陸地上有我們熟悉的熱浪和寒流，那么在深海呢？

中國科學院南海海洋研究所（以下簡稱南海海洋所）研究員詹海剛團隊與澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織研究員馮明等合作，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。近日，相關研究成果發(fā)表于《自然》。

“我們分析了全球200多萬條海洋溫度剖面觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)海洋次表層熱浪/冷浪普遍發(fā)生于海洋渦旋內(nèi)?！闭撐牡谝蛔髡摺⒛虾：Ｑ笏毖芯繂T何慶友對《中國科學報》表示，雖然針對海洋表面熱浪的研究已有10多年，但海表以下熱浪強度及其影響可能被低估，也導致對深海極端環(huán)境變化的理解存在極大局限性。

中國工程院院士、國家衛(wèi)星海洋應用中心研究員蔣興偉認為，該研究為海表以下極端溫度事件的研究與預測提供了全新的路徑。

傳統(tǒng)研究方法遭遇瓶頸

海洋次表層是許多海洋生物的棲息地，包括一些尚未充分研究和開發(fā)的魚類種群。這些生物對維持海洋生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的平衡至關重要。極端溫度事件可能對這些生物的生存環(huán)境造成嚴重影響，進而影響整個海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。

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。近幾十年來，隨著全球變暖加劇，這些事件發(fā)生的頻率和強度不斷增加，備受全球關注。

“現(xiàn)有絕大多數(shù)關于海洋熱浪/冷浪的研究多集中于海洋表層。”論文通訊作者詹海剛表示，“這主要是因為衛(wèi)星遙感提供了過去40多年全球海洋每天海表溫度的變化信息?！崩脽崾罩У确治龇椒?，科學家已經(jīng)明確了表層熱浪/冷浪主要由海氣熱交換、海水平流及混合等過程引發(fā)。

“但事實上，100至1000米深的海洋次表層極端溫度事件更受海洋學家關注，因為這里棲息著全球海洋規(guī)模最大、開發(fā)最少的魚類種群?！闭埠傊赋觯撍畬拥臏囟拳h(huán)境相對穩(wěn)定，魚類對溫度的變化也更加敏感。

長期以來，研究人員一直依賴衛(wèi)星遙感技術(shù)觀測海洋表面溫度的變化，以監(jiān)測這些極端海洋溫度事件。而衛(wèi)星無法直接觀測海洋內(nèi)部溫度，這使得深海監(jiān)測更加困難。

“有研究嘗試通過海表溫度變化推測次表層極端溫度事件，但效果并不理想?！闭埠偙硎?，“由于衛(wèi)星遙感無法直接觀測海表以下溫度變化，長期連續(xù)的水下現(xiàn)場溫度觀測也難以實施，我們對海洋次表層熱浪/冷浪發(fā)生特征與驅(qū)動機制的認識幾乎是空白?！?/p>

水下極端環(huán)境一直是海洋遙感的重要目標?！拔覀兺ㄟ^機制辨析，將海溫遙感難以直接觀測的次表層熱浪/冷浪與衛(wèi)星高度計遙感能夠識別的渦旋關聯(lián)起來，在實現(xiàn)次表層熱浪/冷浪遙感監(jiān)測方面前進了一大步，是水下極端環(huán)境遙感的一個突破。”詹海剛說，這為海表以下極端溫度事件的研究與預測提供了全新的思路和方向。

蔣興偉表示：“次表層極端環(huán)境一直是海洋遙感的重要目標。該研究通過機制辨析，將海溫遙感難以直接觀測的次表層熱浪/冷浪與衛(wèi)星高度計遙感能夠識別的渦旋關聯(lián)起來，在實現(xiàn)次表層熱浪/冷浪遙感監(jiān)測方面前進了一大步，是次表層極端環(huán)境遙感的一個突破。”

多種觀測手段巧妙結(jié)合

目前，潛標站點觀測是獲取深海長期連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的最有效手段。

詹海剛團隊分析了8套位于全球不同海盆、最長觀測時間超過15年的潛標數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在100米以深，80%以上熱浪/冷浪事件的發(fā)生與表層熱浪/冷浪沒有直接關聯(lián)，這說明通過海表溫度探測次表層極端溫度事件缺乏可行性。

