从拉格朗日视角探讨典型叶绿素结构对中尺度涡旋的响应

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：Lagrangian Perspective on the Response of Typical Chlorophyll Structures to Mesoscale Eddies

三维粒子追踪揭示中尺度涡旋通过水体循环交换和垂直运动驱动叶绿素结构时空演变，其生命周期分为形成（约7天）、维持（第三天浓度峰值）和衰亡（向下运动伴随浓度下降）三阶段，560例统计显示涡旋动力机制主导叶绿素结构动态，为海洋能量-物质耦合提供新视角。

　　

刘一凡|夏琼|曹慧|陈泽凯

中国湛江524088，广东海洋大学电子与信息工程学院海洋技术系

摘要

从拉格朗日视角出发，采用三维粒子追踪方法研究典型叶绿素结构的时空演化过程，这些过程受到中尺度涡旋通过平流传输和垂直运动的影响。研究结果表明，典型叶绿素结构的形成和维持是由涡旋介导的水团循环交换驱动的，这种循环交换促进了三维流场中的持续垂直混合，而不仅仅是由被动平流造成的。在这一过程中，水团以离散批次的形式依次进入叶绿素结构。每个批次可以分为上升、准静态和下降状态，它们之间的相对优势会随时间变化。全面分析揭示了叶绿素结构生命周期中的不同阶段动态特征，该生命周期可以分为形成、维持和衰减三个阶段。对560个叶绿素结构的统计分析表明，维持阶段通常持续约7天，在第三天左右叶绿素浓度显著增加。衰减阶段的特点是颗粒主要向下运动，同时叶绿素浓度下降。从拉格朗日角度来看，本研究阐明了在中尺度涡旋影响下典型叶绿素结构的形成和演化机制，为海洋能量-物质耦合过程提供了新的见解。

引言

中尺度涡旋是全球海洋中的普遍现象，其特征空间尺度为50至500公里，寿命从几周到几个月不等。它们的动能通常比大多数区域的平均环流大一个数量级，因此在塑造大尺度海洋环流、区域能量预算、水团分布以及热量、盐分和营养物质的输送中起着关键作用（Chelton等人，2011；Xiu等人，2011）。通过旋转和平移运动，中尺度涡旋有效地搅动和输送水团。先前的研究表明，涡旋引起的表面电流可以将浮游植物从周围水域输送过来，并主要通过侧向搅动过程调节相邻区域的叶绿素分布（Abraham，1998；Kusakabe等人，2002；Siegel等人，2008；Gaube等人，2014）。

Xu等人（2019）研究了受扰动的叶绿素场，并报告称叶绿素在中尺度涡旋的影响范围内常常呈现环状分布。这一发现得到了Yang等人（2020）的支持。最近，Nian等人（2024）应用机器学习技术对叶绿素模式进行了分类，识别出六种不同的结构类型。他们的结果表明，在涡旋诱导的动力作用下，这些结构内的叶绿素浓度显著升高。值得注意的是，中尺度涡旋对叶绿素分布的调节作用不仅限于局部搅动，其长距离输送能力同样重要。例如，Lehahn等人（2011）追踪了一个阿古拉斯环流，并证明它可以将高叶绿素水输送超过1500公里的距离，从而显著改变了沿途的区域初级生产力。

中尺度涡旋在塑造叶绿素分布和动态中的作用已被广泛认可。作为海洋初级生产力的关键指标，叶绿素的空间异质性不仅反映了浮游植物的生理活动，还体现了物理-生物耦合过程的动态特征。因此，系统研究叶绿素结构的形成和演化机制对于深入理解涡旋动力学和海洋生产力的物理-生物过程至关重要。

作为物理-生物耦合的表现，叶绿素结构的生物表达是此类研究的重要方面。由于叶绿素浓度的维持与浮游植物的生理活动密切相关，它严重依赖于持续的营养物质供应。浮游植物的光合作用和生物量积累需要大量的营养物质；在没有次表层营养物质输入的情况下，表面营养物质通量往往会呈指数级衰减（Lévy等人，2007；Lévy等人，2018；Wang等人，2021）。这种营养限制突显了垂直运动的关键作用，即上升流过程通过将富含营养的深层水输送到光合作用带，从而增强了局部叶绿素浓度（McCreary等人，1996；Smith等人，1979）。

值得注意的是，中尺度涡旋作为整合侧向平流和垂直输送的动态系统，为叶绿素结构的形成提供了独特的三维动态环境。这种综合运动促进了水平方向的营养物质输送和垂直方向的营养物质补充，使中尺度涡旋成为海洋中典型叶绿素结构生成和维持的显著热点（Xu等人，2019；Yang等人，2020；Nian等人，2024）。

