南海反气旋涡三维结构的多水下滑翔机观测研究

作者及机构
本研究的通讯作者为天津大学机械工程学院的Shuxin Wang，合作作者包括天津大学的Shufeng Li和Yanhui Wang，以及佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的Fumin Zhang。研究论文发表于*Journal of Atmospheric and Oceanic Technology*，2019年12月刊。

学术背景
中尺度涡旋（mesoscale eddies）是海洋中空间尺度为50至500公里、时间尺度为10至100天的常见现象，对海洋热量和物质输送具有重要影响，进而调控全球气候变异。然而，由于高分辨率观测数据的稀缺，学界对涡旋的三维温盐结构和生物地球化学特性的认知仍不完善。南海作为西太平洋最大的边缘海，受复杂海底地形和季风相互作用影响，中尺度涡旋活动频繁，但其精细三维结构尚未被系统研究。本研究旨在通过12台水下滑翔机（underwater gliders）组成的观测网络，构建南海北部一个反气旋涡（anticyclonic eddy）的三维结构，验证滑翔机网络观测中尺度涡旋的有效性，并揭示其物理与生物地球化学特性。

研究流程
1. 观测设计与实施
- 滑翔机部署：2017年8月，12台“Petrel-II”水下滑翔机在南海北部梯形海域（21.5°N–19.2°N, 116.8°E–119.3°E）展开观测，共完成860次下潜循环，获取1720条高分辨率温盐剖面和198条生物光学剖面。
- 传感器配置：每台滑翔机搭载CTD（温盐深仪）、溶解氧（DO）传感器和生物光学传感器（叶绿素荧光计、有色溶解有机物CDOM荧光计），垂直分辨率达0.8米（CTD）和0.2米（生物光学）。
- 数据质量控制：通过10米分箱平滑去除噪声，并与船载CTD数据校准验证精度（温度误差±0.002°C，盐度误差±0.0003 S/m）。

1. 卫星数据融合

   • 结合Copernicus海洋环境监测服务（CMEMS）提供的海平面异常（SLA）和绝对动态地形（ADT）数据，确定涡旋表面参数（中心位置、半径、振幅），并通过ADT时间序列追踪涡旋起源。

2. 三维结构重建

   • 复合分析法：以涡旋中心为原点建立坐标系，归一化剖面位置与涡旋半径，利用高斯权重插值（影响半径50公里）构建温度异常（θ’）、盐度异常（S’）和密度异常（σ’_θ）的三维场。
     
   • 生物地球化学参数分析：溶解氧、叶绿素和CDOM的垂直分布通过滑翔机8的生物光学传感器数据解析。

主要结果
1. 涡旋动力学特征
- 卫星数据显示，该反气旋涡平均半径98公里，表面最大振幅15厘米，以平均速度9.16厘米/秒向西移动。通过ADT序列证实其起源于吕宋海峡黑潮环流脱落（图9），与南海本地水体相比，涡旋上层300米盐度高出0.3 PSU（图10），具有黑潮水团特性。

1. 温盐垂直结构

   • 温度异常：最大θ’（>3°C）出现在120米温跃层（图20），水平分布呈不规则性，可能与流-涡相互作用有关。涡旋影响深度超900米，中心轴在150米以下显著倾斜（图22a–b）。
     
   • 盐度异常：最大S’（0.8 PSU）位于50米混合层（图21），300米以下接近环境值，表明涡旋对盐度的垂向影响较浅。

2. 生物地球化学特性

   • 溶解氧：最大值（7.5 mg/L）出现在50–80米（图18c），对应密度面21.5–23 kg/m³。
     
   • 叶绿素：峰值浓度（1.2 mg/m³）位于80–120米，紧邻溶解氧高值区下方（图18a–b），暗示涡旋对浮游生物垂向分布的调控。
     
   • CDOM：浓度随深度增加，500–800米均值超2.2 ppb（图18d），反映有机物降解过程。

结论与价值
本研究首次通过多滑翔机网络揭示了南海反气旋涡的三维物理-生物地球化学耦合结构，证实滑翔机在解析中尺度涡旋精细特征中的优势。科学价值体现在：
1. 方法论创新：12台滑翔机的同步观测克服了单滑翔机时间混淆问题，水平分辨率（4.5公里）和垂直分辨率（0.8米）显著优于传统Argo浮标和锚系观测。
2. 涡旋动力学机制：证实黑潮脱落涡旋可携带高盐水体进入南海，影响区域盐度分布和能量输运。
3. 生态意义：涡旋核心区溶解氧和叶绿素的层化分布为理解海洋初级生产力与碳循环提供了新视角。

研究亮点
- 技术突破：Petrel-II滑翔机搭载多传感器实现物理-生化参数同步高分辨率采集。
- 发现新颖性：首次报道南海涡旋中CDOM的垂向递增模式及其与深层碳循环的潜在关联。
- 应用潜力：研究成果可为未来涡旋观测网络设计和区域气候模型参数化提供指导。

其他价值
研究团队开发的滑翔机自适应路径规划算法（未在本文详述）可优化涡旋边界和核心区的采样效率，后续工作将结合可控航迹进一步解析涡旋演变过程。