中尺度涡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 many key scientific issues in physical oceanography. As the most important tool to study climate change, the numerical models increase their resolution using growing computer power. Nowadays, the mesoscale eddies (10^1 -10^2 km) can be resolved in climate models. But without suitable parameterization of sub-mesoscale fine structure of mesoscale eddies, the numerical models produce too many eddies in their simulation, which restrict their ability to simulate and predict climate change. Because of the small scale (1-10km), fast variation (1 day) and nonlinearity (Ro ~ 1) of the sub-mesoscale fine structure of mesoscale eddies, its spatial structure and temporal variation are still poorly understood. This program is aim to study the fine structure of mesoscale eddies by laboratory experiments, and the layered fluid and continuously stratified fluid under rotation will be involved. By investigate the most important characters of its spatial structure and temporal variation, the dynamical essence and concept definition of the fine structure of mesoscale eddies will be revealed, which will lay a solid foundation for further theoretical studies and parameterization development.

全球气候变化不仅是公众关注的热点，也是物理海洋学研究的重点问题之一。气候数值模式作为研究气候变化最主要的手段，其网格分辨率随着计算能力的加强而不断提高，目前已经能够分辨中尺度涡所在的尺度（几十公里到百公里）。但是由于缺乏对中尺度涡上亚中尺度精细结构有效的参数化，导致高分辨率气候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。于此同时，中尺度涡精细结构由于空间尺度小（公里到十公里量级）、时间变化快（天量级）、动力学非线性强（Rossby数1的量级），无论是观测研究和理论研究都存在非常大的困难，至今其空间结构与时间变异特征仍然不清楚。本项目拟在实验室中研究中尺度涡的精细结构，研究内容涵盖旋转条件下分层流体到任意连续层结流体，将对其最重要时空结构变异特征进行观察，实验结果将揭示其动力学上最本质的属性与相应概念上的归类，为进一步的理论工作与数值模式的参数化方案开发提供坚实的基础。

本项目围绕着“中尺度涡精细结构在动力学上最本质的属性与概念上相应的归类是什么？”这一立项时所确定的关键科学问题，利用实验室实验研究与多种观测资料相结合的综合研究手段，基本确定了中尺度涡旋精细结构动力学上的基本归属与构型为亚中尺度锋面与亚中尺度涡旋，以及在调整过程中发射的重力惯性波动，回答了拟解决的关键科学问题。在实验室实验方面，搭建了旋转平台上的中尺度涡旋产生、维持与观测系统，实现了在旋转层结流体中产生、维持并观测中尺度涡以及其精细结构的预定目标，观测到了中尺度涡旋上的亚中尺度锋面与涡旋，以及由中尺度涡旋发射的惯性重力波。同时基于多种观测资料（卫星高度计，Argo浮标与表面漂流浮标），不仅确定了中尺度涡旋本身空间结构上的统一性，同时揭示出了在中尺度涡旋整个生命周期中，其上的精细结构时间演化的统一变化规律：亚中尺度的非地转运动能量在涡旋产生和消亡阶段较强，而在涡旋成熟阶段较弱。并且进一步指出亚中尺度的非地转运动能量由中尺度的地转变形场控制，并定量给出了两者的关系。本项目的研究结果不仅为进一步开展研究奠定了实验技术平台与动力学概念上的基础，为理解海洋中能量从中尺度向亚中尺度串级提供了可靠的观测支撑，另一方面，由于观测和实验室实验具有天然的可靠性，本项目所得的结果可以作为未来数值模拟亚中尺度过程时的参考基线，用以校验高分辨率数值模式的模拟结果，也可以为在气候模式中参数化亚中尺度过程提供依据。在本项目支持下共发表SCI学术论文4篇。其中项目负责人为第一作者的文章2篇，分别发表在Journal of Geophysical Research Oceans和Geophysical Research Letters杂志上。