中国海洋大学深海前沿中心在高分辨率地球系统模式研究次表层海洋热浪上取得重要成果

本站讯 海洋热浪（Marine Heatwaves）是指海表温度异常升高的极端事件，对生态系统和社会经济造成了重大影响。海洋生物通常通过两种方式应对极端海洋温度：一是向极地方向水平迁移，二是垂直迁移至更深的海洋层。相比水平迁移距离，垂直迁移深度通常小三到四个数量级。然而，对于海洋热浪的垂向分布及其变化的研究仍较为有限，大多集中于单一地点或具体事件。近日，中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心（以下简称“深海前沿中心”）高会旺教授和张绍晴教授团队，基于高分辨率地球系统模式（大气分辨率为25公里，海洋分辨率为10公里）对未来气候变化情景的模拟预测，提出 “未来阈值”方法，即考虑生物适应性、解析相对于未来海温长期平均变化的异常变暖事件，评估了未来全球大洋和沿海大型海洋生态系统的海洋次表层热浪变化特征。国际顶级学术期刊Nature Communications（《自然·通讯》）于12月30日在线发表了这一创新性成果，论文标题为“Intensification of future subsurface marine heatwaves in an eddy-resolving model”（《基于涡解析模式预测未来次表层海洋热浪的加强》）。研究结果表明，高分辨率模式显著提升了对次表层海洋热浪的模拟能力（图1）。过去海洋热浪的研究发现由于背景变暖，未来海洋热浪持续时间往往可达数十年。然而，这一发现不符合极端天气事件的特征，本研究通过构建“未来阈值”（即剔除长期变暖影响后的异常升温），厘清了背景变暖和海温变率对次表层海洋热浪的贡献。本研究深入探讨了气候变暖对可能适应渐进温度升高的海洋生物所带来的潜在威胁。结果表明，由于海水温度变率的变化，次表层海洋热浪的强度预计将比海表热浪增长得更快，尤其是在沿海大型海洋生态系统区域，这将对海洋生物适应极端温度的能力构成更大挑战（图2）。图1.观测与模拟的历史时期不同深度海洋热浪（MHWs）频率。基于(a)再分析数据 GLORYS、(b) 高分辨模式CESM-HR和(c)低分辨模式CESM-LR数据的年均海洋热浪频率。较深层次的白色网格方格表示该区域没有对应的海洋温度数据。(d)是纬向平均图，表示在1°纬度区间内，GLORYS（黑色）、CESM-HR（红色）和CESM-LR（蓝色）数据中年均海洋热浪频率的平均强度。图2.大型海洋生态系统内海洋热浪平均强度的到本世纪末基于未来阈值方法的未来变化。横轴上方的数字表示大型海洋生态系统区域的索引。灰色文字表示该LME中海洋热浪的未来变化不显著（p≥0.05）。表层与次表层海洋热浪可能同时发生，加剧其对海洋生态系统的影响。本研究引入复合型海洋热浪的概念，即海洋热浪从海表垂直向下连续延伸至更深层海洋。在历史时期，这类事件的全球平均延伸大约到达140米。而在西部边界流和锋面区域，底层海洋热浪的影响尤为显著，复合型海洋热浪的延伸深度可达1000米。采用未来阈值方法发现，全球变暖下超过三分之二的海洋区域中复合型海洋热浪的延伸深度仍将显著增加（图3）。图3.表层‒底层复合海洋热浪的垂直分布及特定深度海洋热浪事件参与复合事件的比例。(a)表层‒底层复合海洋热浪在历史时期的垂直延伸深度空间分布，以及(c)基于未来阈值（2071‒2100年减去1993‒2020年）的未来变化。(b,d)的箱线图分别展示了不同深度下海洋热浪（SMHWs）参与到复合海洋热浪事件的比例，（b）为历史时期数据，（d）为使用未来阈值后的未来变化。图中标记了最小值和最大值（线条端点）、第25和第75百分位数（箱体）、中位数（水平线）以及平均值（灰色三角形）。(b,d) 图右侧的灰点表示每一层底层海洋热浪中未与表层海洋热浪同步发生的比例。团队合影鉴于次表层海洋热浪可能带来的巨大经济和社会影响，预测其在全球变暖背景下的演变特征和规律具有重要的科学意义和实际价值。该研究成果表明，随着气候变化的加剧，次表层海洋热浪的强度和年均发生天数将持续增加，对海洋生态系统、经济和社会发展可能产生深远影响。同时，该研究为相关地区管理者制定应对措施和战略规划提供了重要的科学依据。成果由深海前沿中心/海洋环境与生态教育部重点实验室在读博士研究生郭修文为第一作者，高阳教授和张绍晴教授为共同通讯作者，联合中国海洋大学和崂山实验室吴立新院士，清华大学陈德亮院士等国内外多位学者共同完成。这是科研团队基于高分辨率地球系统模式在极端天气气候事件研究领域取得的又一项创新进展。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。通讯员：郭修文文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54946-z

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