罗斯海位于南太平洋扇区（图 1），是南极第二大边缘海，也是南极底层水最重要的发源地之一。由于南极底层水是全球海洋深层环流的“底层引擎”，其形成速率和性质直接影响着全球热盐环流和气候变化。同时，罗斯海南接地球上最大的冰架——罗斯冰架，其稳定性关乎着其后端巨量陆地冰的存亡，对全球海平面变化具有“开关”式的潜在影响。调控罗斯冰架底部融化的关键，在于输送到冰架前缘的海洋热量，即意味着罗斯海内由风、浮力强迫和潮汐共同驱动的复杂热量收支、能量循环和环流变异是核心过程。

图1. 南极罗斯海示意图。红色矩形表示罗斯海的地理位置。彩色表示南大洋海面动力高度，白色表示南大洋冬季海冰密集度分布特征（阴影体现海冰厚度）。红色五角星表示秦岭站的地理位置，半透明插图显示秦岭站主体结构及其周边地貌特征。

由于罗斯海在全球气候系统与南极研究中的重要地位，它已成为国际南极科学竞相聚焦的热点区域，也是我国极地考察战略布局的重点。2024年，我国第五个南极科学考察站——秦岭站（图1 红色五角星），在罗斯海恩克斯堡岛正式建成并投入使用，标志着我国在该区域的观测与研究进入了新的历史阶段。秦岭站的设立，旨在加强对罗斯海区域海洋学、冰架稳定性、生态系统等的长期监测与研究，为解答全球气候变化中的关键科学问题提供前沿支撑。

然而，由于罗斯海海域辽阔、环境艰苦且极夜漫长，大范围、高分辨率的现场观测资料在时空上依然稀缺。数值模型依然是弥补观测空白、从系统尺度揭示物理机制、并指导针对性观测布局的重要工具。南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）前沿研究中心极地海洋组基于自主开发的区域海洋—海冰—冰架耦合模型，在罗斯海热量收支、能量循环与南极陆坡流结构变异等方面取得系列重要进展，为系统理解该海域的多尺度物理过程提供了定量的认识，也为未来依托秦岭站开展现场观测研究奠定了坚实的理论基础。

系统量化罗斯海热量收支

罗斯海热量受到海洋—大气热通量，海洋—海冰热通量，海洋—冰架热通量和水团输送的综合影响（图2），为了量化罗斯海水团热含量的收支，研究团队首次对罗斯海整个陆架区域，各个子区及罗斯冰架腔体内的热量进行了系统性的闭合诊断和收支量化分析。

图 2. 罗斯海水团和热量演变示意图。 ISW, 冰架水; MCDW, 变性绕极深层水; DSW, 高密陆架水; HSSW, 高盐陆架水; AASW, 南极表层水; CDW, 绕极深层水; AABW, 南极底层水。

基于罗斯海复杂地形和热力学特征（图 3a），研究团队对罗斯陆架进行了系统分类，将陆架区划分为“暖海槽”、“暖浅滩”、“冷海槽”和“冷浅滩”四种类型（图 3b）。其中，“暖浅滩”（如莫森浅滩, 彭内尔浅滩）的发现尤为反直觉，因为它挑战了“暖水入侵仅通过地形槽进行”的传统观点。模拟结果显示，这些浅滩区域的中层水体同样呈现出较高的热密度，明确指示了变性绕极深层水的存在。这表明，暖水入侵罗斯海的路径是多元的。除了熟知的海槽通道外，南极陆坡流与复杂地形（如海脊、峡谷和阶梯状浅滩）的相互作用，可能通过引发上升流、斜压不稳定等动力过程，将陆坡外侧的暖水“泵”到浅滩区域，从而形成了这些意料之外的“热斑”。这一认识丰富了对跨陆坡热量交换机制的理解，揭示了罗斯海海洋动力过程的复杂性。

图 3. 罗斯海陆架热输送和子区热含量示意图。(a) 罗斯海中层热量输送，箭头表示热量输送的方向。(b) 变性绕极深层水和高密度陆架水输送示意图。不同色块代表暖型海槽、暖型浅滩、冷型海槽和冷型浅滩四类地形的热含量特征。

在隔绝了大气直接强迫的罗斯冰架腔体内，部分国际研究观点倾向于认为冰架底部的融化/冻结是热力变化的主因。然而，本研究首次量化揭示，腔体内热含量的季节循环主要受控于跨越冰架前缘的水平热通量，其贡献远超过冰架底部的直接热交换（视频1）。变性绕极深层水从东部输入，高密陆架水从西部输入，共同构成了腔体内的主要热源，而夏季经“楔形机制”入侵的太阳加热表层水，也为冰架西北侧底部融化提供了重要热源。

视频1 罗斯冰腔内海洋夏季热含量三维展示

首次绘制罗斯海能量循环图谱

为了进一步理解调控罗斯海热含量的能量机理，研究团队基于Lorenz能量循环理论，首次系统分析了罗斯海及冰架腔体内的能量储库与转化路径，揭示了与开阔南大洋迥异的能量循环特征。

研究精确量化了罗斯海的四个能量储库。结果显示，平均有效位能是最大的能量储库，这反映了由风、浮力强迫和复杂地形共同维持的强海洋锋）。其次是扰动有效位能、平均动能和涡动能。平均动能的狭窄带状分布显示了陆架环流和南极陆坡流等平均流的稳定性（视频 2），而涡动能的平滑分布则体现了中尺度涡旋活动的广泛性。

