近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋环境模拟与应用技术研究团队在中尺度涡背景下近惯性内波致混合参数化方案研究方面取得新进展。相关研究成果以“Parameterization of Near‐Inertial Waves Induced Mixing Under the Influence of Mesoscale Eddies”为题，发表在Journal of Geophysical Research-Oceans期刊上。
研究背景
近惯性内波和中尺度涡在世界海洋中普遍存在。它们之间的相互作用显著调节了近惯性内波的破碎，从而影响了近惯性内波相关的垂向混合。现有气候模式中的近惯性内波致混合参数化方案是J13方案，但该方案并未考虑中尺度涡的影响。本研究基于J13方案，考虑了中尺度涡对近惯性内波不同的调制机制，构建了中尺度涡背景下近惯性内波致混合的新参数化方案。与船载湍流微结构剖面数据对比，该新参数化方案展示出了比现有J13方案更高的精度。后续将在全球海洋环流模式中对该新参数化方案进行测试，成果对改进全球环流和气候的模拟具有重要的实际应用价值。
研究结果
本研究利用现场潜标数据、船载湍流微结构剖面数据、CMEMS再分析数据以及一个平板模型，通过考虑中尺度涡旋的调制效应，构建了一个新的近惯性内波致混合参数化方案。上混合层深度参数化为
，该公式基于临界理查德森数准则，并包含对罗斯贝数（相对涡度与局地科氏频率之比）的线性依赖关系，以表达中尺度涡旋的影响。风能输入的表达式
，用于约束水平动能变化来参数化进入海洋的近惯性能通量
。穿透上混合层底部到达海洋内部的近惯性能通量为
，该表达式同样包含对罗斯贝数的线性依赖关系，以展现中尺度涡的影响。本研究进而建立了两个区分正负背景涡度的垂直耗散结构函数，然后利用传统的奥斯本公式将耗散率转换为垂向扩散率（
）。最后，利用船载湍流微结构观测数据对所构建的新参数化方案进行验证。通过与湍流微结构观测数据进行比较，本研究计算了当前新参数化方案和传统J13方案的
的均方根误差（RMSE）。结果发现，在负涡度背景下，新参数化方案的平均RMSE相对于J13方案降低了28% - 37%；在正涡度背景下，RMSE降低了27% - 53%。这表明当前的新参数化方案相对于J13方案有了显著的改进，并同时适用于负涡度和正涡度背景条件。
图1 负涡度背景下不同站点观测值与参数化扩散系数
的比较。黑线表示观测剖面在一天内的平均值，并在垂直方向上使用9点滑动平均。蓝线和红线分别表示J13方案和新方案的参数化剖面。每个子图中显示的数字为所示观测剖面的日期、每天的剖面数量、观测总天数、J13（蓝色）和新（红色）方案参数化剖面
的平均均方根误差（RMSE），以及新方案相对于J13方案
的RMSE减少的百分比。
图2 内容与图1相同，只是站位都处于正涡度背景下。
研究团队及资助
该成果的第一作者为博士研究生王皓楠，通讯作者为陈植武研究员，学科组长为蔡树群研究员，合作者包括彭世球研究员，中国海洋大学张志伟教授等人。该研究获得国家重点研发计划项目(2022YFC3105003)、国家自然科学基金项目(42130404,42176025,42276022,42206012)、中国科学院南海海洋研究所自主部署项目（SCSIO2023QY02）等的联合资助。
论文信息：
Haonan Wang, Zhiwu Chen*, Zhiwei Zhang, Shiqiu Peng, Shuqi Zhang, Zifei Chen, Shuqun Cai (2025). Parameterization of near-inertial waves induced mixing under the influence of mesoscale eddies. Journal of Geophysical Research-Oceans, 130, e2025JC022513.
原文链接：https://doi.org/10.1029/2025JC022513
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