2022年3月12日，国际著名地学期刊Journal of Geophysical Research: Oceans以“A Mesoscale Eddy With Submesoscale Spiral Bands Observed From Seismic Reflection Sections in the Northwind Basin, Arctic Ocean”为题发表了同济大学海洋地质国家重点实验室地震海洋学团队宋海斌教授课题组与合作者的最新研究成果。
海洋中的涡旋与热带气旋拥有一些共同特征，包括存在从透明核心向外延伸的旋臂。对于热带气旋，这些旋臂在卫星图像中很容易被视为雨带（图1）。在海洋中，有时可以在海表温度（SST）和海冰分布的卫星地图中看到螺旋涡。然而，要了解这些特征在海洋中的作用，我们需要对其次表层的垂向结构进行观测。涡旋旋臂属于亚中尺度现象，难以在传统海洋观测中捕捉到。利用石油工业界的多道反射地震方法，借助其较高的横向和垂向分辨率优势，可以对海洋涡旋的旋臂进行清晰成像。
图 1：不同尺度背景的螺旋涡。（a）热带气旋的MODIS图像；（b）Landsat 8卫星观测到的海洋涡旋的海表特征。
研究利用2011年9月MGL1112航次同步采集的反射地震数据和ADCP流速数据，在北冰洋楚科奇海东北部的北风盆地内，相隔七天重复观测到了一个拥有亚中尺度旋臂的中尺度涡旋（图2-3），并估算了涡旋的空间尺度和运动学参数，然后讨论了旋臂的可能形成机制与演化过程。
图 2：涡旋的反射地震图像。（a）L04测线；（b）L09/09B测线。右上角为涡旋核心深度处（159m）的ADCP流速矢量（黑色箭头）以及推测的涡旋核心边界（黄色圆圈）和涡旋中心位置（黄点）。
研究结果表明，该涡旋的水平尺度约为56 km，深度分布约为50-300 m。观测期间，涡旋以1 cm/s的速度向西移动，核心水的净输送量约为0.05 Sv。该中尺度涡旋拥有一个刚体旋转的核心（图4），其旋转周期约为26小时，最大切向流速59cm/s，核心水的体积约为89 km3。核心外的速度与半径呈二次反比下降，这与传统的Rankine涡模型不同。涡流边界处的反射很强，而核心反射非常弱，表明核心水团较为均一且与背景水差异较大。涡旋的侧边界呈多旋臂结构，形成螺旋带，螺旋带与热带气旋中看到的螺旋雨带非常相似。这些具有高倾角（可达4°）的旋臂可能是由涡流搅拌引起的。核心水很可能来自太平洋暖水，并被楚科奇陆坡流或博福特环流输送到北风盆地。
结果表明，这个中尺度涡的地震图像和同步的流速图像具有很强的一致性，并且前者表现出比后者更精细的结构，特别是在涡周围的亚中尺度旋臂（图3）。这进一步验证了地震海洋学方法在观测海洋中精细结构方面的优势。
图 3：同步的ADCP流速剖面（垂直剖面分量，彩色）覆盖在地震剖面（灰色）上。（a）L04剖面；（b）L09/09B剖面。
图 4：(a) L04 和 (b) L09/09B 剖面涡旋核心（深度159 m）的ADCP流速（黑点） 和其线性线性拟合结果（绿色实线）。结果表明，核心为刚体旋转。
该研究是北冰洋海水层的首次地震成像，对于加深我们对海洋涡旋的垂向结构以及物质的横向和垂向输运的认识具有重要意义。根据与其他北冰洋西部涡旋的比较，我们推测该涡旋可能携带源于太平洋的暖水，这可能对北冰洋海冰的加速融化产生影响。
论文第一作者为我室博士生杨顺，宋海斌教授为通讯作者，合作者包括美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校Coakley教授以及我室博士生张锟和范文豪。该研究受国家自然科学基金（41976048, 42176061）项目资助。同时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（ARC09-09568）以及MGL1112航次的科学家团队和工作人员。
全文链接：https://doi.org/10.1029/2021JC017984
撰稿：杨顺、宋海斌
编辑：高小丰