为了克服二维表面分析的局限性，越来越多的研究关注中尺度涡旋通过垂直运动影响叶绿素的多维调节机制。一些研究表明，营养物质和浮游植物的垂直通量可能来源于涡旋增强过程中的等密度面位移（Falkowski等人，1991；McGillicuddy等人，1998）、涡旋衰减，或由表面涡流和相关海表温度异常引起的艾克曼泵送（Franks等人，1986；Martin等人，2001；Gaube等人，2013）。其他研究显示，叶绿素最大值通常出现在次表层，表明叶绿素也可以通过与上升流相关的垂直平流直接输送到表面（Hood等人，2017；Siegel等人，2007）。

重要的是，除了中尺度过程外，亚中尺度运动（水平尺度为1-10公里）也表现出显著的垂直速度，在调节叶绿素分布中起着不可忽视的作用。Zhang发现中尺度涡旋和热带气旋具有动态相似的螺旋结构。他们的比较分析表明，涡旋周围的螺旋叶绿素带的形成与热带气旋的螺旋雨带具有相似的动态特征，两者都受到强烈上升运动的驱动。基于这一类比，有人提出涡旋周围的螺旋叶绿素带本质上是主要由亚中尺度垂直动力学调节的次要特征。此外，它们的空间模式与涡旋罗斯贝数和应变率等参数密切相关（Zhang & Qiu，2018；M Kusakabe等人，2002；Zhang等人，2019）。这些中尺度和亚中尺度物理过程的相互作用最终在涡旋影响区域内产生了多样化的细尺度叶绿素结构。这些结构不仅是物理强迫的直接表现，也是海洋生态系统中能量和物质传输的关键载体。

先前的研究揭示了叶绿素的时空分布与中尺度涡旋之间的显著动态关系。然而，大多数这些研究依赖于欧拉视角的静态观测，这限制了它们捕捉叶绿素结构动态演化能力。尽管固定和漂流浮标可以提供局部的垂直剖面数据，但它们的有限空间覆盖范围限制了对更大空间尺度上叶绿素结构三维演化的分析。相比之下，通过引入拉格朗日相干结构（LCSs）研究的流场概念，可以将时间分辨的欧拉速度场转换为拉格朗日粒子轨迹。从高分辨率流场导出的轨迹将流体团块视为被动示踪剂，从而能够重建叶绿素结构的完整演化路径。这种方法能够精确描绘空间形态变化，并为叶绿素结构对涡旋活动的响应提供了新的视角。

在这项研究中，我们将由高分辨率速度场驱动的被动示踪粒子嵌入叶绿素结构中，以动态分析其空间演化。通过结合中尺度涡旋的三维运动特性和拉格朗日粒子轨迹数据，我们系统研究了叶绿素结构对涡旋驱动动力学的时空响应。这种方法为上层海洋中典型叶绿素结构的形成和演化提供了新的见解。

材料

本研究使用的速度和叶绿素数据来自哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）。速度数据来源于全球海洋再分析产品GLORYS12V1（https://data.marine.copernicus.eu/product/GLOBAL_MULTIYEARPHY_001_030/description）。该产品提供了基于绝对动态地形（ADT）的日尺度和月尺度速度场，包括地转经向和纬向分量。数据分布在

结果

根据先前的研究，在六种典型叶绿素结构中，螺旋结构的出现频率明显高于其他类型，约占所有案例的59%（Nian等人，2024）。鉴于其普遍性和代表性，本研究选择螺旋型叶绿素结构作为详细分析的代表性案例。

根据先前的研究，围绕中尺度涡旋的螺旋叶绿素结构是

结论与讨论

先前的研究表明，典型叶绿素结构的发展源于物理过程和生物过程之间的紧密耦合。拉格朗日视角进一步揭示，其形成不能仅归因于物理平流。在整个结构演化过程中，平流带来的高叶绿素水得到了上升流提供的持续营养物质输入的补充，共同维持和强化了叶绿素模式。随着涡旋的移动

CRediT作者贡献声明

刘一凡：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，数据管理。陈泽凯：写作——审稿与编辑。夏琼：写作——审稿与编辑，监督，资源获取，资金申请。曹慧：可视化，验证

未引用的参考文献

Yu等人，2019；Smith和Codispoti，1980；Falkowski和LaRoche，1991；Martin和Richards，2001；Xia等人，2022；Jean-Michel等人。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来改进语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（41906021）和广东海洋大学科研启动基金（060302112312）的支持。