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南海中尺度涡旋及次中尺度过程的高分辨率温盐数据集研究

作者及发表信息
本研究由中山大学海洋科学学院、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）的邱春华、杜振阳、唐海波等学者主导，合作单位包括英国东英吉利大学环境科学学院。研究成果发表于地球系统科学数据期刊 *earth syst. sci. data*（2025年，卷17，页3189–3202），数据已通过ScienceDB开放获取（DOI: 10.57760/sciencedb.11996）。

学术背景
南海作为热带边缘海，其动力过程以中尺度涡旋（Mesoscale Eddies, MEs）为核心，这些涡旋水平尺度达50–300公里，生命周期为数周至数月，通过能量耗散和物质输运影响全球海洋能量收支。然而，传统观测手段（如船舶调查、卫星遥感、Argo浮标）受限于被动采样模式，难以捕捉MEs演化的千米级时空细节，尤其是伴随的次中尺度过程（Submesoscale Processes, 水平尺度公里，时间尺度小时）。为此，研究团队利用自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles, AUVs）和水下滑翔机（Underwater Gliders, UGs）的主动追踪能力，构建了南海首个覆盖涡旋全生命周期的温盐数据集，旨在揭示MEs的三维结构、倾斜特征及其与次中尺度过程的耦合机制。

研究流程与方法
1. 数据采集与平台设计
- 实验设计：2014–2022年间，团队在南海北部开展了11次航次实验，共部署50台UGs和2台AUVs，获取13,491组温盐剖面。UGs采用“锯齿形”轨迹（速度0.3 m/s），AUVs结合“锯齿形”与“巡航模式”（速度1 m/s），空间分辨率最高达公里，时间分辨率小时。
- 创新设备：使用国产“海翼”（Sea-wing）和“海燕”（Petrel）滑翔机，搭载SeaBird Glider Payload CTD传感器；AUV“海鲸2000”配备SBE 37 CTD和DVL++导航系统，可在300米深度稳定作业。

1. 质量控制与数据处理

   • UG数据质控：遵循国际海洋观测系统（IOOS）标准，包括时序检测、语法校验、压力单调性检验等9步流程，剔除异常数据（如温度/盐度>35°C/35 psu）。
     
   • AUV数据校正：针对巡航模式数据，采用线性回归将不同深度温盐数据归一化至300米层，验证与位温算法的一致性。
     
   • 密度计算：基于UNESCO国际状态方程，联合温、盐、压数据计算海水密度，用于后续涡旋动力分析。
     

2. 涡旋结构与演化分析

   • 三维特征提取：通过插值将原始数据网格化（1 km×1 km×1 m），基于地转平衡理论推导流速场，结合海平面异常（SLA）数据定位涡核。
     
   • 生命阶段划分：
     
     • 生成阶段：2019年7月观测到吕宋海峡涡旋的东北向倾斜（图7a-b），证实斜压不稳定是初始动力机制。
       
     • 成熟阶段：2017年7月数据显示涡旋向东倾斜（图7c-d），归因于罗斯贝波与背景剪切流的共同作用。
       
     • 消散阶段：2020年6月发现西南向倾斜的涡旋（图7e-f），与地形摩擦导致的动能耗散相关。
       
   • 次中尺度过程：40%的数据解析了涡缘锋面的不稳定现象（图8），通过理查德森数相位角（φRI）量化重力不稳定（GI）、对称不稳定（SI）和离心不稳定（CI）的共存状态。
     

主要结果
1. 涡旋动力结构
- 2015年4月观测到次表层暖核涡旋（50–500米），其不对称性支持梯度风平衡理论（图5a）。
- 2021年5–7月AUV追踪反气旋涡时，发现其面积与温度呈“减弱-再增强”振荡（图6），与地形捕获导致的能量重组有关。

1. 次中尺度过程
   
   • 2017年实验中，多台UGs协同捕捉到涡缘锋面的混合层斜压不稳定（图8a），能量通过正向串级向耗散尺度传递。
     
   • 与Argo数据对比显示，UGs/AUVs的时空分辨率提升10倍以上，显著优化了数值模型的预报精度。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次通过多平台协同观测，揭示了南海MEs的垂直倾斜与生命周期动态关联，提出“斜压-地形-耗散”三阶段演化模型（图9）。
- 证实次中尺度过程在涡旋能量串级中的双向作用，为海洋能量级联理论提供实证支撑。

1. 应用前景
   
   • 数据集可同化至物理-生物地球化学耦合模型，提升南海环流及生态预测能力。
     
   • 技术框架（如UG阵列设计、AUV路径规划）为全球边缘海涡旋研究提供范式。
     

研究亮点
1. 方法创新：开发了基于主动追踪的“滑翔机-航行器”协同观测网络，突破传统被动采样的时空限制。
2. 发现突破：首次报道南海涡旋的倾斜方向随生命周期变化，提出地形调制下的耗散新机制。
3. 数据开放：9年实测数据全公开，涵盖40%的次中尺度过程，填补了南海高分辨率动力过程的空白。

其他价值
研究团队指出，未来需优化强流环境下的设备操控性，并扩展传感器（如湍流、生化参数）以深化多尺度耦合研究。国家自然科学基金委计划资助更密集的野外观测计划，进一步推动南海动力过程认知。

此报告综合了研究的创新性、技术细节与科学价值，为相关领域学者提供了全面参考。