全球氣候變化背景下,隨著海洋溫度、鹽度變化,海洋“上輕、下重”的密度層結(jié)特征顯著增強(qiáng),這是海洋氣候變化的一個(gè)核心特征,具有重要的氣候和生態(tài)意義。探究海洋層結(jié)變化事實(shí)、機(jī)制并揭示其氣候影響,是海洋和氣候變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題。
9月30日,Nature Reviews Earth & Environment發(fā)表了由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭、聯(lián)合國內(nèi)外19家單位的研究人員共同撰寫的綜述論文(題目:Ocean stratification in a warming climate)。該論文系統(tǒng)探討了海洋層結(jié)變化的科學(xué)意義,定量評估了自上世紀(jì)60年代以來的層結(jié)變化觀測事實(shí),提供了全球和區(qū)域?qū)咏Y(jié)變化的未來預(yù)估結(jié)果,梳理了其變化機(jī)制、總結(jié)其對人類和生態(tài)系統(tǒng)的廣泛影響 ,并展望了目前研究的不足和未來研究方向。
論文發(fā)現(xiàn),自1960年以來,全球上層2000米海洋層結(jié)顯著增強(qiáng),速率為每十年0.8 ±0.1%。層結(jié)增強(qiáng)主要發(fā)生在熱帶,并主要由溫度變化驅(qū)動(dòng)。同時(shí),層結(jié)變化具有顯著的季節(jié)差異,其在夏季增幅要強(qiáng)于冬季,主要與表層和次表層的溫度季節(jié)循環(huán)的變化有關(guān)。CMIP6模式預(yù)估結(jié)果顯示,未來海洋層結(jié)變化可能會在本世紀(jì)50~60年代出現(xiàn)關(guān)鍵拐點(diǎn),即在較低的溫室氣體排放情景下(例如SSP1-2.6),全球海洋層結(jié)將扭轉(zhuǎn)其上升趨勢,逐步下降。這主要是由于近表層海溫不再升高(穩(wěn)定在比工業(yè)革命之前的水平之上2攝氏度左右),而次表層和深層海洋持續(xù)升溫。而在中、高溫室氣體排放情景下(例如SSP2-4.5;SSP5-8.5),由于近表層海洋持續(xù)增溫,且增溫高于次表層海洋,全球海洋層結(jié)將持續(xù)增強(qiáng)。在區(qū)域尺度上,過去半世紀(jì)中的變化趨勢也將持續(xù)到未來。

圖1. 海洋層結(jié)的變化及其對地球系統(tǒng)的廣泛影響
層結(jié)變化對氣候系統(tǒng)的物理、生態(tài)、生物地球化學(xué)過程均有重要的影響。例如,海洋層結(jié)增強(qiáng)減弱了海洋表層-次表層熱交換,從而加劇海表增溫,形成正反饋,同時(shí)推升海洋熱浪發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。海洋層結(jié)增強(qiáng)改變海洋環(huán)流,加速上層副熱帶環(huán)流系統(tǒng),并使得黑潮等西邊界流系向極地及近岸方向移動(dòng)。層結(jié)增強(qiáng)也會減弱海洋垂向溶解無機(jī)碳、溶解氧向深海的輸送,從而減弱海洋碳匯并加劇海洋缺氧。此外,通過改變海洋內(nèi)部及海氣能量交換強(qiáng)度,海洋層結(jié)增強(qiáng)影響臺風(fēng)的強(qiáng)度、影響厄爾尼諾與南方濤動(dòng)(ENSO)、太平洋年代變率(PDV)等關(guān)鍵氣候模態(tài)的幅度、強(qiáng)度和可預(yù)報(bào)性。層結(jié)增強(qiáng)也改變潮汐和內(nèi)波,使得內(nèi)波幅度增加,同時(shí)和大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(AMOC)、南極海冰等地球系統(tǒng)的臨界點(diǎn)也緊密相關(guān)。這些重要影響意味著未來層結(jié)增加或減弱,對未來地球系統(tǒng)氣候演化都具有重要意義。
論文最后提出了未來層結(jié)相關(guān)研究的挑戰(zhàn)和方向,包括:1未配對的括號或引號!層結(jié)的定義需要澄清:過去文獻(xiàn)中使用了多種經(jīng)驗(yàn)的方法定義海洋層結(jié)變化,使得對層結(jié)趨勢測算存在較大差異,因而建議未來研究中使用更加清晰物理意義的方法;2)海洋關(guān)鍵層的層結(jié)變化需要定量測算,例如混合層底、溫躍層、季節(jié)或永久密躍層、障礙層等;3)亟需對模式層結(jié)變化及其影響的評估,層結(jié)涉及溫鹽的垂向梯度,因而與溫鹽本身具有截然不同的模式偏差,其原因和影響需深入研究,并對未來層結(jié)變化進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估;4)古氣候歷史的層結(jié)變化需要與現(xiàn)代氣候結(jié)合,進(jìn)而深入理解層結(jié)變化對現(xiàn)代和未來氣候的關(guān)鍵意義;5)需對層結(jié)歷史變化進(jìn)行歸因,并定量揭示其對氣候系統(tǒng)物理和生物地球化學(xué)過程的影響。
論文作者團(tuán)隊(duì)包括中國科學(xué)院大氣物理研究所成里京研究員(通訊作者);生態(tài)環(huán)境部珠江流域南海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科研中心李冠城;河海大學(xué)龍上敏副教授、程旭華教授;中國科學(xué)院海洋研究所李元龍、徐振華研究員;法國墨卡托中心K. von Schuckmann研究員;美國圣-托馬斯大學(xué)J. Abraham研究員;美國大氣研究中心K. Trenberth研究員;美國賓州州立大學(xué)M. Mann教授;中國科學(xué)院南海海洋研究所杜巖研究員;云南大學(xué)劉海龍教授;北京大學(xué)劉茂峰教授;美國斯克利普斯海洋研究所彭啟華;山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所、山東科學(xué)院宮勛研究員;國防科技大學(xué)馬占宏教授;中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心原惠峰。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃、亞洲合作基金、地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置(EarthLab)等項(xiàng)目的支持。
論文:
Cheng Lijing,Guancheng Li,Shang-Min Long,Yuanlong Li,Karina von Schuckmann,Kevin E. Trenberth,Michael E. Mann,John Abraham,Yan Du,Xuhua Cheng,Hailong Liu,Zhenhua Xu,Maofeng Liu,Qihua Peng,Xun Gong,Zhanhong Ma,Huifeng Yuan,Ocean stratification in a warming climate. Nature Reviews Earth & Environment (2025)https://doi.org/10.1038/s43017-025-00715-5