研究揭示次表层亚中尺度动能来源

　　

近日，中国科学院南海海洋研究所中国-斯里兰卡热带海洋环境“一带一路”联合实验室舒业强研究员团队与中山大学、南京大学合作，在海洋次表层亚中尺度动力机制研究方面取得新进展。相关成果以“Subsurface kinetic energy source driven by Charney-type instability in oceanic fronts”为题，发表在国际期刊 Communications Earth & Environment。中国科学院南海海洋研究所博士后尚学昆为论文第一作者，研究员舒业强和中山大学教授王东晓为共同通讯作者，合作作者包括中山大学副教授于小龙、博士唐海波，南京大学教授彭启华以及中国科学院南海海洋研究所副研究员刘大年。

海洋动能在中尺度涡旋、亚中尺度运动和微尺度湍流之间的跨尺度传递与转化，深刻影响海洋中的热量、碳和营养盐输运。长期以来，通常认为亚中尺度主要活跃在混合层内。然而，混合层以下亚中尺度动能的来源、其跨尺度传递路径及其对海洋内部湍流混合的影响，仍缺乏直接观测证据与系统认识。

图1 南海西部强锋面观测背景及其混合层以下动力结构。a，中尺度涡偶极子及船载观测断面的位置；b–e，三个观测断面上的锋面强度、沿锋流速、垂向流速剪切和亚中尺度活动分布。绿色、紫色和蓝色曲线分别表示混合层底、Charney 深度和温跃层底界。

基于高分辨率现场观测数据，研究团队在南海西部中尺度涡偶极子锋面区的混合层以下，发现存在与混合层过程相对解耦的活跃亚中尺度信号（图1）。同时，在混合层底部至温跃层之间存在明显的动能注入，其特征尺度约为12公里。该信号在垂向位置与特征尺度上均显著区别于上层混合层过程，证实了混合层以下锋面内部存在局地生成的亚中尺度动能来源（图2）。

图2 混合层以下动能注入及其跨尺度传递特征。a–d，不同深度和水平尺度上的流速结构、动能注入及能量传递特征。绿色和蓝色虚线分别表示平均混合层底和温跃层底。

为厘清该动能来源的动力机制，研究团队开展了线性稳定性分析。结果表明，在混合层以下锋面区，经典 Charney 型斜压不稳定可激发亚中尺度扰动，其特征尺度约为11.5公里，与观测识别的约12公里动能注入尺度高度吻合。进一步分析显示，该不稳定能够将混合层以下锋面中储存的有效势能转化为动能，从而形成一条区别于上层混合层亚中尺度过程的能量注入路径。能量通量分析表明，混合层以下注入的动能主要向较大尺度传递，同时也有部分能量直接向小尺度级串。现场微结构湍流观测进一步证实，在 Charney 型不稳定活跃的区域，温跃层内的湍流混合明显增强，表明这一局地能量来源可以直接为海洋内部湍流提供能量。

利用高分辨率全球海洋模式，研究团队对南海西部、黑潮延伸体、湾流、厄加勒斯流和南大洋绕极流等五个典型锋面系统的混合层以下亚中尺度动能进行了对比研究（图3）。结果显示，各海域的混合层以下动能注入尺度均与当地的 Charney 变形半径接近，表明该机制广泛存在于全球海洋锋面中，这为估算混合层以下亚中尺度能量注入的特征尺度提供了可推广的尺度参考。

图3 Charney 型不稳定尺度关系在全球典型锋面系统中的验证，背景图为高分辨率全球海洋模式得到的表层应变率分布。

本研究揭示了由 Charney 型不稳定驱动的混合层以下亚中尺度动能来源机制，阐明了区别于上层混合层亚中尺度过程的能量注入路径，以及部分注入能量向更小尺度传递并增强海洋内部湍流混合的作用。该发现深化了对海洋内部能量传递和湍流混合过程的理解，同时为改进海洋模式中亚中尺度过程与内部混合参数化表达提供了新的理论支撑。

本研究得到国家自然科学基金和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）等项目共同资助。

论文信息：Shang, X., Shu, Y.*, Wang, D.*, Yu, X., Peng, Q., Tang, H. & Liu, D. Subsurface kinetic energy source driven by Charney-type instability in oceanic fronts. Communications Earth & Environment (2026), https://doi.org/10.1038/s43247-026-03782-8.

文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03782-8