海洋所发现维系海洋涡旋长期存在的能量串级循环结构

　　海洋中为什么存在如此缤纷多彩的物理现象，又是什么维系了它们在海洋中驻足的“寿命”？这是物理海洋学有待回答一个基本问题。海洋是一个输入-耗散能量级联系统: 风在海盆尺度上驱动大洋环流，输入的能量经历多尺度串级，最终在毫米尺度上由摩擦耗散。从海洋能量学的角度看，‘海洋现象’只是能量载体的一种存在形式，是一个能量串级与平衡过程中驻足时间相对较长的节点。然而，人们对影响‘海洋现象’中能量驻足时长的过程和机理仍然知之甚少。近日，中科院海洋所徐永生团队在该领域研究中取得进展，首次发现维系海洋涡旋长期存在的能量串级循环结构。

　　海洋中尺度涡旋承载了海洋中大约百分之九十的动能，寿命可达3年，对物质能量输运和气候变化有重大影响。海洋涡旋的能量会因内部不稳定过程而不断地耗散，为什么还能够存在如此长的时间呢？徐永生团队通过分析横穿气旋涡和反气旋涡的ADCP速度观测剖面发现: 不稳定过程使中尺度涡旋的动能发生正向串级并转化成为波动运动，而波动运动会通过对涡流的挤压诱导逆向动能串级，阻止了动能向耗散尺度的进一步演化，并且使部分动能重新回到涡旋尺度，这个动能的正、逆向串级循环结构大大降低了中尺度涡的能量耗散。

左：（a）和（c）分别是横贯气旋涡和反气旋涡ADCP剖面的动能通量谱，正值表示正向动能串级，负值代表逆向动能串级; 右：（b）和（d）是左边对应能量通量谱的典型深度截面，表明涡旋内部正向串级的动能与逆向串级的动能大部分可以抵消

　　涡旋的活力依赖于其所携带的能量，徐永生团队通过对动能、拟能通量和波、涡动能波数谱的综合研究，发现涡旋内部存在着有效维系涡旋能量的动能和拟能的正、逆串级循环结构: 波动运动对涡流的拉伸和挤压作用不仅导致拟能正向和逆向串级，而且造成动能在不同深度上存在相反方向串级的内部循环结构。以上成果近日在国际学术期刊Physics of Fluids在线发表，文章第一作者是徐永生团队在读博士生刘英和，徐永生研究员为通讯作者。

左图：气旋涡中的能量串级和拟能串级；右图：反气旋涡中的能量串级和拟能串级。实线蓝色箭头表示正向能量串级，点线蓝色箭头表示逆向能量串级，实线黑色箭头表示能量转移，实线红色箭头表示正向拟能串级，点线红色箭头表示逆向拟能串级　　

　　涡旋何以生长出如此精妙的能量循环结构？这应该是自然选择的结果，涡旋的能量循环结构只是大自然中大量存在的能量循环结构中的一部分。海洋是一个输入-耗散多尺度能量级联系统，海洋中的能量串级是普遍存在的，物理海洋的研究目标不应该仅是证明它的存在，更重要的是探究它在“现象”之所以能够存在中所起到的作用，成为理解和预测海洋中缤纷现象的一把钥匙。　　

　　论文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0062814