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10月16日，中國科學(xué)院南海海洋研究所詹海剛團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）上在線發(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(yán)重匱乏的限制，首次在全球尺度上揭示了渦旋在驅(qū)動(dòng)海洋次表層熱浪/冷浪事件中的關(guān)鍵作用，并提出了渦旋會(huì)放大全球變暖對(duì)次表層極端溫度的影響并加劇強(qiáng)熱浪/冷浪的發(fā)生。

海洋熱浪和冷浪分別指溫度超過一定閾值的持續(xù)性高溫和低溫事件。這些極端溫度事件嚴(yán)重破壞海洋生物棲息環(huán)境，造成生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的災(zāi)難性后果。當(dāng)前，多數(shù)研究聚焦于衛(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(dòng)機(jī)制。然而，目前的衛(wèi)星難以直接觀測的次表層更受關(guān)注。這是由于該水層棲息著多種重要的魚類和珊瑚，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)中發(fā)揮著重要作用。而由于長期連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)匱乏，常用的參數(shù)提取與機(jī)制分析方法難以全面應(yīng)用，對(duì)次表層熱浪/冷浪的發(fā)生特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制知之甚少。

該研究分析了位于全球不同海盆、最長觀測時(shí)間超過15年的8套長期潛標(biāo)資料，發(fā)現(xiàn)了超過80%的次表層熱浪/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。這一比例高于對(duì)應(yīng)渦旋的發(fā)生頻率，且強(qiáng)度越大的事件發(fā)生于渦內(nèi)的比例越高。這表明，與海氣熱交換等表層極端事件的主導(dǎo)機(jī)制不同，渦旋在驅(qū)動(dòng)次表層熱浪/冷浪中起到關(guān)鍵作用。

盡管長期連續(xù)的潛標(biāo)觀測可以有效捕捉次表層極端溫度事件，但因建設(shè)和維護(hù)成本高昂，目前在海洋中分布稀少，難以實(shí)現(xiàn)全球尺度上的評(píng)估。對(duì)比分析發(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(qiáng)度和渦旋貢獻(xiàn)?；诖耍芯糠治龈鞣N觀測平臺(tái)積累的全球海洋200多萬條溫度剖面數(shù)據(jù)，并結(jié)合高度計(jì)衛(wèi)星遙感的中尺度渦資料發(fā)現(xiàn)，反氣旋渦/氣旋渦對(duì)次表層熱浪/冷浪的平均貢獻(xiàn)約為30%，而在副熱帶流渦區(qū)和中緯度強(qiáng)流區(qū)的貢獻(xiàn)可達(dá)60%以上。同時(shí)，隨著渦旋強(qiáng)度的增加，渦內(nèi)極端溫度出現(xiàn)概率和強(qiáng)度均顯著上升。在振幅大于40厘米的強(qiáng)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(jìn)一步證實(shí)了海洋渦旋是驅(qū)動(dòng)次表層熱浪/冷浪的關(guān)鍵機(jī)制。

近幾十年來，由于溫室氣體持續(xù)排放，全球海洋經(jīng)歷了明顯變暖。為了探討次表層熱浪/冷浪的響應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)估算了1993年至2019年10個(gè)不同動(dòng)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)了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。初步分析顯示，海洋變暖引發(fā)的渦旋增強(qiáng)的作用高于垂向?qū)踊鰪?qiáng)，這是渦旋放大效應(yīng)的主導(dǎo)機(jī)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(shí)空分布與物理機(jī)制上的差異，提出了僅通過海表溫度信息無法準(zhǔn)確探測次表層熱浪/冷浪事件的觀點(diǎn)。相比之下，衛(wèi)星遙感的海面高度異常能夠較好地捕獲海洋渦旋活動(dòng)的信息，因此可以成為探測次表層熱浪/冷浪尤其是強(qiáng)熱浪/冷浪事件的關(guān)鍵指標(biāo)之一。同時(shí)，渦旋對(duì)次表層溫度、溶解氧和浮游植物的影響機(jī)制相似，因而這一成果對(duì)剖析和預(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參考意義。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員項(xiàng)目及廣東省自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

全球不同海盆潛標(biāo)觀測的次表層熱浪和冷浪發(fā)生在中尺度渦內(nèi)情況

200米深度渦內(nèi)極端溫度強(qiáng)度與渦旋貢獻(xiàn)率的全球分布情況

全球不同海區(qū)渦致極端溫度擾動(dòng)變化趨勢