副热带逆流与黑潮延伸体区域中尺度涡旋的三维结构特征及其垂向模态解析

本研究针对副热带逆流(STCC)和黑潮延伸体(KE)区域中尺度涡旋的三维结构特征不明的问题，通过复合分析与垂向模态分解方法，揭示了涡旋温度、盐度、密度和压力异常的垂向分布规律及主导模态。研究发现，反气旋涡在表层引发更强温盐异常但影响较浅，而气旋涡穿透更深；垂向结构主要由正压模态和第一斜压模态主导，其中正压模态贡献与涡旋穿透深度正相关。该成果为改进海洋动力过程参数化提供了理论依据。

　　

海洋中那些直径可达数百公里的巨大漩涡——中尺度涡旋（mesoscale eddies），堪称海洋里的“风暴系统”。它们像传送带一样在全球范围内输送热量、盐分和营养物质，对海洋环流甚至气候系统产生深远影响。然而，这些涡旋的立体结构究竟如何？不同区域的涡旋是否存在差异？这些问题长期以来困扰着海洋学家。尤其在副热带逆流（Subtropical Countercurrent, STCC）和黑潮延伸体（Kuroshio Extension, KE）这两个西北太平洋涡旋高发区，由于复杂的海洋环境相互作用，涡旋三维结构的认知仍存在显著空白。传统卫星观测虽能捕捉海表信号，却难以透视水下世界；而零星分布的浮标数据又难以构建系统性认知。

为破解这一难题，中国科学院海洋研究所的研究团队创新性地结合ARMOR3D三维海洋再分析数据和垂向模态分解方法，首次系统揭示了STCC与KE区域气旋涡（cyclonic eddies）和反气旋涡（anticyclonic eddies）的三维结构差异及其动力学机制。研究发现，反气旋涡在表层造成的温度异常（最高达0.95°C）比气旋涡（-0.70°C）更显著，但影响深度较浅；盐度异常则呈现独特的“双核”垂向结构。更关键的是，通过垂向模态分析揭示：涡旋能量80%由正压模态（barotropic mode，全水层一致运动）和第一斜压模态（first baroclinic mode，随深度变化运动）贡献，且正压模态在KE区域的占比（平均61%）显著高于STCC区域（53%），这直接解释了为何KE区域涡旋平均影响深度（613 m）比STCC区域（508 m）更深。该成果发表于《Journal of Marine Systems》，为改进海洋模式中涡旋参数化方案提供了关键理论支撑。

研究主要采用三项关键技术：基于卫星高度计和Argo浮标融合的ARMOR3D三维温盐场数据构建涡旋复合结构；运用EOF分解提取温度、盐度异常的垂向分布特征；通过求解Sturm-Liouville方程（描述波动现象的微分方程）计算正压/斜压模态贡献率。

温度异常特征
通过复合分析发现：表层最大温度异常中心相对涡旋核心向西（气旋涡）或西北（反气旋涡）偏移，而混合层以下异常呈准各向同性分布。KE区域涡旋温度异常强度是STCC区域的1.3-1.7倍，且反气旋涡的暖核位置较气旋涡的冷核更浅。

盐度与密度结构
海表盐度异常呈现西北偏移特征，其垂向“双核”结构与背景盐度场密切相关。密度异常与温度异常空间分布高度耦合，但受盐度异常调制在次表层出现显著分层。

压力异常与垂向模态
压力异常分析显示：STCC区域涡旋呈“表层强化”结构，而KE区域涡旋影响更深。模态分解表明，气旋涡的正压模态占比（STCC 55%，KE 63%）普遍高于反气旋涡（STCC 51%，KE 59%），这与其更大的穿透深度直接相关。

这项研究首次量化了中尺度涡旋三维结构的区域差异与模态控制机制。正压模态贡献率与涡旋穿透深度的正相关性（R²

0.7）为预测涡旋垂向影响范围提供了新指标。研究还指出，现有海洋模式中仅考虑前两阶模态的参数化方案在STCC等强斜压区域可能存在显著偏差。这些发现不仅深化了对海洋能量级联过程的理解，也为改进气候模式中的涡旋参数化方案提供了理论依据。未来研究需结合更高分辨率的原位观测，进一步解析涡旋内部动力-生物地球化学过程的耦合机制。