视频2 罗斯陆架平均动能（焦耳/立方米）三维展示

罗斯海能量在系统中的串级依然遵循经典的斜压不稳定路径：平均有效位能传递至扰动有效位能再转化为涡动能，即通过斜压不稳定过程将平均有效位能释放为涡动能（视频 3）。在罗斯冰架腔内部，由于缺乏风应力输入，能量循环完全由浮力强迫（“冰泵”效应）驱动。能量路径与开阔海一致，但强度弱一个量级。其中，平均有效位能向平均动能的转换是维持冰下平均环流的最主要能量来源。

视频3 罗斯陆架涡动能（焦耳/立方米）三维展示

解码南极陆坡流双模态结构

为了进一步把握罗斯海陆架海洋热量收支和能量循环的脉搏，研究团队系统分析了罗斯陆架的北门守门员——南极陆坡流/陆坡锋在罗斯海的空间结构与维持机制。南极陆坡流是与南极陆坡锋相耦合并栖息于陆坡上的强流系统，在调控陆架与深海之间的水团、热量和营养物质交换中发挥着关键屏障作用。

研究发现在罗斯海东部，南极陆坡流表现为表层强化的向西流动，核心位于陆坡上部；而在罗斯海西部，南极陆坡流转变为底层强化的流动，最强流核位于大陆架坡折附近（图 4）。这种动力结构的分界与热力学上“淡型陆架”和“重型陆架”的划分高度吻合。

图4. (a) 正压流函数，绿线表示1000米等深线。黄线表示跨陆坡断面。(b) 沿1000米等深线的沿陆坡流速，展示了南极陆坡流从东部表层强化到西部底层强化的空间转变。白线表示位势密度σ₀等值线，间隔为0.1 kg m^-3。(c-l) 跨陆坡断面上的沿陆坡流速，灰线为σ₀等值线，间隔0.05 kg m^-3。

通过沿等深线坐标系的动量收支分析，研究团队厘清了不同模态的主导动力。在罗斯海东部，流动主要由正压压力梯度（与海面高度梯度相关）驱动，盛行的极地东风带驱动的向岸埃克曼输送，导致海水在海岸侧堆积催生了正压压力梯度。在罗斯海西部，斜压压力梯度（与密度梯度相关）成为主导，这与高密陆架水溢流导致的等密度面“V型”抬升密切相关，形成了有利于底部流动增强的密度结构。

研究团队通过能量分析为这两种动力机制提供了更深层次的解释（图 5）。在罗斯海东部，风生埃克曼输送不仅驱动了流动，还驱动了从平均动能向平均有效位能的转换，这一过程本质上是动能转化为势能，用于维持和强化陆坡锋的密度梯度，从而抑制了暖水入侵。而在罗斯海西部，情况完全逆转，高密陆架水跨陆坡下沉，释放其巨大的重力势能，即平均有效位能向平均动能转换。这一势能释放过程直接加速了底层的南极陆坡流，是风输入功率的三倍，凸显了浮力强迫在此 regime 中的绝对主导地位。

图5. 罗斯海东部 (a) 和西部 (b) 陆坡区域的能量收支。能量库的单位为PJ或TJ。生成、转换、耗散和边界通量的速率单位为MW。箭头表示能量传递方向，四种粗细对应四个数量级的通量大小，范围从10⁰ MW到10³ MW。

至此，研究团队发现罗斯海的南极陆坡流犹如一辆驰骋在陆坡公路上的新能源混动汽车。这辆汽车的燃油发动机，是持续工作的极地东风带，它通过驱动埃克曼输送，为整车提供了最基础的西行动力。而这辆车的高性能储能电池，则是横亘在陆坡上的南极陆坡锋，其中储存着由密度差异构成的巨大平均有效位能。当这辆混动汽车驶入罗斯海东部海域时，路况平坦，发动机（极地东风带） 是主要的动力来源。然而，随着车辆前行，它实际上驶入了一个“动能回收减速带”：部分平均动能被持续转换为平均有效位能，用于维持和增强陆坡锋这块电池的电荷，这个过程虽然消耗了部分动能，却强化了抑制暖水入侵的屏障。而当车辆进入罗斯海西部海域，地形和水团状况剧变。此时，发动机（极地东风带）的直接驱动作用显著减弱，但这辆混动汽车的电动机开始全力发力——这便是由高密度陆架水溢流触发的势能释放过程。储能电池（南极陆坡锋） 中蕴藏的平均有效位能被大量释放，迅猛地转化为平均动能，驱动这辆混动汽车作为一股强劲的底层急流，加速驶离罗斯海。

研究团队首次构建了罗斯海“陆架-冰架”系统的完整热量收支图谱，首次绘制了罗斯海全海域的能量循环框图，首次将罗斯海南极陆坡流的空间结构、动力平衡和能量来源有机地联系在一起，形成了一个从现象到机理的完整认知链条。该系列研究深化了对罗斯海海冰-海洋-冰架相互作用的理解，阐明了南极陆坡流通过不同的动力-能量机制，在不同区域分别扮演着“屏障”和“通道”的角色，为预测未来气候变化下跨陆坡水团交换、底层水生成和冰架底部融化及其对气候变化的响应提供了关键的机制理解。

该系列研究成果于2025年分别发表在Journal of Geophysical Research-Oceans，Acta Oceanologica Sinica和Advances in Atmospheric Sciences。中山大学大气科学学院博士生刘扬，硕士生刘珂辰和曾佳宝分别为三篇论文的第一作者，中山大学海洋科学学院晏量军博士主导数值模式研发，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为该系列论文的通讯作者。

该系列研究工作得到了国家重点研发计划项目，南方海洋实验室自主科研项目和广东省自然科学基金面上项目等的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1029/2025JC023219

https://doi.org/10.1007/s13131-025-2478-0

https://doi.org/10.1007/s00376-025-4391-z