近日, 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(tuán)隊在中尺度渦影響海洋極端溫度研究方面取得新進(jìn)展。該研究給出了中尺度渦增強(qiáng)南大洋極端溫度的觀測證據(jù)，揭示了全球變暖背景下中尺度渦對南大洋極端溫度的影響正在加劇。相關(guān)研究成果以何慶友副研究員為第一作者，詹海剛研究員為通訊作者，發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS，《美國科學(xué)院院刊》）上。

　　南大洋貫通全球三大洋盆，對全球海洋環(huán)流、生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候變化有重大影響。南極繞極流是全球海洋中最強(qiáng)大的洋流系統(tǒng)之一，其強(qiáng)烈的斜壓不穩(wěn)定性導(dǎo)致了活躍的中尺度渦活動。這些渦旋會改變海氣界面的熱交換以及熱量在海洋中的再分配和儲存，從而必然會對海洋極端溫度產(chǎn)生影響。

　　海洋極端溫度嚴(yán)重威脅海洋生物生存和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。基于衛(wèi)星觀測的研究表明，隨著全球變暖，海表極端高溫（熱浪）的發(fā)生頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時間均在不斷增加。然而，在環(huán)境相對穩(wěn)定且海洋生物資源最為富集的次表層，由于衛(wèi)星難以直接觀測，我們對于極端溫度事件的發(fā)生和演變的認(rèn)知還很有限。

　　研究團(tuán)隊分析了南大洋50多萬條歷史溫鹽剖面觀測資料和衛(wèi)星遙感中尺度渦數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)盡管反氣旋渦（氣旋渦）在海洋中的發(fā)生頻率只有約10%，但發(fā)生在渦內(nèi)的次表層極端高溫（低溫）比例卻高達(dá)近50%（圖1）。渦旋對極端溫度的這種貢獻(xiàn)隨著深度和擾動溫度的增加而增加，并且有著極大的區(qū)域差異性。最強(qiáng)的擾動集中在南極繞極流附近（圖2），這可能與渦旋跨鋒面移動引起的水體裹挾密切相關(guān)。

　　南大洋作為吸收人類活動產(chǎn)生的熱量和二氧化碳的主要海域，是過去幾十年里全球變暖最為顯著的海域之一。南大洋變暖速率的南高北低，使南極繞極流鋒面的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致渦動能增加。渦旋活動的增強(qiáng)以及海洋垂向?qū)踊瘡?qiáng)度的增加，使渦內(nèi)平均溫度擾動和極端溫度擾動強(qiáng)度均顯著增強(qiáng)，且后者速率比前者大一倍（圖3）。這些結(jié)果表明，在變暖的海洋中，中尺度渦對極端溫度的發(fā)生和增強(qiáng)的貢獻(xiàn)有所增加。同時，渦內(nèi)溫度擾動的增強(qiáng)也意味著海洋溫度變化幅度的加劇，這可能促進(jìn)近表層熱量跨梯度向下的混合與輸運，從而減緩上層海洋變暖，并促進(jìn)深層海洋增溫。

　　該研究揭示了中尺度渦在驅(qū)動海洋次表層極端溫度中的重要作用。隨著全球變暖的持續(xù)，渦旋對海洋極端溫度的增強(qiáng)效應(yīng)還可能進(jìn)一步加劇。這些研究結(jié)果可為我們理解和預(yù)測海洋極端溫度及其對海洋生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)資源的影響提供重要參考。

　　該研究由國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項目等共同資助完成。

　　相關(guān)論文信息：

　　Qingyou He, Weikang Zhan, Shuqun Cai, Yan Du, Zhiwu Chen, Shilin Tang, and Haigang Zhan*, Enhancing impacts of mesoscale eddies on Southern Ocean temperature variability and extremes, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(39), e2302292120, doi:10.1073/pnas.2302292120.

　　文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302292120

圖1. 南大洋中尺度渦內(nèi)極端溫度擾動概率分布。(a) 溫鹽剖面歷史觀測數(shù)據(jù)空間分布；(b-c) 觀測剖面距渦中心距離概率和累積概率分布；(d) 400米深處溫度擾動概率分布，其中藍(lán)色、紅色和灰色分別為落在氣旋渦內(nèi)、反氣旋渦內(nèi)和總的剖面數(shù)量；(e) (d)中溫度擾動發(fā)生在氣旋渦（藍(lán)色）和反氣旋渦（紅色）內(nèi)的比率；(f) 不同強(qiáng)度溫度擾動發(fā)生在氣旋渦（藍(lán)色）和反氣旋渦（紅色）內(nèi)的比率隨深度的變化。

圖2. 南大洋中尺度渦內(nèi)溫度擾動空間分布。(a-b) 400米深處反氣旋和氣旋渦內(nèi)平均溫度擾動；(c-d) 反氣旋渦內(nèi)95%分位數(shù)極端高溫擾動和氣旋渦內(nèi)5%分位數(shù)極端低溫擾動；(e-f) 極端高溫擾動發(fā)生在反氣旋渦內(nèi)的比率和極端低溫擾動發(fā)生在氣旋渦內(nèi)的比率；(g-h) 南印度洋（b中黑色方框）中尺度渦內(nèi)平均溫度擾動斷面，灰色等值線為氣候態(tài)平均溫度；（i-j）渦內(nèi)等密度面上平均位溫擾動斷面，灰色等值線為深度；(k-l) 南極繞極流區(qū)域（g中黑色短線）渦內(nèi)沿等密面溫度擾動分量和總的平均溫度擾動對比，陰影為標(biāo)準(zhǔn)差，黑色實線為二者比率。

圖3. 南極繞極流區(qū)域渦內(nèi)溫度擾動變化趨勢。(a) 400米深處反氣旋渦內(nèi)平均溫度擾動、95%分位數(shù)極端高溫擾動、和極端高溫擾動發(fā)生在反氣旋渦內(nèi)比率的時間序列，黑色實線為線性變化趨勢；(b) 400深處氣旋渦內(nèi)平均溫度擾動、5%分位數(shù)極端低溫擾動、和極端低溫擾動發(fā)生在反氣旋渦內(nèi)比率的時間序列；(c-f) 2006-2019年間氣旋渦（藍(lán)色）和反氣旋渦（橙色）內(nèi)平均溫度擾動，等密面上溫度擾動分量、極端低溫和高溫度擾動、極端溫度擾動發(fā)生在渦內(nèi)概率，以及溫度擾動標(biāo)準(zhǔn)差線性變化速率，色塊為95%置信區(qū)間；(h) 紅色色塊為所統(tǒng)計的南極繞極流區(qū)域。