海洋所通過PIES陣列揭示多環(huán)境因子對近慣性內(nèi)波聯(lián)合調(diào)控機(jī)制
近日,中國科學(xué)院海洋研究所海洋觀測裝備研發(fā)與應(yīng)用研究組通過壓力傳感逆式回聲儀(PIES)觀測陣列,系統(tǒng)揭示了風(fēng)應(yīng)力、混合層深度與背景渦度等多重環(huán)境因子對近慣性內(nèi)波能量的聯(lián)合調(diào)控機(jī)制,相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Progress in Oceanography。
海洋內(nèi)波是連接大尺度環(huán)流與小尺度湍流的重要動力通道,在調(diào)控海洋物質(zhì)輸運(yùn)與能量傳遞方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,被廣泛認(rèn)為是理解全球海洋能量級聯(lián)與動力系統(tǒng)演變的關(guān)鍵物理過程。近慣性內(nèi)波是海洋內(nèi)波能量中最重要的組成部分之一,但其在區(qū)域尺度上的能量變化及主控機(jī)制,長期以來受限于觀測手段和空間覆蓋不足,難以得到定量刻畫。研究團(tuán)隊依托覆蓋黑潮延伸體約30萬平方公里、持續(xù)近2年的PIES陣列觀測,首次在觀測約束下系統(tǒng)描繪了近慣性內(nèi)波這一內(nèi)波能量主體在區(qū)域尺度上的時空變率特征。研究定量評估了風(fēng)致近慣性能量輸入(WNEF)、混合層深度(MLD)與背景相對渦度(ζ)三大環(huán)境因子對近慣性能量變化的相對貢獻(xiàn)。通過構(gòu)建多元線性回歸模型,研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)能輸入貢獻(xiàn)占比為39%,混合層深度為41%,背景渦度為20%。結(jié)果表明,風(fēng)應(yīng)力是近慣性能量的主要輸入來源,混合層則作為“能量蓄水池”發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,影響能量在垂向上的存儲與傳輸;而背景渦度通過“放大器效應(yīng)”,在反氣旋渦旋(負(fù)渦度)環(huán)境中顯著增強(qiáng)能量向深層的聚集與傳播。該研究實現(xiàn)了近慣性內(nèi)波能量研究從定性認(rèn)識向定量歸因的重要突破,為改進(jìn)海洋混合過程參數(shù)化方案提供了關(guān)鍵觀測依據(jù),也為深入理解海洋內(nèi)波能量的生成、調(diào)制及其向深海傳遞的物理機(jī)制奠定了堅實的觀測基礎(chǔ)。

PIES觀測到的近慣性振蕩內(nèi)波(NIWs)幅度變化(左);PIES陣列區(qū)域NIWs與WNEF、MLD和ζ之間的關(guān)系(右)
本研究成果的取得,核心在于充分利用了PIES陣列在大范圍、多要素同步觀測方面的獨特優(yōu)勢。PIES是一種深海坐底式聲學(xué)觀測儀器,部署靈活、運(yùn)行穩(wěn)定、成本相對可控且不受上層海況影響,通過反演PIES陣列能夠獲取高時空分辨率的四維(三維空間與時間)溫度、鹽度、地轉(zhuǎn)流及聲速場等關(guān)鍵海洋環(huán)境信息,是國際上開展大范圍海洋環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵裝備。研究團(tuán)隊長期致力于PIES的自主研發(fā)與應(yīng)用,不僅成功研制出了國產(chǎn)化PIES,還開發(fā)了全球首個具備遠(yuǎn)程水聲控制與數(shù)據(jù)傳輸功能的PIES系統(tǒng)——RT-PIES,實現(xiàn)了深遠(yuǎn)海環(huán)境下觀測設(shè)備的智能化控制與實時數(shù)據(jù)獲取。此外,團(tuán)隊通過觀測方案優(yōu)化與反演方法改進(jìn),將PIES陣列的觀測能力從海洋中尺度和內(nèi)波擴(kuò)展至亞中尺度和海浪。這些成果有效拓展了PIES觀測的科學(xué)內(nèi)涵與應(yīng)用場景,為我國構(gòu)建自主可控的海洋立體觀測體系提供了技術(shù)支撐。
本文第一作者為徐永生研究員指導(dǎo)的博士生穆玉蓉,徐永生研究員為通訊作者。本研究得到了基金委聯(lián)合基金與漢江國家實驗室開放基金的資助支持。
論文信息:
Mu,?Y.,Xu,Y.*,?et al. Variability of near-inertial internal wave energy in the Kuroshio Extension from CPIES array observations. Prog. Oceanogr.241,103650 (2026).?https://doi.org/10.1016/j.pocean.2025.103650
相關(guān)論文:
Han,J.,Xu,Y*. et al. Deep kinetic energy response to the variability of the Kuroshio Extension. Journal of Geophysical Research: Oceans,129(10),e2024JC020951(2024).??https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JC020951.
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,?43(2):?333-341 (2024).
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