導 讀

　　南中國海連接了北太平洋和印度洋，對跨大洋水體輸送起著(zhù)關(guān)鍵作用，其環(huán)流的時(shí)空變化特征影響著(zhù)南海北部陸架的洋流，也影響著(zhù)中國東南沿海的人類(lèi)生活。同時(shí)，深層的南海環(huán)流以及垂向的水體混合與南海內部的生物化學(xué)過(guò)程息息相關(guān)。但是，由于觀(guān)測數據的匱乏以及研究手段及方法的限制，人們對南海的整體環(huán)流特征尤其是深層的流動(dòng)尚未有全面的認識，因此，對南海環(huán)流的研究充滿(mǎn)著(zhù)未知的挑戰。

香港科技大學(xué)甘劍平教授研究團隊多年來(lái)依托“天河二號”超算系統結合中國海多尺度模擬系統CMOMS的模型結果和最新觀(guān)測數據，對南海三層環(huán)流的基本形態(tài)特征、多尺度變化和動(dòng)力機制進(jìn)行了研究，并著(zhù)重探討了其內在和外在耦合的動(dòng)力機制，為支持大力發(fā)展海洋國家戰略奠定了堅實(shí)的理論和研究基礎。近日，其最新研究成果發(fā)表在海洋學(xué)權威期刊《Progress in Oceanography》上。

南海是連通太平洋與印度洋的咽喉要道,具有非常重要的戰略地位和經(jīng)濟價(jià)值，一直是海洋學(xué)家的重要研究對象。受限于觀(guān)測數據以及研究手段，人們對南海的整體環(huán)流特征尤其是深層的流動(dòng)尚未有全面的認識，許多現有的國際主流模式尚不能準確分辨南海三層環(huán)流及其相關(guān)的生物化學(xué)物質(zhì)輸運。香港科技大學(xué)甘劍平研究團隊依托“天河二號”成功開(kāi)發(fā)了新的三維高分辨率中國海多尺度海洋環(huán)流模型 （China Sea Multi-scale Ocean Modeling System，CMOMS）。

該模型考慮了南海和鄰近海洋中與西部邊界流、季風(fēng)、潮汐強迫和地形強迫相關(guān)的動(dòng)力學(xué)，并采用了潮-亞潮集合流適用的新數值邊界條件。上圖顯示CMOMS可成功分辨南海環(huán)流在不同深度的三層交替旋轉環(huán)流，填補了現有海洋模式對邊緣海動(dòng)力分辨的不足。

　　南海三層環(huán)流的基本形態(tài)和時(shí)空變化特征

通過(guò)CMOMS模型的模擬結果，研究團隊發(fā)現在呂宋海峽黑潮入侵和東亞季風(fēng)的共同作用下，南海上層環(huán)流呈氣旋式特征，南海東北部陸坡流速較強，并沿南海北部陸坡西南向減弱。下圖展示的上、中、深層的深度積分流函數表示了冬季和夏季南中國海的三維環(huán)流結構。南海環(huán)流在垂向上可大概分為三層交替旋轉的環(huán)流：750米以上為上層的氣旋式（逆時(shí)針）環(huán)流，750至1500米為中層的反氣旋式（順時(shí)針）環(huán)流，1500米以下為深層的氣旋式（逆時(shí)針）環(huán)流。下圖中箭頭的粗細代表環(huán)流的強弱，南海三層環(huán)流存在顯著(zhù)的季節性變化特征。

　　冬季和夏季南中國海上、中、深層環(huán)流結構

南中國海三層環(huán)流與周?chē){的外部輸運和季風(fēng)密切相關(guān)。季風(fēng)主要作用于南海上層環(huán)流，而中層和深層環(huán)流則被南海周邊的海峽輸運通量控制。下圖顯示了不同海峽輸運通量隨時(shí)間和深度的變化特征。呂宋海峽的入侵以及卡里馬塔海峽、民都洛海峽、臺灣海峽的出流驅動(dòng)著(zhù)整個(gè)南中國海三層環(huán)流。這些既相互連接又隨時(shí)間和空間變化的流量分配，加上風(fēng)應力驅動(dòng)及地形制約，共同影響著(zhù)南海及整個(gè)中國邊緣海環(huán)流體系。

