海洋中為什么存在如此繽紛多彩的物理現(xiàn)象，又是什么維系了它們在海洋中駐足的“壽命”？這是物理海洋學(xué)有待回答一個基本問題。海洋是一個輸入-耗散能量級聯(lián)系統(tǒng): 風(fēng)在海盆尺度上驅(qū)動大洋環(huán)流，輸入的能量經(jīng)歷多尺度串級，最終在毫米尺度上由摩擦耗散。從海洋能量學(xué)的角度看，‘海洋現(xiàn)象’只是能量載體的一種存在形式，是一個能量串級與平衡過程中駐足時間相對較長的節(jié)點(diǎn)。然而，人們對影響‘海洋現(xiàn)象’中能量駐足時長的過程和機(jī)理仍然知之甚少。近日，中科院海洋所徐永生團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域研究中取得進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)維系海洋渦旋長期存在的能量串級循環(huán)結(jié)構(gòu)。
海洋中尺度渦旋承載了海洋中大約百分之九十的動能，壽命可達(dá)3年，對物質(zhì)能量輸運(yùn)和氣候變化有重大影響。海洋渦旋的能量會因內(nèi)部不穩(wěn)定過程而不斷地耗散，為什么還能夠存在如此長的時間呢？徐永生團(tuán)隊(duì)通過分析橫穿氣旋渦和反氣旋渦的ADCP速度觀測剖面發(fā)現(xiàn): 不穩(wěn)定過程使中尺度渦旋的動能發(fā)生正向串級并轉(zhuǎn)化成為波動運(yùn)動，而波動運(yùn)動會通過對渦流的擠壓誘導(dǎo)逆向動能串級，阻止了動能向耗散尺度的進(jìn)一步演化，并且使部分動能重新回到渦旋尺度，這個動能的正、逆向串級循環(huán)結(jié)構(gòu)大大降低了中尺度渦的能量耗散。
左：（a）和（c）分別是橫貫氣旋渦和反氣旋渦ADCP剖面的動能通量譜，正值表示正向動能串級，負(fù)值代表逆向動能串級; 右：（b）和（d）是左邊對應(yīng)能量通量譜的典型深度截面，表明渦旋內(nèi)部正向串級的動能與逆向串級的動能大部分可以抵消
渦旋的活力依賴于其所攜帶的能量，徐永生團(tuán)隊(duì)通過對動能、擬能通量和波、渦動能波數(shù)譜的綜合研究，發(fā)現(xiàn)渦旋內(nèi)部存在著有效維系渦旋能量的動能和擬能的正、逆串級循環(huán)結(jié)構(gòu): 波動運(yùn)動對渦流的拉伸和擠壓作用不僅導(dǎo)致擬能正向和逆向串級，而且造成動能在不同深度上存在相反方向串級的內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)。以上成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊Physics of Fluids在線發(fā)表，文章第一作者是徐永生團(tuán)隊(duì)在讀博士生劉英和，徐永生研究員為通訊作者。
左圖：氣旋渦中的能量串級和擬能串級；右圖：反氣旋渦中的能量串級和擬能串級。實(shí)線藍(lán)色箭頭表示正向能量串級，點(diǎn)線藍(lán)色箭頭表示逆向能量串級，實(shí)線黑色箭頭表示能量轉(zhuǎn)移，實(shí)線紅色箭頭表示正向擬能串級，點(diǎn)線紅色箭頭表示逆向擬能串級
渦旋何以生長出如此精妙的能量循環(huán)結(jié)構(gòu)？這應(yīng)該是自然選擇的結(jié)果，渦旋的能量循環(huán)結(jié)構(gòu)只是大自然中大量存在的能量循環(huán)結(jié)構(gòu)中的一部分。海洋是一個輸入-耗散多尺度能量級聯(lián)系統(tǒng)，海洋中的能量串級是普遍存在的，物理海洋的研究目標(biāo)不應(yīng)該僅是證明它的存在，更重要的是探究它在“現(xiàn)象”之所以能夠存在中所起到的作用，成為理解和預(yù)測海洋中繽紛現(xiàn)象的一把鑰匙。
論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0062814
