在陆地，我们熟悉热浪和寒流，那么在深海呢？
10月16日，《自然》（Nature）在线发表了中国科学院南海海洋研究所研究员詹海刚团队与澳大利亚联邦科学与工业研究组织研究员冯明等合作的最新成果。他们首次从全球尺度上揭示了涡旋在驱动海洋次表层热浪/冷浪事件中的关键作用，并指出涡旋会放大全球变暖对次表层极端温度的影响，加剧强热浪/冷浪的发生。
“我们分析了全球200多万海洋温度剖面观测数据，发现海洋次表层热浪/冷浪普遍发生于海洋涡旋内。”论文第一作者、中国科学院南海海洋研究所副研究员何庆友对《中国科学报》表示，虽然针对海洋表面热浪的研究已有十多年，但海表以下热浪强度及其影响可能被严重低估，这也让我们对深海极端环境变化的理解存在重大局限性。
▲研究团队在讨论相关科学问题。付恬 摄
传统研究方法遭遇瓶颈
海洋次表层是许多海洋生物的栖息地，包括一些尚未被充分研究和开发的鱼类种群。这些生物对维持海洋生物多样性和生态系统的平衡至关重要。极端温度事件可能会对这些生物的生存环境造成严重影响，进而影响整个海洋生态系统功能的稳定性。
海洋热浪和冷浪分别指温度超过一定阈值的持续性高温和低温事件。这些极端温度事件会严重破坏海洋生物栖息环境，造成生态系统和社会经济的灾难性后果。近几十年来，随着全球变暖加剧，它们的发生频率和强度不断增加，受到全球科学家和社会各界的高度关注。
▲反气旋涡经过引发次表层热浪示例。
“现有绝大多数关于海洋热浪/冷浪的研究集中于海洋表层。”论文通讯作者詹海刚表示，“这主要是因为卫星遥感提供了过去40多年，全球海洋每天海表温度的变化信息。”基于热收支等分析方法，科学家们已经明确了表层热浪/冷浪主要是由海气热交换、海水平流以及混合等过程引发。
“但事实上，海洋次表层（如100-1000米）的极端温度事件更受海洋学家们的关注，因为这里栖息着全球海洋中规模最大、开发最少的鱼类种群。”詹海刚指出，该水层的温度环境相对稳定，鱼类对温度的变化也更加敏感。
长期以来，研究人员一直依赖卫星遥感海洋表面温度的变化来检测这些极端的海洋温度事件。而卫星无法直接观测海洋内部的温度，这使得深海的监测更加困难。
“有研究尝试通过海表温度变化推测次表层极端温度事件，但效果并不理想。”詹海刚表示，由于卫星遥感无法直接观测海表以下温度变化，长期连续的水下现场温度观测亦难以实施，我们对海洋次表层热浪/冷浪发生特征与驱动机制的认识几乎是空白。
海洋极端环境事件的研究涉及海洋学、大气科学、卫星遥感、生态学等多个学科领域，需要跨学科的合作与交流。中国工程院院士、国家卫星海洋应用中心研究员蒋兴伟认为，该研究为海表以下极端温度事件的研究与预测提供了全新的路径。
他表示，“次表层极端环境一直是海洋遥感的重要目标。该研究通过机制辨析，将海温遥感难以直接观测的次表层热浪/冷浪与卫星高度计遥感能够识别的涡旋关联起来，在实现次表层热浪/冷浪遥感监测方面前进了一大步，是次表层极端环境遥感的一个突破。”
多种观测手段巧妙结合
潜标站点观测是目前获取深海长期连续观测数据的最有效手段。
▲不同潜标观测次表层热浪/冷浪发生于涡旋经过期间的比例。
詹海刚团队分析了8套位于全球不同海盆、最长观测时间超过15年的潜标数据，发现在100米以深，80%以上热浪/冷浪事件的发生与表层热浪/冷浪没有直接关联，这说明通过海表温度探测次表层极端温度事件缺乏可行性。
有意思的是，结合卫星遥感的中尺度涡海表特征，团队发现这些次表层热浪/冷浪事件中有一半发生在反气旋涡/气旋涡经过期间。这些涡旋是海洋中直径几十至上百公里的巨大旋转流体，大小相当于我国一个中等面积的省份。它们可以持续存在几周甚至几个月，影响从海表直达水下几百甚至上千米的范围。
