10月16日，中國科學(xué)院南海海洋研究所詹海剛團隊在《自然》（Nature）上在線發(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)嚴重匱乏的限制，首次在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，并提出了渦旋會放大全球變暖對次表層極端溫度的影響并加劇強熱浪/冷浪的發(fā)生。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。這些極端溫度事件嚴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)濟的災(zāi)難性后果。當(dāng)前，多數(shù)研究聚焦于衛(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)動機制。然而，目前的衛(wèi)星難以直接觀測的次表層更受關(guān)注。這是由于該水層棲息著多種重要的魚類和珊瑚，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)中發(fā)揮著重要作用。而由于長期連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)匱乏，常用的參數(shù)提取與機制分析方法難以全面應(yīng)用，對次表層熱浪/冷浪的發(fā)生特征與驅(qū)動機制知之甚少。該研究分析了位于全球不同海盆、最長觀測時間超過15年的8套長期潛標資料，發(fā)現(xiàn)了超過80%的次表層熱浪/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。這一比例高于對應(yīng)渦旋的發(fā)生頻率，且強度越大的事件發(fā)生于渦內(nèi)的比例越高。這表明，與海氣熱交換等表層極端事件的主導(dǎo)機制不同，渦旋在驅(qū)動次表層熱浪/冷浪中起到關(guān)鍵作用。盡管長期連續(xù)的潛標觀測可以有效捕捉次表層極端溫度事件，但因建設(shè)和維護成本高昂，目前在海洋中分布稀少，難以實現(xiàn)全球尺度上的評估。對比分析發(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/冷浪事件強度和渦旋貢獻。基于此，研究分析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)，并結(jié)合高度計衛(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/冷浪的平均貢獻約為30%，而在副熱帶流渦區(qū)和中緯度強流區(qū)的貢獻可達60%以上。同時，隨著渦旋強度的增加，渦內(nèi)極端溫度出現(xiàn)概率和強度均顯著上升。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，進一步證實了海洋渦旋是驅(qū)動次表層熱浪/冷浪的關(guān)鍵機制。近幾十年來，由于溫室氣體持續(xù)排放，全球海洋經(jīng)歷了明顯變暖。為了探討次表層熱浪/冷浪的響應(yīng)，該團隊估算了1993年至2019年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)了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。初步分析顯示，海洋變暖引發(fā)的渦旋增強的作用高于垂向?qū)踊鰪姡@是渦旋放大效應(yīng)的主導(dǎo)機制。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空分布與物理機制上的差異，提出了僅通過海表溫度信息無法準確探測次表層熱浪/冷浪事件的觀點。相比之下，衛(wèi)星遙感的海面高度異常能夠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/冷浪尤其是強熱浪/冷浪事件的關(guān)鍵指標之一。同時，渦旋對次表層溫度、溶解氧和浮游植物的影響機制相似，因而這一成果對剖析和預(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參考意義。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會會員項目及廣東省自然科學(xué)基金等的支持。論文鏈接全球不同海盆潛標觀測的次表層熱浪和冷浪發(fā)生在中尺度渦內(nèi)情況200米深度渦內(nèi)極端溫度強度與渦旋貢獻率的全球分布情況全球不同海區(qū)渦致極端溫度擾動變化趨勢