338742019年07月12日
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物理海洋实验室在亚中尺度过程及其地球生物化学效应方面取得研究进展
访问:58  日期:2019-07-08 作者:


628日,学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)在线发表了题为《中尺度地转变形场对海洋非地转运动与海表叶绿素的影响》(The influence of geostrophic strain on oceanic ageostrophic motion and surface chlorophyll)的研究成果。此项工作由物理海洋教育部重点实验室(以下简称实验室)副教授、青年教师张正光为第一作者,美国夏威夷大学裘波教授为通讯作者,以及其他合著者共同合作完成的。

海洋亚中尺度过程是大洋能量平衡的关键一环,是准地转的中尺度过程向非地转的小尺度运动传递能量的桥梁。亚中尺度过程由于其显著的垂向运动,近年来被认为是向真光层输送营养盐的重要渠道,对于全球海洋生态系统的初级生产力及其固碳能力起着关键作用。亚中尺度过程空间尺度小、时间变化快,观测上存在着重大挑战,长期以来无法从观测中系统性的给出其空间结构,也难以定量评估其生物地球化学效应。

该研究首先基于海表漂流浮标、高度计以及叶绿素遥感数据,构造了计算海表亚中尺度的非地转流速与叶绿素随体变化的方法,解决了观测上的瓶颈,并在全球范围内给出了两者的定量关系。以此为基础,发现了地转变形场是决定两者变化的关键性因素,即地转变形场越强,亚中尺度非地转动能也越强,造成的叶绿素随体增长越快。在物理机制上,明确了地转变形场是控制中尺度锋面不稳定性发展的关键因素,提出了变形中心的动力学概念。基于这一概念,揭示了在变形场作用下的中尺度锋面上,亚中尺度非地转运动与叶绿素响应的空间结构。发现在较强变形场的作用下,非地转次级环流的水平流速可以达到中尺度锋面地转流的十分之一左右,并且由此产生1-2个数量级的叶绿素的显著增长。这意味着,地转变形场与其产生的亚中尺度非地转运动可以对全球生态系统的初级生产力及其固碳能力做出重要贡献,在全球变暖大背景下的气候变化过程中扮演关键角色。

上述成果展现了实验室在海洋中尺度过程及其亚中尺度精细结构方向的科研水平,彰显了实验室国际学术合作的水准;第一作者张正光博士是我校自主培养的青年学者,2014年博士在读期间曾以第一作者身份在学术期刊《科学》(Science)杂志发表文章。本次研究成果的发表,得益于学校和实验室长期以来对于科学创新的重视,也再次体现了学校和实验室对于青年科研工作者培养的质量。


图:地转变形场产生亚中尺度非地转运动以及叶绿素相应的示意图。当变形场挤压中尺度准地转锋面时,所产生的锋面不稳定将产生非地转的次级环流,释放锋面的有效位能。非地转的次级环流,将使得锋面密度较小的一侧产生上升流,将次表层富含营养盐的水体带入真光层,促进叶绿素与初级生产力的增长。

 

About the article

Title: The Influence of Geostrophic Strain on Oceanic Ageostrophic Motion and Surface Chlorophyll

Authors: ZHANG Z. -G., B. Qiu, P. Klein, and S. Travis

Journal: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-019-10883-w

Abstract: Oceanic submesoscale ageostrophic processes have been progressively recognized as an important upwelling mechanism to close the nutrient budget and sustain the observed primary production of phytoplankton in the euphotic layer. Their relatively small spatiotemporal scales (of 1~10 km and a few days) have hindered a systematic observational quantification of the submesoscale ageostrophic flow variability and its impact on ocean biogeochemistry. By combining surface drifters, satellite altimetry and satellite ocean-color data, we detect that when the strain rate of mesoscale surface geostrophic flow is strong, it favors a higher ageostrophic kinetic energy level and an increase in surface chlorophyll concentration. The strain-induced frontal processes are characterized by a surface chlorophyll increase and secondary ageostrophic upwelling along the light side of the oceanic density front. Further analysis indicates that the balanced ageostrophic motions with longer time scales are more effective in inducing chlorophyll increase than the unbalanced shorter time-scale wave motions.

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10883-w







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