中尺度涡与其亚中尺度精细结构的实验研究

Global climate change is not only a hot topic of public concern but also one of the key scientific issues in physical oceanography. The climate numerical model nowadays can resolve the mesoscale eddies (~100 km) with increasing computer power. But without suitable parameterization of sub-mesoscale fine structure, the models produce too many eddies in their simulation, which restrict their ability to simulate and predict climate change. At the same time, the new-generation altimeter SWOT is about to operate within 2 to 3 years, its 15 km horizontal resolution will bring the oceanic observation to submesoscale on global scale. A historical opportunity for submesoscale research has emerged. But the small scale (1-10km), fast variation (1 day) and nonlinearity (Ro ~ 1) of the sub-mesoscale structure hinder the corresponding observational and theoretical research. This proposed program is aim to study the submesoscale structure of mesoscale eddies by laboratory experiments, and try to reveal how the quasi-geostrophic motions of mesoscale eddies transfer into submesoscale ageostrophic motions, which is the key to explain the forward energy cascade from mesoscale to submesoscale. At the same time, this program also tries to establish the basic relation between surface elevation and the subsurface flow field of submesoscale processes, preparing for the development of SWOT satellite in the near future.

全球气候变化既是公众关注的热点，也是物理海洋学研究的重点。作为气候预测主要手段的气候数值模型，随着分辨率的提高已经能够分辨百公里尺度的中尺度涡旋。但由于缺乏对中尺度涡上亚中尺度精细结构有效的参数化，导致模式对中尺度涡的模拟失真，限制了其模拟与预测气候变化的能力。新一代高度计卫星SWOT将于2-3年后升空，其15km的空间分辨率将把海洋观测全面带入亚中尺度时代。亚中尺度研究迎来了历史性机遇。但由于亚中尺度过程空间尺度小(1-10km)、时间变化快(1day)、非线性强(Ro~1)，目前观测与理论的研究都存在较大困难。本项目拟利用实验研究中尺度涡的精细结构，试图揭示中尺度准地转运动如何转化为亚中尺度的非地转运动，研究此过程中的能量串级问题，为理论研究与模式参数化方案开发提供坚实基础。尝试揭示亚中尺度结构速度场与海表起伏场的基本特征与匹配关系，为即将升空的SWOT卫星做好先导性研究。

全球气候变化既是公众关注的热点，也是物理海洋学研究的重点。作为气候预测主要手段的气候数值模型，随着分辨率的提高已经能够分辨百公里尺度的中尺度涡旋。但由于缺乏对中尺度涡上亚中尺度精细结构有效的参数化，导致模式对中尺度涡的模拟失真,限制了其模拟与预测气候变化的能力。新一代高度计卫星SWOT即将升空，其15km的空间分辨率将把海洋观测全面带入亚中尺度时代。亚中尺度研究迎来了历史性机遇。但由于亚中尺度过程空间尺度小(1-10 km)、时间变化快(1 day)、非线性强(Ro ~ 1)，是目前物理海洋学研究的一个难点问题。本项目利用动力学理论与观测资料研究中尺度涡的精细结构，揭示了中尺度准地转运动转化为亚中尺度的非地转运动动力学机制，发现地转变形场诱导的锋生过程是能量串级的有效过程之一，且其产生的垂向次级环流能够有效的促进海表叶绿素的增长，产生全球性的地球生物化学效应，这为进一步参数化方案的开发提供坚实基础。同时项目揭示了亚中尺度结构非地转速度场与海表起伏场的基本特征与匹配关系，为即将升空的SWOT卫星做好先导性研究。