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2024年10月16日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室（LTO）詹海剛團隊在Nature在線發(fā)表了題為“Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies”的研究論文。該研究突破了次表層連續(xù)觀測數(shù)據(jù)嚴重匱乏的限制，首次從全球尺度上揭示了渦旋在驅(qū)動海洋次表層熱浪/冷浪事件中的關(guān)鍵作用，并指出渦旋會放大全球變暖對次表層極端溫度的影響，加劇強熱浪/冷浪的發(fā)生。LTO副研究員何慶友為論文第一作者，研究員詹海剛為論文通訊作者，助理研究員詹偉康、副研究員龔延昆、研究員蔡樹群以及澳大利亞CSIRO研究員Ming Feng為論文共同作者。

海洋熱浪（heatwaves）和冷浪（cold spells）分別指溫度超過一定閾值的持續(xù)性高溫和低溫事件。這些極端溫度事件會嚴重破壞海洋生物棲息環(huán)境，造成生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟的災(zāi)難性后果。現(xiàn)有絕大多數(shù)相關(guān)研究集中于衛(wèi)星可以直接觀測的海洋表層，并基于熱收支等方法將表層熱浪/冷浪歸因于海氣熱交換、海水平流以及混合等驅(qū)動機制。然而，目前衛(wèi)星難以直接觀測的次表層更受科學(xué)家和社會各界的普遍關(guān)注，因為該水層棲息著多種重要魚類和珊瑚，擁有全球海洋中規(guī)模最大、開發(fā)最少的魚類種群，在全球碳循環(huán)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但由于長期連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)非常匱乏，常用的參數(shù)提取與機制分析方法難以全面應(yīng)用，目前對次表層熱浪/冷浪的發(fā)生特征與驅(qū)動機制知之甚少。

研究團隊首先分析了位于全球不同海盆、最長觀測時間超過15年的8套長期潛標資料，發(fā)現(xiàn)超過80%的次表層（100-1000米）熱浪/冷浪事件與表層熱浪/冷浪沒有直接關(guān)聯(lián)。它們之中約有一半發(fā)生于反氣旋渦/氣旋渦經(jīng)過期間，其比例遠高于對應(yīng)渦旋的發(fā)生頻率（約為10%），且強度越大的事件，發(fā)生于渦內(nèi)的比例越高（圖1）。這表明與海氣熱交換等表層極端事件的主導(dǎo)機制不同，渦旋在驅(qū)動次表層熱浪/冷浪中起著至關(guān)重要的作用。

盡管長期連續(xù)的潛標觀測可以有效捕捉次表層極端溫度事件，但因其建設(shè)和維護成本高昂，目前在海洋中分布稀少，難以實現(xiàn)全球尺度上的評估。通過對比分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)空間離散的歷史溫度剖面觀測數(shù)據(jù)可以較好地刻畫次表層熱浪/冷浪事件強度和渦旋貢獻。基于此，研究團隊分析了各種觀測平臺積累的全球海洋200多萬條溫度剖面數(shù)據(jù)，結(jié)合高度計衛(wèi)星遙感的中尺度渦資料，發(fā)現(xiàn)反氣旋渦/氣旋渦對次表層熱浪/冷浪的平均貢獻約為30%，而在副熱帶流渦區(qū)和中緯度強流區(qū)其貢獻可高達60%以上（圖2）。且隨著渦旋強度的增加，渦內(nèi)極端溫度出現(xiàn)概率和強度均顯著上升。在振幅大于40厘米的強反氣旋渦/氣旋渦內(nèi)，發(fā)生次表層熱浪/冷浪的概率是渦外的6倍多，進一步證實了海洋渦旋是驅(qū)動次表層熱浪/冷浪的關(guān)鍵機制。

近幾十年來，由于溫室氣體的持續(xù)排放，全球海洋經(jīng)歷了明顯的變暖。為了研究次表層熱浪/冷浪的響應(yīng)，研究團隊估算了1993至2019年間10個不同動力海區(qū)的渦內(nèi)與背景極端溫度異常的線性趨勢，發(fā)現(xiàn)渦旋有助于放大全球海洋中熱浪的升溫速率和冷浪的降溫速率（圖3）。初步分析顯示，海洋變暖引發(fā)的渦旋增強的作用遠高于垂向?qū)踊鰪姡菧u旋放大效應(yīng)的主導(dǎo)機制。

該研究揭示了海洋次表層熱浪/冷浪與表層極端溫度事件在時空分布與物理機制上的巨大差異，指出僅從海表溫度信息無法準確探測次表層熱浪/冷浪事件。相比之下，衛(wèi)星遙感的海面高度異常能較好地捕獲海洋渦旋活動的信息，因此可以成為探測次表層熱浪/冷浪，尤其是強熱浪/冷浪事件的一個關(guān)鍵指標。另一方面，由于渦旋對次表層溫度、溶解氧和浮游植物的影響機制相似，因此該研究對理解和預(yù)測全球變暖影響下次表層海洋貧氧、浮游植物藻華等極端事件具有重要的參考意義。

該研究由國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)計劃、國家重點研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會項目等共同資助完成。

相關(guān)論文信息：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.

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08051-2

圖1. 全球不同海盆潛標觀測的次表層熱浪和冷浪發(fā)生在中尺度渦內(nèi)情況。(a-h) 不同潛標站點觀測的溫度時間序列，圖中紅色（藍色）為識別的熱浪（冷浪）事件，粉色（青色）為反氣旋渦（氣旋渦）經(jīng)過站點時間段；(j) 熱浪（冷浪）事件期間有反氣旋渦（氣旋渦）經(jīng)過的比例，圖中疊加的粉色（青色）柱狀圖為對應(yīng)渦旋的發(fā)生頻率。

圖 2. 200米深度渦內(nèi)極端溫度強度與渦旋貢獻率的全球分布情況。a-b. 全球海洋5°×5°網(wǎng)格內(nèi)估算的極高溫異常（EHTA）和極低溫異常（ELTA）閾值。c-d. EHTA發(fā)生在反氣旋渦（AE）內(nèi)和ELTA發(fā)生在氣旋渦（CE）內(nèi)的百分比。e. EHTAs（ELTAs）發(fā)生頻率隨渦中心歸一化距離的直方圖。f. 極端溫度異常發(fā)生概率隨渦旋振幅的變化。g. 極端溫度異常強度隨渦振幅的變化。垂直條為相應(yīng)的標準誤差。

圖3. 全球不同海區(qū)渦致極端溫度擾動變化趨勢。(a-j) 1993-2019年各區(qū)域反氣旋渦內(nèi)極端高溫擾動（橙色實線）和氣旋渦內(nèi)極端低溫擾動（藍色實線）強度變化趨勢隨深度變化，圖中對應(yīng)虛線為整個區(qū)域所有剖面數(shù)據(jù)觀測的極端溫度擾動強度變化趨勢；(k) 各統(tǒng)計區(qū)域范圍，圖中填色為基于歷史溫度剖面數(shù)據(jù)統(tǒng)計的200米深度處極端低溫擾動發(fā)生在氣旋渦內(nèi)比例的空間分布。