天津大学海洋学院海洋科学系研究团队在内潮能量串级的机制研究方面取得进展

内潮是海洋内波的重要组成部分，是海洋将在大尺度获得的能量传递到小尺度湍流混合的重要一环。如今全球海洋范围内的内潮主要生成海域已经明确，但内潮所携带的能量是如何、在哪里提供给小尺度湍流混合，却一直没有得到系统解答。近日，天津大学海洋学院研究团队在内潮能量串级研究中取得新进展，研究成果以学术论文形式发表在地学领域国际权威期刊Geophysical Research Letters。题目为：Energy transfer from PSI-generatedM₁subharmonic waves to high-frequency internal waves。论文第一作者为海洋学院杨伟博士，通讯作者为杨伟博士与天津科技大学赵亮教授，海洋学院魏皓教授为论文合作者。

作为一种波波相互作用机制，参数次谐波不稳定作用（Parametric Subharmonic Instability，PSI）可以将能量从大尺度“母波”（M₂内潮）传向一对小尺度“子波”（M₁次谐波），从而将大尺度内潮能量有效地传输到小尺度，是一种重要的内潮降尺度能量串级方式。由于M₁次谐波垂向尺度小，频率为近惯性，以往研究多认为PSI所生成的次谐波无法进行远距离传输，能量直接提供给局地湍流混合，而对该部分能量的实际耗散机制缺乏系统研究。该研究创新性地讨论了PSI传递的内潮能量是如何耗散的问题，基于东海现场观测数据，研究发现PSI机制生成的M₁次谐波并非全部局地耗散，而是可以进一步通过与水体中的高频内波发生非线性相互作用，将能量传递到高频内波（图1），这解释了水体中高频内波与M₁次谐波的相似时间变化趋势的原因。由于高频内波与M₁次谐波的特性迥异，这一能量再分配过程的发现有望为解释海洋内潮能量耗散的分布特征提供新的理论支持。

研究团队前期已基于数值模拟与东海现场观测，量化了PSI机制对东海M₂内潮降尺度能量输运的作用，并发现了黑潮等背景流可以通过改变背景涡度场的方式改变有效科氏频率，从而影响PSI发生效率的调制机制（图2）。最近的研究是该前期工作的延伸，相关工作共同揭示了一个更完整的内潮能量传输通道，对认识海洋内部混合机制、解释海洋混合分布特征等有积极意义。研究团队下一步将继续围绕海洋能量串级与多尺度相互作用等方面开展深入研究。

图1双相干谱证实M₁次谐波与高频内波之间的能量传递与相位耦合

图2 PSI机制示意图（左）与背景涡度场对PSI临界纬度的影响（右）

相关论文：

Yang, W.*, H. Wei, and L. Zhao*, 2022: Energy transfer from PSI-generated M1 subharmonic wave to high-frequency internal waves.Geophysical Research Letters, 49, e2021GL095618.论文链接：https://doi.org/10.1029/2021GL095618

Yang, W., H. Wei, and L. Zhao*, 2020: Parametric Subharmonic Instability of the Semidiurnal Internal Tides at the East China Sea Shelf Slope.Journal of Physical Oceanography, 50, 907-920.论文链接：https://doi.org/10.1175/JPO-D-19-0163.1

Yang, W.*, T. Hibiya, Y. Tanaka, L. Zhao, and H. Wei, 2018: Modification of parametric subharmonic instability in the presence of background geostrophic currents.Geophysical Research Letters, 45.论文链接：https://doi.org/10.1029/2018GL080183