高分辨率漂流器集群直接观测亚中尺度湍流驱动中尺度涡旋泄漏

《SCIENCE ADVANCES》：Direct observations of submesoscale turbulence driving mesoscale eddy leakage

　　

对海洋输运和物质归趋的理解长期依赖主要解析中尺度、且大体为地转（geostrophic）流的观测，使亚中尺度湍流（submesoscale turbulence）的作用相对缺乏观测且认识不足。研究人员利用新的高分辨率漂流器集群实验（最近初始间距小于1 km），提供直接拉格朗日（Lagrangian）观测，揭示亚中尺度湍流如何改变中尺度涡旋（mesoscale eddies）相干性和输运路径。集群漂流器解析出强烈的、瞬态非地转（ageostrophic）运动，这些运动从根本上缺席于涡旋行为的地转描述。在涡旋中心参考系中分析，观测揭示显著的亚中尺度驱动径向弥散，促进混合层（mixed layer）和次表层（subsurface）中涡旋核心与外围之间大量水体交换。定量估计表明亚中尺度水平扩散率（diffusivity）为O(10至100) m²/s，并呈现跨亚中尺度的非局地弥散区制（nonlocal dispersion regime）。这些结果挑战了将中尺度涡旋视为包含持续水体的相干结构的传统观点，对解释和预测海洋中示踪物的输运和归趋具有广泛意义。

研究背景方面，海洋中热、盐、营养盐、碳、污染物及其他示踪物的输运与再分配，由盆地尺度环流、中尺度涡旋和亚中尺度湍流等多尺度过程相互作用所塑造，进而影响海洋层结、生物地球化学路径、气候系统和海洋生态系统。然而，当前海洋输运观测评估主要依赖低分辨率卫星高度计，主要解析中尺度、地转运动，因而常将中尺度涡旋解释为可长期捕获并输送水体的相干涡旋，并将显著的拉格朗日相干结构（Lagrangian coherent structures, LCSs）视为有效输运边界。问题在于，亚中尺度过程空间尺度小、瞬态且寿命短，直接观测困难；SWOT等卫星任务虽提供亚中尺度许可的海表面高度（sea surface height, SSH）测量，但采样间歇且难以由SSH推断非地转速度；多数漂流器弥散研究给出总体统计量，难以隔离亚中尺度收敛和径向搅拌等具体动力过程。因此，需要专门设计针对中尺度涡旋内亚中尺度动力学的现场实验。研究人员在南海（South China Sea, SCS）一反气旋中尺度涡旋内开展高分辨率漂流器集群实验，在混合层和次表层获得拉格朗日测量，并在涡旋中心参考系中量化亚中尺度驱动弥散和扩散率、诊断非地转流特征。研究得出，亚中尺度湍流主动驱动涡旋核心与外围之间的示踪物交换，持续侵蚀中尺度涡旋相干性；这挑战了将中尺度涡旋视为地转平衡下物质保守涡旋的长期观点，识别出涡旋泄漏的关键物理机制，对海洋输运、生物地球化学循环和污染物归趋具有广泛意义。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。

关键技术方法（≤250字）：2025年3月20日至4月15日，研究人员在南海一反气旋中尺度涡旋布放242个漂流器，形成三组集群：EXP15-1（53个，15 m伞锚，初始间距约2.5 km）、EXP15-2（65个，15 m伞锚，约0.6 km）和EXP75（33个，75 m伞锚，约4 km，有效深度约60–70 m）；全球定位系统（GPS）约10 min定位，质控后使用小时位置和速度，约80%轨迹高质量。分析采用涡旋中心参考系分解径向/方位向相对扩散与扩散率，四点漂流器组法估算涡度（ζ）、散度（δ）和应变率（S），由轨迹计算有限时间李雅普诺夫指数（FTLE_drifters）并与SSH地转FTLE_geo比较；辅以哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）温度场和TRIAXUS拖体剖面。