結(jié)合衛(wèi)星遙感的中尺度渦海表特征，該團隊發(fā)現(xiàn)，這些次表層熱浪/冷浪事件中有一半發(fā)生在反氣旋渦/氣旋渦經(jīng)過期間。這些渦旋是海洋中直徑幾十至上百公里的巨大旋轉(zhuǎn)流體。它們可以持續(xù)存在幾周甚至幾個月，影響從海表直至水下幾百米甚至上千米的范圍。

“我們常在海上科考航次中觀測到這些渦旋，也知道反氣旋內(nèi)近表層暖水輻聚下沉，導致渦內(nèi)的海面高度隆起，而次表層溫度則高于周圍水體，但從沒注意到它們竟是很多次表層極端溫度事件的始作俑者?！焙螒c友說。

這些渦旋可以攜帶渦內(nèi)暖水/冷水水平移動幾百公里，對所過之處的物理和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。何慶友指出：“盡管這些潛標觀測揭示了中尺度渦在驅(qū)動海洋次表層熱浪/冷浪事件中的關鍵作用，但渦旋活動存在強烈的區(qū)域差異性，基于僅有的這些潛標站點觀測無法實現(xiàn)全球尺度上的評估。”

為此，他們將目光轉(zhuǎn)向了全球各類觀測平臺積累的數(shù)百萬條海洋歷史溫度剖面觀測數(shù)據(jù)。為驗證這些時空離散的剖面數(shù)據(jù)在刻畫極端溫度方面的有效性，團隊提取了每個潛標站點周圍5°×5°范圍內(nèi)的歷史溫度剖面數(shù)據(jù)，統(tǒng)計其極端溫度擾動強度及發(fā)生在中尺度渦內(nèi)的比例，并與潛標觀測結(jié)果進行比較，得到了很好的一致性。

基于此，詹海剛團隊歷時3年，分析了全球海洋200多萬條歷史溫度剖面數(shù)據(jù)，完成了對全球海洋上層1000米、每5°×5°網(wǎng)格內(nèi)極端溫度擾動強度閾值的估算。同時結(jié)合衛(wèi)星遙感的渦旋信息，他們進一步對渦旋的貢獻進行了全球評估。

“結(jié)果顯示，反氣旋渦/氣旋渦對全球海洋表層熱浪/冷浪的平均貢獻率僅約10%，但對次表層熱浪/冷浪的平均貢獻可達30%，而在副熱帶流渦區(qū)和中緯度強流區(qū)則高達60%以上。并且強度越大的極端事件，渦旋的貢獻越顯著。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。”何慶友說。

助力破解更多難題

近幾十年來，由于溫室氣體的持續(xù)排放，全球海洋經(jīng)歷了明顯變暖。

為了研究次表層熱浪/冷浪的響應，詹海剛團隊估算了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)渦旋有助于加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)的渦旋增強作用遠高于垂向?qū)踊鰪?，是渦旋放大效應的主導機制。

“我們將這些不同來源的觀測數(shù)據(jù)創(chuàng)造性地結(jié)合，實現(xiàn)了對全球海洋次表層熱浪/冷浪強度特征與渦旋貢獻的分析?！闭撐墓餐髡唏T明表示，“與海氣熱強迫等表層極端溫度事件的主導機制不同，我們發(fā)現(xiàn)渦旋在驅(qū)動海洋次表層熱浪/冷浪事件中起著至關重要的作用，其影響隨著全球變暖的持續(xù)進一步增強，這對模擬和預測未來海洋環(huán)境的變化有重要意義。”

“我們證明了海洋次表層熱浪/冷浪的發(fā)生特征與誘發(fā)機制完全不同于海表熱浪/冷浪，因此也可以理解為何難以通過海表溫度變化信息準確探測次表層熱浪/冷浪事件?！闭埠傊赋?，“相比之下，衛(wèi)星遙感的海面高度異常能較好地刻畫和追蹤渦旋活動的信息，因此可以成為探測次表層熱浪/冷浪，尤其是強熱浪/冷浪事件的一個關鍵指標，這將為次表層熱浪/冷浪事件的探測與預報提供一種新的可行性方案?！?/p>

何慶友表示，渦旋在引發(fā)溫度擾動的同時，也會引起次表層溶解氧、浮游植物等生態(tài)環(huán)境要素的強烈變化，因此這一研究對理解和預測全球變暖影響下海洋次表層極端高溫、貧氧、低浮游植物生產(chǎn)力，及其復合極端事件具有重要的參考意義?！皬倪@方面講，我們的研究還僅僅只是開始?！?/p>

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08051-2

（原載于《中國科學報》?2024-10-23?第1版?要聞）