从现场观测角度揭示了中尺度涡对近惯性内波传播的影响

近日，物理海洋领域顶尖期刊Journal of Physical Oceanography发表了物理海洋教育部重点实验室最新科研成果“Enhanced Near-inertial Waves and Turbulent Diapycnal Mixing Observed in a Cold- and Warm-Core Eddy in the Kuroshio Extension Region”（《黑潮延伸体区冷涡和暖涡内观测到的增强的近惯性内波和湍流跨等密度面混合》）。研究成果以实验室硕士研究生李琦为第一作者，陈朝晖教授为通讯作者，合作者包括实验室管守德、杨海源、荆钊等青年科研骨干。

近惯性内波主要由海面风强迫产生，一开始以近惯性振荡的形式在海表面混合层生成，然后以波动的形式向海洋内区传播，在传播的过程中会逐渐生成更小尺度的内波，最终破碎驱动海洋内区的湍流混合。湍流混合影响海洋中的物质和能量输运，对海洋环流和气候的形成具有至关重要的作用。众所周知，反气旋式暖核中尺度涡能够捕获近惯性内波，通过“惯性烟囱”效应促进近惯性能量的下传，是风生近惯性能量下传到深海驱动湍流混合的重要通道。传统观点认为暖涡促进近惯性能量的下传，冷涡抑制其下传。近年来模式研究表明冷涡也可促进近惯性能量的下传，但始终缺乏现场观测支撑。

黑潮延伸体区是全球海洋动力过程最复杂的海区之一。向东的黑潮延伸体急流甩出大量的中尺度涡，海区上空频发的中纬度风暴激发大量的近惯性内波，使该海区成为研究中尺度涡与近惯性内波相互作用的天然试验场。为澄清上述问题，研究团队首次在深海大洋冷-暖涡内开展了温/盐、流和湍流同步观测，通过对比分析发现暖涡和冷涡均能促进风生近惯性能量下传，进一步驱动海洋内区的湍流跨等密度面混合。

本研究在国际上首次提出了模态回归法（mode regression method; MRM），能够从时空混叠的船载走航ADCP流速中有效分离平衡流和近惯性内波，利用垂向波数旋转谱和相位图证实了近惯性内波可在冷-暖涡的涡核内下传。近惯性内波被暖涡的负涡度捕获，通过“惯性烟囱”效应下传到涡核底部（350-650 m），近惯性动能高达40 J m^-3。冷涡的正涡度涡核内也存在近惯性内波的下传信号，近惯性动能在涡核上层150-350 m之间最强，可达10 J m^-3，比暖涡中近惯性动能的强度弱、深度浅。冷暖涡内下传的近惯性内波进一步通过剪切不稳定破碎，增强涡核内的湍流耗散（ε=10^-7 W kg^-1）和混合（K_ρ=5×10^-4 m² s^-1）。

该研究从观测角度揭示了冷涡和暖涡均能够促进近惯性能量的下传，为海洋内区的湍流跨密度面混合提供能量来源，对海洋和气候模式中风生湍流混合的参数化具有重要启示。研究工作由国家自然科学基金（42076009，41822601，41806008，41776006），青岛海洋科学与技术试点国家实验室（2017ASTCP-ES05），中央高校基本科研基金（201762013 and 202072001）和泰山学者基金（tsqn201812022）等项目资助完成。

图：2018年春季航次在涡旋内船载走航观测的航迹和站位布设。（a）2018年5月18-29日期间科考船航迹（黑色）和布设的站位（红色）。背景为5月18日的海表面高度（SSH）场。（b）暖涡内走航ADCP观测的流速、MSS观测的温盐和湍动能耗散率剖面的位置和100 m层的流速矢量。50个站位编号为1-50。子图中用不同颜色标出了6个跨涡中心的断面及其编号T₁-T₆。（c）冷涡内走航ADCP观测的流速、MSS观测的温盐和湍动能耗散率剖面的位置和100 m层的流速矢量。20个站位编号为1-20。子图中用不同颜色标出了2个“十字”断面及其编号T₁-T₂。

图：暖涡中近惯性动能（NIKE）的三维结构。（a）近惯性动能的径向-垂向分布。虚线为位势密度异常σ_θ等值线。（b）深度平均的近惯性动能的径向分布。（c）σ_θ坐标下涡核内（r<r₀/2）和外（r>r₀）平均的近惯性动能（实线）和相对涡度（虚线）剖面。（d）深度坐标下涡核内外平均的近惯性动能和相对涡度剖面。（e）涡核内外近惯性动能的顺时针（CW）和逆时针（CCW）分量。（b）-（e）中的灰色虚线为3 J m^-3的近惯性动能典型值。r是到涡中心的距离，是涡核半径，为56 km。

图：如同上图，冷涡中近惯性动能（NIKE）的三维结构。冷涡涡核半径r为77 km。

图：（上）冷涡和（下）暖涡中近惯性剪切S²_NIW，中尺度剪切S²_eddy和湍动能耗散率ε的径向分布。

2022-JPO-NIWs in eddies in KE.pdf