海洋所在海洋上層亞中尺度不穩(wěn)定研究方面取得進展
近日,中國科學(xué)院海洋研究所王凡團隊劉傳玉研究組攜手加州大學(xué)洛杉磯分校James C. McWilliams教授,在全球海洋上層亞中尺度斜壓不穩(wěn)定方面提出新的理論認知,在美國地球物理學(xué)會權(quán)威期刊Journal of Geophysical Research: Oceans發(fā)表系列研究成果。
亞中尺度運動,水平尺度約為 1–10 公里,廣泛分布于上層海洋,是大尺度平衡動力過程與小尺度非平衡湍流之間的重要中介。這類運動的形態(tài)復(fù)雜,既包括準地轉(zhuǎn)動力學(xué)主導(dǎo)的亞中尺度斜壓不穩(wěn)定和渦旋,也包括由非地轉(zhuǎn)機制驅(qū)動的鋒生、對稱不穩(wěn)定等現(xiàn)象,準確理解亞中尺度動力過程及其影響,是當(dāng)前物理海洋學(xué)研究的重要前沿方向。
在該系列的第一篇論文中,團隊提出了海洋上層斜壓不穩(wěn)定主要由Charney型不穩(wěn)定主導(dǎo)的觀點,并給出了不穩(wěn)定特征垂向尺度的定義方法?;诩竟?jié)氣候態(tài)WOA23(World Ocean Atlas 2023)數(shù)據(jù)集,采用線性穩(wěn)定性分析方法,系統(tǒng)分析了上層海洋Charney型亞中尺度斜壓不穩(wěn)定(C-SBCI)的擾動生長率、水平尺度與垂向結(jié)構(gòu)特征,指出C-SBCI 具有典型的表層強化、隨深度衰減的振幅分布特征,但衰減范圍不僅僅局限于混合層之內(nèi);進一步通過準地轉(zhuǎn)位渦梯度的垂向分布特征,提出了一種定義和量化了 C-SBCI 的特征垂向尺度(Charney depth)的方法(圖1)。通過將 Charney depth與混合層深度(MLD)進行比較,發(fā)現(xiàn)全球約 20% 的 C-SBCI 能夠穿透混合層并影響更深層的海洋內(nèi)部(圖2)。這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)的混合層斜壓不穩(wěn)定(MLI)主要以Eady型為主導(dǎo)、并局限于混合層之內(nèi)的認知(圖1),為深入理解亞中尺度能量輸運和物質(zhì)通量提供了新的科學(xué)依據(jù)。

圖1. (a) Charney型亞中尺度不穩(wěn)定(C-SBCI)的垂向結(jié)構(gòu)示意圖;(b)混合層不穩(wěn)定(MLI)的垂向結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. (a)和(c)Charney型亞中尺度斜壓不穩(wěn)定(C-SBCI)垂向尺度(Charney depth)的全球分布特征,(b)和(d)Charney depth和混合層深度)(MLD)的對比,顏色表示發(fā)生率
在該系列的第二篇論文中,團隊揭示了與C-SBCI相關(guān)的斜壓能量分布規(guī)律與轉(zhuǎn)化過程,并提出了C-SBCI特征時空尺度的量化方案。研究表明,C-SBCI引起的側(cè)向和垂向渦旋浮力通量變化主要集中在 Charney depth之上,表明該過程主要依賴于 Charney depth 之上的背景斜壓結(jié)構(gòu),并將該層次的有效位能轉(zhuǎn)化為渦動能(圖3)。進一步提出了一套基于背景海洋狀態(tài)估算C-SBCI 的生長率、水平尺度以及傳播速度的計算方案(圖4),并利用WOA23數(shù)據(jù)刻畫了上述參數(shù)的全球分布及季節(jié)變異特征。該成果不但加深了對上層海洋亞中尺度不穩(wěn)定引起的能量轉(zhuǎn)移過程的理解,還為海洋上層亞中尺度渦致混合參數(shù)化提供了理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù),具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

圖3. (a)側(cè)向渦致浮力通量的垂向結(jié)構(gòu)示意圖;(b)垂向渦致浮力通量的垂向結(jié)構(gòu)示意圖

圖4. 基于Charney depth、有效位能以及局地科氏參數(shù)估算全球海洋C-SBCI成長率及特征水平尺度
中國科學(xué)院海洋研究所博士后馮嶺為論文第一作者,劉傳玉研究員為通訊作者,合作者還包括美國加州大學(xué)洛杉磯分校James C. McWilliams教授和中國科學(xué)院海洋研究所王凡研究員。本研究得到了國家自然科學(xué)基金(42406017,42430403)、國家重點研發(fā)計劃(2022YFF0801404)、中國博士后科學(xué)基金(2022M713178)及國家留學(xué)基金委的資助。
論文信息:
Feng, L., Liu, C.*, McWilliams, J. C., & Wang, F. (2025). Global distribution and seasonal variations of Charney‐type submesoscale baroclinic instabilities (C‐SBCIs). Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2024JC022103. https://doi.org/10.1029/2024JC022103
Feng, L., Liu, C.*, McWilliams, J. C., & Wang, F. (2025). Scaling estimation for growth rate and horizontal wavelength of Charney‐type submesoscale baroclinic instabilities (C‐SBCIs). Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2024JC022104. https://doi.org/10.1029/2024JC022104
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