7月30日，Nature旗下期刊《Communications Earth & Environment》以“Disruptions in thermohaline staircases caused by subsurface mesoscale eddies in the eastern Caribbean Sea”为题，在线发表了海洋地质国家重点实验室宋海斌教授课题组与合作者的研究成果。文章利用大量多道反射地震数据揭示了加勒比海的次表层中尺度涡旋对温盐阶梯的破坏。
温盐阶梯是由交替的较厚混合层和较薄高梯度界面组成的阶梯状结构，其垂向的温度和盐度曲线表现为阶梯状，一般被认为与海水的双扩散作用有关。海洋中温盐阶梯可分为盐指型和扩散对流型两类。温盐阶梯通常与温跃层中的垂向混合增强有关，深刻影响海洋中的热量、盐和营养物质的输送。温盐阶梯通常存在于较弱的湍流环境中，例如海盆中央。在加勒比海，已经有研究发现了盐指型温盐阶梯的存在。此外，在该海域也发现有较多的中尺度涡。然而，由于观测的分辨率和横向范围的限制，二者之间的复杂关系尚未取得充分认识。
该研究利用1995年2-3月在东加勒比海采集的26个总长度2518千米的多道反射地震剖面（即主动源声学反射）来研究温盐阶梯及其与次表层中尺度涡的关系。结果表明，这一区域温盐阶梯普遍存在，分布于约400到600米深度，占据地震测线总长度的约70%，剩余的30%几乎被次表层的中尺度涡占据（图1）；结果展示了这些温盐阶梯与中尺度涡旋惊人的三维空间分布（图2）。
图1：EW9501航次地震测线位置图。黑线表示地震测线1294-1319，橘红色圆圈表示的中尺度涡E1-E6的推测核心位置，灰白色多边形表示温盐阶梯推测分布范围
图2：EW9501航次地震图像的三维分布。a表示连贯的温盐阶梯分布，b表示6个次表层中尺度涡的分布及其对阶梯的破坏，涡旋编号（E1-E6）标注在涡旋核心处，箭头指向主要温盐阶梯的位置。c表示a（红线）和b（黄线）的测线位置图
该研究根据地震数据估算了地转流速的垂向剪切及Richardson数（Ri）。结果表明，这些中尺度涡边缘（尤其是侧边缘）具有较强的垂向剪切，且在涡旋边缘多处Ri小于临界值0.25，表明可能发生了剪切不稳定；而温盐阶梯区域的垂向剪切都十分微弱，Ri也远大于临界值0.25，表明阶梯区域的水文环境稳定。
该研究还根据地震数据估算了垂向湍流扩散率（图3）。结果表明，温盐阶梯区域的湍流扩散率基本小于10-5 m2/s，涡旋边缘处的湍流扩散率基本大于10-5 m2/s。前人研究表明该海域的盐指驱动的双扩散混合引起的垂向扩散率约为10-5 m2/s。作者认为，涡旋剪切驱动的湍流混合大于双扩散混合时，造成了温盐阶梯的破坏。
图3：地震数据估算的垂向湍流扩散率。a, c, e分别表示垂向扩散率（彩色）覆盖在1294、1296和1300地震剖面（灰色）上；b, d, f分别表示三个剖面湍流扩散率在420到580米之间的平均值和标准差的横向分布；涡旋编号（E1, E2, E4和E5）标注在涡旋核心处
过去由于观测横向分辨率与横向范围的限制，有观点认为温盐阶梯是由于涡旋的核心水与周围的背景水之间的横向侵入形成的。然而，该研究使用了总长度为2518公里、横向分辨率约为10米量级的大量反射地震剖面，几乎同时捕获了几个次表层中尺度涡旋和大量温盐阶梯，并展示了它们的三维空间分布：这些涡旋周围的阶梯的横向十分连贯，水平延伸可超过100公里，反映它们不太可能是由涡旋核心水和背景水之间的横向侵入形成的，因而令人信服地表明，中尺度涡边缘不是温盐阶梯的形成区域而是其破坏区域。
该研究的结果表明，具有高动能的次表层中尺度涡产生强剪切，导致的湍流混合超过了盐指驱动的双扩散混合，从而破坏阶梯的稳定与完整（图3），进一步加强了该区域物质和热量的垂向交换，而加勒比海区域广泛存在的次表层中尺度涡可能在整个加勒比海甚至北大西洋的热量、CO2、营养物质和其他示踪剂的输运和再分配中发挥着至关重要的作用。此外，该研究通过大量高分辨率地震观测，加深了我们对温盐阶梯和海洋多尺度动力过程之间相互作用的理解。
我室博士研究生杨顺与博士后张锟博士为论文共同第一作者，宋海斌教授为通讯作者，合作者包括加拿大Dalhousie大学Barry Ruddick教授以及我室博士研究生刘梦丽和孟令寒。该研究受国家自然科学基金项目（42176061，41976048，42306063）资助。同时论文也致谢了EW9501航次的科学家团队和全体船员以及美国国家科学基金（OCE93-02578）。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-024-01577-3