近日，Geophysical Research Letters在线发表了海洋与大气学院的最新科研成果“On the Vertical Structure of Mesoscale Eddies in the Kuroshio-Oyashio Extension”（黑潮-亲潮延伸体中尺度涡旋垂直结构研究）。该成果第一作者为海洋与大气学院博士研究生姚恒恺，通讯作者为马超副教授，合作者包括荆钊教授和张正光教授。
黑潮-亲潮延伸体区域是北太平洋两支西边界流交汇的地区，也是全球涡旋活动最为强烈的海域之一。研究涡旋的垂直结构有助于我们理解涡旋对热量和物质输运的影响，进而对大尺度海洋热结构、生物化学循环等产生影响。以往的研究已经初步探讨了该区域中尺度涡旋的典型垂直结构，但仍存在一些局限。这主要是因为该区域涡旋的垂直结构非常复杂，人为划分的区域容易导致多种垂直结构混淆；基于欧拉框架的统计方法无法考虑涡旋生命周期中的垂直结构演化；而斜压不稳定等影响因素在不同类型涡旋中的作用尚不清楚。因此，进行科学客观的聚类分析，并基于拉格朗日框架提供包含涡旋演化、拆分和合并等事件信息的涡旋识别方案，对于提高我们对该区域涡旋垂直结构的理解至关重要。
本研究利用了升序层级聚类方法对观测数据和再分析资料进行了分析，发现在黑潮-亲潮延伸体区域存在三类典型的涡旋垂直结构（图1）。在该研究区域的北侧存在一类涡旋，其核心深度位于100~300米之间；而在南侧同时存在一类核心深度位于300~500米的涡旋和一类核心深度位于0~100米的涡旋，这两类涡旋在空间上存在重叠。涡旋在传播和形变过程中会引起频繁的合并和拆分事件，研究发现，在这些事件中涡旋的垂直结构发生显著的变化，但并没有引入新的涡旋类型（图2）。此外，本研究还讨论了涡旋生成阶段的背景场以及涡旋传播过程中的局地调整对涡旋垂直结构的影响。通过基于生成阶段斜压不稳定模态和局地调整阶段第一斜压模态的线性拟合分析，我们发现这两个过程对于涡旋垂直结构都起到重要作用，部分解释了不同类型涡旋的垂直结构（图3）。
该研究成果表明，与以往研究不同，本研究在黑潮-亲潮延伸体的南侧发现了一种新型的涡旋垂直结构，拓展了我们对该区域涡旋垂直结构的认识。研究还指出以往研究中使用预设子区域方法在研究涡旋垂直结构时存在局限性，并提出了一种更可靠的涡旋垂直结构分类方法。通过动力分析和先进统计方法相结合，我们能够更好地理解涡旋的起源、属性以及它们对热量和物质输运的影响，从而更好地理解气候和生态系统。
发表文章列表：
Yao, H., Ma, C., Jing, Z., & Zhang, Z. (2023). On the vertical structure of mesoscale eddies in the Kuroshio-Oyashio extension. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL105642.
文章链接：https://doi.org/10.1029/2023GL105642
图1. 观测数据中各聚类涡旋的空间分布和垂直结构（θ′/S′/σ′）。（a-f）涡旋轨迹（红色/蓝色线表示AEs/CEs，黑色菱形标记表示生成位置）、（g-l）位势温度、（m-r）盐度和（s-x）位势密度异常的垂直剖面。每个函数箱线图中的黑色曲线是中位数垂直剖面，品红色框表示50%的中心区域。
图2. 涡旋合并、拆分事件以及其他情况（非涡旋事件）中σ′峰值深度的垂直位移的概率密度函数。误差限表示垂直位移的平均值和标准差的95%置信区间。
图3. 不同聚类的AE（a-c）和CE（d-f）的归一化σ′（黑色）和由归一化（绿色）、归一化（蓝色）以及它们的组合（红色）线性回归预测的垂直剖面。每个剖面对应于函数箱线图中的中位数剖面，灰色阴影表示σ′的标准差。每个图中的数字显示中位数值及其置信区间。