近日，国际海洋学期刊《地球物理研究杂志-海洋》（Journal of Geophysical Research - Oceans）以“Investigating Eddies from Coincident Seismic and Hydrographic Measurements in the Chukchi Borderlands, the Western Arctic Ocean”为题发表了我室张锟博士后和宋海斌教授的研究成果，揭示北冰洋西部海域涡旋及相关亚中尺度过程的发育情况。
北冰洋西部楚科奇陆坡和楚科奇边境地之间的楚科奇海域，是北冰洋对气候变化响应最显著的区域之一。在该海域发育了大量的海洋涡旋，是太平洋向北冰洋进行物质能量传输的重要途径，对北冰洋的水文变化具有重要影响。然而传统的水文观测时空分辨率有限，影响了目前对北冰洋水体精细结构及其动力学特征的认识。地震海洋学是使用主动源的地震波来对水体波阻抗（密度×速度）差异反射率进行成像的方法，具有分辨率高和采集速度快的优势，但同步观测资料特别是流速数据的缺乏影响了对水体结构动力学特征的认识，制约了地震海洋学的发展。
2011年9-10月，Marcus G. Langseth号调查船在北冰洋西部楚科奇海域开展MGL1112航次探测工作，采集了宝贵的现场同步观测资料。本室地震海洋学团队通过对该航次数据进行地震海洋学处理，对地震和同步水文剖面上发现的涡旋及亚中尺度过程进行了研究。
研究发现，涡旋在地震剖面上常常表现为透镜状和丘状反射结构，内部反射较弱，而边界反射较强。这些反射结构分别指示反气旋性涡旋和气旋性涡旋。在垂直地震测线的流速剖面上，这些反射结构对应一对符号相反的流速区，在沿地震测线方向的流速剖面上对应单一符号的流速区。
图1 同步采集的地震和流速剖面上的气旋（左）、反气旋（右）
在北冰洋西部海域发现23个涡旋，其中19个为反气旋性，4个为气旋性。观测到的涡旋主要分布在地形发生变化的区域，如海山附近和北风海脊的两侧。这可能暗示涡旋的形成演变与地形之间的密切关系。通过与同步采集的抛弃式温深仪（XBT）数据和历史温盐深剖面仪（CTD）数据对比，该研究还发现，在这23个涡旋中，有一个为暖核反气旋涡，两个为冷核反气旋涡，其核心水团可能分别为楚科奇夏季水和太平洋冬季水。进一步，通过统计涡旋的直径、深度、厚度等几何参数，分析各个参数之间的相关关系，该研究估算出这一区域涡旋的总输运量可以达到0.56 Sv。
图2 研究显示的北冰洋西部海域涡旋的分布。不同颜色的涡旋代表不同性质的涡旋。
此外，该研究通过数值模拟，解释了地震图像上不同反射结构的成因。研究发现，在涡旋边缘处的地震剖面上存在层状、铲状、叠瓦状和杂乱反射等特殊的反射结构，其中叠瓦状反射对应声学多普勒流速剖面上条带状正负相间的流速分布，这些反射结构可能反映了涡旋边缘处的双扩散、锋生、机械搅拌和混合等过程。这些在涡旋核心周围观测到的特殊反射结构，可以帮助研究涡旋边缘处的亚中尺度过程。
该研究不仅有利于增进对楚科奇边境区涡旋的结构和演化的理解，加深对北冰洋西部海域物质和能量传输的认识，并且体现了地震学-海洋学联合观测的重要作用和广阔前景。
论文第一作者为我室博士后张锟，通讯作者为我室宋海斌教授，合作者包括美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校Bernard Coakley教授以及我室在读博士生杨顺和毕业博士范文豪。该研究受国家自然科学基金（41976048, 42176061）项目资助。同时该研究也致谢美国夏威夷大学Andrew Frambach博士和Jules Hummon博士、美国国家科学基金(OPP-0909568)和MGL1112航次所有工作人员。
全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JC018453
撰稿：张 锟