我國科學家首次揭示南極繞極流能量串級中的關系

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海洋中的能量串級是非線性相互作用的結果，對其研究仍存在諸多經典難題。近日，中科院海洋所研究員徐永生研究團隊在南極繞極流能量串級研究領域取得重要進展，首次揭示了南極繞極流斜壓、正壓動能逆向串級的異同及其與正壓化的關系。

南極繞極流（ACC）是全球海洋中唯一一支沒有陸地阻擋、連通全球四大洋的流系，全球約80%風輸入大洋環流的能量發生在這里。

南極繞極流是推動全球經向翻轉流循環和深淵海與大氣物質能量交換的引擎，在地球氣候系統中發揮著獨特的作用，其在一定程度可以看作是海盆尺度風能輸入與毫米尺度能量耗散之間平衡的結果，不同尺度之間能量的串級與平衡是理解其動力學現象的關鍵。

能量在不同空間尺度載體之間的轉移稱為能量串級。如果風能輸入一成不變地從海盆尺度正向串級到耗散尺度（類似小尺度三維湍流中的能量串級過程），豐富多彩的海洋現象將不會存在。

據介紹，經典地轉渦流理論認為多尺度間的非線性相互作用能夠使正壓流（不隨深度變化的分量）能量從小尺度向大尺度載體轉移，稱為逆向能量串級，但斜壓分量流（隨深度變化的分量）中只能存在正向串級。雖然人們近期已通過衛星高度計觀測發現了海洋中存在斜壓動能逆向串級，但對它的特性及其與正壓動能逆向串級的關系仍然不清楚。

記者了解到，通過分析同化衛星高度計觀測的ECCO2模式數據，徐永生團隊發現，在南極繞極流區域，海洋中的斜壓動能不僅可以通過正壓化轉化成正壓動能進而發生逆向串級，斜壓動能本身就可以逆向串級；斜壓動能逆向串級的源主要來自斜壓不穩定，而正壓逆向串級源則更多是正壓化的結果；逆向串級和正壓化相伴而生，它們是多尺度非線性相互作用結果的兩個方面。此外，研究團隊還發現和闡釋了正壓化與復雜地形之間的耦合關系。

近日，以上成果由《物理海洋學》發布報道，中科院海洋所培養的博士李宏杰為第一作者，徐永生研究員為通訊作者兼共同第一作者。

專家表示，從能量守恒、量子躍遷到質能轉換，大自然通常把它的秘密書寫于能量之中。能量的視角同樣可以成為理解海洋中神秘現象的一把鑰匙，例如，逆向動能串級之于海洋中渦旋體積的增長，正壓化之于海洋上層斜壓動能的深向傳遞。上述研究成果為闡釋南極繞極流動力學現象之下的能量學原理奠定了基礎。