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關鍵作用，其環流的時空變化特征影響著南海北部陸架的洋流，也影響著中國東南沿海的人類生活。同時，深層的南海環流以及垂向的水體混合與南海內部的生物化學過程息息相關。但是，由于觀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流特征尤其是深層的流動尚未有全面的認識，因此，對南海環流的研究充滿著未知的挑戰。

香港科技大學甘劍平教授研究團隊多年來依托“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測數據，對南海三層環流的基本形態特征、多尺度變化和動力機制進行了研究，并著重探討了其內在和外在耦合的動力機制，為支持大力發展海洋國家戰略奠定了堅實的理論和研究基礎。近日，其最新研究成果發表在海洋學權威期刊《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濟價值，一直是海洋學家的重要研究對象。受限于觀測數據以及研究手段，人們對南海的整體環流特征尤其是深層的流動尚未有全面的認識，許多現有的國際主流模式尚不能準確分辨南海三層環流及其相關的生物化學物質輸運。香港科技大學甘劍平研究團隊依托“天河二號”成功開發了新的三維高分辨率中國海多尺度海洋環流模型 （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、潮汐強迫和地形強迫相關的動力學，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可成功分辨南海環流在不同深度的三層交替旋轉環流，填補了現有海洋模式對邊緣海動力分辨的不足。

　　南海三層環流的基本形態和時空變化特征

通過CMOMS模型的模擬結果，研究團隊發現在呂宋海峽黑潮入侵和東亞季風的共同作用下，南海上層環流呈氣旋式特征，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流結構。南海環流在垂向上可大概分為三層交替旋轉的環流：750米以上為上層的氣旋式（逆時針）環流，750至1500米為中層的反氣旋式（順時針）環流，1500米以下為深層的氣旋式（逆時針）環流。下圖中箭頭的粗細代表環流的強弱，南海三層環流存在顯著的季節性變化特征。

　　冬季和夏季南中國海上、中、深層環流結構

南中國海三層環流與周圍海峽的外部輸運和季風密切相關。季風主要作用于南海上層環流，而中層和深層環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著整個南中國海三層環流。這些既相互連接又隨時間和空間變化的流量分配，加上風應力驅動及地形制約，共同影響著南海及整個中國邊緣海環流體系。

　　中國海外圍海峽和東中國海跨陸坡輸運的時空變化

　　南海三層環流動力機制

通過計算模擬結果結合對南海三層環流的現有認知，研究團隊總結了其動力機制，見下圖。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”式三層環流的渦度源匯。風應力旋度和黑潮通過呂宋海峽輸入的行星渦度在冬季共同制約南海表層環流，在夏季風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，形成垂向渦度輸運的空間分布不均勻，從而為深淵環流提供凈的垂直渦度通量輸送。這一動力框架同時指出了1500-2500米之間的氣旋式環流的剪切作用可能也是誘導封閉海盆氣旋式環流的重要動力因素。

　　南中國海三層環流動力機制示意圖

研究進一步發現，海盆內的垂向混合和對流過程在各層環流間建立動力耦合，并在維系“氣旋-反氣旋-氣旋”環流結構中起到重要作用。各層間垂向耦合主要發生在陸坡區域，這些區域強陸坡流和地形間相互作用生成沿等深線壓強梯度，進而產生跨陸坡運動/垂向運動。在中層和深層，垂向渦度通量是對外部作用力的主要動力響應，且其空間分布對局部環流結構具有很大影響。但對上層環流，垂向渦度通量的影響相對較小。通過垂向過程，風和側向外強迫的變化可在水體中傳播并影響整個“氣旋-反氣旋-氣旋”式三層環流。

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、化學等多個參數，計算規模非常大，達到了數萬核的并行規模，所以必須依托于天河二號這個國際頂尖超級計算機才能把模擬任務的時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，廣州超算的技術支持工程師們在我們遇到問題時提供了非常及時專業的技術支持服務，讓我們能在最短的時間內通力解決困難繼續研究工作。未來，希望能繼續與廣州超算團隊合作，進一步提升模擬系統性能，不斷優化南海環流的模擬結果，為國家大力發展海洋經濟、建設海洋強國貢獻自己的力量。”

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