近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋环境模拟与应用技术研究团队在亚中尺度能谱研究方上取得新进展，相关研究成果以“Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters”为题，发表在物理海洋国际著名期刊Journal of Physical Oceanography上。该研究成果第一作者为南海海洋所副研究员钱钰坤，南海海洋所研究员彭世球与挪威奥斯陆大学地球科学系教授Joseph LaCasce为论文共同通讯作者。
海洋动能波数谱是表征海洋湍流和开发模型参数化方案的核心科学问题。卫星高度计和船载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的观测分辨率有限（通常仅达10公里），难以有效捕捉过渡尺度（~几公里）及以下的亚中尺度动力过程。当前基于GPS追踪的海表漂流浮标能提供空间分辨率高达10米、时间分辨率达5分钟的海表流速数据，为研究亚中尺度能量谱提供了新的途径。通过分析漂流器对的相对扩散，可以间接推断动能能谱的斜率，但此前基于时间统计诊断量和基于距离统计诊断量的方法常存在不一致性，导致诊断结果具有较大不确定性。
该研究利用2012年夏季GLAD和2016年冬季LASER外场试验中在墨西哥湾北部释放的超过一千个GPS海表漂流浮标轨迹数据，综合运用了相对扩散、峰度、相对扩散率等多种时间统计量，以及二阶速度结构函数、有限尺度李雅普诺夫指数（FSLE）、其改进版有限振幅增长率（FAGR）和最新提出的累积逆分离时间（CIST）等分离统计量，系统分析了漂流浮标对的相对扩散行为。
研究发现，从约100米至数公里尺度，动能能谱呈现K-2的依赖关系。能谱结构存在明显的季节性差异：在冬季，K-2谱段可延伸至变形半径（~50公里）；而在夏季，在5-50公里尺度范围内存在更陡的K-3谱段（与大气上对流层能谱类似），其下（100米至5公里）仍为K-2谱。在100米以下尺度，分离统计量支持更浅的K-5/3（Richardson）能谱。研究还发现，在最初几天或最小尺度（<1公里）上，“偶遇对”（chance pair）的扩散显著快于“原始对”（original pair），这与初始距离与相对速度的记忆相关性有关，表明亚中尺度扩散研究需使用无偏的粒子对或三联体投放策略进行更优化的观测。此外，研究证明CIST和FAGR在分析亚中尺度扩散方面比传统的FSLE更具优势。
图1 基于漂流浮标观测数据推断的海洋动能谱特征。
该研究成功利用海表漂流浮标揭示了此前难以直接观测的亚中尺度能谱特征，为理解海洋亚中尺度动力过程、能量串级及其季节性变化提供了重要的观测依据，对改进高分辨率海洋模式参数化方案具有重要意义。
该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和广东省自然科学基金项目联合资助。
论文信息：Qian,Y.-K.,J. H. LaCasce,and S. Peng,2025: Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters. Journal of Physical Oceanography,55,1475–1491. https://doi.org/10.1175/JPO-D-24-0220.1
论文链接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/55/9/JPO-D-24-0258.1.xml
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