JGR-Oceans发表海洋与地球科学学院博士生杨顺研究成果：反射地震数据揭示北冰洋涡旋边缘增强的湍流混合

近日，国际知名地学期刊Journal of Geophysical Research: Oceans（地球物理研究杂志：海洋，JGR-Oceans）以“Enhanced Mixing at the Edges of Mesoscale Eddies Observed From High-Resolution Seismic Data in the Western Arctic Ocean”为题发表了同济大学海洋与地球科学学院宋海斌教授课题组与合作者的最新研究成果。这是该课题组关于北冰洋地震海洋学系列研究的第三篇论文（另两篇见：https://doi.org/10.1029/2021JC017984和https://doi.org/10.1029/2022JC018453）。

北冰洋由于长期被海冰覆盖，一直被认为是湍流混合较弱的海域。此外，北冰洋的盐跃层很强，所以垂向混合作用很弱，是当地表层海冰与主要海洋热源（即中层深度的大西洋暖水）相互隔离的重要因素。然而，过去几十年，季节性海冰的减少导致大气与海洋之间的耦合增加，使海水运动更加活跃，这不仅加强了湍流混合，还促进了中尺度涡旋的产生和发育，例如加拿大海盆及其周边海域存在大量中尺度和亚中尺度涡旋。

那么，北冰洋盐跃层中的涡旋是否加强了垂向热交换？如果答案是肯定的，那么垂向交换理应促进中层深度热量（大西洋暖水）向表层的转移，从而加速海冰融化。在全球海洋的大部分区域，垂向交换主要由湍流搅拌控制。与分子扩散相比，湍流搅拌使混合率提高了许多数量级。由于缺乏足够高分辨率的观测数据，人们对北冰洋盐跃层涡旋湍流混合的了解还很不够。

这项研究利用同步采集的高空间分辨率（~O(10) m）多道地震反射数据，和ADCP（声学多普勒流速剖面仪）测量的流速，在北冰洋西部无冰的楚科奇边缘区观测到了11个中尺度涡旋（图1），其中大多数是盐跃层内的反气旋式涡旋，与之前的研究一致。这11个涡旋的水平尺度总长度为三条地震测线总长度的40%，这表明涡旋在楚科奇缘境区广泛存在。

图1：同步观测的ADCP水平流速（彩色）叠加在多道地震剖面（灰色）上。AE表示反气旋式涡旋，CE表示气旋式涡旋。(a) 03BA测线；(b) 04测线；(c) 07B测线。

在这些涡旋的边缘，根据地震数据估算的垂向扩散率可达10^-4 m²/s（图2），显著强于楚科奇边境区平均值（10^-6 m²/s）。利用ADCP流速数据和历史CTD的温盐数据两种方法，通过细尺度参数化方法对地震估算的扩散率进行了验证，结果总体一致。涡旋边缘增强的垂向扩散率可能归因于涡旋顶部和底部边缘的剪切不稳定性以及涡旋侧边界的亚中尺度运动。最后，作者强调，北冰洋盐跃层内的中尺度涡旋边缘垂向混合的增强会增加向上的热通量，从而将大西洋暖水的热量传递到海表，这可能会进一步促进表层海冰的融化。

图2：利用多道地震数据估算的海水垂向扩散率（彩色）叠加在多道地震剖面（灰色）上。AE表示反气旋式涡旋，CE表示气旋式涡旋。(a) 03BA测线；(b) 04测线；(c) 07B测线。

论文第一作者为我院博士生杨顺，宋海斌教授为通讯作者，合作者包括美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校Bernard Coakley教授以及我院博士后张锟博士。该研究受国家自然科学基金（41976048, 42176061）项目资助，同时致谢美国夏威夷大学Andrew Frambach博士和Jules Hummon博士、美国国家科学基金（ARC09-09568）以及MGL1112航次的科学家团队和全体船员。