首次發現|一種大尺度海流混合新路徑

 2017基金委西太開放航次湍流剖面儀觀測現場圖    周慧供圖

 赤道海洋溫躍層對稱不穩定誘發湍流混合機制示意圖    海洋所供圖

近日，中科院海洋環流與波動重點實驗室領銜的最新研究成果刊發于自然科研旗下期刊《通訊-地球與環境》。該研究基于觀測和數模實驗，在國際上首次揭示了存在于赤道太平洋溫躍層內的一種大尺度海流能量耗散和驅動湍流混合的新路徑，對目前在氣候變化認知和預測方面將產生顯著影響。

發生在厘米到米量級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，對調控氣候變化具有重要作用。但大部分海洋動能都蘊含在大、中尺度（水平尺度百公里以上）環流中，而對于這些大、中尺度環流蘊含的動能如何耗散進而驅動湍流混合目前仍不清晰。該問題的解答將有助于我們改進海洋模式的混合參數化方案，從而大大提升模式對氣候的預測精度。

記者了解到，已有研究表明，水平尺度在百米到10公里范圍是亞中尺度，亞中尺度不穩定過程可以作為大尺度海流向更小尺度的運動傳遞能量的重要媒介，其中對稱不穩定是可有效實現該能量正向級串的一個重要途徑。對稱不穩定過程通常認為發生在海表面或地形邊界附近，因為在這兩種區域風應力和地形摩擦作用可提供對稱不穩定所需的反氣旋式位渦。

該成果第一兼共同通訊作者周慧告訴《中國科學報》，這項最新研究發現了一種不同于傳統認知的能量耗散新路徑，即存在于赤道海洋溫躍層內，遠離了海面或地形邊界區域的對稱不穩定過程誘發的強湍流混合現象。該發現基于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獲取的上500m的微尺度湍流觀測，并利用高分辨率數值模式成功再現了觀測到的結果。

周慧表示，新發現的這一大尺度能量耗散混合的機制在于，2017年拉尼娜期間，新幾內亞沿岸潛流的增強導致其攜帶更多的次表層南太平洋負位渦水跨過赤道后，進一步被較強的哈目黑拉渦攜帶到達5oN附近的北赤道逆流區，在此處較強的垂向地轉剪切作用下，產生對稱不穩定誘發湍流混合。該成果也是大尺度環流-中尺度渦旋-亞中尺度過程-小尺度湍流之間能量級串的一個典型例證，得到海洋混合研究方向美國布朗大學教授Baylor Fox-Kemper的高度贊賞。他在其評審意見中認為這個發現非常新穎且有很大的應用價值，特別是對粗分辨率氣候模式模擬具有重要參考價值。

盡管該發現是基于在赤道西太平洋區域的湍流觀測并利用高分辨數值模式在該區域進行了成功再現，由于這一湍流混合機制的兩個關鍵條件就是南、北半球正、負位渦水跨赤道運動和足夠強的垂向地轉剪切。而在赤道區域，觀測和模式研究都表明普遍存在著交錯的次表層環流結構和跨赤道水交換。因此，周慧等認為，有理由推測新發現的這一能量耗散路徑普遍存在于地球上其他赤道海洋區域。

鑒于赤道海洋占據海洋很大面積且在氣候變化中起著舉足輕重的作用，該發現對我們理解氣候變化并對其進行準確預測具有重要參考價值。同時，這一過程與海洋在不同厄爾尼諾狀態有緊密聯系，將有助于進一步理解厄爾尼諾現象。該成果也是觀測驅動認知的典型代表，體現了海洋觀測對于拓寬我們對海洋動力過程的認知起著非常重要的作用。

中國科學院海洋研究所博士周慧是該成果的第一兼共同通訊作者，美國佛羅里達州立大學教授William Dewar和美國佛羅里達農工大學博士陳旭是該成果的共同通訊作者，另外還包括了青島海洋科學與技術試點國家實驗、北京應用氣象研究所、地理信息工程國家重點實驗室、美國Scripps海洋研究所的合作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金等項目的聯合資助。

相關論文信息： https://doi.org/10.1038/s43247-022-00362-4.