風暴驅動混合層調節南大洋夏季增溫的關鍵機制與氣候模型改進意義

《Nature Geoscience》：Southern Ocean summer warming is regulated by storm-driven mixing

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Nature Geoscience 16.1

　　

在全球氣候變暖的背景下，南大洋作為地球系統最重要的熱量吸收器，承擔了全球絕大部分額外熱量的吸納任務。然而令人困惑的是，氣候模型始終存在一個顯著偏差：模擬的南大洋夏季海表溫度(SST)系統性偏暖，最高可達2.5°C——相當于當地季節性SST循環的100%。從CMIP5到CMIP6代際模型，這一偏差不僅沒有改善，反而擴大了一倍以上。這種持續存在的模型偏差，暴露出我們對控制該區域海氣熱交換機制的認識仍存在重大空白。

傳統研究多關注季節性尺度或更長時間尺度的動力學過程，如南半球環狀模(SAM)對�？寺�輸送的調制、海氣熱通量的錯誤表征等，而對天氣尺度(2-6天)動力過程如何影響長期SST變率的關注較少。這主要源于獲取高時間(小時)和垂直分辨率海洋觀測數據的困難。事實上，南大洋的海氣相互作用強烈受到中緯度氣旋或風暴的影響，雖然風暴對小時到天尺度的SST變率影響已有較多研究，但其對月到年尺度變化的貢獻尚不明確。

在這一科學背景下，由Marcel D. du Plessis領銜的國際研究團隊在《Nature Geoscience》發表了最新研究成果。研究人員通過結合自主水下Slocum滑翔機、表面Wave Glider等機器人平臺的原位觀測、氣候再分析數據和衛星資料，首次系統揭示了天氣尺度風暴通過調控混合層深度(MLD)及其有效熱容量，進而支配南大洋夏季SST年際變率的物理機制。

關鍵技術方法主要包括：(1)利用南大洋季節性循環實驗(SOSCEx-Storm)獲取的79天原位觀測數據，包括水下滑翔機測量的上層海洋溫度和湍流耗散率、表面波浪滑翔機測量的10米風速；(2)基于ERA5再分析數據(0.25°×0.25°網格)的風速和海氣熱通量組分分析；(3)采用拉格朗日風暴追蹤算法識別1981-2019年夏季風暴軌跡；(4)利用EN4質量控制的海洋溫鹽剖面數據計算混合層深度；(5)通過混合層溫度傾向方程量化海氣熱通量和卷夾過程對SST變化的貢獻。

季節性海洋增溫速率受風暴調控

2018-2019年夏季開展的SOSCEx-Storm現場觀測揭示了風暴活動對上層海洋變率的深刻影響。研究區域位于54°S, 0°E的亞極地海域，該區域頻繁且強烈的風暴活動導致了比南北相鄰區域更深的夏季平均混合層深度(MLD)。這些更深混合層所具有的更大熱容量，使得夏季SST增溫(-1°C)顯著低于相鄰區域(-3°C)。

滑翔機觀測顯示SST從布放時的0.6°C升至夏季最大值(T_max)2.28°C，增溫主要受正短波輻射驅動，白天峰值達219-921 W m^-2。盡管存在周期性的正湍流通量(感熱和潛熱通量組合，平均每5.4±3.3天超過40 W m^-2)，但整個觀測期間潛熱通量平均為負值(-13.6 W m^-2)，反映海洋通過蒸發失熱。相比之下，感熱通量平均為7.5 W m^-2，最高達116 W m^-2。因此，季節性SST增溫主要源于太陽輻射，感熱通量作為次要熱源，而蒸發潛熱通量、長波輻射和下層冷水卷夾則部分抵消了這一增溫。

