近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）蔡树群研究团队在海洋普适内波谱研究方面取得系列进展，相关成果分别发表在国际期刊Journal of Physical Oceanography和Physics of Fluids上。LTO博士研究生张倩为第一作者，研究员陈植武为通讯作者，合作者包括厦门大学教授刘志宇、上海交通大学副教授曲立新，以及LTO研究员何庆友、许洁馨和副研究员龚延昆等人。其中，发表于Physics of Fluids的论文入选编辑精选（Editor’s Pick），并获美国物理联合会（AIP）“Scilight”采访报道。#Scilight是AIP推出的科学亮点栏目，由期刊编辑遴选具有代表性的研究成果，并由专业科普记者采访与报道，突出其科学价值与学术影响力。Scilight每年从AIP旗下30多个刊物中挑选少数的物理领域内的亮点成果进行报道。

海洋内波是连接多尺度能量级联、驱动海洋垂向混合并影响全球经向翻转环流的重要动力过程，其能量分布长期被认为遵循经典Garrett-Munk（GM）谱，但其形成与维持机制仍是国际海洋动力学领域的重要科学问题。针对“单独风强迫能否产生普适GM内波谱”这一关键科学问题，研究团队综合利用高分辨率数值模拟与南大洋潜标观测，结合谱分析、多尺度能量传递诊断、粗粒化分析及拉格朗日追踪等方法，系统研究跨尺度能量传递过程。结果表明，在仅风场驱动条件下，中尺度涡和亚中尺度运动可通过涡-波相互作用持续向内波场传递能量，从而产生普适的GM内波谱，并且该结果得到了南大洋潜标观测的验证。

图1 高分辨率数值模式：（a）仅有近惯性波的算例；（b）仅有涡旋的算例；（c）涡旋-近惯性波相互作用的算例。

进一步地，鉴于上层海洋是涡-波相互作用最活跃的区域，团队将研究拓展至上混合层高频动能谱结构。基于全球表层漂流浮标与Ocean Station Papa长期系泊观测，研究发现，上混合层高频动能谱同样呈现与经典GM谱高度相似的准普适结构，且在不同海区和季节中均具有较好的一致性；其中，中尺度涡主要调控谱斜率，近惯性内波主要控制谱能量强度，两种动力过程共同塑造了上层海洋的高频动能谱结构。

图2 全球漂流浮标分析：（a）数据量分布；（b）南大洋平均动能谱；（c）高频动能谱斜率和（d）高频流速随中尺度涡和近惯性流速的分布。

上述研究揭示了涡-波相互作用产生海洋内部普适内波谱的机制，并将经典GM内波谱的适用范围拓展至上混合层。相关成果深化了对海洋多尺度能量级联与混合过程的认识，为海洋数值模式中内波参数化改进提供了新的科学依据。

该研究由国家自然科学基金、中国科学院专项等项目共同资助完成。

相关论文信息：

Zhang Q, Chen ZW*, Liu ZY, Qu LX, Lu HH, Sun YH, He QY, Xu JX, Gong YK, Cai SQ. Formation of a Quasi-Universal Internal Wave Spectrum by Wind Forcing Alone: Idealized Modeling and Mooring Observations. Journal of Physical Oceanography, 2026, 56(6): 1263-1280. https://doi.org/10.1175/JPO-D-25-0199.1

Zhang Q, Chen ZW*, Liu GB, Lu HH, Chen ZF, Hu BL, Xu JX, Gong YK, Cai SQ. Quasi-universal High-frequency Kinetic Energy Spectrum in the Surface Mixed Layer. Physics of Fluids, 2026, 38 (5): 051704. https://doi.org/10.1063/5.0318049

AIP #Scilight专访报道：https://doi.org/10.1063/10.0043916