东澳大利亚流系20年拉格朗日浮标数据揭示的扩散特征及其对海洋生态系统的影响

研究人员利用20年全球浮标计划(GDP)数据，深入分析了东澳大利亚流系(EAC)的绝对/相对扩散特征，发现其符合准地转(SQG/QG)理论框架，但存在超扩散现象。该研究首次量化了EAC系统动态区域的异质性扩散系数，为理解西边界流(WBC)区域物质输运和生态连通性提供了关键物理基准。

　　

海洋中的物质扩散过程对热量、盐度和营养盐输送具有决定性作用，而西边界流(WBC)作为全球大洋环流的关键组成部分，其动态特性直接影响区域气候和生态系统。东澳大利亚流系(EAC)作为南太平洋最强的WBC之一，近年来正经历快速变化——分离点南移、涡旋活动增强，但对其扩散特征的量化研究仍存在显著空白。传统认知认为海洋扩散遵循准地转(QG)或表面准地转(SQG)理论框架，但在EAC这样的高能动态系统中，风浪强迫和涡旋相互作用可能导致异常扩散行为。

为填补这一知识缺口，研究人员基于NOAA全球浮标计划(GDP)历时20年、覆盖310个表面流速计划(SVP)浮标的观测数据，首次对EAC系统进行了多尺度扩散特征解析。研究创新性地结合单粒子统计(绝对扩散)和粒子对统计(相对扩散)方法，通过计算拉格朗日自相关函数、绝对扩散A²
、相对扩散D²
以及有限尺度李雅普诺夫指数(FSLE)等指标，系统揭示了EAC不同动态区域(射流区、分离区、涡场)的扩散机制。

关键技术方法包括：1) 利用1小时分辨率SVP浮标数据构建拉格朗日轨迹；2) 采用伪轨迹法消除平流效应；3) 通过分段回归识别扩散理论区间；4) 基于0.5°网格计算侧向涡扩散系数；5) 分季节(夏季11-3月/冬季5-9月)和深度(表面/15m)对比分析。

研究结果揭示：

1. 绝对扩散特征：在积分时间尺度T^L
   ≈1天后，表面浮标呈现超扩散现象(A²
   ∝t^1.38
   )，而15m深度接近正常扩散(A²
   ∝t^1.19
   )。冬季扩散率初始较低但后期增强，体现EAC射流季节性强弱变化的影响。

2. 相对扩散机制：0-10km分离尺度下，初期呈现指数增长(D²
   ∝e^t×1.67-2.91
   )，符合QG理论预测的非局部混合；而>10km尺度直接进入随机游走状态，反映大尺度涡旋主导作用。

3. 空间异质性：侧向涡扩散系数在分离区(33°S)达峰值3×10⁴
   m²
   s^-1
   ，夏季强度为冬季两倍。大陆架区域扩散系数显著低于外海，揭示EAC涡旋对跨陆架混合的有限渗透。

4. 动力学解释：FSLE分析显示<3km尺度存在λ=const的指数分离，3-100km尺度符合Richardson律(λ∝δ^-2/3
   )，证实EAC系统同时存在QG(准地转)和SQG(表面准地转)湍流特征。

结论部分强调，该研究建立了EAC系统扩散特征的观测基准：1) 首次量化了风应力对表面超扩散的贡献；2) 揭示夏季EAC射流增强可使33°S处涡扩散系数倍增；3) 证明需要发展能处理WBC区域各向异性扩散的新型参数化方案。这些发现对改进海洋模型中的生物地球化学输运模块、预测气候变化下海洋生态系统响应具有重要价值，相关成果发表在《Progress in Oceanography》上。

讨论指出，EAC与其它WBC(如墨西哥湾流)的扩散特征存在显著差异，这可能源于南半球WBC特有的风应力格局。未来研究需结合更高分辨率观测，以解析亚中尺度过程对扩散的贡献，特别是在气候变化导致WBC持续增强的背景下，这种精细化认知对管理海洋保护区和渔业资源至关重要。