導(dǎo) 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(guān)鍵作用，其環(huán)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(huán)流以及垂向的水體混合與南海內(nèi)部的生物化學(xué)過程息息相關(guān)。但是，由于觀測數(shù)據(jù)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尚未有全面的認(rèn)識，因此，對南海環(huán)流的研究充滿著未知的挑戰(zhàn)。

香港科技大學(xué)甘劍平教授研究團隊多年來依托“天河二號”超算系統(tǒng)結(jié)合中國海多尺度模擬系統(tǒng)CMOMS的模型結(jié)果和最新觀測數(shù)據(jù)，對南海三層環(huán)流的基本形態(tài)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(nèi)在和外在耦合的動力機制，為支持大力發(fā)展海洋國家戰(zhàn)略奠定了堅實的理論和研究基礎(chǔ)。近日，其最新研究成果發(fā)表在海洋學(xué)權(quán)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(zhàn)略地位和經(jīng)濟價值，一直是海洋學(xué)家的重要研究對象。受限于觀測數(shù)據(jù)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尚未有全面的認(rèn)識，許多現(xiàn)有的國際主流模式尚不能準(zhǔn)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)的動力學(xué)，并采用了潮-亞潮集合流適用的新數(shù)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(zhuǎn)環(huán)流，填補了現(xiàn)有海洋模式對邊緣海動力分辨的不足。

　　南海三層環(huán)流的基本形態(tài)和時空變化特征

通過CMOMS模型的模擬結(jié)果，研究團隊發(fā)現(xiàn)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(shù)表示了冬季和夏季南中國海的三維環(huán)流結(jié)構(gòu)。南海環(huán)流在垂向上可大概分為三層交替旋轉(zhuǎn)的環(huán)流：750米以上為上層的氣旋式（逆時針）環(huán)流，750至1500米為中層的反氣旋式（順時針）環(huán)流，1500米以下為深層的氣旋式（逆時針）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)流存在顯著的季節(jié)性變化特征。

　　冬季和夏季南中國海上、中、深層環(huán)流結(jié)構(gòu)

南中國海三層環(huán)流與周圍海峽的外部輸運和季風(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(qū)動著整個南中國海三層環(huán)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(fēng)應(yīng)力驅(qū)動及地形制約，共同影響著南海及整個中國邊緣海環(huán)流體系。

　　中國海外圍海峽和東中國?？珀懫螺斶\的時空變化

　　南海三層環(huán)流動力機制

通過計算模擬結(jié)果結(jié)合對南海三層環(huán)流的現(xiàn)有認(rèn)知，研究團隊總結(jié)了其動力機制，見下圖。呂宋海峽的三層“入流-出流-入流”結(jié)構(gòu)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(yīng)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(huán)流，在夏季風(fēng)應(yīng)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(nèi)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(huán)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(huán)流的剪切作用可能也是誘導(dǎo)封閉海盆氣旋式環(huán)流的重要動力因素。

　　南中國海三層環(huán)流動力機制示意圖

研究進一步發(fā)現(xiàn)，海盆內(nèi)的垂向混合和對流過程在各層環(huán)流間建立動力耦合，并在維系“氣旋-反氣旋-氣旋”環(huán)流結(jié)構(gòu)中起到重要作用。各層間垂向耦合主要發(fā)生在陸坡區(qū)域，這些區(qū)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(chǎn)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(yīng)，且其空間分布對局部環(huán)流結(jié)構(gòu)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。通過垂向過程，風(fēng)和側(cè)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(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(shù)值模擬結(jié)果之上，而數(shù)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(tǒng)CMOMS包含了三維的物理、生物、化學(xué)等多個參數(shù)，計算規(guī)模非常大，達到了數(shù)萬核的并行規(guī)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(wù)的時間尺度縮短至數(shù)日內(nèi)。甘劍平教授介紹到“除了提供穩(wěn)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題時提供了非常及時專業(yè)的技術(shù)支持服務(wù)，讓我們能在最短的時間內(nèi)通力解決困難繼續(xù)研究工作。未來，希望能繼續(xù)與廣州超算團隊合作，進一步提升模擬系統(tǒng)性能，不斷優(yōu)化南海環(huán)流的模擬結(jié)果，為國家大力發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設(shè)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(gòu)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(qū)發(fā)展的格局。未來，廣州超算將繼續(xù)把握建設(shè)粵港澳大灣區(qū)的重大機遇，以超算驅(qū)動創(chuàng)新，打造國際領(lǐng)先水平的多領(lǐng)域超算應(yīng)用平臺，全力做好粵港澳大灣區(qū)和國際科技創(chuàng)新中心核心引擎。