SWOT揭示南极近海活跃的涡旋活动 | NSR论文

南极中尺度涡研究的难点

中尺度涡是海洋中旋转的水体，在物质输运以及海气通量交换中发挥着关键作用。由于中尺度涡通常会产生海表高度信号，随着卫星高度计技术的发展，自20世纪90年代以来，中尺度涡研究取得了长足进展，是海洋科学领域最重要的突破之一。在全球范围内，由于海洋背景环境的不同，中尺度涡的空间尺度也存在显著的差异。在中低纬度大洋区域，中尺度涡的典型尺度约为100 km，而在南极近海，其空间尺度通常只有10 km左右。然而，传统卫星高度计数据（AVISO）网格间距约为25 km，仅能研究中低纬度大洋的涡旋，无法解析南极近海的小型涡旋，导致科学界对南极中尺度涡的认识十分有限。

SWOT卫星高度计揭示南极中尺度涡特征

历经20余年的发展，新一代高度计卫星SWOT于2022年12月发射。相较于传统高度计的单轨道观测，SWOT 采用宽条带模式，实现了海表高度的二维同步观测，空间分辨率提升至 2 km。该卫星拥有两条50 km宽的观测条带，能够完整解析南极近海中尺度涡空间结构（图1c-f），为系统地研究南极中尺度涡提供了前所未有的观测条件。

SWOT观测结果表明，南极近海存在丰富的中尺度涡（图1）。根据海表高度闭合等值线识别涡旋的方法，该研究定量地分析了涡旋的主要特征（图2）：约90%的涡旋振幅在2 cm以内，半数以上的涡旋半径分布在 5-10 km，旋转速度集中于5-20 cm/s。

图1.（a）基于SWOT观测和地转平衡计算的瞬时动能分布；（b）基于海表高度等值线法探测的涡旋空间分布；（c-f）SWOT观测的罗斯海（Ross Sea）连续4天的瞬时海表高度场。

图2. 南极近海中尺度涡的统计特征。

冰架融水和高密度陆架水激发中尺度涡

中尺度涡虽广泛存在于南极近海，但其空间分布却呈现出显著的区域性差异。例如，涡旋集中分布于罗斯海（Ross Sea）以及别林斯高晋-阿蒙森海（Bellingshausen-Amundsen Sea）（图1b），这两个海域分别是冰架融化和高密度陆架水形成的典型区域。冰架融化与高密度陆架水的形成均会产生水平密度梯度，理论上会诱发斜压不稳定，进而生成中尺度涡，这可能是上述区域涡旋形成的核心机制。SWOT 观测结果表明，冰架前缘区域存在丰富的涡旋信号（图3a）；同时，涡旋的空间分布与高密度陆架水的出流路径高度匹配（图4a），二者均为该假设提供了有力支撑。数值模拟结果（图3b、图4b）进一步验证了这一结论，同时表明冰架融化速率增强会使涡旋能量更多地集中于海洋上层（图3），更有利于卫星高度计的观测识别。

冰架融化与高密度陆架水的形成在南极近海普遍存在，这可能也是南极东侧海域中尺度涡广泛存在的关键驱动因素。需要指出的是，南极东侧海域存在强陆坡流，比如拉扎列夫海与里瑟-拉森海（Lazarev and Riiser-Larsen Seas），这一动力过程同样对涡旋的生成起到重要作用。现阶段，定量评估不同物理机制对涡旋生成的相对贡献，依然是南极海洋研究中亟待解决的难题。

图3.（a）SWOT观测的别林斯高晋-阿蒙森海（Bellingshausen-Amundsen Sea）瞬时罗斯贝数分布（表征涡旋旋转强度与方向）；(b-e) 数值模拟结果，其中 (c) 涡动能（EKE）随冰架融化速率的变化特征；(d) 涡动能的垂向分布；(e) 密度断面。

图4.（a）SWOT观测的罗斯海（Ross Sea）瞬时罗斯贝数分布，箭头表示高密度陆架水的出流路径；(b-e) 数值模拟结果，其中 (c) 涡动能（EKE）随高盐陆架水盐度的变化特征；(d) 涡动能的垂向分布；(e) 密度断面。

创新点

该研究首次系统地探究了南极近海中尺度涡的空间分布规律与统计特征，证实冰架融化与高密度陆架水出流过程是驱动中尺度涡生成的关键机制，且该过程能够产生卫星高度计可探测的海表高度信号。该研究不仅为后续涡旋动力学研究及其气候效应奠定了重要基础，也为监测冰架融化和南极底层水的形成提供了新思路。

中山大学海洋科学学院韩显显副教授为论文第一作者，合作者包括南方海洋实验室陈大可院士（通讯作者），王召民研究员，杨清华教授，倪钦彪副研究员，刘成彦副研究员，德国亥姆霍兹极地海洋研究所（AWI）王强研究员，美国加州大学洛杉矶分校Andrew Stewart教授。

该研究受到国家重点研发计划（2024YFF0506600），国家自然科学基金（42530406, 42306252），南方海洋实验室自主科研项目（SML2023SP201）共同资助。