近日，物理海洋教育部重点实验室在 Journal of Geophysical Research: Oceans期刊发表题为 “Influence of lee wave breaking on far-field mixing in the deep ocean” (《深海内背风波破碎对远场混合影响》)的最新研究成果，指出非线性内背风波破碎可以激发近惯性内波，且近惯性内波向远场传播可以有效改变远场混合分布。成果由实验室科研博士后郑凯文为第一作者，张志伟教授为通讯作者等共同合作完成。

　　深海混合是维系全球大洋物质输运与能量平衡，调控全球洋流循环的关键因子。大洋环流理论提出，支撑深海混合所需能量大约为2 TW，其主要能量来源于风生近惯性内波和正压潮生成的内潮波。近年来随着深海混合观测实验的实施，研究发现海洋内背风波（internal lee waves）的破碎对深海混合同样具有不可忽略的贡献，基于线性理论估算其所蕴含能量可占全球混合总能量的10%-20%。

　　虽然线性内背风波理论在研究海洋内背风波问题中取得了一定进展，在其指导下，海洋学者发现了一系列大洋内背风波生成热点海区。但在例如南极绕极流流域等内背风波生成极为活跃的海区，观测发现内背风波线性理论与观测结果存在很大的差异。线性内背风波理论基于小扰动和弱地形假设，给出了满足垂直方向均匀的水平地转流与缓变地形条件相互作用下的线性解析模型。事实上，海洋地转流存在强烈垂向剪切且地形复杂突变，它们的联合效应对内背风波生成与耗散具有显著的影响。而线性内背风波理论无法客观准确地刻画上述过程，这严重了制约了人们对内背风波破碎引起混合的定量认知。围绕这一问题，由实验室田纪伟教授、赵玮教授领衔的研究团队结合理论、现场观测资料以及高分辨率数值模拟系统，深入探究了线性/非线性内背风波生成、破碎及其触发混合机理，先后取得以下系列学术成果:

　　1. 对德雷克海峡典型特征背景流与真实地形相互作用数值模拟的研究发现：与线性理论预测局地耗散不同，内背风波生成与破碎所产生的湍流能量仅有少部分在生成源地附近耗散，超过60%的能量会在背景流平流输运作用下向流动下游行进，其e指数衰减尺度为20 ~ 30 公里。

图1 左图: 德雷克海峡深海观测点分布（Nikurashin et al., 2014）; 右图：高分辨率MITgcm模拟德雷克海峡地转流与地形相互作用生成内背风波过程（Zheng and Nikurashin, 2019）

　　2. 南海深海潜标观测与区域高分辨率数值模拟结合研究发现：地转流与复杂海山相互作用所生成的非线性内背风波的破碎可以显著提升周围高频内波与湍流能量，且该能量大约有60% ~ 70%会被背景流平流输运（约70%）或以波动形式（约30%）辐射进入下游。

图2　左图：南海深海潜标位置与潜标周围南北向地形坡面; 

右图：MITgcm模拟观测海域附近地转流与海山相互作用生成内背风波过程（Zheng et al., 2022）

　　3. 剪切背景流理论模型与高分辨数值实验显示：不同于线性理论，当背景流存在垂向剪切，其所生成内背风波的固有频率、垂向波数、群速度、垂向能通量、能量密度、能量耗散和不可逆混合等性质均发生改变，特别地，当流速随地形向上减弱时，内背风波水平速度变大、垂直尺度变小，波动垂向剪切加剧使得内背风波更易破碎。

图3　左图：基于MITgcm模型的剪切背景流生成内背风波实验设计方案; 

右图：不同类型剪切背景流生成内背风波过程（Sun et al., 2022）

　　以上工作主要从内背风波生成条件出发，探讨了内背风波自身对深海混合的直接贡献。在本次发表的成果中，科研团队进一步发现内背风波破碎除了直接生成湍流，还会激发近惯性内波。近惯性内波具有强垂向剪切，与背景高模态内波的相互作用可以进一步提升海底混合水平。相比于背景流平流输运，近惯性内波可以传至远场，影响范围更大。数值实验显示，对于远场缓和地形（Fr-1在0 ~ 0.5 之间）下的混合场（海底以上1000米内水层），近惯性内波可以将其混合率提高10.4倍；对于陡峭地形（Fr-1在0 ~ 4 之间）下的混合场，混合率提升4.4倍。因此，近惯性内波的存在可能是造成当前线性理论预测内背风波生成湍流混合与现场观测差异的重要原因。该研究极大丰富了内背风波理论，进一步明确了内背风波破碎对深海混合的影响。

图4　左图: 西北菲律宾深海潜标位置，潜标周围南北向地形坡面与观测设备示意图;

 右图：MITgcm模拟观测背景流与复杂地形相互作用生成内背风波、近惯性内波与其他高频内波过程（Zheng et al., 2024）

　　系列研究对于阐明不同类型背景流与复杂地形相互作用生成内背风波从而触发混合机制，揭示现阶段线性理论与现场观测存在差异的原因，从而更深入理解内背风波调控深海大洋混合具有重要意义。

文章引用：

· ZHENG K. -W.*, M. Nikurashin, 2019: Downstream Propagation and Remote Dissipation of Internal Waves in the Southern Ocean. Journal of Physical Oceanography, 49: 1873-1887.

· ZHENG K. -W.*, M. Nikurashin, and J. -W. Tian, 2022: Non-Local Energy Dissipation of Lee Waves and Turbulence in the South China Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127, 2, e2021JC017877.

· SUN H.*, Q. -X. Yang*, K. -W. Zheng, W. Zhao, X. -D. Huang, and J. -W. Tian, 2022: Internal Lee Waves Generated by Shear Flow Over Small-Scale Topography. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127(6), e2022JC018547.

· ZHENG K. -W., Z. -W. Zhang*, Z. -B.Yang, H. Sun, S. -D. Guan, X. -D. Huang, C. Zhou, W. Zhao, and J. -W. Tian, 2024: Influence of Lee Wave Breaking on Far-field Mixing in the Deep Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 129(2024), e2023JC020386. 

相关文章：

· Nikurashin M., Ferrari R., Grisouard N., and Polzin K., 2014: The Impact of Finite-amplitude Bottom Topography on Internal Wave Generation in the Southern Ocean. Journal of Physical Oceanography, 44: 2938-2950.