中尺度运动是旋转流体力学中旋转效应主导的最小尺度。现有研究表明，尺度从几十公里到几百公里不等的、遍布全球并占据海洋动能90%的海洋中尺度运动，在热量、可溶性碳、叶绿素、营养盐等物质与能量的输送和再分配过程中起着至关重要的作用。最近研究发现海洋中尺度运动存在显著地沿某个方向伸长的特征，然而受观测分辨率和现代湍流理论中各向同性假设的限制，当前对海洋中中尺度运动的各向异性特征的认识仍非常有限。
卫星高度计数据以其大覆盖、准同步、长时间连续观测的特性成为研究中尺度涡最有效的数据，它解决了传统的观测手段在观测时间上的不连续性和观测空间上的局限性。高度计观测对中尺度运动的研究的推动主要在两个方面：全球尺度上的涡旋识别和统计以及能量谱分析。目前，涡旋识别主要关注气旋或者反气旋的核心区域，不能有效的诊断中尺度过程的各向异性特征。使用谱分析的方法探究涡动能在波数空间的分布特征随方向的变化可以有效地诊断中尺度运动的各向异性特征。
基于卫星高度计观测数据和高分辨率模式数据，在全球尺度上分别计算沿纬向的径向的海表面高度波数谱，并进行比较分析。结果表明，纬向波数谱和径向波数谱斜率在中尺度波段存在显著的差异：在赤道地区，纬向波数谱斜率比径向波数谱斜率陡峭，而在高涡动能的东向强流系，径向波数谱斜率比纬向波数谱斜率陡峭。该差异具有普遍性，但是存在显著的区域变化。
结合中尺度运动的动力学分析发现，该差异与中尺度信号非线性发展过程密切相关。在赤道地区，表面强化的不稳定过程产生的中尺度信号在没有充分发展的情况下迅速被Rhines尺度捕捉，而线性不稳定过程产生的中尺度信号是倾向径向伸长的，更多涡动能在径向积累，表现在特定波数的径向的涡动能要比纬向的涡动能高，因此径向波数谱斜率比对应的纬向波数谱斜率平缓。在高涡动能的东向强流系，斜压不稳定产生的中尺度信号得到充分地非线性发展，背景流对其充分拉伸，整体呈现出沿纬向伸长的特征，因此更多的涡动能在纬向积累，表现在特定波数的纬向涡动能要比径向涡动能高，因此纬向波数谱斜率比对应的径向波数谱斜率平缓。
虽然传统的高度计观测揭示了令人意想不到的海洋中尺度湍流特性，但是其空间分辨率仍有限，只能捕捉到较大尺度的中尺度过程，对尺度较小的中尺度和亚中尺度运动描述能力有限。中尺度运动的各向异性特征应与其边缘的亚中尺度运动密切相关。因此，宽带SWOT观测资料能进一步推动中尺度运动各向异性特征的研究。另外，超高分辨率的数值模拟可以用来进一步探究中尺度运动的各向异性特征。
摘自：全球海洋科技发展动态2020年第二期 王世红 编译
