近日，我校海洋科学学院物理海洋和数值模拟研究所在海洋亚中尺度领域取得新进展，相关文章《Submesoscales are a significant turbulence source in global ocean surface boundary layer》在Nature Communications期刊在线发表。论文第一作者为学院董济海教授，共同通讯作者为学院董昌明教授，合作作者包括布朗大学Baylor Fox-Kemper教授、马里兰大学Jacob Wenegrat助理教授、麻省理工学院Abigail Bodner助理教授、中山大学于小龙副教授以及英国气象局Stephen Belcher教授。
海洋上边界层是海洋与大气之间动量、能量和热量交换的通道，是气候系统的重要组成部分。海洋上边界层的湍流混合在上述交换过程中扮演着关键角色。深入认识海洋上边界层湍流混合对于提升气候模式的模拟、预测能力具有重要意义。一直以来，大量研究关注了波浪、风和对流等过程对上边界层中湍流混合的贡献。最新研究发现，海洋锋面伴随的空间尺度在0.1至10公里的亚中尺度过程也对湍耗散有着重要贡献。然而，亚中尺度过程引起的湍耗散在全球海洋的定量贡献并不清楚。本工作基于高分辨率全球模式结果，通过拓展无量纲湍流动能收支方程，对比了亚中尺度过程、朗缪尔环流、非地转剪切和垂向对流过程四类湍动能能量源的相对贡献大小。结果表明，亚中尺度过程对远离海面的海洋边界层湍耗散具有着显著贡献，全球平均贡献占比在冬季和夏季分别达到了34%和17%。此外，概率密度分布曲线表明，相较于其它过程，亚中尺度过程在时空分布上具有着最强的间歇性，这也对观测亚中尺度过程引起的湍流混合造成了巨大的挑战。
该研究从湍流混合角度定量揭示了亚中尺度过程在海洋上边界层中的重要意义。鉴于目前气候模式并未考虑亚中尺度过程的贡献，这可能是当前气候模式模拟上边界层存在偏差的重要原因之一。该研究也为未来气候模式参数化方案的发展、提升模式模拟能力提供了改进思路。
亚中尺度过程作为目前物理海洋学的前沿热点，我院始终坚持国际合作的研究理念。近年来与包括布朗大学Baylor Fox-Kemper教授在内的多位国际知名学者开展了深入密切的合作，相关成果皆发表在NC、JPO、GRL等国际顶级期刊。本研究除Baylor Fox-Kemper教授外，还联合了马里兰大学、麻省理工学院和英国气象局等单位，是我院在国际化工作方面的又一标志性成果。
该研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委项目的支持。
图1.决定亚中尺度过程（GSP）、朗缪尔环流（LSP）、非地转剪切（AGSP）和垂向对流（VBP）过程四类湍动能能量源的相对贡献大小的三个无量纲量，湍流朗缪尔数（）、边界层深度与朗缪尔稳定尺度的比值（h/）以及边界层深度与地转剪切稳定尺度的比值（h/）的三维概率密度分布：（a）冬季；（b）夏季
图2.不同季节主导上边界层湍耗散排名第一、第二的能量源及其占比：（a、b、e、f）冬季；（c、d、g、h）夏季
图3.四类湍流能量源主导全球上边界层湍耗散的区域占比及其相对贡献百分比
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53959-y