海洋所系統(tǒng)解釋全球海洋中尺度渦海表熱力信號變化特征及機(jī)理
近日,中國科學(xué)院海洋研究所李曉峰研究團(tuán)隊(duì)基于多源遙感和實(shí)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)揭示了全球海洋中尺度渦在運(yùn)動(dòng)過程中的海表熱力信號變化特征,并闡明其產(chǎn)生機(jī)理。成果以封面文章形式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《深海研究I》(Deep Sea Research Part I)。

圖1?海洋中一長壽反氣旋渦運(yùn)動(dòng)過程中的海表及次表層參數(shù)變化
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(shí)也是海洋物質(zhì)能量輸送和混合的關(guān)鍵紐帶。傳統(tǒng)觀念中,反氣旋渦被認(rèn)為是暖渦(SWAEs),而氣旋渦被認(rèn)為是冷渦(SCCEs)。然而,隨著海洋遙感觀測技術(shù)的發(fā)展,表面冷的反氣旋渦(SCAEs)和暖的氣旋渦(SWCEs)在多個(gè)海域被發(fā)現(xiàn)。已有研究主要關(guān)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?!睖u旋(即SCAEs和SWCEs)與“正常”渦旋(即SWAEs和SCCEs)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律和生成機(jī)制。
李曉峰研究團(tuán)隊(duì)基于多源遙感數(shù)據(jù),利用深度學(xué)習(xí)算法提取全球海洋中的“異?!敝谐叨葴u,并結(jié)合Argo實(shí)測數(shù)據(jù),研究全球海洋長壽渦(>1年)在運(yùn)動(dòng)過程中“正?!睖u和“異?!睖u的轉(zhuǎn)變規(guī)律和機(jī)制。結(jié)果顯示,SCAEs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SWCEs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SCAEs持續(xù)時(shí)間超過3個(gè)月,而在南印度洋,約36%的SWCEs持續(xù)時(shí)間也超過3個(gè)月,且最長可達(dá)1年。然而,在其他海域,約90%的“異常”渦在轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢!睖u旋狀態(tài)之前的持續(xù)時(shí)間不足3個(gè)月。
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圖2?全球長壽反氣旋渦(LAEs,a)和長壽氣旋渦(b)軌跡分布圖。同一軌跡出現(xiàn)不同顏色代表渦旋運(yùn)動(dòng)過程中海表熱力信號發(fā)生變化。
“異常”渦不僅在不同海域的持續(xù)時(shí)間不同,其垂直溫度結(jié)構(gòu)也存在顯著差異。研究表明,短壽命(<3個(gè)月)的SCAEs(SWCEs)受到風(fēng)-渦相互作用的影響,其冷(暖)異常主要體現(xiàn)在上混合層,且在夏季比冬季更活躍。相反,長壽命(>3個(gè)月)的“異常”渦旋,如南大西洋的SCAEs和南印度洋的SWCEs,在200米和300米以淺顯示出冷和暖異常,且季節(jié)變化較弱,這分別受潛沉過程和澳大利亞西海岸的Leeuwin Current System(LCS)特定的三維結(jié)構(gòu)的影響。潛沉能夠?qū)⑸匣旌蠈拥牡臀粶u水帶入到季節(jié)性混合層下方的溫躍層,導(dǎo)致表面強(qiáng)化的AEs向次表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,從而在海表表現(xiàn)為冷AEs(圖3b第二列)。而LCS由上層(淺于300米)的暖東向流和下層(深于300米)的冷西向流所主導(dǎo),影響該海域的CEs的垂直溫度結(jié)構(gòu),使其在300米以淺觀測到暖異常(圖3a最右列)??傊撗芯繌娜虺叨冉沂玖酥谐叨葴u旋運(yùn)動(dòng)過程中表面和次表面熱力學(xué)特性的變化,并討論了它們的潛在機(jī)制。這為進(jìn)一步加深對海洋中尺度渦的科學(xué)認(rèn)知、優(yōu)化海洋模式的精度提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

圖3?全球五個(gè)海域“正?!睖u和“異?!睖u垂向溫度剖面圖
論文第一作者是中國科學(xué)院海洋研究所助理研究員劉穎潔,通訊作者為李曉峰研究員,其他合作者包括中國科學(xué)院海洋研究所劉傳玉研究員和劉倩博士。研究得到了國家自然科學(xué)基金山東省聯(lián)合基金、國家自然科學(xué)青年基金以及國家實(shí)驗(yàn)室“十四五”重大項(xiàng)目資助。
相關(guān)論文信息:
[1] Liu, Y., Zheng, Q., & Li, X. (2021). Characteristics of global ocean abnormal mesoscale eddies derived from the fusion of sea surface height and temperature data by deep learning. Geophysical Research Letters, 48(17), e2021GL094772, https://doi.org/10.1029/2021GL094772
[2] Liu, Y., Li, X., Liu, C., & Liu, Q. (2024). Transitions in surface thermal signatures during the evolution of long-lived eddies in the global ocean. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 104279, https://doi.org/10.1016/j.dsr.2024.104279.?
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