导读

中尺度涡是海洋中一类广泛存在的运动形式，其水平尺度约为几十到上百公里，生命周期可以持续几周乃至一两年，在动力学上近似满足地转平衡关系。中尺度涡具有非常强的动能，在全球海洋的能量平衡和串级中起到承上启下的作用，可以输运物质、热量和盐量，还能够有效地影响生物地球化学循环。理解中尺度涡旋在海洋乃至气候系统中关键则在于其三维结构。得益于海洋观测手段的进步，中尺度涡结构的相关认识在不断进步。本文尝试从中尺度涡的水平和垂向结构、时间演化和精细结构等方面回顾相关的研究进展，并展望了未来值得探究的科学问题。

研究结果

中尺度涡的三维结构长期以来是物理海洋学研究的一个重点与难点问题，最近二三十年由于海洋观测能力的进步，对于中尺度涡三维结构的研究也有了长足的进展。在水平结构方面，卫星高度计观测数据揭示出中尺度涡在最低阶近似下呈现轴对称的圆形结构，这是其在不受大尺度背景梯度影响时，涡旋能量最小状态的稳定状态，并存在着统一的径向结构。一旦考虑背景梯度的作用，中尺度涡会产生形变，偏离圆形，进而造成特定方向水平热通量的增强。同时涡偶极子也是涡旋非常典型的水平构型，对于涡旋结构的变异与涡旋运动学都有重要作用。在垂向结构方面，卫星高度计和最近二十年发展迅速的Argo浮标系统，在最低阶近似下揭示出了中尺度涡的垂向统一结构，并发现了表层强化和次表层强化这两种类型的涡旋。与此同时，中尺度涡垂向倾斜和垂向一致化等过程，则让中尺度涡在垂直方向呈现出了更为丰富的结构特征。涡旋的时间演化伴随着能量的变化，在此过程中，亚中尺度过程在涡旋的边缘发展起来，通过地转失稳促进涡旋的能量串级，使得涡旋呈现出丰富的精细结构。

图1 中尺度涡的水平和垂向结构展示

总结与展望

在从中尺度涡的水平和垂向结构、时间演化和精细结构等方面回顾了中尺度涡结构研究的相关进展后，本文尝试展望了部分有待解决的问题：中尺度涡在产生、运动和消亡的过程中一直在与大尺度的锋面进行相互作用，但目前尚缺乏一个系统刻画中尺度涡在存在背景梯度条件下三维结构特征的理论；涡旋与涡旋之间的相互作用贯穿中尺度涡的一生，涡涡相互作用如何影响中尺度涡三维结构，相应的理论如何从描述单一涡旋过渡到描述大量涡旋的行为，是具有挑战性的问题；在海洋多尺度动力过程能量串级与平衡这一关键性问题中，中尺度涡究竟扮演何种角色，如何将能量向亚中尺度传递，这反过来如何影响中尺度涡乃至大洋能量平衡，也是目前的一个热点难点问题。而从应用的角度来看，中尺度涡三维结构的反演与预测，以及在数值模式中参数化，一直以来也都是学界十分关心但仍然有待研究的问题。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/olar.0051

文章标题：

Three-dimensional structure of oceanic mesoscale eddies

文章作者：

Zhengguang Zhang, Guihua Wang, Hailin Wang, Hanrui Liu.

文章摘要：

Mesoscale eddies contribute to the global oceanic energy budget and cascade; they induce substantial mass and heat transport, thus playing a key role in the global climate system. The three-dimensional (3D) structures of mesoscale eddies should be studied in order to quantify their impact. In this paper, mesoscale eddies are reviewed from the perspective of their horizontal and vertical structures, temporal evolution, and fine structures. The universal 3D structure of mesoscale eddies is revealed via observations, and findings show that their tendency to achieve lowest-energy or minimum-dissipation states shapes their lowest-order coherent structure. Recent efforts also push forward to the higher-order structure of eddies: The understanding of horizontal structures is gradually evolving from symmetric to asymmetric, and the vertical structure based on separable variable assumption and vertical mode decomposition should further take the eddy vertical alignment and tilt into account. The temporal evolution of mesoscale eddies’ 3D structure is in a dynamical balance influenced by multiple competitive factors, such as eddies’ self-sustaining ability, background gradient and deformation, and generation of submesoscale fine structures. The submesoscale processes associated with mesoscale eddies have been intensively studied in recent years, and they should be considered as a fine-scale part of the 3D structure of eddies rather than separate instability processes. This review hopes to provide the readers with an enlightening, yet not thorough, review of the development of mesoscale eddies’ structures and brings up potential topics and unresolved difficulties for further research and development.

文章引用：

Zhengguang Zhang, Guihua Wang, Hailin Wang, Hanrui Liu. Three-Dimensional Structure of Oceanic Mesoscale Eddies. Ocean-Land-Atmos Res. 2024;3:0051.DOI:10.34133/olar.0051

通讯作者简介：

王桂华，复旦大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。中国气象学会第二十八届理事会台风专业委员会副主任委员，国家海洋研究委员会委员，国务院特殊津贴专家，中国青年科技奖获得者，入选国家百千万人才工程、国家领军人才等称号。长期从事从事大洋环流、海洋中尺度过程、海汽相互作用以及台风等研究。以第一或通讯作者在Nature, Journal of Climate, Geophysical Research Letters，Journal of Geophysical Research-Oceans等国际权威杂志上发表学术论文。

第一作者简介：

张正光，中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室教授、博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。主要从事海洋大尺度环流、中尺度涡以及亚中尺度过程的研究。以第一或通讯作者在Science, Nature Communications, Geophysical Research Letters等国际权威杂志上发表学术论文。

OLAR 期刊简介

Ocean-Land-Atmosphere Research (OLAR) 由南方海洋实验室和美国科学促进会合作出版，入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目、2024年度广东省高起点英文期刊创办项目，海洋负排放国际大科学计划（Ocean Negative Carbon Emissions, ONCE）学术出版合作平台，已被Scopus, Directory of Open Access Journals (DOAJ) 等15个数据库收录。本刊以海洋相关学科为重点，刊稿主题包括但不限于：海陆气相互作用、海洋碳中和、物理海洋学、海洋生物与生态、海洋地质与地球物理、化学海洋学、海洋气象学、大气物理与大气环境、冰冻圈科学、河口海岸学、海洋工程与海洋技术、海洋资源开发与利用。分享卓见，探索前沿，OLAR 诚邀您一起荟萃科学发现，共享学术盛筵！

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