物理海洋实验室在海洋中小尺度动力过程研究领域取得重要进展

2020-08-0126


  2020年7月31日,国际学术期刊Science杂志子刊Science Advances在线发表了题为“Maintenance of Mid-latitude Oceanic Fronts by Mesoscale Eddies”(《中尺度涡旋对中纬度海洋锋面的维持作用》)的最新研究成果。该成果由深海圈层与地球系统前沿科学中心(简称深海前沿中心)荆钊教授和王胜鹏博士为共同第一作者,吴立新院士为通讯作者的科研团队共同完成。研究成果在国际上首次提出了中尺度涡旋垂向热输送与海气热交换间的耦合动力机制,是对中尺度涡旋垂向热输送理论的重要发展;此外,也揭示了中尺度涡旋垂向热输送对海洋锋面的重要维持作用,改变了“中尺度涡旋通过水平热输送过程破坏海洋锋面”这一传统观点,为海洋环流理论提供了新的认识。

  旋转和层结效应作为地球流体的两大动力特征,对海水垂向运动造成了显著的约束。海水垂向运动引发的热量输送及其动力机制一直是物理海洋学研究的经典难题。与此同时,海洋中的垂向热输送决定着深层与表层海洋、表层海洋与大气之间的热交换,对全球天气和气候系统变率起着重要的调控作用,并深刻影响着全球变暖背景下海洋对大气中的热量和二氧化碳盈余的吸收能力。

  中尺度涡旋是海洋中最为显著的运动形式。传统的观点认为中尺度涡旋引起的垂向热输送由斜压不稳定过程产生,主要集中在主温跃层区域,对海洋上混合层中的垂向热输送的贡献可以忽略。该项研究通过分析全球高分辨率海气耦合模式模拟数据发现:冬季海洋表面强烈的失热和风搅拌作用通过激发湍流混合打破了中尺度涡旋原有的地转平衡状态,诱导出显著的次级环流进而引起向上的热输送。进一步研究表明:在西边界流延伸体区域,该垂向热输送可以迅速的将西边界流在次表层汇聚的热量传递到表层,对于维持海洋锋面以及海洋向大气的热量释放具有至关重要的作用。

  由吴立新院士领衔的科研团队,长期致力于西边界流区海洋多尺度动力过程及其气候效应研究。自2012年该团队发现全球变暖导致全球西边界流热斑现象以来,在大洋西边界流多尺度海洋动力过程与海气相互作用研究领域取得了一系列重要进展,推动了国际西边界流观测、理论与预测研究。该成果是团队在这一领域取得的又一重要进展,对于深入认识海洋涡旋在全球气候系统中的作用、指导气候模式的发展具有重要意义。


图1:高分辨率气候模式模拟的海气界面热通量与50m水深处的涡旋垂向热输送的全球分布特征


2: 西边界流延伸体区中尺度涡旋垂向热输送与大气过程的耦合动力机制。在西边界流延伸体区域,冬季风暴过境时激发的海洋湍流混合过程打破了中尺度涡旋原有的地转平衡状态,诱导出显著的次级环流进而引起向上的热输送;向上的热输送加热海洋表面,维持海洋锋面以及海洋向大气的热量释放,促进风暴的生成


全文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba7880

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