觀測期間識別出三個特征階段：初期(第-12至5天)伴隨一系列強風暴(中心氣壓低于970 hPa)，風速超過15 m s^-1，強湍流混合使層結較低、混合層較深(123±11米)，盡管平均凈熱通量達179 W m^-2，SST增溫速率僅為0.012°C d^-1。中期(第5至23天)較弱風暴(中心氣壓高于980 hPa)使風速降至10 m s^-1以下，強正凈熱通量(180 W m^-2)促使海洋重新層化，混合層快速變淺(一日內淺化67-113米)，SST增溫速率增加325%至0.051°C d^-1，此階段雖僅占夏季18%時間，卻貢獻了61%的SST總增溫。后期(第23至47天)強風暴系列使混合層加深至約100米，加之凈熱通量降至131 W m^-2，增溫速率降至0.025°C d^-1。SST達到季節最大值后保持相對穩定(-0.002°C d^-1)，盡管熱通量仍為正，但由深層湍流混合驅動的多日卷夾冷卻抵消了增溫。三次顯著卷夾事件使夏季SST降低約1°C，最強兩次各降溫0.4°C，凸顯了風暴驅動卷夾對季節尺度增溫的整流效應。

風暴對海氣熱通量的控制

風暴過境伴隨持續數日的正湍流熱通量爆發，通常先于短波輻射減少和長波輻射增加。這種特征模式與低緯度暖濕空氣平流至較冷海洋上空以及暖鋒沿線云量增加相關。研究發現，所有風暴事件中，增強的湍流通量均與西北風相關，反映副熱帶空氣向極輸送；而減少的短波輻射和增加的長波輻射則平均與風暴前緣的東北風相關，該區域層狀云形成高反照率云盾，反射下行短波輻射。

擴展至1981-2019年無冰南大洋的合成分析顯示，暖鋒區域短波輻射減少但仍保持正值(約100 W m^-2)，暖區則呈現最弱的長波冷卻和蒸發冷卻(均約-20 W m^-2)以及最強的感熱加熱(20 W m^-2)。冷區則表現出最強的海洋熱損失：長波輻射-50 W m^-2、潛熱通量-60 W m^-2、感熱通量-15 W m^-2，但在減少的云量下，短波輻射達300 W m^-2，導致凈海洋熱增益。區域分析表明，亞極地緯度風暴驅動約-15 W m^-2的平均海洋熱損失(主要源于潛熱通量)，而大西洋和印度洋扇區及西太平洋部分區域則因感熱通量呈現約10 W m^-2的熱增益�？傮w而言，這些區域的湍流通量比南大洋更北區域大20-40 W m^-2，歸因于源自副熱帶緯度的暖濕空氣向極輸送。值得注意的是，74%的夏季風暴從其生成點向極移動。

風暴驅動對南大洋夏季SST的影響

為評估風暴在南大洋夏季SST變率中的作用，研究首先關聯了夏季平均凈海氣熱通量與T_max的年際變化。結果顯示大部分海域相關性不顯著，僅在東太平洋和印度洋北部扇區部分區域發現顯著正相關，表明這些區域海氣熱通量驅動SST年際變率。相反，亞極地南大洋印度洋扇區出現顯著的負相關，T_max在更正通量下反而冷卻，這一反直覺響應表明混合層加深和卷夾或更強西風引發的上升流增強等其他因素主導了T_max設置。

同時，南大洋大部分區域T_max與夏季平均風速存在顯著反比關系，即較高夏季平均風速年份對應較低T_max。盡管這種關聯以往多歸因于�？寺�輸送，但集成1981-2019年各夏季僅由�？寺�輸送驅動的日平均溫度傾向顯示，雖然平均冷卻約0.6°C(強SST梯度區域超4°C)，但其年際變率較小，僅解釋約10%的T_max異常。

鑒于�？寺�輸送解釋力有限，T_max與風的相關性必然源于其他過程。研究發現了夏季平均風速與MLD在整個南大洋的強正相關，而更深混合層又一致地與較低T_max相關，可能源于混合層熱容量增加或卷夾增強。關鍵的是，風暴內去趨勢夏季平均風速與整個無冰南大洋的強相干性暗示風暴是南大洋風速強度的關鍵調節器。

