2025年12月16日下午，中国科学院大学工程科学学院（简称“国科大工学院”）邀请北京大学工学院力学与工程科学院谢金翰副教授，于雁栖湖校区教三楼307教室为全校研究生带来一场题为“地球物理湍流中能量跨尺度双向传输”的学术讲座。本次讲座由工学院陈龙副教授主持，全校师生四十余人聆听了本次讲座。
讲座伊始，谢金翰副教授首先简单介绍了湍流的定义和特点，然后提出了两个问题——湍流中能量如何在不同尺度之间传递以及如何利用可测量的量进行研究；借此开始正式讲述讲座的主要内容。谢金翰回顾了1941年Kolmogorov奠定的三维湍流理论，该理论指出能量从大尺度向小尺度传递，也即是著名的“-4/5定律”。而在受地球旋转约束的二维湍流中，能量则反向由小尺度朝大尺度传递，谢金翰展示的一段肥皂泡纹路变化的视频也加深了同学们对这一现象的认识。这两种“单行道”模型曾是理解湍流的基石，但在面对真实复杂的地球物理流体时，却显露出局限性。通过这些生动的案例，谢金翰也鼓舞同学们去发现并解决更多的科学问题。
随后，谢金翰副教授展示了MOZAIC项目的相关数据，图例表明大气湍流的三阶结构函数曲线在不同尺度上竟呈现截然相反的符号：在十到百公里中尺度上为负，符合三维湍流能量向小尺度传输的“-4/5律”；而在更大尺度上却转为正，符合二维湍流能量向大尺度传输的特征。“这一符号的反转，是能量在传输路径上存在‘双向’的最直接证明。”谢金翰强调，这也表明，真实大气中的能量是双向传输的。接着，谢金翰通过海洋湍流和太阳风湍流的一些现象对这一理论进行了扩展验证。
谢金翰介绍了为破解这一复杂现象而发展的的全局三阶结构函数表达式。利用该公式，研究人员首次能够从实际观测数据中同时且准确地反推出向大尺度传输、向小尺度传输的能量通量以及能量输入的源头尺度，突破了传统理论只能适用于理想惯性区的局限。他利用二维磁流体湍流数值模拟的数据，直观演示了在新理论框架下仅用少数几个数据点就能完美复现预设的双向能量传输图景，验证了理论的有效性。谢金翰娓娓道来，将研究思路讲解得清晰透彻，同学们深受启发，对科研思维有了更深入的理解。
接着，谢金翰开始讲解多领域验证环节。在海洋湍流研究中，面对能量注入机制未知的难题，研究团队应用新理论分析海洋漂流浮标数据，首次直接从观测中确认了跨尺度双向动能级串的存在。进一步的分析表明能量注入与海洋的斜压不稳定性相关，两个主要的能量注入尺度分别对应海洋总深度与混合层深度，且后者随季节变化。这为将复杂能量传输过程参数化，进而改进气候模型开辟了新路径。空间等离子体物理领域，利用在太阳活动极小期采集的稳定太阳风数据，新理论清晰揭示了双向能量传输在太阳风中普遍存在。更重要的发现来自统计结果：向大尺度传递与向小尺度传递的湍流通量在统计上平均呈现等分配状态，且存在两个主导的能量注入尺度，分别对应着日冕环的特征尺度（约 3× −2× 米）和持续12-24小时的速度剪切尺度（约 − 米）。谢金翰指出，这种能量的“平均分流”机制，可能为理解恒星形成效率提供新的物理视角。
最后，谢金翰总结了本次讲座，这项研究不仅为各向同性湍流提供了刻画双向能量传输的统一表达式，更通过从海洋到太阳风的实证，揭示了跨尺度双向能量传输的普适性。此外，对三维湍流大尺度动力学的研究发现，在远大于强迫尺度的范围，流动显著偏离统计平衡，表明大尺度与小尺度之间存在强烈而鲁棒的相互作用。这些发现引出了一系列深刻的开放性问题：如何将新机制参数化以改进地球系统模型？能量均分是否是一种减缓恒星形成的普遍天体物理机制？对大-小尺度强相互作用的理解，能否启发下一代超分辨模拟技术？讲座在引发同学们对基础研究贯通性力量的深思中结束。
报告结束后，现场多位师生与谢金翰副教授进行了积极充分的学术交流，谢金翰对现场师生的提问一一进行了细致地解答，互动交流过程气氛活跃。聆听了这样一场精彩的学术讲座，相信同学们获益匪浅。
文字：闫孟阳
图片：王豪
审核：陈龙
