導(dǎo) 讀

　　南中國(guó)海連接了北太平洋和印度洋，對(duì)跨大洋水體輸送起著關(guān)鍵作用，其環(huán)流的時(shí)空變化特征影響著南海北部陸架的洋流，也影響著中國(guó)東南沿海的人類生活。同時(shí)，深層的南海環(huán)流以及垂向的水體混合與南海內(nèi)部的生物化學(xué)過(guò)程息息相關(guān)。但是，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏以及研究手段及方法的限制，人們對(duì)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(rèn)識(shí)，因此，對(duì)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(tuán)隊(duì)多年來(lái)依托“天河二號(hào)”超算系統(tǒng)結(jié)合中國(guó)海多尺度模擬系統(tǒng)CMOMS的模型結(jié)果和最新觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(jī)制進(jìn)行了研究，并著重探討了其內(nèi)在和外在耦合的動(dòng)力機(jī)制，為支持大力發(fā)展海洋國(guó)家戰(zhàn)略奠定了堅(jiān)實(shí)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(jì)價(jià)值，一直是海洋學(xué)家的重要研究對(duì)象。受限于觀測(cè)數(shù)據(jù)以及研究手段，人們對(duì)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(rèn)識(shí)，許多現(xiàn)有的國(guó)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(yùn)。香港科技大學(xué)甘劍平研究團(tuán)隊(duì)依托“天河二號(hào)”成功開發(fā)了新的三維高分辨率中國(guó)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(qiáng)迫和地形強(qiáng)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(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(bǔ)了現(xiàn)有海洋模式對(duì)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(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)，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(guó)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(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(xì)代表環(huán)流的強(qiáng)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(guó)海上、中、深層環(huán)流結(jié)構(gòu)

南中國(guó)海三層環(huán)流與周圍海峽的外部輸運(yùn)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(yùn)通量控制。下圖顯示了不同海峽輸運(yùn)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(tái)灣海峽的出流驅(qū)動(dòng)著整個(gè)南中國(guó)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(yīng)力驅(qū)動(dòng)及地形制約，共同影響著南海及整個(gè)中國(guó)邊緣海環(huán)流體系。

　　中國(guó)海外圍海峽和東中國(guó)?？珀懫螺斶\(yùn)的時(shí)空變化

　　南海三層環(huán)流動(dòng)力機(jī)制

通過(guò)計(jì)算模擬結(jié)果結(jié)合對(duì)南海三層環(huán)流的現(xiàn)有認(rèn)知，研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)了其動(dòng)力機(jī)制，見(jiàn)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(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(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(yùn)動(dòng)，形成垂向渦度輸運(yùn)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(dǎo)封閉海盆氣旋式環(huán)流的重要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

　　南中國(guó)海三層環(huán)流動(dòng)力機(jī)制示意圖

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，海盆內(nèi)的垂向混合和對(duì)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(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(qiáng)陸坡流和地形間相互作用生成沿等深線壓強(qiáng)梯度，進(jìn)而產(chǎn)生跨陸坡運(yùn)動(dòng)/垂向運(yùn)動(dòng)。在中層和深層，垂向渦度通量是對(duì)外部作用力的主要?jiǎng)恿憫?yīng)，且其空間分布對(duì)局部環(huán)流結(jié)構(gòu)具有很大影響。但對(duì)上層環(huán)流，垂向渦度通量的影響相對(duì)較小。通過(guò)垂向過(guò)程，風(fēng)和側(cè)向外強(qiáng)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(hào)提供重要計(jì)算支撐

該項(xiàng)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(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)密不可分。研究團(tuán)隊(duì)的中國(guó)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(gè)參數(shù)，計(jì)算規(guī)模非常大，達(dá)到了數(shù)萬(wàn)核的并行規(guī)模，所以必須依托于天河二號(hào)這個(gè)國(guó)際頂尖超級(jí)計(jì)算機(jī)才能把模擬任務(wù)的時(shí)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(jì)算資源，廣州超算的技術(shù)支持工程師們?cè)谖覀冇龅絾?wèn)題時(shí)提供了非常及時(shí)專業(yè)的技術(shù)支持服務(wù)，讓我們能在最短的時(shí)間內(nèi)通力解決困難繼續(xù)研究工作。未來(lái)，希望能繼續(xù)與廣州超算團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)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(guó)家大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)自己的力量?！?/p>

　　香港科技大學(xué)甘劍平教授研究團(tuán)隊(duì)是廣州超算建立之初就開始使用“天河二號(hào)”的團(tuán)隊(duì)之一，目前，香港已有十所高校及多個(gè)科研機(jī)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(lái)，廣州超算將繼續(xù)把握建設(shè)粵港澳大灣區(qū)的重大機(jī)遇，以超算驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，打造國(guó)際領(lǐng)先水平的多領(lǐng)域超算應(yīng)用平臺(tái)，全力做好粵港澳大灣區(qū)和國(guó)際科技創(chuàng)新中心核心引擎。