南海北部琼东海域夏季海洋锋的时空变异特征及其动力机制研究

The dynamic process of the ocean front plays an important role in maintaining the efficient biological pump working of the continental shelf. At the same time, it's closely associated with the current system and mesoscale dynamic processes, such as the mesoscale eddy and coastal upwelling, etc. So, detailed investigations on the dynamic processes and physical mechanisms of ocean fronts have very important dynamic and ecological significances for further understanding of the mesoscale processes and their interactions, as well as the ecological environment evolution in the continental shelf of northern South China Sea..This project will focus on the east of Hainan Island in the northern South China Sea, and explore the temporal and spatial distribution patterns as well as their variability characteristics of the summer ocean fronts in the east of Hainan Island in details, with their spatio-temporal variations as the main theme, combined with the intensive observations and the comprehensive analysis of historical cruise observational data and satellite remote sensing data. Furthermore, the intrinsic relationships will be investigated in depth between the frontal dynamic processes with key factors and the dynamic mechanisms of fronts' maintenances and variations, by constructing a high-resolution tide-circulation coupled ocean model and employing a variety of studying and analysis means, such as numerical simulation, dynamic diagnosis, statistical analysis, Eulerian and Lagrangian circulation theoretical analysis, etc. The purpose of this project is to deepen the understanding of mesoscale dynamic processes and their interactions in the northern South China Sea, and provide the dynamics support for the studies of ecosystem dynamics and biogeochemical processes.

海洋锋面动力过程在维持陆架海域生物泵高效运转的过程中发挥着重要的作用；同时，海洋锋与流系主体、涡旋和上升流等中尺度动力过程之间有着密切的联系。因此，深入开展南海北部陆架海域海洋锋面动力过程及其机制研究，对于进一步理解南海北部中尺度过程及其相互作用、海区生态环境演变等具有十分重要的动力学和生态学意义。.本课题将聚焦南海北部琼东海域，以夏季海洋锋面时空变异特征研究为主线，采用加密观测并结合历史航次资料与卫星遥感资料的综合分析，深入研究琼东海域夏季海洋锋的时空分布形态与变异特征；并建立高分辨率的潮-流耦合海洋动力模型，通过数值模拟与动力诊断、统计分析、欧拉与拉格朗日环流理论分析等多种研究手段，重点探讨琼东海域夏季海洋锋面变异过程与各关键动力因子之间的内在联系，揭示锋面维持与变异的动力学机制，深化对南海北部中尺度动力过程及其相互作用的理解，为海区生态系统动力学和生物地球化学过程研究提供动力学支持。

本课题基于历史航次和卫星遥感资料的综合分析，并结合加密观测、数值模拟和理论分析等研究手段，进一步认识了南海北部海洋锋面的时空分布形态与多尺度变化特征；并对南海北部季节性海洋锋面的三维结构、形成机制、维持与变异的动力过程，以及锋面稳定性与风场强迫和混合层季节变化的内在动力联系进行了深入分析。同时，本课题进一步探讨了中尺度涡边缘的锋面及次中尺度过程等前沿科学问题。观测研究表明，南部北部陆架海域普遍存在着呈带状分布的温度与盐度锋面，其中琼东海域次表层的温度锋面强度超过0.2℃/km，在夏季上升流作用下，锋面两侧的次表层温度差最大达到8℃，锋面海域海水温度与沿岸风应力的最大相关系数达到-0.8。进一步的多尺度变化与机制研究显示，南海北部不同季节锋面的强度和形成机制有所差异。冬季陆架锋面的形成和变异与东北季风驱动的下降流和沿岸流有着密切的联系，而夏季锋面主要是西南季风驱动的陆架上升流所致。同时，受ENSO和热带印度洋“电容器效应”与海-气相互作用影响，南海及邻近海域的上升流锋面有着显著的年际变化特征和对气候变化的良好响应。从锋面动力过程及其稳定性的角度，研究结果发现冬季南海北部混合层的加深导致上层海洋层化显著减弱，锋面海域较强的水平浮力梯度使得锋面易于促发对称不稳定，并增强侧向和垂向混合。此外，南海中尺度涡边缘也普遍存在着温度锋面和次中尺度现象，这些次中尺度过程及其不稳定能有效地从地转剪切中汲取动能，并向小尺度湍流混合串级能量，显著加深了局地混合层深度，并增强垂向输运和水平扩散。. 通过4年的实施，本课题共完成研究论文12篇，其中SCI论文7篇，3篇为top期刊的SCI论文，并培养了2名博士研究生和3名硕士研究生。同时，项目组成员多次在国内外学术会议上报道了相关研究成果，且与美国布朗大学Baylor Fox-Kemper教授进行了深入具体的合作研究。本课题顺利完成了计划的主要研究内容，并取得了预期成果。