近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境與島礁生態(tài)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋環(huán)境模擬與應(yīng)用技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在亞中尺度能譜研究方上取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters”為題，發(fā)表在物理海洋國(guó)際著名期刊Journal of Physical Oceanography上。該研究成果第一作者為南海海洋所副研究員錢鈺坤，南海海洋所研究員彭世球與挪威奧斯陸大學(xué)地球科學(xué)系教授Joseph LaCasce為論文共同通訊作者。
海洋動(dòng)能波數(shù)譜是表征海洋湍流和開發(fā)模型參數(shù)化方案的核心科學(xué)問題。衛(wèi)星高度計(jì)和船載聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）的觀測(cè)分辨率有限（通常僅達(dá)10公里），難以有效捕捉過(guò)渡尺度（~幾公里）及以下的亞中尺度動(dòng)力過(guò)程。當(dāng)前基于GPS追蹤的海表漂流浮標(biāo)能提供空間分辨率高達(dá)10米、時(shí)間分辨率達(dá)5分鐘的海表流速數(shù)據(jù)，為研究亞中尺度能量譜提供了新的途徑。通過(guò)分析漂流器對(duì)的相對(duì)擴(kuò)散，可以間接推斷動(dòng)能能譜的斜率，但此前基于時(shí)間統(tǒng)計(jì)診斷量和基于距離統(tǒng)計(jì)診斷量的方法常存在不一致性，導(dǎo)致診斷結(jié)果具有較大不確定性。
該研究利用2012年夏季GLAD和2016年冬季LASER外場(chǎng)試驗(yàn)中在墨西哥灣北部釋放的超過(guò)一千個(gè)GPS海表漂流浮標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用了相對(duì)擴(kuò)散、峰度、相對(duì)擴(kuò)散率等多種時(shí)間統(tǒng)計(jì)量，以及二階速度結(jié)構(gòu)函數(shù)、有限尺度李雅普諾夫指數(shù)（FSLE）、其改進(jìn)版有限振幅增長(zhǎng)率（FAGR）和最新提出的累積逆分離時(shí)間（CIST）等分離統(tǒng)計(jì)量，系統(tǒng)分析了漂流浮標(biāo)對(duì)的相對(duì)擴(kuò)散行為。
研究發(fā)現(xiàn)，從約100米至數(shù)公里尺度，動(dòng)能能譜呈現(xiàn)K-2的依賴關(guān)系。能譜結(jié)構(gòu)存在明顯的季節(jié)性差異：在冬季，K-2譜段可延伸至變形半徑（~50公里）；而在夏季，在5-50公里尺度范圍內(nèi)存在更陡的K-3譜段（與大氣上對(duì)流層能譜類似），其下（100米至5公里）仍為K-2譜。在100米以下尺度，分離統(tǒng)計(jì)量支持更淺的K-5/3（Richardson）能譜。研究還發(fā)現(xiàn)，在最初幾天或最小尺度（<1公里）上，“偶遇對(duì)”（chance pair）的擴(kuò)散顯著快于“原始對(duì)”（original pair），這與初始距離與相對(duì)速度的記憶相關(guān)性有關(guān)，表明亞中尺度擴(kuò)散研究需使用無(wú)偏的粒子對(duì)或三聯(lián)體投放策略進(jìn)行更優(yōu)化的觀測(cè)。此外，研究證明CIST和FAGR在分析亞中尺度擴(kuò)散方面比傳統(tǒng)的FSLE更具優(yōu)勢(shì)。
圖1?基于漂流浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)推斷的海洋動(dòng)能譜特征。
該研究成功利用海表漂流浮標(biāo)揭示了此前難以直接觀測(cè)的亞中尺度能譜特征，為理解海洋亞中尺度動(dòng)力過(guò)程、能量串級(jí)及其季節(jié)性變化提供了重要的觀測(cè)依據(jù)，對(duì)改進(jìn)高分辨率海洋模式參數(shù)化方案具有重要意義。
該研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息：Qian,Y.-K.,J. H. LaCasce,and S. Peng,2025: Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters. Journal of Physical Oceanography,55,1475–1491. https://doi.org/10.1175/JPO-D-24-0220.1
論文鏈接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/55/9/JPO-D-24-0258.1.xml
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