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热带海洋环境国家重点实验室(LTO)在海洋扩散理论上取得重要突破

浏览数:957   日期:2019年04月14日

近日,中科院南海所热带海洋环境国家重点实验室(LTO)彭世球研究员团队的钱钰坤博士在有关海洋扩散理论上取得重要突破, 即首次将拉格朗日扩散和有效扩散在理论上完美地统一起来。相关成果已在线发表于物理海洋领域顶级专业期刊Journalof Physical Oceanography上(https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/ JPO-D-18-0251.1)。

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,对海洋环流模式的模拟和预测水平有重要影响。尽管当前有许多不同的涡扩散定义和诊断方法,但不同方法所得结果不仅在大小和空间分布上有较大差异,也无法反映局地的、瞬时的、不可逆混合过程,导致基于这些定义的混合参数化方案给海洋环流模式带来很大的不确定性(误差)。尤其是,对拉格朗日扩散和有效扩散这两种基本定义的本质区别与内在关联性一直以来模糊不清;尽管有学者作了很多尝试,仍然没有将这两者的关系从理论上阐明清楚。

针对这一长期困扰物理海洋学界的国际难题,彭世球研究员团队创造性地在“等值线”坐标空间框架下提出一种新的拉格朗日扩散系数定义,即用“等值线”距离代替传统的空间距离衡量粒子的频散程度;在新的定义下,拉格朗日扩散和有效扩散一样,反映的是不可逆的混合过程,并且在没有分子扩散的理想情况下,两者都严格等于零。该研究成果首次将拉格朗日扩散和有效扩散两种定义在理论上严格而巧妙的统一起来,并澄清目前物理海洋界在对这两种定义理解和认识上的误区。另外,由于新定义可以将拉格朗日扩散与分子扩散联系起来,能清楚地反映涡旋引起的不可逆混合过程以及给出局地、瞬时、不可逆的扩散分布,克服了其他混合诊断量的不足,因此为不可逆混合的参数化提供了基础理论依据,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。该研究成果因此受到两位匿名审稿专家的高度评价和肯定,一致认为是对该领域的一个新突破和重要贡献。

该研究由国家自然科学基金(包括创新群体、青年和面上项目)、广东省科技项目、广州市科技项目等共同资助完成。


1.利用MITgcm模拟的(a)1(初始态)(c)350天和(d)700天在x-y坐标空间下的示踪物分布,以及(b)对应于第1天在变换后的X-Y坐标(即“等值线”坐标)空间下的示踪物分布。图中黑色实线表示值为2.6的示踪物等值线,黑色圆点表示某一拉格朗日粒子的瞬时位置。

2.(上)有效扩散和(下)拉格朗日扩散在基于等值线的坐标空间中的演变情况,可以看到两者在形态和量值上都非常相似。