近日，《Journal of Geophysical Research: Oceans》以“Observations of a Tilted, Dual-Core Anticyclonic Eddy With Asymmetric Dynamics in the Eastern South Pacific”为题，发表了海洋与地球科学学院地震海洋学团队博士后张锟与合作者的研究成果。该研究基于同步观测的多道反射地震、船载ADCP、XBT/TSG水文和卫星高度计等多种数据，对东南太平洋一个次表层反气旋涡开展了精细刻画，揭示了其随深度倾斜的双核结构、两侧不对称的流速分布，以及涡旋边缘显著增强的湍流混合。
中尺度涡携带了全球海洋动能的很大一部分，在热量、盐分和营养盐等物质的输运中作用重要。但在卫星反演和数值模式中，涡旋通常被简化为水平圆形、垂向对齐的轴对称结构。近年来的观测不断表明，真实涡旋的水平形态可能被拉长或扭曲，涡轴可随深度倾斜，垂向上还可能出现多个核心；涡旋边缘也并非一条界线分明的闭合等值线，而更像一条有一定宽度、动力活跃的锋面带。对次表层涡旋而言，这些偏差尤为突出——其最强信号位于海面以下，海表特征微弱，仅凭卫星观测难以还原其内部结构，因而高分辨率的现场同步观测格外重要。
2017年初在东南太平洋开展的MGL1701航次，先后三次以不同方位穿越同一个反气旋涡（测线s18、s20、s36b），同步采集了多道反射地震和船载ADCP流速数据，并施放了XBT、连续记录了走航温盐（图1）。多道地震以约10 m量级的分辨率成像涡旋内部的精细热盐结构，ADCP则提供直接测量的流速、而非由水文资料推算的地转流，二者结合，为解析这一次表层涡旋的三维结构提供了难得的机会。
图1 研究区与观测数据分布。(a) 东南太平洋主要流系与研究区（红框），PCCC为秘鲁 智利沿岸流，PCUC为秘鲁 智利潜流；(b) 目标反气旋涡（AE）与观测数据分布，背景为观测期间（2017年1月25日—2月8日）的平均海面高度，黑色实线为卫星高度计给出的涡旋海表边界，黄色十字线为地震剖面识别的涡旋范围，蓝色箭头为船载ADCP的0–600 m深度平均流速，品红色五角星为XBT站位，绿色虚线为Argo浮标轨迹。
研究发现，该涡旋由卫星高度计确定的海表边界呈不规则卵圆形，而非理想圆形。ADCP剖面进一步显示出明显的两侧不对称：三条测线上，剖面两侧的流速极值相差16%–27%；两侧极值所在深度相差64–160 m，而两极值之间的剖面视直径为30–38 km，对应0.12°–0.27°的剖面视倾角。由于测线未必正好穿过涡心，这一角度是基于剖面的“视倾角”，用以刻画结构随深度的系统性错位，而不等同于三维涡轴的真实倾角。地震剖面与流速剖面还一致显示涡旋具有双核结构，以s20测线最为清晰：上核位于约200 m深度，下核位于约500 m深度，两者被约350 m处一个较强的内部界面分隔（图2）。
图2 三条测线（自上而下依次为s18、s20、s36b）穿越涡旋的观测剖面。左栏 (a)、(d)、(g) 为走航温盐仪测得的近表层温度（红）与盐度（蓝）；(b)、(e)、(h) 为对应的地震反射剖面，C1、C2分别指示上核与下核，β为涡旋边缘高角度反射条带（“螺旋臂”）的视倾角，红色竖虚线为同步施放的XBT站位，剖面内小插图示意该测线的位置与方位。右栏 (j)、(k)、(l) 为船载ADCP观测的跨测线流速（彩色）叠加于地震反射剖面（灰度）之上，蓝色圆点与红色叉号分别标出剖面两侧的负、正流速极值，二者的深度错位反映涡旋结构随深度的倾斜。
XBT温度剖面在涡内约320–360 m处观测到与地震界面深度吻合的温度跃变，表明双核结构并非地震成像的假象，而对应真实存在的热盐分层（图3a）。水团分析显示，上核水体相对暖而咸，性质接近赤道次表层水（ESSW）；下核水体相对冷而淡，性质接近南极中层水（AAIW）（图3b）。这说明涡旋内部并非捕获了单一均质水团，而是在垂向上分布着性质不同的两层水体。
图3 (a) 涡旋内部（P22、P23、P31）与边缘（P24）XBT站位的温度剖面及其与WOA23二月气候态（黑线）的对比，约320–360 m处的温度突跃对应上核与下核之间的界面；(b) T–S图，背景散点为区域历史Argo资料（按深度着色）。上核与下核分别接近赤道次表层水（ESSW）与南极中层水（AAIW）的性质，SAAW为亚南极水。
高分辨率地震剖面还在涡旋边缘观测到陡倾的反射条带，视倾角多为1°–2°，明显陡于周围的背景反射，横向可连续追踪数公里，被解释为涡旋边缘的细尺度热盐结构或涡丝，与以往地震海洋学在其他海域反气旋涡边缘观测到的“螺旋臂”特征相一致。基于地震反射同相轴水平位移谱的细尺度参数化估算表明，涡旋边缘的湍动能耗散率达到10−9 W/kg量级，与温跃层中典型的湍流强度相当；而涡旋内核要低一到两个量级，边缘与内核的几何平均相差约75倍。更值得注意的是，耗散率高值区与由平滑流场计算的罗斯贝数、以及背景垂向剪切的极大值区在空间上并不重合，说明边缘的混合增强难以仅用可分辨的中尺度运动学来解释，可能与涡旋边缘的锋面过程和亚中尺度不稳定、内波以及热盐侵入等有关。
这些结果表明，该次表层反气旋涡呈现出一个相对连贯、但水文性质上下分异的双核内区，外围环绕着一条有一定宽度、混合增强的边缘带；仅用海表信息定义的、垂向对齐的轴对称涡旋模型，可能不足以描述单个涡旋的内部结构与跨边界的物质交换。这些特征提示，在比较这类结构复杂的涡旋时，有三个方面值得关注：海表特征与次表层结构是否一致、流速与水团在垂向上如何分层、以及涡旋边缘有多宽、混合有多强。该研究也进一步展示了地震海洋学在刻画次表层涡旋精细结构与边缘混合方面的独特作用；边缘增强混合的具体机制，仍有待未来的高分辨率数值模拟与微结构观测加以检验。
团队同期还在《Journal of Physical Oceanography》上发表了智利南部次表层涡旋的研究。两项工作出自同一航次（MGL1701），但关注的尺度与问题不同：JPO文章分析两个亚中尺度反气旋涡的动力学特征，而该研究则更精细地解析了一个中尺度涡的三维结构及其边缘混合。
我院博士后张锟为第一作者，宋海斌教授为通讯作者，博士生年佩雯参与研究。该研究受国家自然科学基金资助。
论文信息：
Zhang, K., Song, H., & Nian, P. (2026). Observations of a tilted, dual-core anticyclonic eddy with asymmetric dynamics in the eastern South Pacific. Journal of Geophysical Research: Oceans, 131(9): e2025JC023805. https://doi.org/10.1029/2025JC023805
相关论文：
Nian, P., Zhang, K., Song, H., & Li, X. (2026). Gradient-wind-balanced subsurface anticyclonic eddies offshore Southern Chile. Journal of Physical Oceanography, 56(9): 2097–2113. https://doi.org/10.1175/JPO-D-26-0036.1
撰稿 | 张锟、宋海斌