津轻海峡的湍流混合，揭示海底地形驱动海洋生产力的新机制
在日本北部的津轻海峡，夏季和秋季会形成一个巨大的涡流，其中的浮游植物数量远超周边海域，支持着区域整个食物链，但问题是，在没有明显上升流的开放海域，这些营养盐是从哪里来的呢？最近，一项发表在Nature上的研究，揭示了海底地形驱动海洋生产力的新机制。
津轻暖流的季节性变化
在日本北部的津轻海峡，是连接日本海和太平洋的重要水道，宽度仅约20km，但它的洋流非常强劲，津轻暖流其实是对马暖流的一个分支，源源不断地将温暖的海水从日本海输送到太平洋。
基于2014-2020年长期观测数据，津轻暖流不同季节会切换两种完全不同的流动模式。在夏天，表现出“涡旋模式”，在海峡中央旋转前进，平均纬度41.64°N，形成反气旋暖涡，此时它的流速能达到每秒1米。而在冬季，则表演出“沿岸模式”，此时，它沿着本州岛海岸线移动，位置南移到北纬41.55度 ，流速也减半到每秒0.5米。
为什么会出现这种积极性变化呢？由日本海洋研究开发机构和北海道大学合作的研究，通过长达6年的持续观测，探讨了津轻暖流季节性变化原因。研究团队认为罗斯贝半径、水位差、海底地形起到重要作用。
罗斯贝半径效应是一个描述地球自转影响水流运动的物理量，夏季这个值较大，约23.7公里，暖流就有足够的“离心力”形成涡旋；而冬季，这个值很小，约4.7公里，暖流就被“拉”向海岸流动。
而水位差是控制流速变化的关键因素，当日本海的水位比太平洋高时，暖流就会加速流动，这种相关性最高达到0.68。数据显示夏季水位差最大，正好对应暖流的高速期。
在海底地形方面，进一步观察分析津轻海峡的地形图，发现在海峡东部，有一块从尻屋崎向北延伸的“海底高台”，最浅处还不到100米，比周围海域高出了200多米，这个高台对暖流也产生一定的影响。
高频海洋雷达等观测到的数据显示，当暖流流经次区域的时候，水流从深水区进入浅水区，为了保持相同的流量，局部流速变大，变宽。不过，高频雷达观测显示，当暖流流速小于每秒0.3米的时候，它就避开这个区域。
图：高频海洋雷达揭示的津轻暖流季节性路径🔽
a津轻海峡地理图显示了三个高频海洋雷达 (HFR) 站（黑色圆圈符号）的空间覆盖范围：大畑 (OH)、岩屋 (IW) 和惠山 (ES) 站。在两个或三个 HFR 覆盖范围重叠的区域获得了二维表面流数据。函馆、深浦和八户的验潮站位置也一并标出（空心方形符号）。b津轻海峡及其周边地区的水深图。100、200、300、1000 和 2000 米的海底深度用等高线表示，浅海沿岸区域用浅灰色（< 200 米）和深灰色（< 100 米）表示。沿尻屋崎-惠山线的水文断面由从 SE01（最南端）到 SE09（最北端）的 9 个站点组成，沿 SE 线标记为单独的点
津轻海峡的湍流与海洋生产力
现在，我们已经知道，在夏季津轻海峡会形成一个百公里尺度的反气旋涡流，但是观察发现，区域的叶绿素a浓度显著高于周边海域，这是为什么呢？这些营养盐是从哪里来的呢？为了研究这些问题，研究团队通过2014–2022年长期观测和2021年的现场实验，发现海底地形在起到关键作用。当津轻暖流流经这座山脊时，会产生剧烈的湍流，通过TurboMAP微结构剖面仪测量了湍流的强度，发现这里的能量耗散率（ε）高达10⁻⁶~10⁻⁵ W/kg，比开放海域高出上万倍，这种湍流使得深层的营养盐，如硝酸盐，被带到表层水域。
研究团队通过Deep SUNA硝酸盐传感器测量发现，在海底山脊东侧，硝酸盐的垂直通量达到10~100 mmol N/m²/day，而开放海域通常只有不到1 mmol N/m²/day，也就是说，这座海底山脊让营养盐的输送效率提高了很多倍！
有了营养盐，浮游植物就能大量繁殖，利用GlobColour卫星数据和数值模型分析了叶绿素a的变化情况，发现叶绿素a的高值区位于海底山脊东侧，坐标41.7°N, 141.6°–141.7°E。表面流的发散与叶绿素a浓度呈正相关，滞后时间约1天，当湍流混合增强时，1天后下游的浮游植物就会增多。
此外，研究团队用模型估算了津轻涡流的初级生产力，发现这里的生产力达到37~40 mmol C/m²/day¹，比邻近的亚热带太平洋生产力18~23 mmol C/m²/day¹）高出近一倍。
这项研究首次清晰地展示了海底地形可以通过湍流混合支持海洋生产力，海底山脊引发的湍流这种次中尺度过程能调控整个中尺度涡流的生态系统。这不仅解释了津轻涡流的高生产力现象，还为全球类似海域的研究提供了重要参考。
图：观测地点🔽
a津轻海峡的位置。b 、 c根据OSCAR表面速度得出的12 月、1 月至 6 月 (b) 和 7 月至 11 月 (c) 的平均表面速度和相对涡度（2014–2021 年）。d 根据 (b )和( c )中黄色矩形所示区域的 OSCAR 表面速度得出的相对涡度 (标准化为 41°N 的惯性频率) 的月度（2014–2021 年平均值）时间序列。黑线和阴影范围分别表示自举平均值和 95% 置信区间。e 2014 年至 2022 年 8 月和 9 月逐像素算术平均表面叶绿素a数据的分布，除以其相对于算术平均值的逐像素时间方差的根，（ e ）中的矢量表示 2014 年至 2021 年 8 月和 9 月的平均流速，来源于 OSCAR。洋红色点和方块分别代表部署湍流测量和使用旋转水采样器的站点（2021 年 8 月 26 日）。灰色轮廓表示水深。黑色矩形表示估计的水柱综合初级生产力区域（40.75°N–41.75°N，141.75°E–142.75°E；有关其估计细节，请参阅正文）。陆上圆形符号和标签表示用于估计日照时长的站点。向上的三角形表示高频雷达系统天线的位置。f . ( e )中浅绿色矩形框内显示的是2014年至2022年8月和9月叶绿素a的频率分布。源数据以源数据文件的形式提供。
❓思考题：是什么原因导致津轻海峡营养盐比周围海域高？
A.海底火山喷发
B.海底山脊
C.人造海洋设施
D.海洋鱼类活动
参考答案：（点击查看）
B.
解析：研究发现，津轻海峡的海底山脊在洋流经过时会产生强烈湍流，将深层的营养盐带到表层，，因此正确答案是B。其他选项（火山、人造设施、鱼类）与这一机制无关。
这项研究通过多尺度观测与模型结合，揭示了海底地形通过湍流混合驱动海洋生产力的新机制，为理解物理-生物耦合过程提供了重要案例。
参考文献：Hitoshi Kaneko, Takahiro Tanaka, Masahide Wakita, Ken’ichi Sasaki, Takeshi Okunishi, Yasumasa Miyazawa, Ruochao Zhang, Shoko Tatamisashi, Yoshiaki Sato, Takayuki Hashimukai, Tomokazu Chiba, Makoto Takada & Jun Yoshino . Topographically driven vigorous vertical mixing supports mesoscale biological production in the Tsugaru Gyre. Nature Communications volume 16, Article number: 3656 (2025) ，doi:10.1038/s41467-025-56917-4