近日，中科院海洋所王凡研究團(tuán)隊(duì)在中尺度渦旋引起海表面溫度異常的研究方面取得新進(jìn)展，成果在國際學(xué)術(shù)期刊《Journal of Geophysical Research: Oceans》在線發(fā)表。該研究通過資料分析和數(shù)值模擬厘定渦旋引起海溫異常的關(guān)鍵過程為側(cè)向平流，并指明渦旋移動(dòng)和背景流是決定海溫異常結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，成果對(duì)海洋渦旋動(dòng)力學(xué)和中尺度海-氣相互作用等領(lǐng)域具有一定啟示。
中尺度渦旋是海洋普遍的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，是海洋動(dòng)能的主要載體，在海洋物質(zhì)和能量分配中扮演重要角色。中尺度渦旋也是中尺度海溫變率的主要來源，并引發(fā)中尺度海-氣相互作用過程，對(duì)大尺度海洋環(huán)流和區(qū)域氣候具有重要的塑造作用。以往研究提出了中尺度渦旋引起海表面溫度異常（SSTA）的多個(gè)過程，但究竟哪個(gè)過程最為重要仍無定論。傳統(tǒng)觀點(diǎn)猜測(cè)，不同過程可能導(dǎo)致SSTA呈現(xiàn)不同的空間結(jié)構(gòu)。其中，偶極子型SSTA（在渦旋中心左右兩側(cè)有符號(hào)相反的兩個(gè)SSTA）主要由于渦旋的水平平流引起；而單極子型SSTA（位于渦旋中心，單一的暖或冷SSTA）主要由渦旋中心的垂直對(duì)流或者渦旋的非線性裹挾產(chǎn)生。但這些猜測(cè)一直未經(jīng)可靠的觀測(cè)分析證實(shí)。
王凡研究團(tuán)隊(duì)利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了北太平洋三大渦旋活躍區(qū)域：黑潮延伸體（KET）、副熱帶逆流（STCC）和北赤道逆流（NECC）。發(fā)現(xiàn)在KET和NECC區(qū)域渦旋SSTA接近單極子結(jié)構(gòu)，而在STCC海區(qū)SSTA更接近偶極子結(jié)構(gòu)。提出了衡量渦旋結(jié)構(gòu)的“結(jié)構(gòu)指數(shù)”（該指數(shù)越高越接近單級(jí)子，越低越接近偶極子），定量證實(shí)了以上特征（KET：0.95，STCC：0.65，NECC：0.78）。通過對(duì)比分析不同區(qū)域和不同季節(jié)，發(fā)現(xiàn)渦旋平流過程與渦旋SSTA的強(qiáng)度具有很高的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。進(jìn)而，團(tuán)隊(duì)獨(dú)立構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)化的渦旋平流模型，成功模擬了觀測(cè)中SSTA的時(shí)空特征，從而證實(shí)了渦旋側(cè)向平流是產(chǎn)生SSTA的關(guān)鍵過程。
上圖為北太平洋三大渦旋活躍區(qū)的渦致海表溫度異常（SSTA）結(jié)構(gòu)：（a）黑潮延伸體(KET)、（b）副熱帶逆流（STCC）、北赤道逆流（NECC）；
下圖給出觀測(cè)分析得出的SSTA與渦旋平流項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，且渦旋平流模型能夠較好模擬SSTA的經(jīng)向分布
那么側(cè)向平流如何產(chǎn)生單極子型SSTA呢？為了回答這一問題，團(tuán)隊(duì)利用模型運(yùn)行了大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分離了側(cè)向平流的四個(gè)子過程：攪拌、旋轉(zhuǎn)、輸送和平移，并摸清了它們對(duì)渦旋SSTA結(jié)構(gòu)的影響。攪拌能產(chǎn)生很強(qiáng)的純偶極子SSTA；旋轉(zhuǎn)則將這個(gè)偶極子結(jié)構(gòu)圍繞渦旋中心轉(zhuǎn)動(dòng)，且削弱其振幅；輸送（背景海流）和平移（渦旋的移動(dòng)）的作用類似，都能使得SSTA左極靠近渦旋中心，并削弱SSTA的右極，從而使SSTA更加接近單極子結(jié)構(gòu)。NECC區(qū)域的SSTA單極子結(jié)構(gòu)由渦旋快速向西移動(dòng)（平移）和較強(qiáng)的東向背景流（輸送）共同造就，而KET區(qū)域的單極子結(jié)構(gòu)主要由東向背景流（輸送）造成；STCC區(qū)域的輸送和平移過程都較弱，因此其渦旋SSTA表現(xiàn)更加接近偶極子結(jié)構(gòu)。這一成果完善了我們對(duì)中尺度海溫變率的認(rèn)識(shí)，具有很高的普適性，對(duì)海洋渦旋動(dòng)力學(xué)、中尺度海-氣相互作用和海洋數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)研究有一定參考意義。
渦旋側(cè)向平流的四個(gè)子過程示意圖：（a）攪拌、（b）旋轉(zhuǎn)、（c）輸送、（d）平移及它們對(duì)SSTA的作用
該論文由第一作者中科院海洋所博士研究生律明坤、通訊作者王凡研究員和李元龍研究員與中國海洋大學(xué)張正光教授、中科院海洋所朱亞楠博士共同合作完成。研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心重點(diǎn)部署項(xiàng)目資助。
文章信息：Lv, M., Wang, F.*, Li, Y.*, Zhang, Z., & Zhu, Y. (2022). Structure of sea surface temperature anomaly induced by mesoscale eddies in the North Pacific Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127, e2021JC017581. https://doi.org/10.1029/2021JC017581
