中国科学院海洋所王凡团队刘传玉研究组及其合作者在海洋上层亚中尺度不稳定研究方面取得进展！

近日，中国科学院海洋研究所王凡团队刘传玉研究组携手加州大学洛杉矶分校James C. McWilliams教授，在全球海洋上层亚中尺度斜压不稳定方面提出新的理论认知，在美国地球物理学会权威期刊Journal of Geophysical Research: Oceans发表系列研究成果。

亚中尺度运动，水平尺度约为 1–10 公里，广泛分布于上层海洋，是大尺度平衡动力过程与小尺度非平衡湍流之间的重要中介。这类运动的形态复杂，既包括准地转动力学主导的亚中尺度斜压不稳定和涡旋，也包括由非地转机制驱动的锋生、对称不稳定等现象，准确理解亚中尺度动力过程及其影响，是当前物理海洋学研究的重要前沿方向。

在该系列的第一篇论文中，团队提出了海洋上层斜压不稳定主要由Charney型不稳定主导的观点，并给出了不稳定特征垂向尺度的定义方法。基于季节气候态WOA23（World Ocean Atlas 2023）数据集，采用线性稳定性分析方法，系统分析了上层海洋Charney型亚中尺度斜压不稳定（C-SBCI）的扰动生长率、水平尺度与垂向结构特征，指出C-SBCI 具有典型的表层强化、随深度衰减的振幅分布特征，但衰减范围不仅仅局限于混合层之内；进一步通过准地转位涡梯度的垂向分布特征，提出了一种定义和量化了 C-SBCI 的特征垂向尺度（Charney depth）的方法（图1）。通过将 Charney depth与混合层深度（MLD）进行比较，发现全球约 20% 的 C-SBCI 能够穿透混合层并影响更深层的海洋内部（图2）。这一发现突破了传统的混合层斜压不稳定（MLI）主要以Eady型为主导、并局限于混合层之内的认知（图1），为深入理解亚中尺度能量输运和物质通量提供了新的科学依据。

图1. (a) Charney型亚中尺度不稳定（C-SBCI）的垂向结构示意图；(b)混合层不稳定（MLI）的垂向结构示意图

图2. （a）和（c）Charney型亚中尺度斜压不稳定（C-SBCI）垂向尺度（Charney depth）的全球分布特征，（b）和（d）Charney depth和混合层深度）（MLD）的对比，颜色表示发生率

在该系列的第二篇论文中，团队揭示了与C-SBCI相关的斜压能量分布规律与转化过程，并提出了C-SBCI特征时空尺度的量化方案。研究表明，C-SBCI引起的侧向和垂向涡旋浮力通量变化主要集中在 Charney depth之上，表明该过程主要依赖于 Charney depth 之上的背景斜压结构，并将该层次的有效位能转化为涡动能（图3）。进一步提出了一套基于背景海洋状态估算C-SBCI 的生长率、水平尺度以及传播速度的计算方案（图4），并利用WOA23数据刻画了上述参数的全球分布及季节变异特征。该成果不但加深了对上层海洋亚中尺度不稳定引起的能量转移过程的理解，还为海洋上层亚中尺度涡致混合参数化提供了理论基础和实践依据，具有重要的科学意义与应用价值。

图3. (a)侧向涡致浮力通量的垂向结构示意图；(b)垂向涡致浮力通量的垂向结构示意图

图4. 基于Charney depth、有效位能以及局地科氏参数估算全球海洋C-SBCI成长率及特征水平尺度

中国科学院海洋研究所博士后冯岭为论文第一作者，刘传玉研究员为通讯作者，合作者还包括美国加州大学洛杉矶分校James C. McWilliams教授和中国科学院海洋研究所王凡研究员。本研究得到了国家自然科学基金（42406017，42430403）、国家重点研发计划（2022YFF0801404）、中国博士后科学基金（2022M713178）及国家留学基金委的资助。

论文信息：

Feng, L., Liu, C.*, McWilliams, J. C., & Wang, F. (2025). Global distribution and seasonal variations of Charney‐type submesoscale baroclinic instabilities (C‐SBCIs). Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2024JC022103. https://doi.org/10.1029/2024JC022103

Feng, L., Liu, C.*, McWilliams, J. C., & Wang, F. (2025). Scaling estimation for growth rate and horizontal wavelength of Charney‐type submesoscale baroclinic instabilities (C‐SBCIs). Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2024JC022104. https://doi.org/10.1029/2024JC022104

• 信息来源：中国科学院海洋所。

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