為海洋測溫多年，我們發(fā)現(xiàn)“渦旋”很關(guān)鍵

海洋通常被劃分為表層、近表層/混合層、次表層和深層海洋。海洋近表層的溫度受到太陽輻射的加熱，溫度最高，且呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化特征。

隨著深度的增加，太陽輻射對海水溫度的影響減弱，因而次表層溫度顯著降低，且不存在明顯的季節(jié)變化特征。

例如，副熱帶海洋海表溫度在冬季約為22℃、夏季則高達28℃，但在100米深度處，這種季節(jié)性溫度變化特征已幾乎不可見，海水溫度在23℃附近，且隨著深度的增加而降低，至1000深度處通常只有5℃左右。在1000米以深的深海，溫度常年維持在2-4℃。

海洋次表層是許多海洋生物的棲息地，包括一些尚未被充分研究和開發(fā)的魚類種群。這里有適宜的溫度環(huán)境，且光照微弱，便于魚類躲避天敵的捕食。甚至很多魚類會選擇白天躲在這里休息，夜幕降臨后，再游至海表附近覓食。這些生物對維持海洋生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)平衡至關(guān)重要。

然而，極端溫度事件可能會對它們的棲息地產(chǎn)生嚴重影響，進而影響整個海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。比如，海洋熱浪（冷浪）。

海洋熱浪（冷浪）是指溫度超過一定閾值的持續(xù)性高溫（低溫）事件，這類極端溫度事件會破壞海洋生物棲息環(huán)境，引發(fā)珊瑚白化、海草甸和海帶林退化、貝類和魚類死亡等、造成生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟的災(zāi)難性后果。

糟糕的是，近幾十年來，隨著全球變暖加劇，海洋熱浪（冷浪）的發(fā)生頻率和強度不斷上升，受到全球科學(xué)家和社會各界的高度關(guān)注。

遲遲解不開的難題，在衛(wèi)星遙感圖中找到了突破口

現(xiàn)有絕大多數(shù)關(guān)于海洋熱浪或冷浪的研究集中于海洋表層，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?；跓崾罩У确治龇椒ǎ茖W(xué)家們已經(jīng)明確了表層熱浪或冷浪主要是由海氣熱交換、海水平流以及混合等過程引發(fā)。

但衛(wèi)星遙感無法直接觀測海表以下的溫度，這使得海洋內(nèi)部極端溫度事件的觀測與研究難以開展。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。

潛標站點觀測是目前獲取深海連續(xù)溫度數(shù)據(jù)的最有效手段，我們分析了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)在海洋100米以下，80%以上的熱浪或冷浪事件的發(fā)生與表層熱浪或冷浪沒有直接關(guān)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。

除了知道用海表溫度探測次表層極端溫度事件這條路走不通之外，分析數(shù)據(jù)的時候，我們有了更大的收獲。

非常有趣，結(jié)合衛(wèi)星遙感探測的的中尺度渦旋海表特征，我們發(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。

海洋渦旋，巨大的熱水浴缸/冷水池

渦旋是旋轉(zhuǎn)的流體，當旋轉(zhuǎn)速度足夠快時，它們能維持自己的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)較長一段時間，并對所過之處的環(huán)境造成重大影響。

常見的渦旋現(xiàn)象包括河流里面的水渦、陸地上空的龍卷風(fēng)、海上的臺風(fēng)/颶風(fēng)乃至整個銀河系的星云等。

海洋渦流

（圖片來源：Veer圖庫）

上：海上颶風(fēng) 下：宇宙中的星云

（圖片來源：Veer圖庫）

海洋渦旋是指海洋中直徑幾十至上百公里的巨大旋轉(zhuǎn)流體。這些渦旋的大小相當于我國一個中等面積的省份。它們可以持續(xù)存在幾周甚至幾個月，影響深度從海表直達水下幾百甚至上千米。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向的不同，海洋渦旋分為氣旋渦和反氣旋渦兩種。北半球，逆順時針旋轉(zhuǎn)的渦旋稱為氣旋渦，順時針旋轉(zhuǎn)的渦旋稱為反氣旋渦（南半球則相反）。反氣旋渦在順時針旋轉(zhuǎn)的過程中，由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧力影響，流體向右偏轉(zhuǎn)，海水向渦旋中心輻聚，使海平面隆起（氣旋渦內(nèi)情況相反）。因此，可以通過高度計衛(wèi)星遙感的海面高度變化探測到這些渦旋的活動。

