海洋气旋分裂导致表层水体俯冲的观测研究

海洋中广泛存在的10-25公里直径气旋式涡旋对碳循环具有重要影响，但受限于观测手段，其动力学机制尚不明确。本研究通过地中海现场观测，首次捕捉到高叶绿素气旋涡自发分裂为两个子涡的过程，发现分裂期间产生60米/天的持续垂向流速，将富含碳的表层水体高效输送至透光层以下。研究通过理想模型重现分裂过程，揭示涡旋初始椭圆形态、尺度和强度是控制分裂的关键参数，为上层海洋俯冲机制提供了新认知。

　　

海洋中旋转的涡旋如同水下风暴，直径10-25公里的气旋式涡旋（cyclonic eddies）虽然从太空肉眼可见，却因体积小、演化快而长期缺乏直接观测。这些涡旋通过抬升营养盐触发藻华，在碳循环中扮演关键角色，但究竟如何影响表层水体向深海的输送，一直是海洋学界悬而未决的问题。

2022年2月，在地中海巴利阿里海的CALYPSO科考中，研究人员意外捕捉到一个直径20公里的高叶绿素气旋涡在5天内分裂为两个子涡的全过程。卫星影像显示，这个形如螺旋的涡旋（图1B）中心叶绿素浓度异常高，分裂时表层水体以每天60米的速度下沉，将富含浮游植物有机碳（POC）的水体输送至阳光无法到达的深度。这一现象在理想模型中得到完美复现（图2C），证实分裂过程源于涡旋的椭圆形态与高强度旋转的协同作用。

研究团队采用多平台协同观测策略：两艘科考船投放了106个漂流浮标、9个剖面浮标和2个自升降式观测平台，结合船载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）和快速剖面系统（EcoCTD），获取了2812组温盐深、叶绿素荧光和溶解氧剖面。通过四维变分同化技术（DIVAnd）构建了涡旋演变的立体地图，并开发了基于原始方程的非静力理想模型（Oceananigans），以48层垂向分辨率模拟分裂动力学。

观测发现：涡旋分裂伴随显著的等密度面下沉（图3A）。初始呈穹隆状的密度面被拉伸为"山脊"结构，中心区域在分裂时急剧下沉，同时涡度（ζ）在两端形成两个增强核心（图3B）。漂流浮标轨迹显示，分裂后的两个5公里子涡持续存在数周，其中南侧涡旋携带的高叶绿素特征尤为明显。

机制解析：理想模型揭示分裂受控于"气旋地转平衡"（cyclogeostrophic balance）（图4）。当水流绕过椭圆涡旋的狭窄端时，离心力与压力梯度失衡产生辐合（δ<0），通过涡管拉伸（vortex stretching）使气旋涡度（ζ>0）呈指数增长（公式2）。这种正反馈导致涡旋两端形成独立旋转核心，最终撕裂为两个子涡。参数实验表明，当涡旋罗斯贝数（Ro=U/fR）>0.5且椭圆率（λ）>1.5时，分裂必然发生（图5C）。

碳输送效应：分裂期间，中心区域垂向通量高达992±4 mgC m^-2 day^-1（图6D）。60米深度处的平均POC通量达126±24 mgC m^-2 day^-1（图6B），相当于北大西洋春季藻华期间混合层不稳定性引发的碳通量。剖面数据证实，分裂后透光层下方出现异常高叶绿素和低表观耗氧量（AOU）水体（图6E-F），表明新近发生的物理输送过程。

这项发表在《科学·进展》的研究首次揭示了亚中尺度涡旋分裂作为高效碳泵的机制。不同于传统认知的 anticyclonic 涡旋边缘俯冲，气旋涡通过分裂实现碳与垂向速度的时空耦合输送。该发现对理解海洋亚中尺度过程在气候系统中的作用具有里程碑意义：一方面，高罗斯贝数的亚中尺度涡旋更易分裂的特性，可能解释海洋动能从大尺度向小尺级的串级（cascade）；另一方面，分裂形成的亚中尺度相干涡旋（SCVs）可能成为生物地球化学变量的长效载体。研究者建议未来在全球范围量化此类事件的频率，以准确评估其对碳循环的贡献。