近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室海洋環境模擬與應用技術研究團隊在亞中尺度能譜研究方上取得新進展，相關研究成果以“Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters”為題，發表在物理海洋國際著名期刊Journal of Physical Oceanography上。該研究成果第一作者為南海海洋所副研究員錢鈺坤，南海海洋所研究員彭世球與挪威奧斯陸大學地球科學系教授Joseph LaCasce為論文共同通訊作者。

海洋動能波數譜是表征海洋湍流和開發模型參數化方案的核心科學問題。衛星高度計和船載聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）的觀測分辨率有限（通常僅達10公里），難以有效捕捉過渡尺度（~幾公里）及以下的亞中尺度動力過程。當前基于GPS追蹤的海表漂流浮標能提供空間分辨率高達10米、時間分辨率達5分鐘的海表流速數據，為研究亞中尺度能量譜提供了新的途徑。通過分析漂流器對的相對擴散，可以間接推斷動能能譜的斜率，但此前基于時間統計診斷量和基于距離統計診斷量的方法常存在不一致性，導致診斷結果具有較大不確定性。

該研究利用2012年夏季GLAD和2016年冬季LASER外場試驗中在墨西哥灣北部釋放的超過一千個GPS海表漂流浮標軌跡數據，綜合運用了相對擴散、峰度、相對擴散率等多種時間統計量，以及二階速度結構函數、有限尺度李雅普諾夫指數（FSLE）、其改進版有限振幅增長率（FAGR）和最新提出的累積逆分離時間（CIST）等分離統計量，系統分析了漂流浮標對的相對擴散行為。

研究發現，從約100米至數公里尺度，動能能譜呈現K^-2的依賴關系。能譜結構存在明顯的季節性差異：在冬季，K^-2譜段可延伸至變形半徑（~50公里）；而在夏季，在5-50公里尺度范圍內存在更陡的K^-3譜段（與大氣上對流層能譜類似），其下（100米至5公里）仍為K^-2譜。在100米以下尺度，分離統計量支持更淺的K^-5/3（Richardson）能譜。研究還發現，在最初幾天或最小尺度（<1公里）上，“偶遇對”（chance pair）的擴散顯著快于“原始對”（original pair），這與初始距離與相對速度的記憶相關性有關，表明亞中尺度擴散研究需使用無偏的粒子對或三聯體投放策略進行更優化的觀測。此外，研究證明CIST和FAGR在分析亞中尺度擴散方面比傳統的FSLE更具優勢。

圖1?基于漂流浮標觀測數據推斷的海洋動能譜特征。

該研究成功利用海表漂流浮標揭示了此前難以直接觀測的亞中尺度能譜特征，為理解海洋亞中尺度動力過程、能量串級及其季節性變化提供了重要的觀測依據，對改進高分辨率海洋模式參數化方案具有重要意義。

該研究由國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目和廣東省自然科學基金項目聯合資助。

論文信息：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

論文鏈接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/55/9/JPO-D-24-0258.1.xml