研究结果如下。（1）独特设计的漂流器集群实验：通过三组不同深度和初始间距的漂流器集群，在涡旋核心至外围同步采样，并利用涡旋中心参考系和密集速度观测，得出该设计可同时观测混合层与次表层亚中尺度弥散、分解径向和方位向分量并直接估算局地水平速度梯度的结论。（2）聚集与弥散特征：通过漂流器轨迹、CMEMS温度锋和SSH等值线分析，EXP15-1早期受涡旋旋转控制，约72小时后被 sharp front 重组为窄丝状体并向涡旋核心侵入；EXP15-2在涡旋西北扇区扩散增强；EXP75分裂为两组，一组涡内旋转，另一组向外输运并最终逃逸，得出亚中尺度收敛/发散和锋面过程形成涡旋泄漏路径的结论。（3）相对扩散：通过漂流器配对相对扩散及径向（D_r）和方位向（D_a）分解，并与地转合成轨迹比较，EXP15-1在48–72小时出现锋面收敛导致的D_r暂时降低，随后快速径向扩展；r₀ < 5 km子集显示地转轨迹显著低估观测弥散，径向分量被亚中尺度运动增强；EXP15-2方位向主导、径向较弱，得出亚中尺度湍流在涡旋外围示踪物分散中起关键作用的结论。（4）亚中尺度过程增强的流动变形：通过小时漂流器轨迹计算FTLE_drifters并与FTLE_geo比较，FTLE_drifters约高2至3倍，正负峰对应沿锋拉伸和径向收缩，得出亚中尺度非地转运动增强局地变形、破坏中尺度涡旋相干性的结论。（5）亚中尺度扩散率：通过选取r₀ < 10 km漂流器对计算亚中尺度相对扩散率（K_sm）及其径向（K_sm,r）和方位向（K_sm,a）分量，发现K随分离尺度约按r²增长，呈非局地区制，且观测高于地转合成；EXP15-1平均绝对值分别为148.1、109.0和71.9 m²/s，EXP15-2为121.4、58.7和106.4 m²/s，EXP75为105.2 m²/s；负扩散率频繁出现指示间歇收敛，得出亚中尺度扩散率为O(10至100) m² s^?1、径向分量可促进跨涡交换的结论。（6）潜在亚中尺度动力学：通过四点组法计算ζ/f、δ/f和S/f，混合层|ζ/f|可达4，伴随强散度和收敛；负涡度频繁出现，低通滤波后仍可见ζ/f < ?1，联合涡度—应变分布显示应变主导区制（S > |ζ|，当|ζ/f| > 1），更可能反映应变主导的锋面动力学和丝状化而非亚中尺度涡旋；EXP75次表层虽更平衡，但仍记录|ζ/f| > 1和强应变率，弱层结降低局部理查森数（Richardson number）有利于亚中尺度不稳定，内波可能混叠速度梯度，得出中尺度涡旋内混合层和次表层亚中尺度湍流由多机制相互作用并驱动垂向示踪物交换的结论。

讨论部分总结：直接观测海洋亚中尺度流仍极罕见；该研究通过专门设计的高分辨率漂流器集群实验，提供反气旋中尺度涡旋内亚中尺度湍流的直接拉格朗日观测，捕捉混合层和次表层聚集与弥散及亚中尺度散度/收敛信号。观测显示大罗斯贝数（Rossby number，以|ζ/f|为代理）的强非地转运动驱动亚中尺度搅拌和弥散，促进涡旋核心与外围的侧向示踪物交换，表明亚中尺度湍流主动破坏中尺度相干性，挑战中尺度涡旋为动力隔离、保守涡旋的传统地转观点；基于持久LCS的输运框架在此条件下可能失效，但这并不否定LCS理论，而说明其存在能量亚中尺度非地转运动时适用性受限。研究给出直接定量的亚中尺度相对弥散和扩散率估计，较小亚中尺度尺度上扩散率更低，符合更强间歇性和更弱弥散；短时窗口内亚中尺度运动产生散度和收敛，径向与方位向扩散率可比，但涡旋环境中方位向弥散易被中尺度拉伸和剪切弥散放大；增强的涡旋外围径向弥散促成水体、热量和生物地球化学示踪物不可逆泄漏。亚中尺度流高度非地转，强水平散度/收敛与垂向运动联系；应变主导区制中锋生和丝状化活跃，可锐化密度梯度、增强侧向剪切并促成次级环流，对营养盐供给、生态系统功能和碳循环有影响；该区制也意味着从中尺度向亚中尺度前向能量通量，可能是涡旋耗散路径。亚中尺度运动强度受风应力和浮力通量等随时间变化表面强迫调制，也受涡旋生命阶段控制。局限包括漂流器数量有限、非完美拉格朗日、高频内波（尤其次表层）可能混叠，近惯性运动不明显但内波可能增强剪切并间接贡献侧向弥散。结论翻译：总体而言，这些观测为理解中尺度涡旋内亚中尺度湍流的结构和动力学提供了新认识。这种湍流驱动涡旋泄漏的作用是一个尚未被广泛认识的基本物理过程。尽管当前发现基于单个观测案例，但该机制预期在有利动力条件下广泛存在，因为海洋水色影像中经常观察到与亚中尺度活动相关的类似表层特征。然而，量化亚中尺度过程对涡旋泄漏的全球影响仍是一项重大挑战。在改进地球系统和气候模式中海洋搅拌与物质交换表征方面，考虑这些过程至关重要。