当前全球海平面持续上升，对人类生存环境和生产活动具有潜在重要影响，其中南极冰盖和冰架质量损失对全球海平面变化的贡献不可忽视。南极冰架的底部融化受到陆架海洋环境直接影响，而环绕南极的陆坡流能够调节海洋的跨陆坡热输送过程和南极陆架水团的热含量，进而控制南极冰架底部质量平衡。因此，研究南极陆坡流的时空变化特征和动力学过程及其对跨陆坡热输送的调控机制，对理解极地气候系统和全球变化的联系具有重要意义，也为国家可持续发展战略提供科技支撑。但鉴于南极严苛的自然条件限制，观测资料非常稀缺，数值模拟研究也受到空间分辨率不足和参数化方案不适等制约，导致陆坡流的多尺度动力学过程仍不清楚，尤其是东南极陆坡地形变化对陆坡流和跨陆坡水团交换的影响机制亟待研究。

我实验室前沿研究中心极地海洋组聚焦于东南极海底地形变化对陆坡流的动力学影响，首次阐明了地形调控南大洋绕极深层水入侵东南极陆架海域的动力学机制。极地海洋组从海洋观测数据中提取了东南极典型水文特征，基于MITgcm设计出空间分辨率达500米的次中尺度级海洋-冰架耦合模式（图1），通过运行敏感性对照试验，深入研究了东南极典型水文特征条件下冷而淡型陆坡流的多尺度演化特征，揭示了海槽对陆坡流的动力学影响机理。

图1 高分辨率海洋-冰架耦合数值模式地形配置

高分辨率模式模拟结果的评估表明该数值模式能够合理地模拟南大洋绕极深层水藉由海槽入侵大陆架的物理过程（图2）。随后极地海洋组基于海洋环流涡度方程的收支分析，首次指出海洋底部压力矩是推动绕极深层水入侵海槽的发动机；在这个过程中，由于地形变化所激发的地形罗斯贝波是促成入侵流高频变化的主要成因；而入侵流的垂向结构则受到地形beta螺旋效应的主导。该项研究的成果进一步丰富了南极跨陆坡水团交换的物理机制框架。

图 2 位势温度的时间演进显示了较暖的绕极深层水从陆坡水槽的东侧逐渐入侵南极陆架的过程。

极地海洋组同时分析了南极陆坡流的季节变化对绕极深层水入侵陆架的影响。东南极陆坡流受到极地东风带的调控，具有显著的季节变化，往往冬季流速较强，夏季流速较弱。由于陆坡流的底部压力矩是驱动绕极深层水入侵陆架的动力来源，那么是否冬季较强的南极陆坡流可能会促成较强的入侵过程？然而，模拟结果和观测数据均显示秋季才是绕极深层水入侵陆架最显著的季节（图3），极地海洋组针对这一有悖物理直觉的现象展开了研究。

图3 （a）跨陆坡的极向体积输送和（b）热量输送的时间序列。红线为控制实验结果，黄线为季节性敏感实验结果。最强的南大洋绕极深层水入侵过程发生于南半球秋季三月底。

通过逐项分析海洋动量方程的收支和地形beta螺旋的因子贡献，极地海洋组发现绕极深层水入侵强度的季节变化不仅仅受到海洋底部压力矩的影响，也同时受到海洋层结状态的调控。高分辨率理想海洋-冰架耦合模式的模拟结果与观测数据恰好相互印证，基于观测数据和数值模式的双向支撑，极地海洋组首次揭示了调控东南极绕极深层水入侵陆架的季节循环的物理机制。

极地海洋组为东南极陆坡流所调控的跨陆坡水团交换提出四项海洋动力学控制机理（图4）：①海底压力矩是推动绕极深层水入侵陆架的主要驱动力；②地形beta螺旋效应控制着入侵流的垂向结构；③地形罗斯贝波体现为入侵流的高频振荡信号；④入侵流的季节性循环受到海底压力矩和地形beta螺旋效应同时操控，促成了秋季入侵流最强的独特现象。

当前的国际研究进展表明南极陆坡流的多尺度变化还受到潮汐、中尺度涡旋和次中尺度过程的影响，不同时空尺度过程之间的相互作用机理尚不清楚，调控跨陆坡和冰架前缘水团交换的物理机制也需要深入研究，这些未解之谜将依然是极地海洋领域的研究热点，也是属于全球变化国际前沿的研究方向。

图4 东南极海底地形调控跨陆坡水团交换的动力学机制概念图。

该研究成果于2022年6月8日发表于国际物理海洋科学领域著名期刊Journal of Physical Oceanography，题目为“Topography-mediated Transport of Warm Deep Water across the Continental Shelf Slope, East Antarctica”。南方海洋实验室前沿研究中心极地海洋组刘成彦副研究员（创新团队核心成员）为论文第一作者，极地海洋与气候变化创新团队核心成员王召民教授为论文通讯作者，合作作者有国家海洋环境预报中心梁曦副研究员，南方海洋实验室李翔高级工程师和程晨副研究员，中国科学院大气物理研究所李熙晨研究员和集美大学祁第教授。

该研究工作得到了国家自然科学基金专项项目、南方海洋实验室创新团队建设科研经费和南方海洋实验室自主科研项目的支持。

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文案：南方海洋实验室

图片：南方海洋实验室

封面：南方海洋实验室

编辑：刘晓平

初审：王召民

审核：漆姗姗

审定发布：刘梅