【科研动态】海洋学院博士生钱星赏在OLAR发表动能分解及跨尺度动能诊断再思考的研究成果

近日，开云网页登录 海洋学院博士生钱星赏在Science合作期刊Ocean-Land-Atmosphere Research上发表了题为“On the Bending Kinetic Energy and a Revisit to Cross-Scale Kinetic Energy Diagnostics”的研究论文，海洋学院周磊教授为通讯作者，康杜娟副教授为合作者。开云网页登录 海洋学院和海底科学与划界全国重点实验室为第一完成单位。

动能的转换和转移是地球系统中所有机械运动的内在属性，其在理解地球系统中的多尺度能量转换中具有基础性地位。因此，如何全面、准确地表征动能及其对应的能量串级过程，对于理论研究和数值模拟均至关重要。在经典能量循环框架中，总动能通常被分解为平均动能（MKE）与涡动能（EKE），不同尺度之间的动能在MKE和EKE之间传递。然而，这一划分仅在尺度分离严格满足正交性以及选取特定平均窗口的情况下才成立。实际分析中，尺度分解方法往往难以保证正交性，从而导致动能交叉项的存在，而且其在动能串级中的作用不可忽视。如果忽略动能交叉项，将可能造成对能量在不同尺度间转换的误判（图 1）。

图1. (A) 为黑潮延伸体区域上层1000米平均的总动能；(B) 黑潮延伸体区域平均的动能串级项，红线代表以MKE变率衡量的动能串级，蓝线为以EKE变率衡量的动能串级，虚线上下方分别代表动能正向串级和逆向串级。对于同样的黑潮过程，以MKE变率衡量和以EKE变率衡量，可能在动能串级方向上得到相反的结论。

图2. 经典的动能诊断框架与本文提出的完整动能诊断框架的对比

针对这一问题，受水分子中氢键伸缩与弯曲模态振动耦合的启发，本研究提出将BKE (bending kinetic energy) 作为独立的动能池，以代表不同尺度之间的交叉项，并在此基础上构建了一套完备的动能收支诊断系统（图 2）。在该系统中，任一动能池的能量损失都能够被其他动能池的相应能量获得严格平衡，从根本上消除了传统 MKE–EKE 诊断中存在的能量不对称问题，实现了动能诊断系统的闭合（图3）。

图3. 黑潮延伸体区域平均的(A) 各动能池之间逐项匹配的动能串级项；(B) 各动能池净获得的动能串级项。

本研究提出的完整动能诊断系统，为理解地球系统中的多尺度能量串级提供了一种更加严谨、可靠的工具。同时，该体系也为进一步发展类似于有效位能的分解与诊断框架奠定了理论基础，有望推动构建统一的机械能诊断系统。这些进展将有助于深化我们对地球系统多尺度动力学的认识。

本研究受国家重点研发计划（2023YFF0805300）和国家自然科学基金联合资助（42125601和T2421002）。

论文链接：

https://doi.org/10.34133/olar.0122

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