海洋中尺度涡与近惯性内波之间能量交换的机理及其对深海大洋跨等密度面湍流混合的影响

Energy cascading process plays a key role in the energy balance of global ocean. It is one of the most important but also most challenging problems in physical oceanography. While the energy transfer from basin-scale ocean general circulation to mesoscale eddies and from internal gravity waves to turbulent mixing is relatively well documented, it remains poorly understood how the energy exchanges between mesoscale eddies and internal gravity waves (especially near-inertial internal waves). Therefore, studying their energy exchange has great scientific values..Based on oceanic in situ observations and numerical simulations obtained from high-resolution ocean general circulation models, this project is aimed to study the energy exchange between mesoscale eddies and near-inertial internal waves, with focuses on (1) revealing the spatial and temporal variations of energy exchange rate in the global ocean and its controlling factors, (2) exploring the major dynamical mechanisms responsible for the energy exchange, and (3) evaluating the role of energy exchange in furnishing the diapycnal mixing in the deep ocean. The progress made by this project will provide us a better knowledge of the entire energy cascading process and energy sources for maintaining the diapycnal mixing in the deep ocean as well as improve the model representation and prediction of climate.

海洋中的能量串级过程对于维持海洋能量的收支平衡起着重要作用，是物理海洋学研究的热点问题，同时也是一个经典难题。尽管对于能量从大洋环流到中尺度涡以及从内波到湍流混合的串级过程已经有了较为清晰的认识，然而对于中尺度涡和内波尤其是近惯性内波之间的能量交换过程仍然缺乏深入的了解。因此，开展中尺度涡和近惯性内波能量交换的研究具有重要科学意义。.本项目基于高分辨率海洋环流模式和海洋观测数据，重点研究以下内容：（1）揭示中尺度涡与近惯性内波能量交换率在全球海洋的时空分布特征及影响因子；（2）探究海洋中尺度涡与近惯性内波之间能量交换的主要机理；（3）评估中尺度涡与近惯性内波能量交换在驱动深海大洋跨等密度面湍流混合中的作用。本项目的研究对于我们完善对整个海洋能量串级过程的认识，深入理解深海大洋跨等密度面湍流混合的能量来源，以及改进数值模式对气候系统的模拟能力具有重要的学术价值和现实意义。

海洋中的能量串级过程对于维持海洋能量的收支平衡起着重要作用，是物理海洋学研究的热点问题，同时也是一个经典难题。尽管对于能量从大洋环流到中尺度涡以及从内波到湍流混合的串级过程已经有了较为清晰的认识，然而对于中尺度涡和内波尤其是近惯性内波之间的能量交换过程仍然缺乏深入的了解。.通过四年的研究，本项目围绕海洋中尺度涡与近惯性内波之间能量交换的分布特征与作用机理及其对海洋内部跨等密度面湍流混合的贡献取得了多项创新性成果，较好的完成了项目的科学目标，在Journal of Physical Oceanography等国际物理海洋学期刊上发表论文10篇。取得的重要成果包括：（1）利用潜标阵列资料定量揭示了中尺度涡和近惯性内波能量交换的强度与变化特征，阐明了波捕捉机制在能量交换过程中的重要性。（2）在国际上首次基于观测数据定量估计了全球风输入到海洋近惯性内波中的能量，为理解海洋内部湍流混合的能量来源提供了重要观测依据。（3）建立了北太平洋高分辨率和黑潮延伸体超高分辨率海洋模拟系统，揭示了黑潮延伸体海区中尺度涡与近惯性内波间的能量交换及其对近惯性内波能量收支平衡的贡献。（4）利用全球高分辨率气候模式数据，揭示了中尺度涡和近惯性内波间能量交换的时空分布特征和作用机理，系统量化了全球海洋边界层以下近惯性内波的能量来源，明确了中尺度涡和近惯性内波间的能量交换对于驱动海洋内部湍流混合的贡献。（5）建立了全球近惯性内波混合参数化方案，为定量理解中尺度涡与近惯性内波间的能量交换对海洋内部混合的贡献提供了分析工具。（6）设计了针对中尺度涡与近惯性内波相互作用的精细化观测方案，获取了黑潮延伸体海区不同极性涡旋内部近惯性内波的三维特征。这些成果对于我们完善对整个海洋能量串级过程的认识，深入理解深海大洋湍流混合的能量来源，以及改进数值模式对气候系统的模拟能力具有重要的学术价值和现实意义。