大洋上层环流的位涡均一化理论研究

The general ocean circulation is a great conveyor for water, heat and material, plays a key role in the global climate system, and thus has always been a major focus of physical oceanography. The classic wind-driven circulation theories based on Sverdrup balance have been celebrated since their establishment, but now they are seriously challenged by new observational evidences and discoveries. On one hand, the classic theories are at odds with observations and cannot explain many salient features of the observed general circulation. On the other hand, these theories neglect the effects of oceanic eddies, which are the most important discovery of physical oceanography over the last half of a century. A new theory of the general circulation must take into account of eddies and be consistent with observations, which is exactly the starting point of this study. Our primary assumption is that eddy mixing can homogenize the upper ocean potential vorticity, thus determining the pattern and structure of the thermocline and the general circulation. This breaks the Sverdrup balance and overcomes the problems of the classic theories. The proposed study aims to establish a new theory for the upper ocean general circulation based on potential vorticity homogenization. Though possibly debatable, this exploratory research is likely to make real theoretical breakthrough.

大洋环流是海洋中水体、热量和物质的巨大传送带，在全球气候系统中起着举足轻重的作用，因而是物理海洋学的核心问题和关注焦点。基于Sverdrup 平衡关系的风生环流经典理论一直被海洋学界奉为圭臬，但新的观测事实和研究进展对这类理论提出了严峻挑战。首先，经典理论存在与观测相悖的硬伤，无法圆满解释观测到的大洋上层环流的基本特征。其次，经典理论忽略了海洋涡旋的作用，而后者是近半个世纪以来物理海洋学最重要的发现。新的理论必须在充分考虑涡旋作用的基础上达到与观测事实一致，这正是本项目的出发点。我们的基本科学假设是，涡旋的混合作用会使上层海洋的位涡趋于均一化，从而决定温跃层和大洋上层环流的形态和结构。这将打破Sverdrup平衡，从根本上弥补经典理论的缺陷。项目拟结合资料分析、理论模型、数值实验和现场观测，建立大洋上层环流的位涡均一化理论体系。尽管可能会引起一些争议，这一探索性研究有望取得颠覆性突破。

大洋环流作为海洋中水体、热量和物质的巨大传送带，在全球气候系统中起着举足轻重的作用，因而是物理海洋学的核心问题和关注焦点。基于Sverdrup平衡关系的风生环流经典理论一直被海洋学界奉为圭臬，但是新的观测事实和研究进展对这类理论提出了严峻挑战。首先，经典理论存在与观测相悖的硬伤，无法圆满解释观测到的大洋上层环流的基本特征。其次，经典理论忽略了海洋涡旋的作用，而后者是近半个世纪以来物理海洋学最重要的发现。新的理论必须在充分考虑涡旋作用的基础上达到与观测事实一致，这正是本项目的出发点。本项目的基本科学假设是，涡旋的混合作用会使上层海洋的位涡趋于均一化，从而决定温跃层和大洋上层环流的形态和结构。.通过观测证据、理论分析和数值试验，我们在一定程度上证实了本项目提出的基本科学假设。我们发现，中尺度涡在宏观尺度上的混合作用使得大洋副热带内区位涡趋于均一化，从而确定了温跃层的经向结构及内区环流结构；虽然温跃层的平均深度主要由大尺度风场控制，但是温跃层的经向分布在很大程度上受涡旋混合的调制。因此大洋位涡均一化机制是对经典风生环流理论的重要补充。我们还发现，在全球变暖背景下，台风产生的位涡正异常由涡旋携带向西运动并汇入黑潮，使得黑潮的强度增加，从而抵消由于信风变弱导致的环流减速。这一过程有效维持了黑潮向北的热量输运，以及副热带黑潮区及其下游的海气变暖程度。此外，我们的研究还揭示了涡旋连贯性在涡致输运中的重要作用，明确了微观尺度上中尺度涡对大洋上层物质、能量与位涡的混合效应。.项目按计划完成了研究任务，达到了既定目标。共发表SCI论文21篇，包括Science、Journal of Physical Oceanography、Geophysical Research Letters、Journal of Geophysical Research等国际一流期刊论文。项目的研究成果揭示了中尺度涡旋在大洋上层环流及全球气候系统中的重要作用，为完善海洋与气候系统的动力框架并提升其预测水平提供了新的理论依据。