　　中國海外圍海峽和東中國?？珀懫螺斶\的時(shí)空變化

　　南海三層環(huán)流動(dòng)力機制

通過(guò)計算模擬結果結合對南海三層環(huán)流的現有認知，研究團隊總結了其動(dòng)力機制，見(jiàn)下圖。呂宋海峽的三層“入流-出流-入流”結構為南海中2500米以上“氣旋-反氣旋-氣旋”式三層環(huán)流的渦度源匯。風(fēng)應力旋度和黑潮通過(guò)呂宋海峽輸入的行星渦度在冬季共同制約南海表層環(huán)流，在夏季風(fēng)應力旋度起主要作用 。在2500米以下的封閉海盆中，呂宋海峽底層入侵流的下沉和海盆內的上升運動(dòng)，形成垂向渦度輸運的空間分布不均勻，從而為深淵環(huán)流提供凈的垂直渦度通量輸送。這一動(dòng)力框架同時(shí)指出了1500-2500米之間的氣旋式環(huán)流的剪切作用可能也是誘導封閉海盆氣旋式環(huán)流的重要動(dòng)力因素。

　　南中國海三層環(huán)流動(dòng)力機制示意圖

研究進(jìn)一步發(fā)現，海盆內的垂向混合和對流過(guò)程在各層環(huán)流間建立動(dòng)力耦合，并在維系“氣旋-反氣旋-氣旋”環(huán)流結構中起到重要作用。各層間垂向耦合主要發(fā)生在陸坡區域，這些區域強陸坡流和地形間相互作用生成沿等深線(xiàn)壓強梯度，進(jìn)而產(chǎn)生跨陸坡運動(dòng)/垂向運動(dòng)。在中層和深層，垂向渦度通量是對外部作用力的主要動(dòng)力響應，且其空間分布對局部環(huán)流結構具有很大影響。但對上層環(huán)流，垂向渦度通量的影響相對較小。通過(guò)垂向過(guò)程，風(fēng)和側向外強迫的變化可在水體中傳播并影響整個(gè)“氣旋-反氣旋-氣旋”式三層環(huán)流。

天河二號提供重要計算支撐

該項研究建立在高精度的數值模擬結果之上，而數值模擬的成功則與先進(jìn)的超級計算機密不可分。研究團隊的中國海多尺度模擬系統CMOMS包含了三維的物理、生物、化學(xué)等多個(gè)參數，計算規模非常大，達到了數萬(wàn)核的并行規模，所以必須依托于天河二號這個(gè)國際頂尖超級計算機才能把模擬任務(wù)的時(shí)間尺度縮短至數日內。甘劍平教授介紹到“除了提供穩定高效的計算資源，廣州超算的技術(shù)支持工程師們在我們遇到問(wèn)題時(shí)提供了非常及時(shí)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持服務(wù)，讓我們能在最短的時(shí)間內通力解決困難繼續研究工作。未來(lái)，希望能繼續與廣州超算團隊合作，進(jìn)一步提升模擬系統性能，不斷優(yōu)化南海環(huán)流的模擬結果，為國家大力發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設海洋強國貢獻自己的力量?！?/p>

　　香港科技大學(xué)甘劍平教授研究團隊是廣州超算建立之初就開(kāi)始使用“天河二號”的團隊之一，目前，香港已有十所高校及多個(gè)科研機構都依托超算加速科學(xué)研究與技術(shù)發(fā)展，逐漸形成了支撐服務(wù)粵港澳大灣區發(fā)展的格局。未來(lái)，廣州超算將繼續把握建設粵港澳大灣區的重大機遇，以超算驅動(dòng)創(chuàng )新，打造國際領(lǐng)先水平的多領(lǐng)域超算應用平臺，全力做好粵港澳大灣區和國際科技創(chuàng )新中心核心引擎。