2024年10月16日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）詹海刚团队在Nature在线发表了题为“Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies”的研究论文。该研究突破了次表层连续观测数据严重匮乏的限制，首次从全球尺度上揭示了涡旋在驱动海洋次表层热浪/冷浪事件中的关键作用，并指出涡旋会放大全球变暖对次表层极端温度的影响，加剧强热浪/冷浪的发生。LTO副研究员何庆友为论文第一作者，研究员詹海刚为论文通讯作者，助理研究员詹伟康、副研究员龚延昆、研究员蔡树群以及澳大利亚CSIRO研究员Ming Feng为论文共同作者。
海洋热浪（heatwaves）和冷浪（cold spells）分别指温度超过一定阈值的持续性高温和低温事件。这些极端温度事件会严重破坏海洋生物栖息环境，造成生态系统和社会经济的灾难性后果。现有绝大多数相关研究集中于卫星可以直接观测的海洋表层，并基于热收支等方法将表层热浪/冷浪归因于海气热交换、海水平流以及混合等驱动机制。然而，目前卫星难以直接观测的次表层更受科学家和社会各界的普遍关注，因为该水层栖息着多种重要鱼类和珊瑚，拥有全球海洋中规模最大、开发最少的鱼类种群，在全球碳循环中也发挥着至关重要的作用。但由于长期连续的观测数据非常匮乏，常用的参数提取与机制分析方法难以全面应用，目前对次表层热浪/冷浪的发生特征与驱动机制知之甚少。
研究团队首先分析了位于全球不同海盆、最长观测时间超过15年的8套长期潜标资料，发现超过80%的次表层（100-1000米）热浪/冷浪事件与表层热浪/冷浪没有直接关联。它们之中约有一半发生于反气旋涡/气旋涡经过期间，其比例远高于对应涡旋的发生频率（约为10%），且强度越大的事件，发生于涡内的比例越高（图1）。这表明与海气热交换等表层极端事件的主导机制不同，涡旋在驱动次表层热浪/冷浪中起着至关重要的作用。
图1. 全球不同海盆潜标观测的次表层热浪和冷浪发生在中尺度涡内情况。(a-h) 不同潜标站点观测的温度时间序列，图中红色（蓝色）为识别的热浪（冷浪）事件，粉色（青色）为反气旋涡（气旋涡）经过站点时间段；(j) 热浪（冷浪）事件期间有反气旋涡（气旋涡）经过的比例，图中叠加的粉色（青色）柱状图为对应涡旋的发生频率。
尽管长期连续的潜标观测可以有效捕捉次表层极端温度事件，但因其建设和维护成本高昂，目前在海洋中分布稀少，难以实现全球尺度上的评估。通过对比分析，研究团队发现空间离散的历史温度剖面观测数据可以较好地刻画次表层热浪/冷浪事件强度和涡旋贡献。基于此，研究团队分析了各种观测平台积累的全球海洋200多万条温度剖面数据，结合高度计卫星遥感的中尺度涡资料，发现反气旋涡/气旋涡对次表层热浪/冷浪的平均贡献约为30%，而在副热带流涡区和中纬度强流区其贡献可高达60%以上（图2）。且随着涡旋强度的增加，涡内极端温度出现概率和强度均显著上升。在振幅大于40厘米的强反气旋涡/气旋涡内，发生次表层热浪/冷浪的概率是涡外的6倍多，进一步证实了海洋涡旋是驱动次表层热浪/冷浪的关键机制。
图 2. 200米深度涡内极端温度强度与涡旋贡献率的全球分布情况。a-b. 全球海洋5°×5°网格内估算的极高温异常（EHTA）和极低温异常（ELTA）阈值。c-d. EHTA发生在反气旋涡（AE）内和ELTA发生在气旋涡（CE）内的百分比。e. EHTAs（ELTAs）发生频率随涡中心归一化距离的直方图。f. 极端温度异常发生概率随涡旋振幅的变化。g. 极端温度异常强度随涡振幅的变化。垂直条为相应的标准误差。
近几十年来，由于温室气体的持续排放，全球海洋经历了明显的变暖。为了研究次表层热浪/冷浪的响应，研究团队估算了1993至2019年间10个不同动力海区的涡内与背景极端温度异常的线性趋势，发现涡旋有助于放大全球海洋中热浪的升温速率和冷浪的降温速率（图3）。初步分析显示，海洋变暖引发的涡旋增强的作用远高于垂向层化增强，是涡旋放大效应的主导机制。
图3. 全球不同海区涡致极端温度扰动变化趋势。(a-j) 1993-2019年各区域反气旋涡内极端高温扰动（橙色实线）和气旋涡内极端低温扰动（蓝色实线）强度变化趋势随深度变化，图中对应虚线为整个区域所有剖面数据观测的极端温度扰动强度变化趋势；(k) 各统计区域范围，图中填色为基于历史温度剖面数据统计的200米深度处极端低温扰动发生在气旋涡内比例的空间分布。
该研究揭示了海洋次表层热浪/冷浪与表层极端温度事件在时空分布与物理机制上的巨大差异，指出仅从海表温度信息无法准确探测次表层热浪/冷浪事件。相比之下，卫星遥感的海面高度异常能较好地捕获海洋涡旋活动的信息，因此可以成为探测次表层热浪/冷浪，尤其是强热浪/冷浪事件的一个关键指标。另一方面，由于涡旋对次表层温度、溶解氧和浮游植物的影响机制相似，因此该研究对理解和预测全球变暖影响下次表层海洋贫氧、浮游植物藻华等极端事件具有重要的参考意义。
该研究由国家自然科学基金、中国科学院先导计划、国家重点研发计划、广东省自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等共同资助完成。
相关论文信息：
Qingyou He,Weikang Zhan,Ming Feng,Yankun Gong,Shuqun Cai,and Haigang Zhan*,Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies,Nature,2024.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08051-2
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