天津大学海洋学院师生在特定尺度涡混合研究方面取得重要进展

近日，天津大学海洋科学与技术学院陈儒教授团队在黑潮延伸体区域特定尺度涡旋混合研究方面取得研究进展。该研究成果目前已经以学术论文形式在线发表于美国气象学会（AMS）的物理海洋学领域权威期刊《Journal of Physical Oceanography》，题目为“Scale-dependent eddy diffusivities at the Kuroshio Extension: A particle-based estimate and comparison to theory”（https://doi.org/10.1175/JPO-D-22-0223.1）。论文第一作者为天津大学海洋学院硕士研究生刘明月，其导师陈儒教授为通讯作者。本论文由天津大学与美国麻省理工学院、加州大学洛杉矶分校合作完成，天津大学为该项成果的第一和通讯单位。

海洋中小尺度涡通过输运混合过程影响温度、盐度等重要示踪物的分布，进而调制大洋环流和气候系统的变化。现有的涡旋混合研究大部分集中于“总涡扩散系数”，即由所有涡旋引起的混合过程。然而，随着计算机条件飞速进展，气候模式分辨率日益提高，总涡扩散系数已经无法满足高分辨率气候模式对于准确参数化由更小尺度的涡旋引起的混合过程的新需求。如何准确地参数化由小于某一特定的模式分辨率（L *）的涡旋引起的涡旋扩散系数，即特定尺度涡旋扩散系数，是当前涡旋研究中亟待解决的重要科学问题。

本研究创新性地将针对总涡混合的拉格朗日粒子诊断框架及混合理论扩展推导至特定尺度情形。基于超高分辨率模式MITgcm llc4320，估计、刻画并分析了黑潮延伸体区域的特定尺度涡旋扩散系数随空间和尺度选取的变化特征，捕捉到了特定尺度涡旋混合效应的尺度相关性。同时评估了扩展后的特定尺度混合理论对于特定尺度涡旋扩散系数的表征能力，进一步基于评估结果，设计了可以更加准确表征特定尺度涡混合的经验公式。此项研究结果有助于加深对海洋涡旋多尺度过程的理解，为开发涡旋尺度自适应参数化方案提供了创新思路和理论基础，进而助力改进气候和地球系统模拟预测。此项研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

图1（a）黑潮延伸体区域总涡相对涡度（10^-5s^-1），以2011年9月13日为例。（b）是来自于（a）黑框中的特定尺度相对涡度，滤波分离尺度L*=0.2°。（c）与（b）相同，但是L*=1°。特定尺度涡度定义为空间尺度小于L*的涡旋引起的涡度，总涡度定义为所有涡旋引起的涡度。

图2特定尺度年平均跨流涡旋扩散系数在黑潮延伸体区域的空间分布（10³m²s^-1）。（a）滤波分离尺度L*=0.2°，（b）L*=1°，（c）L*=2.5°以及（d）总涡旋扩散系数。（c）中三个黑框分别代表急流上游（区域1）、下游（区域2）以及南侧（区域3）区域。三角符号代表负值。