南方实验室（广州）在海洋扩散理论上取得新成果

近日，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）（简称广州海洋实验室）南海生态环境权益综合研究U团队核心成员、中科院南海所彭世球研究团队在有关海洋扩散理论上取得新成果。该成果以钱钰坤副研究员为第一作者，彭世球研究员为通讯作者，以系列文章形式发表于物理海洋领域专业期刊Journal of Physical Oceanography上。

不可逆混合扩散是引起海洋水团变性、维持大洋经向翻转流的关键物理过程，对海洋环流模拟和海洋气候变化预测有重要影响。当前研究中采用的混合扩散诊断量通常包含了绝热搅拌的贡献，常常导致“逆梯度输运”、“负扩散系数”等反物理现象的问题。为了克服这些问题，需要进行欧拉时间或空间的平均，但这也会使得传统的诊断量无法有效地揭示扩散的时空变化特征。

针对这一难题，研究团队基于新的“等值线”坐标空间框架，提出了新的局地、瞬时、表征不可逆混合的拉格朗日扩散定义。在新定义下，拉格朗日扩散反映的全部是不可逆的混合过程，因此永远是正值，克服了“逆梯度输运”和“负扩散系数”的问题，并且无需做时空平均即可揭示不可逆混合随动力场的四维时空演化特征。新的“等值线”框架不仅从理论上统一了传统拉格朗日扩散和跨等密度面扩散这两种定义，而且进一步将经典的Munk（1966）一维平流-扩散平衡理论推广得到广义的Munk平衡，新的平衡无需假定海洋处在定常平衡态和扩散系数为常数，且每个时刻都严格成立。因此，新的理论框架为我们理解物理海洋经典理论提供了新的视角。

团队进一步将新构建的局地诊断量应用于内波破碎及其导致的不可逆混合特征分析中。由于内波破碎及其湍流过程具有显著的时空瞬变性和不均匀性，传统诊断量无法同时刻画混合的时-空变化特征，而新的诊断量则可以清晰地展示内波破碎对混合的增强及其时-空演变特征（图1），这对地形附近内潮波破碎的混合参数化有很好的诊断作用。因此，该研究成果为地形附近内潮波破碎等不可逆混合过程参数化提供了基础理论依据和诊断方法，对提高当前海洋环流模式的模拟和预报水平具有重要科学意义和应用价值。

该研究由广东省特支计划U团队项目（2019BT02H594）、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和南方海洋实验室（广州）项目和广东省自然科学基金等共同资助完成。

彭世球研究员为依托广州海洋实验室组建的广东省创新团队“南海生态环境权益综合研究U团队”的核心成员（双聘），主要参与负责项目第一方向“南海多尺度海洋动力过程、海气相互作用与预报技术”工作。

论文信息：Qian, Y.-K., S. Peng, X. Wen, and T. Liu, 2022: Quantifying local, instantaneous, irreversible mixing using Lagrangian particles and tracer contours. J. Phys. Oceanogr., 52, 741-757.
3 b8 D. ^5 h( g5 }1 Z* u1 pQian, Y.-K., S. Peng, X. Wen, and H. Zhang, 2022: Lagrangian vertical spreading and its relation to diapycnal diffusivity. J. Phys. Oceanogr., 52 , 857-871.
文章链接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/52/4/JPO-D-21-0260.1.xml?rskey=c4iamp&result=1
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图1 基于MITgcm模式模拟得到的不同时刻的（左）位温（摄氏度，或等密度面）和（右）新拉格朗日扩散（对数）的空间分布图。新扩散表征了内波破碎导致的跨等密度面混合的时空变化特征