湍流等密度面混合主导中层海洋水团的热盐转化过程

《Nature Communications》：Turbulent isopycnal mixing dominates thermohaline transformations of intermediate ocean waters

语 本研究针对海洋中尺度涡旋对热盐输运的“隐藏”作用，通过结合水团转化与 Temporal-Residual-Mean 框架，首次利用人工智能方法直接估算湍流扩散系数，揭示了1000米深度以等密度面混合为主导的热盐转化机制。结果表明，等密度面热盐转化强度是垂向混合的3-5倍，且67%集中于南大洋，强调了空间异质性与各向异性扩散在气候模型中的关键意义。

　　

海洋作为地球气候系统的“调节器”，通过储存热量和调控水循环，在年际至世纪尺度上深刻影响全球气候。然而，海洋内部由中尺度涡旋驱动的湍流混合过程，尤其是沿等密度面的热盐输运，长期以来因难以直接观测而被称为“隐藏的转化”。传统研究多关注垂直方向上的水团交换（diapycnal mixing），但等密度面混合（isopycnal mixing）因其不改变密度场，对环流动力学几乎无痕，却可能主导热和淡水的再分布。这一认知空白限制了气候模型对海洋吸热和淡水循环的精准模拟。

为揭开这一“隐藏”过程的神秘面纱，Florian Sévellec 团队在《Nature Communications》发表最新研究，通过融合水团转化理论与 Temporal-Residual-Mean 框架，并借助人工智能技术直接估算湍流扩散系数，首次基于原位观测量化了1000米深度等密度面上的热盐转化。研究发现，等密度面热盐转化的强度远超垂向混合，其中温度转化和盐度转化分别达到后者的3倍和5倍，且67%的转化发生在仅占全球海洋面积31%的南大洋。这一结果凸显了等密度面扩散的空间异质性与各向异性特征，对完善气候模型参数化具有里程碑意义。

关键技术方法

研究团队基于 Argo 浮标深层位移数据，采用人工智能中的类比方法（Analog Method）重构湍流速度场，直接估算了空间异质且各向异性的等密度面扩散系数张量；结合 ISAS17 网格化温盐数据，利用 Temporal-Residual-Mean 框架分离平流与混合效应，计算沿中性密度面的热盐转化率与水团转化通量；通过对比简化扩散系数（如均匀各向同性模型）与另两组观测数据（Groeskamp 和 Roach 数据集），验证了结果的稳健性。

研究结果

1. 等密度面湍流扩散的效应

在1000米深度（接近大西洋经向翻转环流无运动层），等密度面温盐梯度显著。研究显示，湍流扩散引起的温度与盐度变化率量级分别为每年数开尔文和每千克十分之几克，主要分布于南大洋和北大西洋西部。

2. 温度与盐度变化率

南大洋极锋区及北大西洋湾流区域是变化率的高值区。例如，南极中层水（AAIW）的冷淡水团与红海-波斯湾中层水（RSPGIW）的暖盐水团在等密度面上发生强烈混合，导致AAIW部分区域冷却淡化，而RSPGIW残留水体增温盐化。

3. 水团转化

等密度面混合引起的水团转化通量达±2 Sv（1 Sv=10⁶ m³·s^-1），但其对密度的影响因热盐补偿效应（spiciness）而微弱。南大洋的AAIW、绕极深层水（CDW）和南极底层水（AABW）是转化核心区域，北大西洋的地中海水（MW）与北大西洋深层水（NADW）边界亦存在显著转化。

4. 扩散系数数据集的稳健性

对比简化扩散模型发现，忽略空间异质性会低估转化强度达53%，而忽略各向异性则导致过度估计48%。另两组独立数据（Groeskamp 与 Roach）虽仅提供跨流扩散系数，但转化趋势与本研究一致，佐证了核心结论的可靠性。

结论与意义

本研究首次通过直接观测证实，海洋中层等密度面湍流混合是热盐转化的主导机制，其强度远超传统认知的垂向混合。这一“隐藏”过程虽不改变密度场，却通过热盐补偿效应驱动着全球热量和淡水的再分配，尤其在南大洋和北大西洋关键水团中扮演核心角色。研究强调，当前气候模型若忽略扩散系数的空间异质性与各向异性，将严重低估海洋对气候变化的响应能力。随着全球变暖加剧中尺度涡活动，等密度面混合的强化可能进一步调制海洋热吸收与淡水循环格局，未来需在全深度层面拓展此类观测，以提升气候预测的准确性。