南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）是全球海洋中唯一一支沒有陸地阻擋、連通全球四大洋的流系，全球約80%風(fēng)輸入大洋環(huán)流的能量發(fā)生在這里，是推動(dòng)全球經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流循環(huán)和深淵海與大氣物質(zhì)能量交換的引擎，在地球氣候系統(tǒng)中發(fā)揮著獨(dú)特的作用，其在一定程度可以看作是海盆尺度風(fēng)能輸入與毫米尺度能量耗散之間平衡的結(jié)果，不同尺度之間能量的串級(jí)與平衡是理解其動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的關(guān)鍵。海洋中的能量串級(jí)是非線性相互作用的結(jié)果，對(duì)其研究仍存在諸多經(jīng)典難題。近日，中科院海洋所徐永生研究團(tuán)隊(duì)在南極繞極流能量串級(jí)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次揭示了南極繞極流斜壓、正壓動(dòng)能逆向串級(jí)的異同及其與正壓化的關(guān)系。
全球經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流示意圖（左）；風(fēng)輸入大洋環(huán)流的能量（右，單位：mWm-2）
能量在不同空間尺度載體之間的轉(zhuǎn)移稱為能量串級(jí)。如果風(fēng)能輸入一成不變地從海盆尺度正向串級(jí)到耗散尺度（類似小尺度三維湍流中的能量串級(jí)過程），豐富多彩的海洋現(xiàn)象將不會(huì)存在。經(jīng)典地轉(zhuǎn)渦流理論認(rèn)為多尺度間的非線性相互作用能夠使正壓流（不隨深度變化的分量）能量從小尺度向大尺度載體轉(zhuǎn)移，稱為逆向能量串級(jí)，但斜壓分量流（隨深度變化的分量）中只能存在正向串級(jí)。雖然人們近期已通過衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了海洋中存在斜壓動(dòng)能逆向串級(jí)，但對(duì)它的特性及其與正壓動(dòng)能逆向串級(jí)的關(guān)系仍然不清楚。
徐永生團(tuán)隊(duì)通過分析同化衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的ECCO2模式數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在南極繞極流區(qū)域，海洋中的斜壓動(dòng)能不僅可以通過正壓化轉(zhuǎn)化成正壓動(dòng)能進(jìn)而發(fā)生逆向串級(jí)，斜壓動(dòng)能本身就可以逆向串級(jí)；斜壓動(dòng)能逆向串級(jí)的源主要來自斜壓不穩(wěn)定，而正壓逆向串級(jí)源則更多是正壓化的結(jié)果；逆向串級(jí)和正壓化相伴而生，它們是多尺度非線性相互作用結(jié)果的兩個(gè)方面。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)和闡釋了正壓化與復(fù)雜地形之間的耦合關(guān)系。以上成果近日由物理海洋學(xué)領(lǐng)域知名期刊 Journal of Physical Oceanography （《物理海洋學(xué)》）發(fā)布報(bào)道，中科院海洋所培養(yǎng)的博士李宏杰為第一作者，徐永生研究員為通訊作者兼共同第一作者。
南極繞極流區(qū)域正壓化（斜壓向正壓動(dòng)能的轉(zhuǎn)化）強(qiáng)度空間分布（單位：log10(m2s-3）)；正壓化較大的區(qū)域?qū)?yīng)了較為復(fù)雜地形
從能量守恒、量子躍遷到質(zhì)能轉(zhuǎn)換，大自然通常把它的秘密書寫于能量之中。能量的視角同樣可以成為理解海洋中神秘現(xiàn)象的一把鑰匙，例如，逆向動(dòng)能串級(jí)之于海洋中渦旋體積的增長(zhǎng)，正壓化之于海洋上層斜壓動(dòng)能的深向傳遞。上述研究成果為闡釋南極繞極流動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象之下的能量學(xué)原理奠定了基礎(chǔ)。
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https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/aop/JPO-D-20-0053.1/JPO-D-20-0053.1.xml