“我们常在海上科考航次中观测到这些涡旋，也知道反气旋内近表层暖水辐聚下沉，导致涡内的海面高度隆起，而次表层温度则高于周围水体（气旋涡内情况相反），但从没注意到它们竟是很多次表层极端温度事件的始作俑者。”何庆友说。
这些涡旋可以携带涡内暖水/冷水水平移动几百公里，对所过之处的物理和生态环境产生重大影响。何庆友指出，“尽管这些潜标观测揭示了中尺度涡在驱动海洋次表层热浪/冷浪事件中的关键的作用，但涡旋活动存在强烈的区域差异性，基于仅有的这些潜标站点观测无法实现全球尺度上的评估。”
为此，他们将目光转向了全球各类观测平台积累的数百万条全球海洋历史温度剖面观测数据。为验证这些时空离散的剖面数据在刻画极端温度方面的有效性，团队提取了每个潜标站点周围5°×5°范围内的历史温度剖面数据，统计其极端温度扰动强度及发生在中尺度涡内的比例，并与潜标观测结果进行比较，得到了很好的一致性。
▲全球海洋200米深度极端温度强度与涡旋贡献。
基于此，团队历时3年，分析了全球海洋200多万条历史温度剖面数据，实现了对全球海洋上层1000米、每5°×5°网格内极端温度扰动强度阈值的估算。结合卫星遥感的涡旋信息，进一步对涡旋的贡献进行了全球评估。
“结果显示，反气旋涡/气旋涡对全球海洋表层热浪/冷浪的平均贡献率仅约10%，但对次表层热浪/冷浪的平均贡献可达30%，而在副热带流涡区和中纬度强流区更高达60%以上。且强度越大的极端事件，涡旋的贡献越显著。在振幅大于40厘米的强反气旋涡/气旋涡内，发生次表层热浪/冷浪的概率是涡外的6倍多。”何庆友说。
助力破解更多难题
近几十年来，由于温室气体的持续排放，全球海洋经历了明显的变暖。
▲不同海区极端温度强度变化趋势及涡旋的影响。
为了研究次表层热浪/冷浪的响应，团队还估算了1993至2019年间10个不同动力海区的涡内与背景极端温度异常的线性趋势，发现涡旋有助于放大全球海洋中热浪的升温速率和冷浪的降温速率。初步分析显示，海洋变暖引发的涡旋增强的作用远高于垂向层化增强，是涡旋放大效应的主导机制。
“将这些不同来源的观测数据创造性地结合，让我们实现了对全球海洋次表层热浪/冷浪强度特征与涡旋贡献的分析。”论文合作作者冯明表示，“与海气热强迫等表层极端温度事件的主导机制不同，我们发现涡旋在驱动海洋次表层热浪/冷浪事件中起着至关重要的作用，且其影响还在随着全球变暖的持续而进一步增强，这对模拟和预测未来海洋环境的变化有重要意义。”
“我们证明了海洋次表层热浪/冷浪的发生特征与诱发机制完全不同于海表热浪/冷浪，因此也可以理解为何难以通过海表温度变化信息准确探测次表层热浪/冷浪事件。”詹海刚指出，“相比之下，卫星遥感的海面高度异常能较好地刻画和追踪涡旋活动的信息，因此可以成为探测次表层热浪/冷浪，尤其是强热浪/冷浪事件的一个关键指标，这将为次表层热浪/冷浪事件的探测与预报提供一种新的可行性方案。”
“涡旋在引发温度扰动的同时，也会引起次表层溶解氧、浮游植物等生态环境要素的强烈变化，因此本研究对理解和预测全球变暖影响下海洋次表层极端高温、贫氧、低浮游植物生产力，及其复合极端事件也具有重要的参考意义。”何庆友表示，“从这方面讲，我们的研究还仅仅只是个开始。”
海洋热浪（冷浪）作为极端气候事件，对海洋生态系统乃至全球环境产生了深远的影响。“在气候变化背景下，中尺度涡对这些与表层热浪/冷浪无显著关联的次表层极端温度事件的驱动作用日益增强，可能对海洋生物多样性、生态系统功能和服务产生严重的影响。”《自然》编辑Michael White如是总结。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08051-2
来源：中国科学报
责任编辑：宋同舟