反氣旋渦內(nèi)海水向渦中心輻聚后，由于水柱重力增加會向下下沉。這一過程會將近表層溫暖的海水下壓帶到深層，使渦內(nèi)海水溫度高于周圍水體，因此也常被稱為“暖渦”。同理，氣旋渦則常被稱為“冷渦”。

全球尺度的發(fā)現(xiàn)，渦旋對海洋次表層熱浪冷浪的影響

通過長期潛標站點的觀測，我們捕捉到了海洋次表層熱浪和冷浪的發(fā)生特征。同時，結(jié)合高度計衛(wèi)星遙感的渦旋海表信息，我們發(fā)現(xiàn)了反氣旋渦和氣旋渦在引發(fā)這些次表層熱浪或冷浪事件中的關(guān)鍵作用。

但是，全球海洋環(huán)境和渦旋活動均存在強烈的區(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，我們將目光轉(zhuǎn)向了全球各類觀測平臺積累的數(shù)百萬條全球海洋歷史溫度剖面觀測數(shù)據(jù)。

為驗證這些數(shù)據(jù)在描述極端溫度事件方面的有效性，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。這意味著我們可以用這些離散的歷史溫度數(shù)據(jù)近似替代時間連續(xù)的溫度觀測，以分析中尺度渦對海洋極端溫度事件的影響。

基于此，我們團隊歷時3年，分析了1993-2019年全球海洋200多萬條歷史溫度剖面數(shù)據(jù)，實現(xiàn)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，為極端溫度的觀測與判斷提供了依據(jù)。同時，結(jié)合衛(wèi)星遙感的渦旋信息，進一步對渦旋的貢獻進行了全球評估。

氣漩渦與反氣旋渦的形成示意圖

（圖片來源：中國科普博覽自制）

結(jié)果顯示，反氣旋渦和氣旋渦對全球海洋表層熱浪和冷浪的平均貢獻率僅約10%，但對次表層熱浪和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)更高達60%以上。

不僅如此，強度越大的極端事件，渦旋的貢獻作用越顯著。在振幅大于40厘米的強反氣旋渦或氣旋渦內(nèi)，發(fā)生次表層極端溫度事件的可能性是渦外的六倍以上。

為了研究次表層熱浪/冷浪的響應(yīng)，我們還估算了1993至2019年間10個不同動力海區(qū)發(fā)生在渦內(nèi)與渦外極端溫度異常的線性趨勢，發(fā)現(xiàn)渦旋加劇了全球海洋熱浪和冷浪的增強速率。

初步分析顯示，海洋變暖引發(fā)的渦旋增強的作用遠高于垂向?qū)踊鰪?，是渦旋放大效應(yīng)的主導(dǎo)機制。

總的來說，我們的研究首次發(fā)現(xiàn)了渦旋在驅(qū)動海洋次表層極端溫度事件中扮演的關(guān)鍵角色。

這與海氣熱強迫等過程主導(dǎo)的表層極端溫度事件是不同的。因此，也可以解釋為何大家難以通過海表溫度變化信息準確探測次表層極端溫度事件。相比之下，衛(wèi)星遙感的海面高度變化信息能有效追蹤渦旋活動，可以成為探測次表層極端溫度事件，尤其是強熱浪/冷浪事件的一個關(guān)鍵指標。這將為次表層極端事件的探測與預(yù)報提供一種全新的思路，也是我們接下來努力的一個重要方向。

保護海洋、保護地球，需要我們每個人的力量

自工業(yè)革命以來，海洋吸收了大部分人類活動產(chǎn)生的熱量，對全球氣候至關(guān)重要。而隨著全球變暖，海洋環(huán)境變化加劇，極端事件頻發(fā)，不僅威脅著海洋生命健康和生態(tài)環(huán)境安全，也會對我們的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定造成巨大的沖擊。

作為一名研究海洋的科研人員，我見證了許許多多海洋現(xiàn)象的奧秘被逐漸揭開，也直觀感受到了海洋環(huán)境和氣候顯著變化帶來的壓力。

這不僅讓我對海洋科學(xué)充滿了敬畏，也更加認識到人類在保護海洋和地球環(huán)境方面的責(zé)任之重大。

我們必須審慎思考如何在追求發(fā)展的同時，更好地保護我們賴以生存的地球。我想呼吁大家共同關(guān)注氣候變化，保護海洋，保護環(huán)境。這不僅僅是科學(xué)問題，更是關(guān)乎人類未來生存與發(fā)展的問題。