水平温差驱动的环流研究取得重要突破

本站讯 物理海洋教育部重点实验室王伟、黄瑞新教授在国家自然科学基金面上项目水平温差驱动环流的实验研究中取得重要突破。该项研究成果日前发表在流体力学世界顶尖刊物——《Journal of Fluid Mechanics》上。审稿人一致认为该项研究由于采用了目前为止能够做到的最好的绝热手段而且应用了最精确的流场测量技术，因此其结果是同类研究中最为精确和可信的。

大洋环流研究领域，有一个争论了近一个世纪的话题——海洋是否为热机。该问题一直是物理海洋学研究的难点问题，涉及环流与人类赖以生存的地球气候变迁。认为海洋不是热机的学派以Sandström 1908年的实验为主要依据：当热源位置高于冷源位置时，不可能存在稳定的流动。认为海洋是或部分是热机的学派则以Rossby 1965年的实验为主要依据，认为一个水平分布的热强迫驱动了一个贯穿整个深度的环流。2003年，王伟与Woods Hole海洋研究所黄瑞新教授合作就此问题在物理海洋教育部重点实验室进行了实验研究。利用“211工程”建设添置的先进测流设备PIV系统，他们对水平温差驱动的环流进行了精确的测量，发现非贯穿型环流是水平热强迫下一种最稳定的环流，并且是一种能量最小的状态。而贯穿型环流没有稳态解，取而代之的是一种振荡结构。不管环流的类型如何，其流场都是由弱湍流控制的自组织结构，并在目前的实验条件下都符合相同演变规律。他们利用从理论上给出的水平温差所导致热能向机械能的转化率的上限，将其应用到目前的海面热强迫下，这种水平温差所导致的热能向机械能的转化率大概只有1.5GW，相对于2PW的热通量其效率仅为10^-7，因此目前海洋的运动状态不是一个热机。同时该结果还揭示了水平温差驱动环流的复杂性，而以前人们所依赖的Sandström理论或Rossby的实验结果都是值得商榷的。

著名物理海洋学家、美国科学院院士、世界大洋环流实验计划首席科学家、麻省理工学院的Carl Wunsch教授称该项研究成果是物理海洋研究领域2005年度最值得关注的，并在《Nature》上对此文作了专门评述。王伟、黄瑞新教授的实验从根本上动摇了“海洋是热机”驱动环流机制的基础，这是中国物理海洋界研究成果得到的最高认可，是在国内实验室完成的源头创新基础研究，表明中国学者完全可以在本土作出最高水平的研究，引领而不是跟随世界主流方向研究的发展潮流。