探脉南海！香港科技大学甘剑平教授研究团队依托“天河二号”超算系统解码三层环流奥秘

导 读

南中国海连接了北太平洋和印度洋，对跨大洋水体输送起着关键作用，其环流的时空变化特征影响着南海北部陆架的洋流，也影响着中国东南沿海的人类生活。同时，深层的南海环流以及垂向的水体混合与南海内部的生物化学过程息息相关。但是，由于观测数据的匮乏以及研究手段及方法的限制，人们对南海的整体环流特征尤其是深层的流动尚未有全面的认识，因此，对南海环流的研究充满着未知的挑战。

香港科技大学甘剑平教授研究团队多年来依托“天河二号”超算系统结合中国海多尺度模拟系统CMOMS的模型结果和最新观测数据，对南海三层环流的基本形态特征、多尺度变化和动力机制进行了研究，并着重探讨了其内在和外在耦合的动力机制，为支持大力发展海洋国家战略奠定了坚实的理论和研究基础。近日，其最新研究成果发表在海洋学权威期刊《Progress in Oceanography》上。

南海是连通太平洋与印度洋的咽喉要道,具有非常重要的战略地位和经济价值，一直是海洋学家的重要研究对象。受限于观测数据以及研究手段，人们对南海的整体环流特征尤其是深层的流动尚未有全面的认识，许多现有的国际主流模式尚不能准确分辨南海三层环流及其相关的生物化学物质输运。香港科技大学甘剑平研究团队依托“天河二号”成功开发了新的三维高分辨率中国海多尺度海洋环流模型 （China Sea Multi-scale Ocean Modeling System，CMOMS）。

南中国海地形和三层环流示意图

该模型考虑了南海和邻近海洋中与西部边界流、季风、潮汐强迫和地形强迫相关的动力学，并采用了潮-亚潮集合流适用的新数值边界条件。上图显示CMOMS可成功分辨南海环流在不同深度的三层交替旋转环流，填补了现有海洋模式对边缘海动力分辨的不足。

南海三层环流的基本形态和时空变化特征

通过CMOMS模型的模拟结果，研究团队发现在吕宋海峡黑潮入侵和东亚季风的共同作用下，南海上层环流呈气旋式特征，南海东北部陆坡流速较强，并沿南海北部陆坡西南向减弱。下图展示的上、中、深层的深度积分流函数表示了冬季和夏季南中国海的三维环流结构。南海环流在垂向上可大概分为三层交替旋转的环流：750米以上为上层的气旋式（逆时针）环流，750至1500米为中层的反气旋式（顺时针）环流，1500米以下为深层的气旋式（逆时针）环流。下图中箭头的粗细代表环流的强弱，南海三层环流存在显著的季节性变化特征。

冬季和夏季南中国海上、中、深层环流结构

南中国海三层环流与周围海峡的外部输运和季风密切相关。季风主要作用于南海上层环流，而中层和深层环流则被南海周边的海峡输运通量控制。下图显示了不同海峡输运通量随时间和深度的变化特征。吕宋海峡的入侵以及卡里马塔海峡、民都洛海峡、台湾海峡的出流驱动着整个南中国海三层环流。这些既相互连接又随时间和空间变化的流量分配，加上风应力驱动及地形制约，共同影响着南海及整个中国边缘海环流体系。

中国海外围海峡和东中国海跨陆坡输运的时空变化

南海三层环流动力机制

通过计算模拟结果结合对南海三层环流的现有认知，研究团队总结了其动力机制，见下图。吕宋海峡的三层“入流-出流-入流”结构为南海中2500米以上“气旋-反气旋-气旋”式三层环流的涡度源汇。风应力旋度和黑潮通过吕宋海峡输入的行星涡度在冬季共同制约南海表层环流，在夏季风应力旋度起主要作用 。在2500米以下的封闭海盆中，吕宋海峡底层入侵流的下沉和海盆内的上升运动，形成垂向涡度输运的空间分布不均匀，从而为深渊环流提供净的垂直涡度通量输送。这一动力框架同时指出了1500-2500米之间的气旋式环流的剪切作用可能也是诱导封闭海盆气旋式环流的重要动力因素。

南中国海三层环流动力机制示意图

研究进一步发现，海盆内的垂向混合和对流过程在各层环流间建立动力耦合，并在维系“气旋-反气旋-气旋”环流结构中起到重要作用。各层间垂向耦合主要发生在陆坡区域，这些区域强陆坡流和地形间相互作用生成沿等深线压强梯度，进而产生跨陆坡运动/垂向运动。在中层和深层，垂向涡度通量是对外部作用力的主要动力响应，且其空间分布对局部环流结构具有很大影响。但对上层环流，垂向涡度通量的影响相对较小。通过垂向过程，风和侧向外强迫的变化可在水体中传播并影响整个“气旋-反气旋-气旋”式三层环流。

天河二号提供重要计算支撑

该项研究建立在高精度的数值模拟结果之上，而数值模拟的成功则与先进的超级计算机密不可分。研究团队的中国海多尺度模拟系统CMOMS包含了三维的物理、生物、化学等多个参数，计算规模非常大，达到了数万核的并行规模，所以必须依托于天河二号这个国际顶尖超级计算机才能把模拟任务的时间尺度缩短至数日内。甘剑平教授介绍到“除了提供稳定高效的计算资源，广州超算的技术支持工程师们在我们遇到问题时提供了非常及时专业的技术支持服务，让我们能在最短的时间内通力解决困难继续研究工作。未来，希望能继续与广州超算团队合作，进一步提升模拟系统性能，不断优化南海环流的模拟结果，为国家大力发展海洋经济、建设海洋强国贡献自己的力量。”

香港科技大学甘剑平教授研究团队是广州超算建立之初就开始使用“天河二号”的团队之一，目前，香港已有十所高校及多个科研机构都依托超算加速科学研究与技术发展，逐渐形成了支撑服务粤港澳大湾区发展的格局。未来，广州超算将继续把握建设粤港澳大湾区的重大机遇，以超算驱动创新，打造国际领先水平的多领域超算应用平台，全力做好粤港澳大湾区和国际科技创新中心核心引擎。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079661119304264?via%3Dihub

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信息来源：国家超级计算广州中心

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