jié)果，右側(cè)為緯向平均的結(jié)果。(b) 近慣性風(fēng)能輸入 (W) 的全球氣候態(tài)平均結(jié)果。(c)和(d)分別是由5天和3天低通濾波計(jì)算得到的能量傳遞率。(e)近慣性動(dòng)能和(f)相對(duì)渦度在歸一化渦旋半徑中的合成曲線(xiàn)。(g)能量傳遞率的大小(|ε|)隨Okubo-Weiss parameter (OWP)的變化趨勢(shì)。

　　該工作利用全球漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)首次從觀(guān)測(cè)角度對(duì)中尺度渦與近慣性?xún)?nèi)波間的能量傳遞過(guò)程進(jìn)行研究，并揭示其在海洋能量傳遞過(guò)程中的重要地位，將為未來(lái)該方向的研究提供一個(gè)重要參考。

　　該研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、西太重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目、LTO自主項(xiàng)目等共同資助完成。

　　相關(guān)論文信息：Liu G, Chen Z*, Lu H, Liu Z, Zhang Q, He Q, He Y, Xu J, Gong Y, Cai S*, Energy transfer between mesoscale eddies and near-inertial waves from surface drifter observations. Geophysical Research Letters, 2023, 50, e2023GL104729.

文章鏈接：https://doi.org/10.1029/2023GL104729