海院科研动态（184）|南海西部夏季综合航次助力多尺度动力过程研究取得系列进展
近日，我院王东晓教授、邱春华教授团队联合中国科学院南海海洋研究所等单位，基于“南海西部夏季综合航次”的现场观测数据，围绕南海西部多尺度动力过程开展系统研究并取得系列进展。相关成果以6篇论文分别发表于《Journal of Geophysical Research:Oceans》《Communications Earth&Environment》《Science China Earth Sciences》《Journal of Physical Oceanography》《Progress in Oceanography》等国际学术期刊。
研究背景
南海西部是西边界流作用区，受季风强迫与复杂地形驱动，从盆地尺度环流、中尺度涡旋（50–300 km）到亚中尺度锋面与细丝（<10 km）、近惯性内波，多个尺度的海洋运动交织共存，跨尺度能量交换显著影响海洋中的物质与能量输运及海气相互作用，是全球海洋多尺度动力过程研究的热点区域。
2021年8月28日，“向阳红03”科考船圆满完成“南海西部夏季综合航次”科考任务，在海南三亚顺利靠岸。航次由南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）资助、中山大学负责实施，航次方案由中山大学王东晓教授、厦门大学胡建宇教授、自然资源部第二海洋研究所朱小华研究员、复旦大学王桂华教授、南京信息工程大学董昌明教授、上海交通大学周磊教授、河海大学程旭华教授、中国科学院南海海洋研究所舒业强研究员等共同制定。首席科学家由我院龚文平教授、王东晓教授共同担任；科考人员来自中山大学、中国地质大学（武汉）、自然资源部第二海洋研究所等单位，共38名师生参加。航次共完成31个站位与1个连续站观测，布放1套潜标，开展14次VMP湍流剖面观测，在涡旋边缘进行了MVP加密观测，并完成2个水下滑翔机断面观测；航次期间还同步开展了海气相互作用观测（所用设备包括探空气球、船载气象站、温盐仪等）、海洋地质方向的重力柱采样与多管采泥器取样、海洋生物方向的水样采集等，体现了多学科交叉协同的特点，获得了丰富的数据。
图1 2021年8月南海西部夏季综合航次启航仪式（上）和航次站位图（下）
研究结果
发展各向异性视角下的动能跨尺度通量诊断方法
亚中尺度锋面与细丝常具有任意走向的流动主轴，经典二维跨尺度动能通量诊断方法难以适用。团队基于高分辨率海洋模式（ROMS）与航次MVP观测数据，从各向异性角度提出了依据应变主轴与涡旋倾斜方向诊断动能通量的新方法，并将二维跨尺度动能通量算法拓展至三维。研究发现，亚中尺度细丝全生命周期内，水平逆串级主要由剪切应变驱动，并触发各向异性锋生与地转剪切产生项；离心不稳定性引起的正向动能通量可达地转剪切产生项的35%，而这一过程在以往研究中常被忽略。进一步的亚中尺度机制分析表明，锋生过程中剪切应变主导能通量，锋消过程中则由湍流热成风（TTW）机制主导，该发现有效解释了应变、应力与不稳定性之间的方向依赖关系，为亚中尺度过程的参数化改进奠定了基础。
图2亚中尺度涡丝结构（上图）及锋面发展伴随的动量变化（下图）
发现混合层以下亚中尺度信号并揭示其产生机制
团队基于高分辨率MVP与VMP观测数据，在南海西部中尺度涡偶极子锋面区的混合层下方，发现了一类与混合层过程相对解耦的活跃亚中尺度信号。该信号表现为从混合层底部至温跃层之间的明显动能注入，其特征水平尺度约为12公里，在垂向位置和空间尺度上均显著区别于上层混合层过程，证实混合层以下锋面内部存在局地生成的亚中尺度动能来源。线性稳定性分析表明，该锋面区内的经典Charney型斜压不稳定能够激发亚中尺度扰动，其理论特征尺度约为11.5公里，与观测到的12公里动能注入尺度高度吻合。能量通量分析表明，该部分注入的动能主要向较大尺度传递，同时也有部分能量直接向小尺度串级。现场微结构湍流观测进一步证实，在Charney型不稳定活跃区域，温跃层内湍流混合显著增强，表明该局地能量来源可直接为海洋内部湍流提供能量供给。高分辨率全球海洋模式数据显示，各海域混合层以下的动能注入尺度均与当地Charney变形半径相近，表明该机制在全球海洋锋面中具有普遍性。该发现深化了对海洋内部能量传递和湍流混合过程的理解，为改进海洋模式中亚中尺度过程及内部混合参数化方案提供了新的理论支撑。
图3混合层以下动能注入及其跨尺度传递特征（上图）与Charney型不稳定引起的次表层混合强化的观测证据（下图）
揭示亚中尺度冷丝对大气边界层的强迫作用
针对亚中尺度过程与大气耦合过程复杂的问题，团队利用现场MVP观测、探空气球数据，结合高分辨率海气耦合模式（COAWST，海洋分辨率0.84 km，大气分辨率3 km），系统研究了受涡丝两侧密度锋面约束的亚中尺度冷丝的大气响应。研究发现，冷丝上空海洋大气边界层显著变浅，其高度由650米降至约200米，风速与位温同步减弱；冷丝两侧形成不对称的大气次级环流，其不对称性由跨锋风场（南风）主导。动量收支分析进一步表明，边界层下层的动量变化以垂直混合为主导，而边界层顶部科里奥利力项显著增强。这一结果证实，在亚中尺度冷丝上方，海洋大气边界层调整主要受垂直混合机制而非气压调整机制控制，为改进海气耦合模式中的边界层过程参数化提供了新认识。
图4海洋冷丝两侧上空大气边界层的响应（左图：海表风场与SST梯度关系；右图：次级环流结构示意图）
量化台风期间近惯性波与中尺度涡、全日潮的能量交换
利用航次期间布设的长达1年的锚系观测数据，团队定量解析了2021年台风“雷伊”期间近惯性动能变化的三大驱动机制。结果表明，风强迫（7.1 kJ/m²）、共振波—波相互作用（5.59 kJ/m²）与近惯性波—中尺度涡相互作用（0.22 kJ/m²）对近惯性动能增加的贡献依次递减；基于MITgcm的敏感性模拟证实，台风期间全日内潮与近惯性波之间的动能交换显著增强，而近惯性波与中尺度涡的垂向积分动能交换变化较小。为揭示该机制，团队拓展了中尺度涡旋—近惯性能量转化理论，发现台风期间中尺度地转应变的高模态结构导致了动能交换方向的高模态化，且能量转化方向由地转应变主轴方向决定。该研究拓展了台风期间海洋能量平衡的认识，对全球海洋数值模式湍流混合参数化方案具有重要意义。
