海洋中尺度涡合并模式及能量变化

Merging process of the mesoscale eddies, where the smaller eddies are merged into larger eddies, has the inverse energy cascade from smaller scale to larger one. The merging types of mesoscale eddies is very complex, and the related theoretical models are full of controversy. However, no matter the simplified model, rotating dishpan experiment, and numerical simulation can tell us which type is prefer in the real ocean. This project has two major objectives: 1) to verify the theoretical hypothesis of theoretical models with various mesoscale eddies by satellite observations, and to classify the observed merging process with such models; 2) to calculate the eddy kinetic energy change of ocean mesoscale eddies by the inverse energy cascade between pre-and-post the merging process. This will lay a foundation for future research on the mechanism and influencing factors of mesoscale eddy merging in the future, and provide a useful reference for studying the influence of energy cascade on multi-scale circulation changes by merging process in smaller scale eddies.

海洋中尺度涡合并过程是通过将尺度较小的涡合并成为尺度更大的涡，实现能量从较小尺度到更大尺度转化的逆级串过程。海洋中尺度涡的合并现象异常复杂，相关理论模式研究充满了争论。无论简化模型、转盘实验和数值模拟都不能告诉我们，真实的大洋中尺度涡究竟会更偏向选择哪种方式合并。本项目有两个主要目标：1）用卫星观测资料对全球海洋中尺度涡合并的各种理论假说进行验证，并对观测到的涡旋合并过程进行模式分类；2）定量计算海洋中尺度涡合并前后的能量变化，给出合并过程中的能量逆级串对海洋中尺度涡总动能变化的影响。这将为未来系统地研究海洋中尺度涡合并现象的机制和影响因素奠定基础，并对研究更小尺度涡旋合并现象中能量逆级串对多尺度环流变化影响提供有益参考。

海洋中尺度涡合并过程是通过将尺度较小的涡合并成为尺度更大的涡，实现能量从较小尺度到更大尺度转化的逆级串过程。海洋中尺度涡的合并现象异常复杂，相关理论模式研究充满了争论。无论简化模型、转盘实验和数值模拟都不能告诉我们，真实的大洋中尺度涡究竟会更偏向选择哪种方式合并。本项目有两个主要目标：1）用卫星观测资料对全球海洋中尺度涡合并的各种理论假说进行验证，并对观测到的涡旋合并过程进行模式分类；2）定量计算海洋中尺度涡合并前后的能量变化，给出合并过程中的能量逆级串对海洋中尺度涡总动能变化的影响。.项目通过对海洋观测数据研究确认，发现海洋中尺度涡合并存在两类不同的模式：表层增强涡合并模式和次表层涡合并模式。虽然两类涡合并模式在细节上有所不同，但是中尺度涡合并前后物理上都遵循三个守恒定律：质量守恒定律、总环量守恒定律和角动量守恒定律。当中尺度涡参数满足质量守恒定律和总环量守恒定律时，包含行星角动量的总角动量也守恒。以往的理论研究都忽略了环量守恒和行星角动量。此外，研究也确认，中尺度涡合并过程中，能量并不守恒。最终合并的涡旋比初始状态的涡旋具有更多的能量，能量主要来自涡旋下方的背景重力势能转化为中尺度涡势能。所以，中尺度涡的合并和分裂并没有改变流场系统的总质量、环量和角动量，但却改变了不同尺度下的能量部分和分布，这对于多尺度流体动力学中的能量级串是极其重要的。由于涡旋合并在能量逆级串中表现为一个“大型能量泵”，因此它在海洋动力学中起着重要作用。当前的研究结果完整地回答了困扰海洋界四十年的“能量悖论”问题。