中国海洋大学在海洋亚中尺度过程组网观测研究方面取得重要进展

近日，国际知名期刊Geophysical Research Letters（《地球物理研究快报》）发表了中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心、物理海洋教育部重点实验室在海洋亚中尺度过程组网观测研究方面取得的最新成果，研究首次基于学校自主研发建设的高分辨率潜标阵列和新一代干涉高度计卫星SWOT的联合观测，揭示了亚中尺度涡旋的运动学和动力学特征，证实了开阔大洋亚中尺度涡旋的广泛存在以及SWOT观测亚中尺度涡旋的潜力。

海洋亚中尺度过程是空间尺度为1–10公里量级、时间尺度为1–10天量级的一类海洋运动，在大洋能量串级和垂向物质输运中扮演着重要角色，对大洋环流和生物地球化学过程等具有重要调控作用，是当前海洋科学的前沿研究领域。由于亚中尺度过程的时空尺度较小，对其开展观测极具挑战，当前观测资料的不足严重制约了亚中尺度过程动力学理论与模式参数化的发展。为了在全球范围观测亚中尺度过程，美国宇航局和法国航天局合作研制和发射了新一代宽刈幅干涉高度计卫星SWOT（Surface Water and Ocean Topography），并于2024年初发布了2公里分辨率Level-3的海面高度数据。然而，SWOT观测获得的海面高度数据的可靠程度仍不清楚，其“瞬时”数据既包含了平衡态的亚中尺度过程，也包含了大量非平衡态的惯性重力波，后者是SWOT观测亚中尺度过程的严重“噪音”。因此，目前对于SWOT观测亚中尺度过程的潜能亟需通过现场观测进行评估。

为了评估SWOT的测量精度及其在观测亚中尺度过程方面的潜能，中国海洋大学作为中国大陆唯一单位受邀加入SWOT轨道现场观测国际联盟，基于学校自主组织的西太平洋综合科考航次，成功在副热带西太平洋SWOT快速采样轨道下构建了由4套潜标组成的亚中尺度潜标阵，实现了在SWOT快速采样阶段（2023年4–6月）与卫星同步的高分辨率、连续组网观测（图1）。通过将剔除非平衡运动“噪音”后的潜标数据计算得到的比容高度与SWOT海面高度进行对比发现，SWOT在相当一部分时间窗口可以较好地刻画平衡运动，从而验证了利用SWOT数据观测平衡态亚中尺度过程的可靠性。进而，利用潜标阵和SWOT同步观测数据，在副热带西北太平洋成功捕获了多个亚中尺度涡旋（图2），揭示了它们的如下运动学和动力学特征：半径为O(10)公里量级，海面高度振幅O(1)厘米量级，罗斯贝数超过0.4，影响深度超过150米（远超传统理论认为的混合层），通常与中尺度涡相伴而生，迁移受到等背景流的调控等。 

文章审稿专家评价该研究“在国际上首次利用现场观测证实了SWOT卫星的亚中尺度过程观测能力”，彰显了中国海洋大学在亚中尺度过程组网观测方面的国际领先地位，为国际同行利用SWOT卫星数据识别和研究亚中尺度过程提供了重要的观测依据。研究成果由学校国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者张志伟教授担任第一作者，国家级高层次人才赵玮教授为通讯作者，联合学校在读博士生缪明芳、荆钊教授、陈戈教授、陈朝晖教授、田纪伟教授等共同合作完成，研究得到国家自然科学基金“西太平洋”重大研究计划集成项目、崂山实验室科技创新项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金、山东省杰出青年科学基金等项目的资助。

图1.(a) 传统卫星高度计观测得到的中尺度海面高度异常的均方根（填色）和平均海面高度（白色等值线），灰色阴影和紫色虚线表示SWOT快速采样轨道；(b) 亚中尺度潜标阵站位图；(c) 潜标配置示意图；(d) 潜标温盐链配置图。

图2.(a) SWOT卫星观测的亚中尺度涡旋引起的海表面高度异常，绿色等值线为亚中尺度涡旋的边界，紫色圆点为潜标站位；(b) 潜标阵观测得到的罗斯贝数（相对涡度除以行星涡度）随深度和时间的变化，灰色矩形内的正罗斯贝数对应于(a)中的亚中尺度气旋涡；(c, d) SWOT卫星和潜标阵同步观测的另一个亚中尺度涡旋。

2024-GRL-Submesoscale Eddies by SWOT and Mooring in NWP.pdf