图5中尺度涡旋—内波能量交换垂向分布
阐明海洋与大气反气旋涡旋驱动次表层海洋热浪的机理
针对次表层海洋热浪机制不清的问题，团队结合现场CTD观测与再分析资料，采用σ–π坐标系将南海西部次表层至深层划分为5类水团，并考察1993—2022年海洋热浪的年代际变化。研究发现，上层水团持续变淡、变轻，与更强、更持久的海洋热浪相伴；热量收支分析显示，垂直热平流约占平流热输送总量的60%，并与水团下沉（heaving）密切相关，主导次表层增温。进一步诊断表明，增强的反气旋中尺度涡与大气反气旋共同驱动了次表层水团的持续下沉，将上层暖水向下输运，从而放大次表层海洋热浪强度。该研究建立了涡旋—水团运动—海洋热浪演变的联系，为海洋热浪事件提供了潜在的可预测指标。
图6海洋次表层热浪强化的机制（上图）及年代际变化（下图）
研究意义
综合来看，该系列研究从亚中尺度锋面发展理论机制、亚中尺度不稳定机制、亚中尺度涡丝对海洋大气边界层的影响，到中尺度涡旋与近惯性内波的能量交换，再到深层水团的年代际变化与次表层海洋热浪，系统刻画了南海西部多尺度动力过程及其能量传递路径。系列成果为理解海洋多尺度相互作用、改进耦合模式参数化、提升海洋热浪预测能力提供了重要科学依据。
文章相关信息
该系列研究由中山大学海洋科学学院、中国科学院南海海洋研究所、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）、自然资源部、中国气象局、中国科学院大气物理研究所、南京大学、河海大学、天津大学、厦门大学、华南理工大学、美国伍兹霍尔海洋研究所、英国班戈大学、东英吉利大学、澳大利亚CSIRO、日本东京海洋大学、西班牙马德里先进材料研究所、美国迈阿密大学等国内外单位合作完成，得到南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）、国家重点研发计划、国家自然科学基金及广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。论文第一作者包括我院博士毕业生杨军、博士后张志鹏、中国科学院南海海洋研究所尚学昆博士后等，通讯作者包括我院王东晓教授、邱春华教授和中国科学院南海海洋研究所舒业强研究员。
发表文章：
1.Chunhua Qiu,Baijun Chen,Hao Pan,Rui Xin Huang,Dongxiao Wang*,Xin Wang,Ming Feng,Junde Li&Ziyang Cao,2026.Water mass heaving enhances subsurface marine heatwaves in the South China Sea monsoon region.Communications Earth&Environment.https://doi.org/10.1038/s43247-026-03933-x
2.Chunhua Qiu,Zihao Yang,Ming Feng,Jun Yang,Tom P.Rippeth,Xiaodong Shang,Zhenyu Sun,Chunsheng Jing,Dongxiao Wang*,2024.Observational energy transfers of a spiral cold filament within an anticyclonic eddy.Progress in Oceanography.https://doi.org/10.1016/j.pocean.2023.103187
3.Xuekun Shang,Yeqiang Shu*,Dongxiao Wang*,Xiaolong Yu,Qihua Peng,Danian Liu,2026.Subsurface kinetic energy source driven by Charney-type instability in oceanic fronts.Communications Earth&Environment.https://doi.org/10.1038/s43247-026-03782-8
4.Jun Yang,Ziqi Zhang,Jen-Ping Peng,Dongxiao Wang,Chunhua Qiu*,Rui Shi,Mingming Shao,Shichang Zhao,Fei Yu,Yihua Luan,2026.Asymmetry atmospheric secondary circulation response to a sea surface submesoscale cold filament.Science China Earth Sciences.https://doi.org/10.1007/s11430-025-1949-8
5.Jun Yang,Dongxiao Wang,Chunhua Qiu*,Xiaoming Zhai,Ru Chen,Jiawei Qiao,Bo Hong,2025.Importance of strains in Kinetic energy flux for submesoscale process from an anisotropic perspective.Journal of Geophysical Research:Oceans.https://doi.org/10.1029/2024JC022186
6.Zhipeng Zhang,Chunhua Qiu*,Dongxiao Wang,Zhiwu Chen,Toshiyuki Hibiya,Xiaohui Xie,Xiaolong Yu,2025.Kinetic energetic exchange between near-inertial waves and mesoscale eddy/diurnal tide during typhoon Rai.Journal of Physical Oceanography.https://doi.org/10.1175/JPO-D-24-0214.1
