一、项目总体实施情况

四年来，项目组围绕项目研究目标，按照项目计划书开展了各项研究工作。通过综合利用现场与遥感观测、多尺度过程耦合模拟以及动力学理论分析等研究手段，在海洋多尺度过程的动力分解、潮致近惯性内波机制及其与风生近惯性内波的相互作用、内孤立波的浅化裂变机制等方面取得重要突破，深刻揭示了西太平洋多尺度运动相互作用与能量串级的关键过程与动力机理。项目组已发表SCI论文27篇，研究成果被西太计划项目组纳入总体亮点成果，为后续项目与西太计划的集成奠定了坚实基础。

二、研究结果

1、取得科学认识及其意义

项目执行以来，项目组围绕研究目标开展了针对性深入研究，取得了系统性研究成果，回答并证实了项目申请书所提出的核心科学问题与主要假设，具体包括：

（1）通过拓展海洋平衡模态与非平衡模态的动力理论，构造了用以分离海洋平衡运动与非平衡运动的动力滤波器，实现了对两类运动及相应控制方程的动力分离，为量化跨尺度相互作用及其能量传递提供了新的理论框架。海洋是多尺度复杂系统，蕴含多种运动过程，其时空尺度跨越多个数量级。目前，主流的海洋多尺度运动分解方法本质上都是基于时间尺度或空间尺度的尺度分离，因而无法准确分离时空尺度相似、但动力属性迥异的运动过程。为此，项目组发展了基于海洋多尺度运动过程动力属性的动力分解方法，实现了对大尺度环流、中尺度运动、亚中尺度运动、正压潮、低模态内波、高模态内波等六类典型运动过程的准确分离；与此同时，通过考虑大尺度背景流场的作用，推广了海洋运动（非）平衡模态的经典理论，阐明了（非）平衡运动在谱空间中相对涡度和水平散度的相对大小关系，并由此发展了平衡运动-非平衡运动分离理论，实现了海水运动场、控制方程的准确分解，导出了（非）平衡运动的能量平衡方程，从而完整建立了量化跨尺度相互作用和能量传递的理论框架；上述理论与方法在南海、副热带逆流、黑潮延伸体等西北太平洋典型海域的成功应用初步显示了其鲁棒性与有效性。项目组所发展的动力分解方法与传统基于时间尺度或空间尺度分解方法的结合，对推动海洋多尺度运动相互作用与能量传递的机理研究具有重要意义，也使得高分辨率数值模拟中海洋平衡运动与非平衡运动的在线分离与实时参数化应用成为可能。

该系列研究成果高度契合西太计划总体科学目标（“揭示西太平洋多尺度海洋动力过程，认识其中的能量交换机理”），为“海洋能量串级” 这一领域性难题的研究提供重要启示。

（2）揭示了潮致近惯性内波的新机制，指出单纯潮强迫即可生成满足大洋普适GM谱的内波场，并阐释了潮致近惯性内波与风生近惯性内波相互加强的非线性作用机制。近一个世纪以来，海洋内波最重要的研究成果当属开阔大洋内部普适Garrett-Munk（GM）内波谱的发现。因此，海洋GM内波谱是如何生成的是海洋内波研究的“灵魂之问”。以往的研究认为，只有当风和潮强迫同时存在时，海洋中才会生成GM内波谱；单独的风或潮强迫均不能生成GM内波谱。但本项目组研究发现，在特定条件下，单独的潮强迫便能够生成GM内波谱，风并不是必须的。这一研究结果同时回答了一个海洋界存在已久的疑惑：在几千米以下的深海大洋，风的效应几乎消失，为何内波场仍然遵循GM内波谱？这是因为内潮破碎后，在地球自转的影响下，系统会自发生成近惯性内波，并继而与内潮发生非线性波-波相互作用，逐步演化形成宽频带的GM内波谱。而在吕宋海峡这样的强内潮海区，内潮破碎作为近惯性内波的一种生成机制，其所提供的近惯性能量可与夏季风所输入的近惯性能量相当。

此外，吕宋海峡高耸海脊的存在，使得海脊上方的潮致近惯性内波能够跟风生近惯性内波相互作用、彼此加强，这使得吕宋海峡上混合层近惯性能量的高值区更为显著。数值模拟试验结果显示，对于不同的风场强度、海脊高度、潮流振幅、相位等，这两种不同起源的近惯性内波总会相互加强，上述研究结果具有一定的普适性。我们还发现，对于吕宋海峡周边的南海、西北太平洋海域，上混合层近惯性能量的时间变率在年际尺度上受到ENSO的显著调制，且冬、夏季对应不同的物理过程与机制。这是首次基于流速观测资料揭示近惯性内波的年际变化。由于近惯性内波在上层海洋湍流混合和海气相互作用中发挥着重要作用，对其年际变化特征与机理的认识对于理解与预测整个气候系统的的演变规律具有重要意义。

（3）揭示了潮能经由内孤立波浅化裂变为高频内波的串级通道，并阐释了潮流通过改变陆架区等密度面深度而显著调控内孤立波极性转变与浅化裂变的动力机理。近二十年来，学界对潮能通过“正压潮-内潮-内孤立波-小尺度湍流”的串级过程已有较为清晰的认识。然而，当内孤立波传播到水深逐渐变浅的陆架区时，其非线性显著增强，并伴随着时空尺度更小的高频内波波列的生成，流动的剪切不稳定性增强。围绕项目研究目标，针对内孤立波浅化过程及其在潮能串级中的作用，项目组开展了系统性研究，取得了创新性认识。

