近日，5123导航、海洋与地球学院刘志宇教授研究组在海洋多尺度动力学研究方面取得重要进展，相关成果以“On Dynamical Decomposition of Multiscale Oceanic Motions”与“A Simple Approach for Disentangling Vortical and Wavy Motions of Oceanic Flows”为题，分别发表于地球系统模拟与物理海洋学领域权威期刊Journal of Advances in Modeling Earth Systems与Journal of Physical Oceanography. 该研究建立了海洋多尺度运动的动力分解理论与方法，实现了六类典型海洋运动过程以及地转运动与惯性重力波的准确分离，为量化海洋多尺度相互作用与能量传递提供了新的理论工具。

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。目前学界所普遍采用的海洋多尺度运动分解方法，本质上是基于时间尺度或空间尺度的分离，因此无法准确分离时间尺度或空间尺度相似、但动力属性迥异的不同运动过程，这严重制约了海洋多尺度相互作用理论的突破。

为此，基于不同运动过程的动力属性，刘志宇研究组发展了海洋多尺度运动的动力分解理论与方法。一方面，基于大尺度环流、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动力属性，发展了海洋多尺度运动物理场的分解方法（图1）；另一方面，通过考虑大尺度背景流的平流作用，推广了海洋运动平衡模态（地转运动）与非平衡模态（惯性重力波）的经典理论，阐明了地转运动与惯性重力波在谱空间中的动力学差异（体现在相对涡度与水平散度的相对大小上），并由此提出了地转运动与惯性重力波的动力分解理论，实现了地转运动与惯性重力波物理场及控制方程的准确分解（图2），导出了地转运动与惯性重力波的能量演化方程，从而完整建立了量化多尺度相互作用与能量传递的理论框架；在南海、副热带逆流、黑潮延伸体等西北太平洋典型海域的初步应用显示了上述理论和方法的有效性与先进性。

图1. 海洋多尺度运动动力分解方法在南海中部海域的应用示例

图2. 地转运动-惯性重力波分解理论在南海的应用示例

该研究所提出的动力分解理论与传统基于时空尺度分解方法的结合，有望显著推动海洋多尺度耦合与能量传递机理研究。同时，该研究所建立的动力分解方法，可用于高分辨率海洋数值模拟中地转运动与惯性重力波（内波）的在线分离、并分别实时应用于水平涡通量与跨密度面混合的参数化方案中，对于提升海洋多尺度耦合模拟精度具有重要意义。

刘志宇领衔的动力海洋学研究组（DyOG）坚持从海洋观测出发，以地球物理流体动力学基本理论为基础，充分借助数值模拟，致力于海洋多尺度动力过程的机理解析与预测预报，尤其关注海洋中小尺度过程机理与效应。上述两篇研究论文的第一作者均为DyOG研究组2022届博士毕业生王传印（现为南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）博士后），通讯作者为刘志宇教授，合作者还包括林宏阳副教授。

该研究得到国家自然科学基金项目（91858201, 42076013, 92258301, 41721005, 41890801）以及福建省自然科学基金项目（2021J02005, 2019J05009）的联合资助。

论文来源及链接

Wang C., Liu Z.*, and Lin H. (2023), On dynamical decomposition of multiscale oceanic motions, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 15(3), e2022MS003556.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022MS003556

Wang C., Liu Z.*, and Lin H. (2023), A simple approach for disentangling vortical and wavy motions of oceanic flows, Journal of Physical Oceanography, https://doi.org/10.1175/JPO-D-22-0148.1

https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/aop/JPO-D-22-0148.1/JPO-D-22-0148.1.xml

供稿：王传印、刘志宇