亚中尺度湍流的机载观测，海洋动力学和气候研究的新突破

海洋湍流在塑造地球气候、海洋生态系统和生物地球化学循环方面发挥着根本性作用。海洋学研究的前沿是发生在中等空间尺度上的亚中尺度过程，介于大规模洋流和细尺度湍流之间。亚中尺度湍流的特点是 10 至 100 公里尺度上的混乱流体运动，对海洋不同层之间的热量、碳和其他营养物质的垂直交换有着深远的影响。

50 多年前，阿波罗飞船上的宇航员收集的海洋图像显示，海洋中存在大量涡旋，其大小在 1 至 20 公里之间。此后，高空间分辨率的卫星红外、海洋颜色、太阳闪烁和合成孔径雷达图像证实了这些小涡旋在所有海洋中普遍存在。尽管亚中尺度特征意义重大，但仍然难以捉摸，主要是因为实时观察和测量这些细尺度过程存在挑战。

在最近的一项研究中，利用先进的机载观测技术对亚中尺度湍流动力学提供了开创性的见解，即快速演变的海洋亚中尺度湍流的机载观测。

亚中尺度湍流

海洋湍流根据其空间和时间尺度进行分类。大规模过程包括环流数千公里的洋流和环流，而小尺度湍流主要受分子扩散和小于一公里尺度的涡流的影响。亚中尺度湍流占据中间尺度范围（10 至 100 公里），连接这两个领域。

亚中尺度湍流通常由各种海洋现象之间的复杂相互作用产生，例如表面波和内波、海洋锋面和中尺度涡流。这些相互作用产生表现出强烈垂直运动的涡流和涡旋，从而增强海洋不同层之间物质的混合和输送。亚中尺度湍流的重要性在于它能够影响海洋的垂直结构，特别是在热量、碳和营养物质转移方面。

亚中尺度湍流对海洋生物地球化学有重大影响。通过增强垂直混合，它影响营养物质的分布，影响初级生产、生物泵和深海层碳的封存。了解亚中尺度湍流如何运作对于提高我们对海洋生态系统的认识以及准确预测气候变化背景下的全球碳循环至关重要。

机载观测在海洋研究中的作用

多年来，亚中尺度过程一直难以直接观测，因为这些特征规模小且演化迅速。传统的船舶测量虽然很有价值，但只能有限地覆盖广阔的海洋区域，无法捕捉亚中尺度湍流的快速动态。

为了解决这些限制，机载观测平台可以提供有关亚中尺度湍流演化的高分辨率实时数据。

空中平台，包括配备先进传感器的无人驾驶飞行器 (UAV) 和载人飞机，可以对湍流海洋特征进行全面调查。这些平台能够捕捉各种物理海洋参数，包括海面温度、海洋颜色和风场，分辨率远高于传统的卫星测量。通过飞越感兴趣的海洋区域，这些空中平台可以收集连续和动态数据，从而深入了解亚中尺度涡流的快速演变性质及其与较大海洋结构的相互作用。

机载观测的使用代表着海洋湍流研究的重大飞跃。这些平台可以跟踪亚中尺度涡流随时间的运动，捕捉它们的动态演变以及与中尺度洋流和锋面的相互作用。通过这种方法收集的实时高分辨率数据为海洋动力学提供了新的视角，使科学家能够更好地了解湍流如何影响热量、碳和其他海洋特性的垂直交换。

新的研究发现

最近的一项研究，在加州洋流系统中进行了一项实验，使用新型机载多普勒散射仪（美国国家航空航天局喷气推进实验室 DopplerScatt）来观察表面速度。研究在数天内绘制了 30 × 100 公里的区域，揭示了许多 1-20 公里的海洋涡旋，称为亚中尺度涡旋。

研究发现是亚中尺度湍流的快速演变。观测到的湍流并非静态的，而是在极短的时间内演变的，它们的演变时间为几个小时。

涡流之间的强烈相互作用产生了水平速度发散。亚中尺度涡流（大型旋转流体团）之间的相互作用会产生显著的水平速度差异。这反过来又导致深度约 40 米处的垂直速度高达 250 米/天。这些速度远高于之前对这种小尺度特征的估计，表明亚中尺度湍流可以导致上层海洋的垂直混合速度比之前认为的更快。这一发现对于了解热量和营养物质如何在海洋中重新分布至关重要。

研究证实，亚中尺度海洋湍流在热量、碳和营养物质等重要海洋特性的垂直输送中发挥着重要作用。这些小尺度湍流特征能够推动混合过程，使物质在海洋的垂直层间移动，从而影响海洋分层和生物地球化学循环。

速度场还产生了 12 小时内 50 公里范围内的粒子水平扩散，这迅速填充了湍流涡流场。亚中尺度涡流不仅仅是局部现象，而且是海洋不同层的更大动态湍流系统的一部分。通过产生快速的垂直混合，这些涡流可以以以前难以量化的方式重新分配热量和碳。

该研究强调了亚中尺度湍流如何与海洋的垂直分层相互作用。湍流和海洋分层之间的动态相互作用对海洋健康有直接影响，因为它们控制着热量和营养物质的输送，而热量和营养物质对海洋生物至关重要。研究结果强调，亚中尺度湍流在维持上层海洋热结构和化学结构的稳定性方面发挥着关键作用。

思考

亚中尺度涡流在多大程度上影响较大的洋流和结构的形成或衰变，反之亦然？这种相互作用如何影响热量、碳和营养物质的垂直交换？

亚中尺度湍流对营养循环、初级生产力和海洋碳封存有何长期影响？这些短期湍流事件如何在数十年内积累起来影响全球生物地球化学循环？

亚中尺度湍流在具有不同海洋特征的地区（例如热带海洋与​​极地海洋、沿海海洋与开阔海洋环境以及上升流区）如何表现？亚中尺度湍流在特定海洋状态（例如贫营养或富营养水域）中起什么作用？

参考文献：Hector S. Torres, Ernesto Rodriguez, Alexander Wineteer, Patrice Klein, Andrew F. Thompson, Jörn Callies, Eric D’Asaro, Dragana Perkovic-Martin, J. Thomas Farrar, Federica Polverari & Ruzbeh Akbar ，Airborne observations of fast-evolving ocean submesoscale turbulence.  Communications Earth & Environment  volume 5, Article number: 771 (2024) ，doi.s43247-024-01917-3

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