基于精细化观测，项目组首次指出南海北部陆架区多以高频内波为主且可连续十数小时作用于局地水体，这一认识与通常的潮流激发机制不一致。对此，项目组提出连续出现的高频内波是由内孤立波在浅化地形强迫下发生裂变而生成的假说，并通过理论分析和数值模拟结果验证，揭示了内孤立波在南海陆坡浅化裂变的动力过程及控制因子。这一研究进展对理解内波的孤立波动力学性质、内波波包的形成与演化、内波不均匀地理分布及其在海洋混合和能量串级中的作用有重要意义。

基于以上结果发现，内孤立波裂变的位置可以通过计算内孤立波极性转变的临界点来预测。然而，内孤立波浅化过程中受到潮流、中尺度涡等背景流场的影响，因此，理解多尺度动力过程相互作用是准确预测内孤立波浅化演变及其对湍流耗散贡献时空变化的重要前提。项目组以潮流的影响为例，基于数值模拟揭示了潮流对内孤立波浅化过程的非线性调制机制，并给出了具有普适性的近似解析解。

陆架区的内波系统非常复杂，除了上述从远场（如吕宋海峡）生成的内孤立波浅化演变以及在传播过程中受到多尺度动力过程调制，项目组发现陆架区的潮流与陆坡流联合作用可在局地激发非线性内波的生成。这一研究进一步丰富了本项目对内孤立波生消及其对潮能耗散效应的理解。通过上述系统性研究，项目组基于传统对内孤立波耗散机制的理解，提出了潮能经由“正压潮-内潮-内孤立波-高频内波-湍流”的串级新通道，并初步验证了“内孤立波裂变为高频内波是内孤立波能量耗散的关键过程”之科学假说。

2、对解决西太计划关键科学问题的贡献

本项目揭示了“西太平洋复杂地形下海洋多尺度相互作用与能量串级”的若干关键过程，加深了对西太平洋关键中小尺度过程动力机理的认识，为“揭示西太平洋多尺度海洋动力过程，认识其中的能量交换机理”这一关键科学问题做出了基础性贡献。

3、成果列表

[1]     Wang C., Liu Z., and Lin H., Interpreting consequences of inadequate sampling of oceanic motions, Limnology and Oceanography Letters, 2022, 7(5), 385–391. (第一标注)

[2]     Wang C., Liu Z., and Lin H., On dynamical decomposition of multiscale oceanic motions, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2022, revised. （第一标注）

[3]     Wang C., Liu Z., and Lin H., A simple approach for disentangling vortical and wavy motions of oceanic flows, Journal of Physical Oceanography, 2022, revised. （第一标注）

[4]     Cao Z., Hu Z., Bai X., and Liu Z., Tracking a rain-induced low-salinity pool in the South China Sea using satellite and quasi-Lagrangian field observations, Remote Sensing, 2022, 14(9), 2030. (第一标注)

[5]     Chen Z., Liu G., Liu Z., Chen S., Lu H., Xu J., Gong Y., Xie J., He Y., Chen J., He Y., and Cai S., Mutual enhancement of wind- and tide-induced near-inertial internal waves in Luzon Strait, Journal of Physical Oceanography, 2022, 52(12), 3259–3272. (第一标注)

[6]     Lin H., Liu Z., Hu J., Menemenlis D., and Huang Y., Characterizing meso- to submesoscale features in the South China Sea. Progress in Oceanography, 2020, 188: 102420. (第一标注)

[7]     Bai X., Lamb K.G., Hu J., and Liu Z., On tidal modulation of the evolution of internal solitary-like waves passing through a critical point. Journal of Physical Oceanography, 2021, 51(8): 2533–2552. (第一标注)

[8]     Gong, Y., Xie, J., Xu, J., Chen, Z., He, Y. and Cai, S., A directional decomposition method to estimate the reflection and transmission of nonlinear internal waves over a slope. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2022, 127, e2022JC018598. (第二标注)

[9]     Lu H., Chen Z., Xu K., Liu Z., Wang C., Xu J., Gong Y., and Cai S., Interannual variability of near-inertial energy in the South China Sea and western North Pacific, Geophysical Research Letters, 2022, 49(24), e2022GL100984. (第二标注)

[10]  Yang W., Wei H., Liu Z., and Li G., Intermittent intense thermocline shear associated with wind-forced near-inertial internal waves in a summer stratified temperate shelf sea, Journal of Geophysical Research: Oceans, 2021, 126(12), e2021JC017576. (第二标注)

[11]  Bai X., Liu Z., Zheng Q., Hu J., Lamb K.G., and Cai S., Fission of shoaling internal waves on the northeastern shelf of the South China Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2019, 124(7): 4529–4545. (第二标注)

[12]   Chen Z., Chen S., Liu Z., Xu J., Xie J., He Y., and Cai S., Can tidal forcing alone generate a GM-like internal wave spectrum? Geophysical Research Letters, 2019, 46(24): 14,644–14,652. (第二标注)

[13]  Lian Q., Smyth W.D., and Liu Z., Numerical computation of instabilities and internal waves from in situ measurements via the viscous Taylor-Goldstein problem. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2020, 37(5): 759–776. (第二标注)

[14]    Lin W., Lin H., Hu J., The tilt of mean dynamic topography and its seasonality along the coast of the Chinese mainland. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2021, 126: e2020JC016778. (第二标注)

[15]  Lin, W., Lin H., Hu J. and Huang L., Relative contributions of open-ocean forcing and local wind to sea level variability along the west coasts of ocean basins. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2022, 127(11), e2022JC019218. (第三标注)

[16]  刘志宇, 白晓林, 马家骏, 南海陆架区内波的演变与耗散机制. 海洋科学进展, 2022, 40(4), 791–799. (第一标注)