海洋中尺度涡缓解副热带北大西洋低氧状态获揭示
海洋中尺度涡缓解副热带北大西洋低氧状态获揭示
近日，中国科学院南海海洋研究所研究员何庆友团队基于1993至2024年长达32年的连续现场观测资料，结合卫星高度计涡旋轨迹数据，系统揭示了中尺度涡旋对副热带北大西洋次表层氧最小层的调制作用及其不对称性。相关成果发表于《地球物理研究快报》（ Geophysical Research Letters ）。
反气旋涡（AE）和气旋涡（CE）内部温度、盐度、密度和溶解氧异常随归一化距离和深度的垂向断面。叠加等值线为背景场均值。研究团队供图，下同
论文第一作者、中国科学院南海海洋研究所硕士研究生张培亚表示，近年来，全球海洋持续脱氧已成为国际海洋科学研究的前沿热点议题，氧最小层的演变直接关系到中层海洋生态系统的稳定性及海洋生物的栖息环境质量。然而，中尺度涡旋能否系统性改变氧最小层的垂向结构，不同极性的涡旋是否具有差异化影响，长期以来缺乏基于观测数据的系统性定量评估。
研究团队在国家自然科学基金等项目资助下，利用百慕大大西洋时间序列研究站1993-2024年间积累的5238条高垂向分辨率船载CTD溶解氧观测剖面，结合AVISO多卫星融合涡旋轨迹产品，对涡旋内部与外部的氧垂向结构进行了系统对比分析。研究发现，中尺度涡旋所诱导的溶解氧异常主要集中在500至1000米的次表层，其异常幅度远大于海表，并呈现清晰的垂向偶极子结构。反气旋涡内部，氧最小层以上表现为溶解氧正异常、以下为负异常；气旋涡则相反。这种垂向偶极结构的形成与涡旋引起的等密度面垂向位移密切相关，并与该海域氧最小层背景中心深度（约800米）处的垂向梯度分布高度吻合。
涡旋对OML厚度、平均氧、最低氧和深度的影响随归一化距离的变化。红、蓝、黑线分别代表反气旋涡、气旋涡和背景条件，竖线为标准差。虚线表示背景等密度面间距变化。
针对氧最小层结构特征的分析表明，反气旋涡可使氧最小层的中心深度下移约100米，厚度减少约30%，层内平均溶解氧和最低溶解氧浓度分别提升约3%至6%。气旋涡则使氧最小层整体上移约100米，但同时伴随微弱的变薄和增氧趋势。这意味着两类涡旋对氧最小层的调制效应并非相互抵消，而是共同指向同一方向——缓解低氧。反气旋涡通过下压等密度面，将相对富氧的水体带入氧最小层，同时抑制该层内的呼吸作用耗氧，从而产生显著增氧效应。气旋涡虽将低氧水体向上抬升，但在该海域相对富氧的背景条件下，并未表现出加剧低氧的趋势。两者效应叠加的结果是，涡旋活动整体上使该海域次表层氧最小层的低氧状态得到缓解。
研究进一步对氧异常的驱动机制进行定量分解，结果显示，等密度面起伏可解释超过80%的溶解氧异常方差，表明物理动力过程是控制氧最小层变化的主导因素；而沿等密度面的物理输运与混合以及生物地球化学消耗与生产等过程（统称为spicing）的贡献相对较小。这意味着，涡旋主要通过物理方式重新排列水团的空间位置，而非依赖生物耗氧或产氧过程的变化来改变氧最小层结构。
研究还发现，涡旋特征对其缓解效应具有显著影响。反气旋涡的振幅越大、旋转速度越快、非线性越强，其所引发的氧最小层变薄、下移和增氧效应就越显著。具体而言，涡旋振幅每增加10厘米，氧最小层厚度减少约20米，深度下移约50米，最低溶解氧提升约1.5微摩尔/千克，平均溶解氧提升约1.9微摩尔/千克。气旋涡特征变化对氧最小层的影响则相对有限，这进一步解释了为何反气旋涡在整体缓解效应中占据主导地位。
论文通讯作者何庆友表示，该研究深化了对中尺度涡旋调控海洋内部氧循环机制的科学认识，为理解全球海洋脱氧过程、评估海洋中层生态系统对环境变化的响应以及改进海洋生物地球化学模式的物理参数化方案，提供了重要的观测依据。
相关论文信息：https://doi.org/10.1029/2026GL123350