地球物理流体动力学 香港科大团队揭示了南海三层交替旋转环流“热点”

地球物理流体动力学 香港科大团队揭示了南海三层交替旋转环流“热点”

香港科技大学港澳海洋研究中心主任甘剑平教授带领的团队在南海进行实地观测和数值模拟(SCS),并通过地球物理流体动力学理论揭示了南海三维海洋运动的前所未有的特征。

复杂的海洋环流系统控制着南海的能量转换和水体输送,进而影响到周边国家和地区的生物地球化学过程、碳收支、海洋生态环境健康、区域气候变化以及经济社会可持续发展等。波及约世界人口的22%。南海环流和动力学研究是认识南海的基础和缩影。

在过去的几十年里,全球对南海海洋环流的关注度越来越高。然而,对该地区三维水运动的科学认识仍然非常有限、模棱两可,有时甚至被误解。这是由于缺乏观测、没有可靠的数值模型以及对南海环流中复杂物理过程的了解有限造成的。

直到最近,由香港科技大学海洋科学系和数学系讲座教授甘教授领导的团队基于观测、数值模拟和地球物理流体动力学推理,验证了南海旋转环流具有三个分层结构,分别在上层、中层和底层逆时针、顺时针和顺时针旋转。

研究还发现,三层旋转环流是由沿深盆地周围陡峭大陆坡的强流动态活跃的“热点”组成,而不是之前设想的整个区域的有序结构。坡流主要受季风、黑潮入侵和独特地形的综合作用控制,并受多尺度海洋过程的不断调整和调节。

地球物理流体动力学 香港科大团队揭示了南海三层交替旋转环流“热点”

该研究近日发表在《自然通讯》上,首次展示了南海环流的三维结构和物理机制,澄清了此前对该地区水团运动的误解。基于这些发现,甘教授的团队创建了 WavyOcean,这是一个用于南海海洋环流和生物地球化学过程的 3D 模拟和可视化系统,该系统通过观测和动力学推理得到验证和约束。

甘教授表示,“由于未能捕捉到边缘海的动态‘热点’,几乎所有的全球模型都无法准确模拟南海的三层环流结构和相关物理,即使是在相同的时空条件下。因此,与公海相比,我们对受海底地形、海峡水交换和多尺度动力过程等多重因素影响的全球边缘海环流的理解和模拟比预期更具挑战性。”

“观测对海洋研究至关重要。然而,由于现场观测的严格时空限制,很难理解洋流的结构,特别是对于环流动力学的理论分析。数值实验或模拟“观测”对海洋研究至关重要,现在越来越多的海洋新发现依赖于经过观测和地球动力学理论严格验证的数值模型。”他补充说。

作为计算地球物理流体动力学专家,甘教授认为,数值模拟不是单纯的输入输出的编码游戏,而是构建“精致”的科学数值实验和观测的过程。除了模拟和预测真实的海洋外,数值海洋建模是了解海洋过程和现象并协助探索未知事物的主要科学工具。

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