近日，上海交通大学海洋学院/加州大学洛杉矶分校大气与海洋系博士后董卉子在 Nature Communications上发表了题为“Warm rings in mesoscale eddies in a cold straining ocean”的研究论文。董卉子为论文第一兼通讯作者，海洋学院周朦教授为共同通讯作者，合作者包括美国加州大学洛杉矶分校James C. McWilliams教授，挪威Nansen环境遥感中心Roshin P. Raj博士，法国索邦大学Francesco d’Ovidio教授，上海交通大学曲立新副教授和 Walker O. Smith Jr 教授等。上海交通大学海洋学院为第一完成单位。

高温高盐的北大西洋水在向极地输送的过程中，尤其是经过北欧海时，会经历显著的热量损失，这一过程是大西洋经向翻转环流（AMOC）的关键环节。挪威Lofoten海盆作为北欧海涡旋活动最频繁、海气相互作用最强烈的区域，对大西洋水的热量损失与水团转化起着至关重要的作用。然而，海洋内部的热量是如何通过动力过程被输送至海表并释放到大气中，其核心的垂向热输运（Vertical Heat Transport, VHT）机制，尚未被充分揭示。

近年来，越来越多的证据表明，空间尺度在 0.1-10 公里的亚中尺度过程在垂向热量和物质交换中扮演着重要角色。在中尺度涡丰富的亚北极Lofoten海盆，涡旋边缘的锋面区域——这一热量和物质交换的动力学“热点”区域——是如何通过亚中尺度过程实现海洋内部到海表的垂向输运的，由于缺乏高分辨率的观测和模式资料，一直以来鲜受关注。同时，卫星遥感频繁的捕捉到气旋涡和反气旋涡边缘伴随着“暖环”结构——这是以往经典的中尺度涡理论，如涡流搅拌、涡流抽吸和 Ekman抽吸机制难以解释的海表温度异常现象。

图1. 滑翔机观测区域内气旋与反气旋涡的分布。(a) 2012-2017年期间八次滑翔机任务观测到的气旋（蓝点）和反气旋（红点）涡的位置；(b) 滑翔机任务的轨迹（黑线），底图是卫星海表温度，绿色断面标示首段M1任务（对应图 2 中的断面结果）。(c) Lofoten群岛位置在 (a) 和 (c) 中以红色三角形标出。

针对该问题，本研究基于2012-2017年期间在 Lofoten海盆连续五年、累计超过44,535公里的高分辨率Seaglider海洋滑翔机数据（图 1），以及高分辨率数值模拟、卫星高度计和SST 资料，系统揭示了亚北极海域中尺度涡边缘“暖环”的形成机制。滑翔机连续穿过涡旋时，在涡旋边缘处观测到强侧向浮力梯度和垂向流速（图 2）。基于有限空间李雅普诺夫指数（FSLE）场分析表明，这是由于中尺度涡边缘存在强烈的拉伸和挤压过程。应变场沿边缘的锋面方向拉伸流体，同时在跨锋面方向压缩流体，导致跨锋面方向的水平浮力梯度急剧增强。当局地罗斯贝数 Ro = ζ/ f 接近 O(1) 时，热成风平衡被破坏；为恢复平衡，锋区内会产生非地转次级环流（图 4）。通过大量观测和模拟表明，这些次级环流伴随着超过60 m/day的垂向流速，可抵达海洋内部500米以深，远超表混合层深度。

图2. 跨海盆的滑翔机断面捕捉到的涡旋边缘亚中尺度运动。(a) 李雅普诺夫指数场和 (b) 海表高度异常场，ACE-01、ACE-02和CE-01为滑翔机连续穿过的两个反气旋涡和一个气旋涡；(c, e, f, g, h) 浮力、侧向浮力梯度、地转理查森数、垂向流速、垂向热输运断面；(d) 沿滑翔机轨迹的平均浮力、SLA与 |FSLE|时间序列。

图3. 亚中尺度运动导致的向上热输运及 “暖环”结构。(a, d, e, h, i, l) 归一化坐标下展示了侧向浮力梯度、应变、垂向流速、地转理查森数、垂向热输运，以及卫星海表温度异常的涡旋合成分布，(b, c, f, g, j, k) 为各参数从涡旋中心到2R的径向分布，R为归一化半径。

研究发现，不论涡旋极性，由锋生过程驱动的次级环流总是表现为在锋面的暖（轻）侧上升，在冷（重）侧下沉，导致温度异常（T'）与垂向速度异常（w'）呈正相关（w'T' > 0），形成系统性向上的热输运。这种位于涡旋边缘、深层且持续向上的亚中尺度热输运平均~400 W m-2，局地可达1600 W m-2，其强度高出中尺度过程近一个量级，能够导致海表温度升高约0.4 °C，形成卫星观测到的典型“暖环”结构（图 3，4）。研究估算，该垂向热量输运超过挪威海北部海气热通量的至少三倍，表明被长期忽视的亚中尺度运动在亚极地海域热输运和大西洋水转化中的关键作用。这一发现不仅为“暖环”现象提供了动力学解释，也强调了亚中尺度过程在极地海洋热量收支和海-气相互作用中的关键角色，对于提升区域高分辨率气候模式的准确性具有重要意义。

图4. 应变驱动的反气旋涡和气旋涡边缘的锋生、次级环流与系统性向上的垂向热输运。

本研究由国家自然科学基金青年项目（42306003）、上海市启明星计划扬帆专项（23YF1418900）、中国博士后基金面上项目（2023M732205）和站中项目（2023T160411）、中国科技部-欧洲空间局龙计划第六期（95451），以及上海交通大学思源博士后海外联培项目等共同资助完成。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64308-y