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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LTO)詹海剛團(tuán)隊(duì)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(yán)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(qiáng)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(yán)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(jì)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(jī)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?yàn)樵撍畬訔⒅喾N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(jī)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(jī)制知之甚少。
研究團(tuán)隊(duì)首先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)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(yuǎn)高于對應(yīng)渦旋的發(fā)生頻率(約為10%),且強(qiáng)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(jī)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(biāo)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(hù)成本高昂,目前在海洋中分布稀少,難以實(shí)現(xiàn)全球尺度上的評估。通過對比分析,研究團(tuán)隊(duì)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)。基于此,研究團(tuán)隊(duì)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(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)其貢獻(xiàn)可高達(dá)60%以上(圖2)。且隨著渦旋強(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(tuán)隊(duì)估算了1993至2019年間10個(gè)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(qiáng)的作用遠(yuǎn)高于垂向?qū)踊鰪?qiáng),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)制上的巨大差異,指出僅從海表溫度信息無法準(zhǔn)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(qiáng)熱浪/冷浪事件的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。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(jī)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(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(jìn)會項(xiàng)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(biāo)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(biāo)站點(diǎn)觀測的溫度時(shí)間序列,圖中紅色(藍(lán)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(diǎn)時(shí)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(qiáng)度與渦旋貢獻(xiàn)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(qiáng)度隨渦振幅的變化。垂直條為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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?cái)_動(橙色實(shí)線)和氣旋渦內(nèi)極端低溫?cái)_動(藍(lán)色實(shí)線)強(qiáng)度變化趨勢隨深度變化,圖中對應(yīng)虛線為整個(gè)區(qū)域所有剖面數(shù)據(jù)觀測的極端溫度擾動強(qiáng)度變化趨勢;(k) 各統(tǒng)計(jì)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(jì)的200米深度處極端低溫?cái)_動發(fā)生在氣旋渦內(nèi)比例的空間分布。
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