陸地上有我們熟悉的熱浪和寒流，那么在深海呢？

中國科學(xué)院南海海洋研究所（以下簡稱南海海洋所）研究員詹海剛團(tuán)隊(duì)與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)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(dòng)海洋次表層熱浪/冷浪事件中的關(guān)鍵作用，并指出渦旋會(huì)放大全球變暖對(duì)次表層極端溫度的影響，加劇強(qiáng)熱浪/冷浪的發(fā)生。近日，相關(guān)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(cè)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?、南海海洋所副研究員何慶友對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》表示，雖然針對(duì)海洋表面熱浪的研究已有10多年，但海表以下熱浪強(qiáng)度及其影響可能被低估，也導(dǎo)致對(duì)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(yīng)用中心研究員蔣興偉認(rèn)為，該研究為海表以下極端溫度事件的研究與預(yù)測(cè)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(duì)維持海洋生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的平衡至關(guān)重要。極端溫度事件可能對(duì)這些生物的生存環(huán)境造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響整個(gè)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(qiáng)度不斷增加，備受全球關(guān)注。

“現(xiàn)有絕大多數(shù)關(guān)于海洋熱浪/冷浪的研究多集中于海洋表層?！闭撐耐ㄓ嵶髡哒埠偙硎?，“這主要是因?yàn)樾l(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(xué)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(shí)上，100至1000米深的海洋次表層極端溫度事件更受海洋學(xué)家關(guān)注，因?yàn)檫@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?，該水層的溫度環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，魚類對(duì)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(cè)海洋表面溫度的變化，以監(jiān)測(cè)這些極端海洋溫度事件。而衛(wèi)星無法直接觀測(cè)海洋內(nèi)部溫度，這使得深海監(jiān)測(cè)更加困難。

“有研究嘗試通過海表溫度變化推測(cè)次表層極端溫度事件，但效果并不理想。”詹海剛表示，“由于衛(wèi)星遙感無法直接觀測(cè)海表以下溫度變化，長期連續(xù)的水下現(xiàn)場(chǎng)溫度觀測(cè)也難以實(shí)施，我們對(duì)海洋次表層熱浪/冷浪發(fā)生特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)幾乎是空白。”

水下極端環(huán)境一直是海洋遙感的重要目標(biāo)?！拔覀兺ㄟ^機(jī)制辨析，將海溫遙感難以直接觀測(cè)的次表層熱浪/冷浪與衛(wèi)星高度計(jì)遙感能夠識(shí)別的渦旋關(guān)聯(lián)起來，在實(shí)現(xiàn)次表層熱浪/冷浪遙感監(jiān)測(cè)方面前進(jìn)了一大步，是水下極端環(huán)境遙感的一個(gè)突破。”詹海剛說，這為海表以下極端溫度事件的研究與預(yù)測(cè)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(biāo)。該研究通過機(jī)制辨析，將海溫遙感難以直接觀測(cè)的次表層熱浪/冷浪與衛(wèi)星高度計(jì)遙感能夠識(shí)別的渦旋關(guān)聯(lián)起來，在實(shí)現(xiàn)次表層熱浪/冷浪遙感監(jiān)測(cè)方面前進(jìn)了一大步，是次表層極端環(huán)境遙感的一個(gè)突破?！?/p>

多種觀測(cè)手段巧妙結(jié)合

目前，潛標(biāo)站點(diǎn)觀測(cè)是獲取深海長期連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的最有效手段。

詹海剛團(tuán)隊(duì)分析了8套位于全球不同海盆、最長觀測(cè)時(shí)間超過15年的潛標(biāo)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(guān)聯(lián)，這說明通過海表溫度探測(cè)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(tuán)隊(duì)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(gè)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(cè)到這些渦旋，也知道反氣旋內(nèi)近表層暖水輻聚下沉，導(dǎo)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(dòng)幾百公里，對(duì)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(biāo)觀測(cè)揭示了中尺度渦在驅(qū)動(dòng)海洋次表層熱浪/冷浪事件中的關(guān)鍵作用，但渦旋活動(dòng)存在強(qiáng)烈的區(qū)域差異性，基于僅有的這些潛標(biāo)站點(diǎn)觀測(cè)無法實(shí)現(xiàn)全球尺度上的評(píng)估?！?/p>

為此，他們將目光轉(zhuǎn)向了全球各類觀測(cè)平臺(tái)積累的數(shù)百萬條海洋歷史溫度剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證這些時(shí)空離散的剖面數(shù)據(jù)在刻畫極端溫度方面的有效性，團(tuán)隊(duì)提取了每個(gè)潛標(biāo)站點(diǎn)周圍5°×5°范圍內(nèi)的歷史溫度剖面數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其極端溫度擾動(dòng)強(qiáng)度及發(fā)生在中尺度渦內(nèi)的比例，并與潛標(biāo)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到了很好的一致性。

基于此，詹海剛團(tuán)隊(duì)歷時(shí)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(duì)全球海洋上層1000米、每5°×5°網(wǎng)格內(nèi)極端溫度擾動(dòng)強(qiáng)度閾值的估算。同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星遙感的渦旋信息，他們進(jìn)一步對(duì)渦旋的貢獻(xiàn)進(jìn)行了全球評(píng)估。

“結(jié)果顯示，反氣旋渦/氣旋渦對(duì)全球海洋表層熱浪/冷浪的平均貢獻(xiàn)率僅約10%，但對(duì)次表層熱浪/冷浪的平均貢獻(xiàn)可達(dá)30%，而在副熱帶流渦區(qū)和中緯度強(qiáng)流區(qū)則高達(dá)60%以上。并且強(qiáng)度越大的極端事件，渦旋的貢獻(xiàn)越顯著。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。”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(yīng)，詹海剛團(tuán)隊(duì)估算了1993至2019年間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(shì)，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(qiáng)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。

“我們將這些不同來源的觀測(cè)數(shù)據(jù)創(chuàng)造性地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球海洋次表層熱浪/冷浪強(qiáng)度特征與渦旋貢獻(xiàn)的分析?！闭撐墓餐髡唏T明表示，“與海氣熱強(qiáng)迫等表層極端溫度事件的主導(dǎo)機(jī)制不同，我們發(fā)現(xiàn)渦旋在驅(qū)動(dòng)海洋次表層熱浪/冷浪事件中起著至關(guān)重要的作用，其影響隨著全球變暖的持續(xù)進(jìn)一步增強(qiáng)，這對(duì)模擬和預(yù)測(cè)未來海洋環(huán)境的變化有重要意義?！?/p>

“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(jī)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(zhǔn)確探測(cè)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(dòng)的信息，因此可以成為探測(cè)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)，這將為次表層熱浪/冷浪事件的探測(cè)與預(yù)報(bào)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(dòng)的同時(shí)，也會(huì)引起次表層溶解氧、浮游植物等生態(tài)環(huán)境要素的強(qiáng)烈變化，因此這一研究對(duì)理解和預(yù)測(cè)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(fù)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(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08051-2

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-10-23?第1版?要聞）