中国科学院专家团队《PNAS》发文揭示中尺度涡对南大洋极端温度的增强效应

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2023-09-22 13:28:25（已编辑）

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湾区时讯 近日, 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）詹海刚团队在中尺度涡影响海洋极端温度研究方面取得新进展。该研究给出了中尺度涡增强南大洋极端温度的观测证据，揭示了全球变暖背景下中尺度涡对南大洋极端温度的影响正在加剧。相关研究成果以何庆友副研究员为第一作者，詹海刚研究员为通讯作者，发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS，《美国科学院院刊》）上。

图1. 南大洋中尺度涡内极端温度扰动概率分布。(a) 温盐剖面历史观测数据空间分布；(b-c) 观测剖面距涡中心距离概率和累积概率分布；(d) 400米深处温度扰动概率分布，其中蓝色、红色和灰色分别为落在气旋涡内、反气旋涡内和总的剖面数量；(e) (d)中温度扰动发生在气旋涡（蓝色）和反气旋涡（红色）内的比率；(f) 不同强度温度扰动发生在气旋涡（蓝色）和反气旋涡（红色）内的比率随深度的变化。

南大洋贯通全球三大洋盆，对全球海洋环流、生物地球化学循环和气候变化有重大影响。南极绕极流是全球海洋中最强大的洋流系统之一，其强烈的斜压不稳定性导致了活跃的中尺度涡活动。这些涡旋会改变海气界面的热交换以及热量在海洋中的再分配和储存，从而必然会对海洋极端温度产生影响。

图2. 南大洋中尺度涡内温度扰动空间分布。(a-b) 400米深处反气旋和气旋涡内平均温度扰动；(c-d) 反气旋涡内95%分位数极端高温扰动和气旋涡内5%分位数极端低温扰动；(e-f) 极端高温扰动发生在反气旋涡内的比率和极端低温扰动发生在气旋涡内的比率；(g-h) 南印度洋（b中黑色方框）中尺度涡内平均温度扰动断面，灰色等值线为气候态平均温度；（i-j）涡内等密度面上平均位温扰动断面，灰色等值线为深度；(k-l) 南极绕极流区域（g中黑色短线）涡内沿等密面温度扰动分量和总的平均温度扰动对比，阴影为标准差，黑色实线为二者比率。

海洋极端温度严重威胁海洋生物生存和生态系统稳定性。基于卫星观测的研究表明，随着全球变暖，海表极端高温（热浪）的发生频率、强度和持续时间均在不断增加。然而，在环境相对稳定且海洋生物资源最为富集的次表层，由于卫星难以直接观测，我们对于极端温度事件的发生和演变的认知还很有限。

图3. 南极绕极流区域涡内温度扰动变化趋势。(a) 400米深处反气旋涡内平均温度扰动、95%分位数极端高温扰动、和极端高温扰动发生在反气旋涡内比率的时间序列，黑色实线为线性变化趋势；(b) 400深处气旋涡内平均温度扰动、5%分位数极端低温扰动、和极端低温扰动发生在反气旋涡内比率的时间序列；(c-f) 2006-2019年间气旋涡（蓝色）和反气旋涡（橙色）内平均温度扰动，等密面上温度扰动分量、极端低温和高温度扰动、极端温度扰动发生在涡内概率，以及温度扰动标准差线性变化速率，色块为95%置信区间；(h) 红色色块为所统计的南极绕极流区域。

研究团队分析了南大洋50多万条历史温盐剖面观测资料和卫星遥感中尺度涡数据，发现尽管反气旋涡（气旋涡）在海洋中的发生频率只有约10%，但发生在涡内的次表层极端高温（低温）比例却高达近50%（图1）。涡旋对极端温度的这种贡献随着深度和扰动温度的增加而增加，并且有着极大的区域差异性。最强的扰动集中在南极绕极流附近（图2），这可能与涡旋跨锋面移动引起的水体裹挟密切相关。

南大洋作为吸收人类活动产生的热量和二氧化碳的主要海域，是过去几十年里全球变暖最为显著的海域之一。南大洋变暖速率的南高北低，使南极绕极流锋面的不稳定性增强，从而导致涡动能增加。涡旋活动的增强以及海洋垂向层化强度的增加，使涡内平均温度扰动和极端温度扰动强度均显著增强，且后者速率比前者大一倍（图3）。这些结果表明，在变暖的海洋中，中尺度涡对极端温度的发生和增强的贡献有所增加。同时，涡内温度扰动的增强也意味着海洋温度变化幅度的加剧，这可能促进近表层热量跨梯度向下的混合与输运，从而减缓上层海洋变暖，并促进深层海洋增温。

该研究揭示了中尺度涡在驱动海洋次表层极端温度中的重要作用。随着全球变暖的持续，涡旋对海洋极端温度的增强效应还可能进一步加剧。这些研究结果可为我们理解和预测海洋极端温度及其对海洋生态系统和渔业资源的影响提供重要参考。

该研究由国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等共同资助完成。