西太平洋关键中小尺度过程能量串级与相互作用机理研究

The ocean is a forced-dissipative system being operated at a wide range of spatiotemporal scales. In order to achieve quasi-equilibrium, the kinetic energy in the ocean transfers from scales of forcing at basins scale to viscous dissipation at the molecular scale. This energy transfer process, covering nearly ten orders of magnitude, is called energy cascade. Oceanic energy cascade is a fundamental issue of physical oceanography and also a classic puzzle due to challenges in observations as well as in numerical and theoretical modeling. Processes at all these scales occur in the western Pacific Ocean, for example from the strong western boundary currents, vigorous mesoscale eddies and internal waves down to small-scale overturns. Thus, it is an ideal experimental area for studies of oceanic energy cascade and multi-scale interactions. Based on a combination of in situ measurements, satellite observations, theoretical analyses and numerical modeling, this project aims to explore (i) the dynamics of the fission of internal solitary waves and key factors controlling the generation of high-frequency internal waves; (ii) the important roles played by Parametric Subharmonic Instability on the nonlinear evolution of internal waves and energy cascade; (iii) the submesoscale instabilities induced by flow-topography interactions and their roles on the forward energy cascade of mesoscale balanced motions; (iv) the processes and mechanisms of the interactions between mesoscale balanced motions and near-inertial waves. Better knowledge of the above processes will significantly improve our understandings of the characteristics, non-linear interactions, and fundamental dynamics of the oceanic energy cascade for the key mesoscale and small-scale processes in the western Pacific Ocean.

海洋是一个典型的多尺度强迫-耗散系统，为使不同尺度的运动达到准稳态，能量必须从强迫尺度传递到耗散尺度，这一跨越近十个数量级的能量传递过程称为能量串级。能量串级是物理海洋学研究的一个基本问题，而受观测、数值模拟水平以及理论建模难度等各方面的限制，这也是一个经典难题。西太平洋拥有强劲的西边界流、活跃的中尺度涡与内波等各种尺度的运动，是研究海洋能量串级与多尺度运动相互作用的绝佳实验场。本项目将综合利用现场与卫星遥感观测、理论分析与数值模拟等手段，探明控制内孤立波裂变及其生成高频内波的关键因子与作用机制，揭示参数次谐波不稳定在内波场非线性演化与能量串级中的核心作用，阐释流固相互作用所诱发的亚中尺度不稳定在中尺度平衡运动能量降尺度串级中的重要作用，阐明中尺度平衡运动与近惯性内波相互作用的主要过程与作用机理，从而显著提升对西太平洋关键中小尺度过程能量串级与非线性相互作用主要过程与控制机理的认识。

海洋是一个多尺度强迫-耗散系统，为使不同尺度的运动达到准稳态，能量需从强迫尺度传递到耗散尺度，这一跨越近十个数量级的能量传递过程称为能量串级。能量串级是物理海洋学关注的一个基本问题，而受观测、数值模拟水平以及理论建模难度等各方面的限制，这也是一个经典难题。西太平洋拥有强劲的西边界流、活跃的中尺度涡与内波等各种尺度的运动，是研究海洋能量串级与多尺度运动相互作用的绝佳实验场。.四年来，项目组围绕项目研究目标，综合利用现场与遥感观测、多尺度过程耦合模拟以及动力学理论分析等研究手段，在海洋多尺度过程的动力分解、潮致近惯性内波机制及其与风生近惯性内波的相互作用、内孤立波的浅化裂变机制等方面取得重要突破，深刻揭示了西太平洋多尺度运动相互作用与能量串级机理。主要取得了如下创新性成果：.1)通过拓展海洋平衡模态与非平衡模态的动力理论，构造了分离海洋平衡运动与非平衡运动的动力滤波器，实现了对两类运动物理场及相应控制方程的动力分离，为量化跨尺度相互作用与能量传递提供了新的理论框架； .2)揭示了潮致近惯性内波的新机制，指出单纯潮强迫即可生成满足大洋普适GM谱的内波场，并阐释了潮致近惯性内波与风生近惯性内波相互加强的非线性作用机制；.3)揭示了潮能经由内孤立波浅化裂变为高频内波的串级通道，并阐释了潮流通过改变陆架区等密度面深度而显著调控内孤立波极性转变与浅化裂变的动力机理。