近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室（LTO）經(jīng)志友團(tuán)隊，在南海亞中尺度動力不穩(wěn)定的高頻變化特征、物理機(jī)制及其垂向熱輸運定量貢獻(xiàn)等觀測研究方面取得新進(jìn)展，研究成果先后發(fā)表于國際期刊《Geophysical Research Letters》，合作者包括南海海洋研究所博士后鄭瑞璽、河海大學(xué)副教授曹海錦和美國布朗大學(xué)教授Baylor Fox-Kemper。

海洋亞中尺度過程通過非地轉(zhuǎn)動力不穩(wěn)定，驅(qū)動地轉(zhuǎn)能量正向串級與耗散，并顯著增強(qiáng)熱量、營養(yǎng)鹽等要素的垂向交換，在海洋物質(zhì)能量循環(huán)和海-氣相互過程中扮演了不可或缺的重要作用。本研究基于南海高分辨率現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合理論分析，揭示了亞中尺度動力不穩(wěn)定的高頻變化機(jī)制及其對垂向熱輸運的定量貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，南海混合層對稱不穩(wěn)定的晝夜高頻變化，主要是由大氣非絕熱強(qiáng)迫所驅(qū)動，而非風(fēng)場強(qiáng)迫（down-front wind forcing）。夜間海表冷卻驅(qū)動的邊界層浮力損失，通過增強(qiáng)亞中尺度動力不穩(wěn)定和垂向次級環(huán)流，引起約60%的混合層亞中尺度再層化。

進(jìn)一步基于國家基金委共享航次計劃重大科學(xué)問題航次的觀測研究表明，海洋渦旋海域普遍存在的鋒面亞中尺度過程引起的垂向凈熱通量高達(dá)100 W/m2，比經(jīng)典地轉(zhuǎn)理論和傳統(tǒng)認(rèn)識的中尺度貢獻(xiàn)大1-2個量級，且影響深度深達(dá)150米海洋次表層，對上層海洋具有顯著的加熱效應(yīng)。

上述研究首次基于高時空分辨率現(xiàn)場觀測定量揭示了海洋亞中尺度動力不穩(wěn)定的快速變化機(jī)制及其對垂向熱輸運的重要貢獻(xiàn)，明確了大氣非絕熱強(qiáng)迫的關(guān)鍵調(diào)控作用，對進(jìn)一步深入認(rèn)識和理解海洋亞中尺度動力過程及其生態(tài)氣候效應(yīng)、海洋與氣候模式的亞中尺度參數(shù)化改進(jìn)，以及助力“海洋亞中尺度動力學(xué)”前沿方向發(fā)展等具有重要科學(xué)意義。

該研究主要由國家自然科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金共享航次計劃資助完成。

圖1 （a）南海高時空分辨率現(xiàn)場觀測；（b）TRIAXUS拖體高分辨率觀測溫度剖面；（c）渦旋活躍海域位溫波數(shù)譜

圖2 （a）海表浮力通量、側(cè)向浮力梯度與動力不穩(wěn)定的晝夜變化；（b）亞中尺度不穩(wěn)定再層化效應(yīng)與小尺度混合去層化效應(yīng)；（c）多尺度垂向熱通量及其波數(shù)譜

論文信息：Ruixi Zheng and Zhiyou Jing* (2024). Diurnal variability of mixed layer overturning instabilities from glider array observations in the South China Sea. Geophysical Research Letters,51 (11),e2023GL107694. https://doi.org/10.1029/2023GL107694

Haijin Cao,Zhiyou Jing*,and Baylor Fox-Kemper (2024). Scale-dependent vertical heat transport inferred from quasi-synoptic submesoscale-resolving observations. Geophysical Research Letters,51 (12),e2024GL110190. https://doi.org/10.1029/2024GL110190