我校教师在《Science Advances》发文揭示海洋公里级尺度动力过程引起的物质扩散效应

近日，我校海洋学院曹海锦教授等依托国家自然科学基金委员会共享航次计划的重大科学考察航次（584航次），在海洋涡旋区域开展了大规模漂流浮标组阵观测，揭示了亚中尺度过程引起的涡旋物质泄漏和扩散作用，相关成果以“Direct observations of submesoscale turbulence driving mesoscale eddy leakage”为题，发表在国际高水平学术期刊《Science Advances》上。

海洋中尺度涡旋在全球大洋普遍存在，能够影响热量、盐分、营养物质及污染物的输运。传统观点普遍认为，中尺度涡旋具有较强的封闭性，能够长时间携带水体及其内部物质迁移。然而，涡旋内部与周边海水是否会发生水体交换，以及更小尺度过程在其中发挥怎样的作用，长期以来缺乏直接观测证据。针对这一科学问题，在基金委共享航次计划的支持下，研究团队在南海一处反气旋中尺度涡旋边缘，开展了高分辨率漂流浮标组阵观测实验，共布放242个漂流浮标，并通过不同水深的观测设计，同时追踪混合层及次表层海水的运动（图1）。部分浮标初始间距小于1公里，能够捕捉传统卫星高度计产品难以解析的亚中尺度运动。

图1 南海涡旋漂流浮标组阵观测示意图

该研究深入分析了漂流浮标阵列在随着涡旋旋转过程中发生的辐聚辐散特征（图2），从拉格朗日的角度揭示了涡旋边缘亚中尺度湍流引起涡旋内外物质交换的重要作用。在此基础上，基于相对扩散的分析，量化了亚中尺度过程引起的扩散效应。

图2 漂流浮标运动轨迹（填色为GLORYS数据的温度梯度）

研究发现，亚中尺度湍流能够显著增强涡旋径向扩散，促使涡旋核心与外围之间发生水体交换，持续削弱涡旋的封闭性。观测估算的亚中尺度水平扩散率量级约为10-100 m2/s的量级（图3）。研究还揭示了锋面附近强烈的流场辐聚辐散及水平应变等特征，表明亚中尺度过程是驱动涡旋内物质泄漏的重要动力机制，且这一作用不仅存在于海洋混合层，也存在于次表层。通过漂流浮标组阵观测实现了对涡旋内亚中尺度运动及其物质输运效应的直接观测，为认识海洋多尺度动力过程之间的相互作用提供了新的观测证据。研究成果有助于深化对海洋热量、营养盐及污染物输运规律的理解，并为改进海洋环流与气候模式中小尺度过程的表征提供科学依据。

图3 不同尺度的扩散率和亚中尺度扩散率统计

河海大学曹海锦教授为论文第一作者，中科院南海海洋研究所经志友研究员为通讯作者，合作者包括美国布朗大学Baylor Fox-Kemper教授、美国夏威夷大学Bo Qiu教授、挪威奥斯陆大学Joseph H. Lacasce教授、中科院南海海洋研究所闫桐副研究员等。研究得到国家自然科学基金青年A类项目（42225602）、B类项目（42622603）、重点项目（42530403）、共享航次（42349584）等项目资助。

论文信息：

Haijin Cao, Zhiyou Jing, Baylor Fox-Kemper, Bo Qiu, Joseph H. Lacasce, Tong Yan (2026). Direct observations of submesoscale turbulence driving mesoscale eddy leakage. Science Advances, 12, eaef8067. http://10.1126/sciadv.aef8067

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef8067