海洋所通過CPIES觀測陣列揭示海洋上層能量傳遞到深海的機(jī)制
海洋上層能量如何進(jìn)入深層海洋一直是海洋學(xué)研究中的重大難題,困擾科學(xué)家多年。它是理解氣候變化信號(hào)如何傳遞到深海,以及深海混合的關(guān)鍵所在。近日,中國科學(xué)院海洋研究所徐永生團(tuán)隊(duì)在該問題的研究中取得突破性進(jìn)展,研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Geophysical Research : Oceans。
風(fēng)驅(qū)動(dòng)大洋環(huán)流,而海洋層化則如同一個(gè)強(qiáng)大的屏障,將環(huán)流活動(dòng)限制在海洋上層。上層海洋環(huán)流的能量如何突破數(shù)千米的層化屏障,影響深層海洋,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上層與深層海洋之間的物質(zhì)與能量交換,是理解海洋系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制的核心問題之一。
徐永生團(tuán)隊(duì)通過分析覆蓋黑潮延伸體區(qū)域近40萬平方公里、連續(xù)兩年CPIES(攜帶海流計(jì)的PIES)陣列觀測數(shù)據(jù),揭示了上層環(huán)流能量向深海傳遞的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),海洋能量傳遞的關(guān)鍵在于上層環(huán)流的不穩(wěn)定性。當(dāng)上層環(huán)流處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化,引發(fā)環(huán)流重心垂直移動(dòng)。這種移動(dòng)導(dǎo)致上層水體出現(xiàn)輻聚或輻散,進(jìn)而改變相應(yīng)水柱的深層壓力。深層水體為了平衡壓力變化,會(huì)產(chǎn)生與上層相反的輻散或輻聚運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)能量由表層向深海的有效傳遞。這一基本物理過程理論上可發(fā)生于任何存在上層環(huán)流的海洋區(qū)域,為我們深入理解海洋垂向熱力學(xué)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制提供了新的視角。鑒于全球氣候變暖過程中,超過90%的多余熱量由海洋吸收和儲(chǔ)存,這一成果有望推動(dòng)更多關(guān)于該基礎(chǔ)物理過程及其對全球氣候系統(tǒng)影響的研究。
本文第一作者為徐永生研究員指導(dǎo)的研究生韓杰鴻,徐永生研究員為通訊作者。

(a)黑潮延伸體CPIES陣列;(b)環(huán)流能量深向傳遞示意圖(c)PIES陣列觀測到的黑潮延伸體不穩(wěn)定事件中的能量深向傳遞
該項(xiàng)研究成果得益于PIES陣列對上層和深層多種關(guān)鍵海洋動(dòng)力要素的長期、大范圍和同步觀測能力。PIES 是一種深海坐底式聲學(xué)觀測儀器,具有布放和回收簡便、成本較低、不受上層海洋環(huán)境影響的優(yōu)勢,適合大規(guī)模陣列化部署。PIES 陣列已廣泛應(yīng)用于海洋渦旋、內(nèi)波、地轉(zhuǎn)流以及三維溫鹽場等的觀測和研究。徐永生團(tuán)隊(duì)曾利用其自主研制的PIES觀測系統(tǒng),揭示了東沙群島附近在暖渦和臺(tái)風(fēng)影響下的溫鹽場變異及聲傳播特性,深入解析了該區(qū)域海洋聲學(xué)層深度和聲傳播損失場隨時(shí)間的變化規(guī)律,展現(xiàn)了PIES在海洋聲學(xué)場監(jiān)測與研究中的廣闊應(yīng)用前景。這一系列成果不僅證明了PIES的卓越觀測性能,還凸顯了海洋觀測能力的提升對科學(xué)研究與實(shí)踐活動(dòng)的巨大推動(dòng)作用。
文章信息:
[1]Han, J. & Xu, Y. et al. (2024). Deep kinetic energy response to the variability of the Kuroshio Extension. Journal of Geophysical Research: Oceans, 129(10), e2024JC020951.? https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JC020951.
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JC020951
[2] 郭平,徐永生等.基于PIES觀測東沙群島附近聲傳播變化[J].應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào), 2024, 43(2):333-341
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