近日，国际知名海洋学期刊Journal of Physical Oceanography (JPO)以“Gradient-Wind-Balanced Subsurface Anticyclonic Eddies Offshore Southern Chile”为题，发表了海洋地质全国重点实验室地震海洋学团队宋海斌教授课题组的最新研究成果。
该研究利用2017年2月MGL1701航次同步采集的多道反射地震数据和船载ADCP流速数据，首次在智利南部（42°-45°S）中高纬度海域观测到两个次表层亚中尺度反气旋涡。研究揭示了涡旋的精细垂向结构、速度场特征及其动量平衡，发现这两个涡旋的径向动量平衡主要由梯度风平衡而非经典地转平衡主导，并为次表层涡旋起源于秘鲁-智利潜流（PCUC）流动分离的假说提供了新的观测证据。
太平洋东边界上升流系统是全球海洋生产力最高的海域，在碳循环与气候调节中扮演关键角色。除卫星可观测的表层中尺度涡之外，该区域广泛存在一类位于温跃层内/下部的次表层涡旋。这类涡旋大多是反气旋，核心位于次表层，海表信号微弱，高度依赖现场观测，传统卫星高度计很难捕捉。它们可以将低氧、高营养盐的近岸水团向大洋输运数百至上千公里，对含氧量最小区(OMZ)扩张、生物地球化学循环和海洋生态系统有重要影响。
该研究依托 MGL1701 航次，将多道地震反射成像与同步船载 ADCP 流速观测相结合，地震数据提供涡旋高分辨几何结构，ADCP 提供流速信息，实现对智利南部（42° 45°S）两个次表层反气旋涡（AE1、AE2）的结构、流速与动量平衡的定量解析。
图 1：涡旋的反射地震图像。(a) s33测线AE1涡旋；(b) s29测线AE2涡旋。图中黑色圆圈指示涡旋核心位置
观测到的两个涡旋AE1, AE2核心表现为刚体旋转特征，切向流速随半径线性增加，符合 Rankine涡特征；但涡旋外部流速衰减明显偏离理想 Rankine 模型，且呈现强烈东西向不对称。近岸一侧受到秘鲁 智利向极潜流显著扰动，AE2 西侧受旋臂调控，动量沿着旋臂重新分配，并非简单径向衰减。
图 2: S29 测线 AE2 涡旋流速结构。(a) 涡旋核心深度位置的流速分布（黑色实心点）。红色实线代表涡旋内核区流速随半径线性变化；蓝、黄、绿虚线分别为涡旋外围流速的不同理论拟合曲线，用来对比涡旋外围实际流速衰减特征；(b) 垂直地震剖面方向的流速场（彩色）叠加在地震反射剖面（灰色）上。红色代表流速朝剖面外侧，蓝色代表流速朝剖面内侧。
该研究通过计算表明涡旋局地罗斯贝数符合亚中尺度涡的特征区间。进一步开展的径向动量分析发现，涡旋核心离心效应不可忽视，传统地转平衡假设已不再适用，涡旋核心实际受梯度风平衡主导。这也意味着，若直接套用地转平衡来解析该类次表层亚中尺度涡，将带来显著的动力学描述偏差。
图 3：涡旋核心中离心力项与科氏力项散点图及其比值。(a)、(c) 分别为 AE1（s33 测线）与 AE2（s29 测线）涡旋核心的科氏力项、离心力项散点图；(b)、(d) 依次为两个涡旋核心科氏力与离心力项的绝对值比值。计算结果表明，涡旋内核中科氏力项与离心力项量级相当，二者在径向动量平衡中同等重要。
该研究还观测到秘鲁 智利向极潜流（PCUC）向南延伸至 44°S 附近，流速仍达到 0.1 0.2 m/s；且在地震剖面上，陆坡上的潜流表现为独特的半透镜状地震反射特征。该半透镜反射特征未来有望直接用于地震剖面识别沿陆坡潜流。此外，两个涡旋位于地形弯曲处西北方向10-20 km，空间上与PCUC在陡峭地形弯曲处发生流动分离后形成涡旋的机制高度吻合。
图 4： PCUC（秘鲁 智利向极潜流）反射结构放大图。(a) s33 测线的陆坡区域放大剖面；(b) s29 测线的陆坡区域放大剖面。
该研究拓展了地震海洋学的应用场景，不再仅限于水团结构刻画，首次结合同步流速观测实现对次表层亚中尺度涡动量动力学的定量约束。结果也表明，东边界上升流系统次表层涡旋动力学远比模式常用理想涡假设复杂，在开展相关物质输运模拟时需要重视梯度风效应以及涡 背景环流的相互作用。
论文第一作者为我室博士生年佩雯，通讯作者为宋海斌教授，合作者包括我室博士后张锟与博士生李欣蔚。该研究受国家自然科学基金资助。
论文链接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/56/9/JPO-D-26-0036.1.xml
撰稿 | 年佩雯、宋海斌