定量评估了海气相互作用对不同极性中尺度涡的影响

物理海洋教育部重点实验室陈朝晖教授领衔的科研团队在物理海洋学领域国际顶尖期刊Journal of Geophysical Research: Oceans发表题为“Role of Air-Sea Interaction in the Energy Balance of Anticyclonic and Cyclonic Eddies in the Kuroshio Extension”(《黑潮延伸体区域海气相互作用对正反气旋涡能量平衡的影响》)的最新研究成果,通过黑潮延伸体区域中尺度涡旋动能、势能的守恒分析，评估了海气动量交换、热量交换分别对延伸体区域正反气旋涡的影响，指出海气热交换在涡旋势能耗散中起到决定作用。该研究由实验室在读博士研究生蔡金卓和副教授李明悝为共同第一作者，杨海源副教授、陈朝晖教授为共同通讯作者。

黑潮延伸体是全球海洋中最强烈的洋流之一，在黑潮离开日本沿岸后形成。研究团队利用1/10°的涡旋解析的地球系统模式(CESM)，研究了黑潮延伸体地区中尺度涡旋能量学，以及海气相互作用对反气旋和气旋涡的作用。基于能量守恒分析和涡旋跟踪算法，发现海气相互作用对反气旋和气旋涡具有相似的影响。对于两种极性的涡旋，其动能均通过正压不稳定性、垂直浮力通量以及从黑潮上游输送而维持。此外，对于两种极性的涡旋，其势能由斜压不稳定性维持。海气热通量和风应力作为涡旋耗散项的重要组成部分，将能量从海洋涡旋中转移出来。图1 显示了合成分析得出的正反气旋涡的动能和势能耗散项的空间分布，研究发现：气旋涡与反气旋涡的总动能耗散项与海气动量交换导致的动能耗散项有极高的空间相似性，空间相关达90%以上；类似的，两种极性的涡旋的势能耗散也与海气热交换存在显著的空间相关关系，说明海气热通量和风应力在涡旋耗散过程中起到显著作用。进一步的定量分析表明：对于反气旋和气旋涡旋，大气和海洋涡旋之间的热交换是势能耗散的主要来源，分别占总耗散的 60% 和 72% 以上。相比之下，风能对涡旋动能的抑制作用相对较小。反气旋涡（气旋涡）中只有 14%（5%）的涡旋动能耗散归因于涡旋风能。

上述研究利用高分辨率海气耦合模式，第一次以拉格朗日观点分析涡旋能量平衡方程，首次定量评估了海气相互作用对不同极性中尺度涡的影响，拓展了传统物理海洋学认为的中尺度海洋强迫大气的观点，强调了海气热交换对海洋中尺度过程的反作用，为指导黑潮区域海洋大气联合数值预报提供了重要的理论支撑。该工作得到国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金面上项目等资助。

图 1. (a) 合成分析得到的气旋涡动能耗散的水平分布； (c) 合成分析得到的气旋涡由海气动量交换引发的动能耗散的水平分布；(e) 合成分析得到的气旋涡势能耗散的水平分布； (g) 合成分析得到的气旋涡由海气热交换引发的势能耗散的水平分布；右列与左列内容相同，只是将气旋涡换成反气旋涡。

2024-JGR-Air‐Sea Interaction of KE Eddies.pdf