科學家解釋中尺度渦海表熱力信號變化特征機理

近日，中國科學院海洋研究所研究員李曉峰團隊基于多源遙感和實測數據，系統揭示了全球海洋中尺度渦在運動過程中的海表熱力信號變化特征，并闡明其產生機理。成果以封面文章形式發表于國際學術期刊《深海研究I》。

封面文章形式發表于《深海研究I》   海洋研究所供圖

中尺度渦廣泛分布于全球海洋，是能量級串中連接大尺度和小尺度的重要中介，同時也是海洋物質能量輸送和混合的關鍵紐帶。傳統觀念中，反氣旋渦被認為是暖渦，而氣旋渦被認為是冷渦。然而，隨著海洋遙感觀測技術的發展，表面冷的反氣旋渦和暖的氣旋渦在多個海域被發現。已有研究主要關注特定海域“異常”渦旋的歐拉特征，但尚未有研究從全球尺度揭示“異常”渦旋與“正常”渦旋之間的轉換規律和生成機制。

基于多源遙感數據，研究團隊利用深度學習算法提取全球海洋中的“異常”中尺度渦，并結合Argo實測數據，研究全球海洋大于一年的長壽渦在運動過程中“正常”渦和“異常”渦的轉變規律和機制。

結果顯示，表面冷的反氣旋渦約占長壽反氣旋渦生命周期的37.8%，主要集中在南大西洋；而暖的氣旋渦則占長壽氣旋渦生命周期的46.4%，主要分布在南印度洋的澳大利亞東部和南部海岸。

此外，在南大西洋，長壽反氣旋渦演變過程中有20%的冷的反氣旋渦持續時間超過3個月，而在南印度洋，約36%的暖的氣旋渦持續時間也超過3個月，且最長可達1年。然而，在其他海域，約90%的“異常”渦在轉變為“正常”渦旋狀態之前的持續時間不足3個月。

“異常”渦不僅在不同海域的持續時間不同，其垂直溫度結構也存在顯著差異。

研究表明，壽命小于3個月的冷暖渦受到風-渦相互作用的影響，其冷（暖）異常主要體現在上混合層，且在夏季比冬季更活躍。相反，壽命長于3個月的“異常”渦旋，如南大西洋的冷反氣旋渦和南印度洋的暖氣旋渦，在200米和300米以淺顯示出冷和暖異常，且季節變化較弱，這分別受潛沉過程和澳大利亞西海岸的特定的三維結構的影響。潛沉能夠將上混合層的低位渦水帶入到季節性混合層下方的溫躍層，導致表面強化的渦向次表面強化結構轉變，從而在海表表現為冷渦。

總之，該研究從全球尺度揭示了中尺度渦旋運動過程中表面和次表面熱力學特性的變化，并討論了它們的潛在機制。這為進一步加深對海洋中尺度渦的科學認知、優化海洋模式的精度提供了技術支持和理論依據。

該研究得到了國家自然科學基金山東省聯合基金、國家自然科學青年基金以及國家實驗室“十四五”重大項目資助。

論文相關信息：

https://doi.org/10.1016/j.dsr.2024.104279.?