近日，国际地学期刊Geophysical Research Letters 在线发表了题为“Isopycnal Pathway for Small-Particle Export in a Decaying Cyclonic Eddy Revealed by a BGC-Argo Float”的研究成果。该研究利用杭州全球海洋Argo系统野外科学观测研究站（以下简称“Argo野外站”）布放的一台BGC-Argo浮标（WMO: 2902911）在西北太平洋开展的连续高频观测，捕捉到一个衰退期的气旋涡中持续出现的高颗粒物水层，并结合观测与理想化模型提出了气旋涡衰退过程中存在小颗粒物沿等密面向更深水层输出的新路径。该研究为理解中尺度动力过程对海洋颗粒物输运及生物碳泵的影响提供了新的观测证据和动力学解释。我室科研人员、Argo野外站副站长邢小罡研究员为论文第一作者，共同作者包括卫星海洋环境监测预警全国重点实验室硕士研究生王臻、林生副研究员，河海大学曹海锦教授，以及厦门大学周宽波副教授和柴扉教授。

颗粒有机碳从海洋真光层向深层输送是海洋生物碳泵的重要过程。传统研究较多关注海雪、聚集体和浮游动物粪粒等快速沉降的大颗粒，但近年来研究发现，小型、缓慢沉降颗粒同样可以对颗粒有机碳输出产生重要贡献。中尺度涡是上层海洋中最活跃的动力结构之一，能够通过改变营养盐供应、垂向混合、颗粒物潜沉和水平输运等过程重塑碳输出路径。然而，现有观测和理论框架主要关注重力沉降和涡旋边缘的潜沉过程。Waite et al. (2016)曾观测发现反气旋涡的衰退期存在小颗粒物沿等密面从涡旋周边向中心的聚集现象，称之为“酒杯效应（Wineglass Effect）”，但对于气旋涡的衰退期是否存在沿等密面向外输送颗粒物的过程，仍缺乏直接观测认识。

本研究分析了BGC-Argo浮标在一个衰退期的气旋涡内获取的温度、盐度、溶解氧、叶绿素和颗粒物后向散射系数的高频剖面数据。观测发现，涡旋内部普遍存在一个显著的深水颗粒物层（Deep Particle Layer，DPL）（图1）。该水层位于次表层生物量极大值之下，其后向散射信号强度经常超过次表层生物量极大值，且其深度基本跟随26 kg m⁻³等密面变化（图2）。与此同时，该水层中并未出现与潜沉过程相对应的盐度、涩度、叶绿素或表观耗氧量的异常（图1）。这些特征表明DPL既不是来源于局地浮游植物沉降，也不是来源于涡旋边缘的潜沉过程。

图1. 浮标第21号剖面（2024年9月20日）的观测数据。（a）温度和盐度；（b）位密和涩度；（c）叶绿素浓度Chl；（d）700 nm颗粒物后向散射系数bbp(700)；（e）颗粒有机碳POC；（f）Chl/bbp(700)；（g）溶解氧和表观耗氧量AOU。红色和黑色水平虚线分别表示次表层生物量极大值（SBM）和深水颗粒物极大值（DPM）的深度；灰色虚线连接深水颗粒物层上、下边界处的数值。

图2. 浮标观测的颗粒物和浮游植物相关参数变化。（a）混合层深度（MLD）、真光层深度（zₑᵤ）、次表层生物量极大值深度（zSBM）、26 kg m⁻³等密面深度（zσ26）以及深水颗粒物极大值深度（zDPM）；（b）SBM和DPM处的位势密度。灰色和黑色垂直虚线分别表示10月1日以及10月7日第62和63条剖面之间发生的水团转换。

为探讨形成这一深水颗粒物层可能的动力学成因，研究基于Waite et al. (2016)提出的摩擦力与科氏力平衡框架，构建了一个气旋涡衰退期的理想化模型。模型显示，气旋涡中原本抬升的等密面结构在衰退过程中可形成非地转次级环流：密跃层上方出现向内的径向流，而密跃层下方形成向外的径向流（图3a）。颗粒轨迹实验进一步表明，慢速沉降颗粒（≤ 0.2 m d⁻¹）可以在密跃层下方的向外径向流中停留较长时间（图3b–c），从而沿倾斜的等密面向涡旋外围输运；随着颗粒沉降速度增加，其轨迹则逐渐趋于垂直（图3d–f）。这一理想化模型从动力学上验证了气旋涡衰退期通过径向非地转环流驱动小颗粒物沿等密面输运的可行性。

图3. 理想化的气旋涡衰退期模型诊断得到的径向环流和颗粒运动轨迹。（a）径向非地转流速，正值表示向外流动；（b–f）分别为沉降速度0.1、0.2、0.5、1、10 m d⁻¹的颗粒运动轨迹。黑色三角形表示颗粒在海表的释放位置，黑色虚线表示径向流速为零（uᵣ = 0）的位置；红色曲线表示在固定流场中计算得到的颗粒轨迹，灰色等值线表示模型设定的等密面。

观测与模拟结果共同表明，在气旋涡的衰退过程中可能存在一种不同于单纯重力沉降和涡致潜沉的小颗粒物输运路径（图4）。随着气旋涡抬升的密度结构逐渐衰退恢复，密跃层下方产生向外的径向非地转流，可以将缓慢沉降的颗粒沿倾斜等密面从涡旋核心输送至更深的外围水体，使其无需完全依靠重力沉降即可到达更深的水层。这一新的颗粒物输运路径与Waite提出的反气旋涡“酒杯效应”共同表明，小颗粒物在涡旋衰退期可能存在一个向深层快速输运的阶段，从而显著改变颗粒有机碳从真光层向弱光层输运的路径和时间尺度，也提示现有以垂向沉降为主的碳输出认识低估了涡旋径向输运的作用与贡献。

图4. 气旋涡衰退期驱动小颗粒输出的概念示意图。随着抬升的密度结构逐渐变平，密跃层下方形成向外的径向非地转流，可将颗粒从生产力较高的涡旋核心次表层生物量极大值层沿倾斜等密面向外输运至更深的涡旋外围水体。

论文引用

1. Xing, X., Wang, Z., Cao, H., Zhou, K., Lin,S., & Chai, F. (2026). Isopycnal pathway for small-particle export in a decaying cyclonic eddy revealed by a BGC-Argo float. Geophysical Research Letters, 53, e2026GL125707.