近日，《自然科研》（Nature Research）旗下期刊《通訊-地球與環(huán)境》（Communications Earth & Environment）刊發(fā)了中科院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜的最新研究成果“Observations and modeling of symmetric instability in the ocean interior in the Northwestern Equatorial Pacific”。該研究基于觀測(cè)和數(shù)模實(shí)驗(yàn)在國際上首次揭示了存在于赤道太平洋溫躍層內(nèi)的一種大尺度海流能量耗散和驅(qū)動(dòng)湍流混合的新路徑。
發(fā)生在厘米到米量級(jí)的小尺度湍流混合控制著海水的溫度、鹽度、溫室氣體吸收等屬性，對(duì)調(diào)控氣候變化具有重要作用。但大部分海洋動(dòng)能都蘊(yùn)含在大、中尺度（水平尺度百公里以上）環(huán)流中，而對(duì)于這些大、中尺度環(huán)流蘊(yùn)含的動(dòng)能如何耗散進(jìn)而驅(qū)動(dòng)湍流混合目前仍不清晰。該問題的解答將有助于我們改進(jìn)海洋模式的混合參數(shù)化方案，從而大大提升模式對(duì)氣候的預(yù)測(cè)精度。
已有研究表明，亞中尺度（水平尺度在百米到10公里范圍）不穩(wěn)定過程可以作為大尺度海流向更小尺度的運(yùn)動(dòng)傳遞能量的重要媒介，其中對(duì)稱不穩(wěn)定(Symmetric Instability)是可有效實(shí)現(xiàn)該能量正向級(jí)串的一個(gè)重要途徑。對(duì)稱不穩(wěn)定過程通常認(rèn)為發(fā)生在海表面或地形邊界附近，因?yàn)樵谶@兩種區(qū)域風(fēng)應(yīng)力和地形摩擦作用可提供對(duì)稱不穩(wěn)定所需的反氣旋式位渦。海洋所的這項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)認(rèn)知的能量耗散新路徑，即存在于赤道海洋溫躍層內(nèi)，遠(yuǎn)離了海面或地形邊界區(qū)域的對(duì)稱不穩(wěn)定過程誘發(fā)的強(qiáng)湍流混合現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)基于2017搭載基金委西太航次在西太平洋130oE斷面北赤道流與北赤道逆流交匯區(qū)獲取的上500m的微尺度湍流觀測(cè)，并利用高分辨率數(shù)值模式成功再現(xiàn)了觀測(cè)到的結(jié)果。
新發(fā)現(xiàn)的這一大尺度能量耗散混合的機(jī)制在于：2017年拉尼娜期間，新幾內(nèi)亞沿岸潛流的增強(qiáng)導(dǎo)致其攜帶更多的次表層南太平洋負(fù)位渦水跨過赤道后，進(jìn)一步被較強(qiáng)的哈目黑拉渦攜帶到達(dá)5oN附近的北赤道逆流區(qū)，在此處較強(qiáng)的垂向地轉(zhuǎn)剪切作用下，產(chǎn)生對(duì)稱不穩(wěn)定誘發(fā)湍流混合。該成果也是大尺度環(huán)流-中尺度渦旋-亞中尺度過程-小尺度湍流之間能量級(jí)串的一個(gè)典型例證，得到海洋混合研究方向國際知名專家美國布朗大學(xué)的Baylor Fox-Kemper教授的高度贊賞。他在其評(píng)審意見中認(rèn)為這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常新穎且有很大的應(yīng)用價(jià)值，特別是對(duì)粗分辨率氣候模式模擬具有重要參考價(jià)值。
赤道海洋溫躍層對(duì)稱不穩(wěn)定誘發(fā)湍流混合機(jī)制示意圖
盡管該發(fā)現(xiàn)是基于在赤道西太平洋區(qū)域的湍流觀測(cè)并利用高分辨數(shù)值模式在該區(qū)域進(jìn)行了成功再現(xiàn)，由于這一湍流混合機(jī)制的兩個(gè)關(guān)鍵條件就是南、北半球正、負(fù)位渦水跨赤道運(yùn)動(dòng)和足夠強(qiáng)的垂向地轉(zhuǎn)剪切。而在赤道區(qū)域，觀測(cè)和模式研究都表明普遍存在著交錯(cuò)的次表層環(huán)流結(jié)構(gòu)和跨赤道水交換，因此有理由推測(cè)新發(fā)現(xiàn)的這一能量耗散路徑普遍存在于地球上其他赤道海洋區(qū)域。鑒于赤道海洋占據(jù)海洋很大面積且在氣候變化中起著舉足輕重的作用，該發(fā)現(xiàn)對(duì)我們理解氣候變化并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有重要參考價(jià)值。同時(shí)，這一過程與海洋在不同厄爾尼諾狀態(tài)有緊密聯(lián)系，將有助于進(jìn)一步理解厄爾尼諾現(xiàn)象。該成果也是觀測(cè)驅(qū)動(dòng)認(rèn)知的典型代表，體現(xiàn)了海洋觀測(cè)對(duì)于拓寬我們對(duì)海洋動(dòng)力過程的認(rèn)知起著非常重要的作用。
中國科學(xué)院海洋研究所周慧博士是該成果的第一兼共同通訊作者，美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)William Dewar教授和美國佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)陳旭博士是該成果的共同通訊作者，另外還包括了青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)、北京應(yīng)用氣象研究所、地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、美國Scripps海洋研究所的合作者。該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
文章信息：Zhou*, H., Dewar*, W., Yang, W., Liu H., Chen* X., Li R., Liu C., G. Gopalakrishnan. Observations and modeling of symmetric instability in the ocean interior in the Northwestern Equatorial Pacific. Commun Earth Environ 3, 28 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00362-4.
