海洋中的垂直运输，亚中尺度锋面在气候和海洋生态中的重要作用

研究较小尺度的海洋动力学对于理解控制海洋环流和气候的复杂过程至关重要。亚中尺度锋面的水平尺度从 0.1 到 10 公里不等，在调节海洋过程（尤其是垂直输送）方面发挥着重要作用。这些锋面很窄，但它们的影响可以扩展到大片区域，影响从营养物分布到不同海洋层之间的热交换等所有方面。

最近的一项研究揭示了亚中尺度锋面如何推动热量、盐和其他关键海洋成分的垂直输送。

什么是亚中尺度锋面？

亚中尺度锋面是出现在两个温度、盐度和密度不同的水团边界上的特征。它们通常位于海洋上层，通常是瞬变的，形成于较大规模洋流或中尺度涡流的交汇处。这些锋面的特点是温度、盐度和速度等物理特性呈急剧梯度变化。虽然亚中尺度锋面的水平范围与环流和涡流等中尺度特征相比较小，但对于局部海洋动力学来说却至关重要。

亚中尺度锋面通常横跨 0.1 至 10 公里的水平距离，并可垂直延伸穿过混合层进入更深的水域。亚中尺度锋面与较大的中尺度锋面之间的主要区别在于，它们产生强烈垂直流动的能力更强。亚中尺度结构通常嵌入更广泛的海洋环流中，但与周围环境的相互作用更为局部和强烈，特别是在温度、盐度和速度梯度剧烈的地区。

这些锋面可能受到一系列物理力量的影响，包括风驱动的上升流、海洋不稳定性和斜压不稳定性。此外，亚中尺度特征与底层中尺度涡旋之间的相互作用可能导致垂直输送率的动态变化。

亚中尺度锋面引起的垂直输送机制

海洋中的垂直输送是控制热量、盐和营养物在水体不同层面移动的关键过程。在亚中尺度锋面的背景下，垂直输送主要由两个主要过程驱动：锋生（锋面的形成）和锋消（锋面的消融）。这两个过程都涉及显著的混合和剪切，可能会搅动海洋的深层。

亚中尺度锋面通常会导致汇聚和发散区域的形成。当具有不同特性（例如温度或盐度）的水团沿着锋面聚集时，就会发生汇聚，从而导致水柱被挤压而产生强烈的垂直运动。这可能导致地表水向下输送到更深的层。

相反，当相反的洋流形成一个水分散布的区域时，就会发生发散。这种扩张可能导致上升流或深层水垂直输送到表面。这些过程对于上层海洋的热量和营养物质交换至关重要，特别是在生物生产力较高的地区，例如沿海地区或洋流边界。

亚中尺度锋面的主要特征之一是它们能够产生斜压（是指基于温度和盐度的不同水层分层，从而产生密度差异）不稳定性，从而放大垂直运动。当这些锋面变得不稳定时，由此产生的扰动会导致垂直混合，进而推动热量、盐和其他物质在表面和更深的海洋层之间的输送。

除了斜压不稳定性之外，锋生还会引发局部湍流，进一步增强垂直交换。与这些过程相关的上升流和下降流会影响全球热盐环流，并可能影响当地天气模式和海洋生产力。

亚中尺度锋面对海洋环流和气候的影响

亚中尺度锋面是全球气候系统不可或缺的一部分，这不仅是因为它们具有局部效应，还因为它们对更大规模的海洋环流模式有影响。它们负责调节海面和深海之间的热通量，进而影响地球的热量收支。这些过程还会影响生物活动，特别是在光合区等区域，光和营养物质对初级生产力至关重要。

此外，亚中尺度锋面引起的垂直输送可以影响上升流过程，从而将富含营养的水带到海面。这可以提高海洋生物生产力，并支持世界各大洋生态系统的繁荣。因此，亚中尺度锋面在维持海洋食物网和调节海洋碳循环方面发挥着关键作用。

亚中尺度锋面的动态在海洋的不同区域可能存在显著差异。在沿海地区，海洋较浅，受河流排放等陆地力量的影响，这些锋面特别活跃。例如，由于亚中尺度锋面的局部性，季节性风模式较强的地区或受沿海上升流影响的地区可能会出现更明显的垂直输送。

在公海环境中，中尺度特征（如海洋涡流）占主导地位，亚中尺度锋面与这些较大特征相互作用，形成复杂的环流模式。这些相互作用可能导致海洋热含量和营养循环发生显著变化，对海洋生态系统和气候模型具有广泛影响。

亚中尺度锋面对海洋生态系统的重要性

亚中尺度锋面对海洋生态系统至关重要，因为它们是营养物质和生物过程所需其他关键元素的运输渠道。海洋混合层通常因这些特征而丰富，支持浮游植物和其他微生物的生长，而这些微生物是海洋食物链的基础。

当这些锋面将更深、营养丰富的水带到海面时，它们会引发浮游植物的大量繁殖，进而支撑整个海洋食物网。在南大洋等这些锋面特别活跃的地区，这一过程会对鱼类和鲸鱼种群产生重大影响，因为它们依赖这些生态系统的生产力来获取食物。

新的研究发现

虽然近年来亚中尺度锋面和垂直输送的研究取得了长足进步，但仍有许多未知数。垂直混合的精确机制以及亚中尺度锋面与较大海洋结构之间的相互作用仍然是活跃的研究领域。

中国海洋大学深海多圈层与地球系统前沿科学中心（FDOMES）和物理海洋学实验室引导的一项新的研究，基于黑潮-亲潮延伸区域的高分辨率现场观测，研究发现，在锋面从南到北 2 公里范围内，海洋温度（盐度）从 14 °C（34.55 psu）急剧变化到 2 °C（32.7 psu）。分析显示，锋面附近的强烈垂直速度达到 170 m day −1，同时向上的热量输送高达 1.4 × 10 −2  °C m s −1，盐度输送达到 4 × 10 −4  psu m s −1。

观测到的热输送远大于之前观测报告的值，是当前涡旋丰富的气候模型得出的值的三倍，而盐度输送则提高了营养物质的浓度，对海洋生态系统和渔业生产具有显著影响。

研究表明，亚中尺度锋面SMF 显著提高了垂直速度，导致海洋不同深度的湍流混合。尽管 SMF 尺寸较小，但由于其集中的能量，有时会引起更强烈的垂直混合。SMF 有助于重新分配海洋内的热量和营养物，进而影响气候动态和海洋生物多样性。

总体而言，尽管亚中尺度锋面在空间尺度上相对较小，但它们对海洋动力学，特别是垂直运输过程有着深远的影响。通过促进热量、盐和营养物质的移动，这些特征在维持海洋热平衡、调节气候模式和支持海洋生态系统方面发挥着至关重要的作用。

思考

亚中尺度锋面对全球海洋环流和气候有何长期影响？在亚中尺度锋面存在的情况下，我们如何才能更好地量化不同示踪剂（热量、营养物、生物地球化学元素）的垂直通量？亚中尺度锋面影响生物生产力的具体机制是什么？亚中尺度过程如何与海洋中的中尺度和大尺度动力学相互作用？

参考文献：Ruichen Zhu, Haiyuan Yang, Mingkui Li, Zhaohui Chen, Xin Ma, Jinzhuo Cai & Lixin Wu ，Observations reveal vertical transport induced by submesoscale front.  Scientific Reports volume 14, Article number: 4407 (2024)，doi.s41598-024-54940-x

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