海洋领域国际顶级期刊文！山东大学海洋研究院物理海洋团队揭示真实海洋中近惯性内波超反射现象！

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图1. 研究海域近惯性内波传播路径

近日，山东大学海洋研究院物理海洋团队在海洋领域国际顶级期刊Progress in Oceanography（中科院大类1区Top）在线发表了题为“Observations of near-inertial internal wave amplification and enhanced mixing after surface reflection”的研究文章。该研究基于浮标观测数据，首次详细报道了真实海洋中的近惯性内波超反射现象，揭示了其动力机制并讨论了其对海洋混合的作用。
1 Z4 a, l7 y2 P/ w近惯性内波是海洋混合的重要能量来源之一，在海洋能量串级中起着重要作用。受不断变化的背景环境影响，在近惯性内波自生成至消亡的整个生命过程中，其并非总是呈现单调的衰减趋势。早在半个世纪以前，科学家就提出了一种内波的超反射理论，即在特定条件下内波反射后整体的能量和振幅得到增强，反射系数大于一。但由于缺乏直接的观测证据，目前关于近惯性内波超反射的研究很少。超反射过程的重要性在于通过从背景环境中汲取能量使得长距离传播的近惯性内波重新焕发活力，增强其在海洋中分配动量和能量的能力。此外，近惯性内波超反射还可能是造成海洋上层混合的一个潜在重要因素。
由于近惯性内波的间歇性发生特性以及超反射所需的特定条件，真实海洋中的近惯性内波超反射现象很少被观测到。该项研究利用2019年黄海海域“海洋目标观测航次”的浮标资料，首次详细分析了一次发生在海表的近惯性内波超反射过程。观测发现，经海表反射后纬向近惯性内波流速振幅增强约20%，水体垂向积分的水平动能增强约56%。射线追踪分析表明，该近惯性内波是台风利奇马过境时在山东半岛北部海域生成，生成后向赤道传播，经半岛地形散射后以开尔文波的形式传播到浮标站位。研究还表明，海面风强迫和由不平衡流导致的自发生成均不足以造成反射阶段的近惯性能量增强。反射阶段的纬向近惯性内波增强与经向透镜状背景剪切流在时间上高度相关，这与Stern的超反射理论所描述的场景十分相似，即与波向垂直的背景剪切流可以向入射的近惯性内波提供能量。此外，研究还发现在反射后海表与跃层上界之间的区域海洋不稳定性有所增强。
) C1 x3 U3 R5 ?9 B8 k7 U# I上述发现为近惯性内波的超反射理论提供了直接观测证据，表明海洋背景场可以通过超反射过程向近惯性波段注入能量，并可能加深我们对由近惯性波反射导致的上层海洋混合的理解。
该成果由山东大学海洋研究院物理海洋团队联合青岛海洋科技中心、中国海洋大学、南方科技大学、南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)、国家海洋预报中心、中科院海洋研究所和中国石油大学等单位共同完成。本文第一作者为山东大学海洋研究院副研究员刘昆，通讯作者为海军潜艇学院笪良龙院士，中国海洋大学陈旭教授和山东大学海洋研究院王辉教授。上述研究得到了国家自然科学基金、国家JCJQ计划重点基础研究项目、CXTQ项目和青岛海洋科学与技术试点国家实验室的资助。
1 n$ ?4 n" L! c4 c8 K( x文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.pocean.2023.103177

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图2. 近惯性内波海表超反射现象
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信息来源：山东大学海洋研究院。