通過評估SST傾向方程Q/(ρC_ph)，比較使用夏季平均海氣熱通量和MLD模擬的年際SST演化與固定氣候學MLD假設案例，發現所得溫度差緊密跟蹤觀測的T_max變化(r=0.71, P<0.002, n=16)，證明僅MLD的年際變化即可驅動觀測到的T_max異常，凸顯MLD變率作為南大洋夏季增溫的關鍵控制因子，而MLD變率又與風暴驅動風速相關(r=0.43, P<0.09, n=16)。

風暴平均風速的年際變化與SAM緊密相連(r=0.48)，正SAM伴隨風暴軌跡和相關地面西風向極移動。這表明氣候模態與T_max變率間的因果聯系通過風暴活動和相關強風速變化得以實現。

研究結論與意義

該研究確立了南大洋夏季SST增溫速率與風暴及相關湍流混合的因果聯系，后者通過控制MLD設置其有效熱容量并驅動下層冷水卷夾來調節增溫。同時，風暴通過減少短波輻射降低凈熱通量，盡管該效應部分被風暴向極輸送暖空氣提升的湍流通量所抵消，且這種抵消在大西洋和印度洋扇區尤為顯著。太平洋扇區風暴增強的海洋熱損失可能源于較大的海氣溫差和濕度差。這種風暴對湍流海氣通量影響的跨海盆不對稱性，可能源于大西洋和印度洋扇區風暴活動增強，該區域亞極急流核心與強SST梯度重合，陡峭的SST梯度與增強的風暴活動相互反饋，通過風暴驅動湍流混合和側向大氣熱交換修改SST梯度。

夏季SST增溫主要受風暴驅動風速變率調節，后者改變MLD——受SAM變化調制。這些結果佐證了地球系統模型分析，將南大洋夏季增溫速率差異歸因于季節性MLD淺化的年際變率。鑒于先前研究已將非對稱MLD異常與SAM聯系，本研究指出增強的風暴驅動風速是關鍵因果機制。估計風暴相關風擾動使南大洋平均風應力增加近40%，伴隨相應的SST響應。這對后續冬季海洋內部熱量通風、海冰形成以及碳和營養鹽豐富深層水向表層的供應均有深遠影響。

研究成果有助于解釋第六次耦合模式比較計劃(CMIP6)模型中暖SST偏差和過淺MLD問題，這些模型通常低估風暴頻率和強度。過淺混合層減少卷夾和混合層熱容量，使SST對表面熱通量更敏感。因此，準確表征風暴-海洋相互作用對減少下一代氣候模型SST偏差至關重要。模擬MLD問題還因風暴軌跡位置向赤道偏差和南大洋風暴中中層云錯誤表征而復雜化，后者被提議解釋南大洋夏季SST偏差。研究證實這些云在風暴驅動表面輻射增溫減少中起關鍵作用。

需注意這些結果僅適用于夏季。冬季當海氣熱通量為負且氣候學MLD較深時，混合由對流主導，風暴驅動風效應對SST變化可能較不重要。但控制夏季T_max的過程仍可能通過設置混合層底部的季節性層化影響冬季SST。即對于層化更強的夏季，對流冷卻引起的MLD加深可能延遲。

風暴活動與SAM的關系對氣候變化下SST具有重要暗示。由于平流層臭氧損耗，SAM在夏季呈現正趨勢，伴隨更強且向極移動的西風和風暴發生增加。隨著風力增強，MLD加深可能通過增加混合層有效熱容量和卷夾減緩未來夏季SST增溫。然而南大洋層化也在加劇，可能減緩暖表層水向中層潛沉。約束這些反饋需要持續高分辨率觀測以解析不同尺度變率。本研究通過機器人觀測證實風暴對夏季SST演化的關鍵控制，且風暴影響延伸至夏季SST年際變率。更好理解這些多尺度相互作用對模擬海氣交換過程和預測未來氣候系統變化至關重要。