海洋熱浪（Marine Heatwaves）是指海表溫度異常升高的極端事件，對生態系統和社會經濟造成了重大影響。海洋生物通常通過兩種方式應對極端海洋溫度：一是向極地方向水平遷移，二是垂直遷移至更深的海洋層。相比水平遷移距離，垂直遷移深度通常小三到四個數量級。然而，對于海洋熱浪的垂向分布及其變化的研究仍較為有限，大多集中于單一地點或具體事件。近日，中國海洋大學深海圈層與地球系統前沿科學中心（以下簡稱“深海前沿中心”）高會旺教授和張紹晴教授團隊，基于高分辨率地球系統模式（大氣分辨率為25公里，海洋分辨率為10公里）對未來氣候變化情景的模擬預測，提出 “未來閾值”方法，即考慮生物適應性、解析相對于未來海溫長期平均變化的異常變暖事件，評估了未來全球大洋和沿海大型海洋生態系統的海洋次表層熱浪變化特征。國際頂級學術期刊Nature Communications（《自然·通訊》）于12月30日在線發表了這一創新性成果，論文標題為“Intensification of future subsurface marine heatwaves in an eddy-resolving model”（《基于渦解析模式預測未來次表層海洋熱浪的加強》）。

研究結果表明，高分辨率模式顯著提升了對次表層海洋熱浪的模擬能力（圖1）。過去海洋熱浪的研究發現由于背景變暖，未來海洋熱浪持續時間往往可達數十年。然而，這一發現不符合極端天氣事件的特征，本研究通過構建“未來閾值”（即剔除長期變暖影響后的異常升溫），厘清了背景變暖和海溫變率對次表層海洋熱浪的貢獻。本研究深入探討了氣候變暖對可能適應漸進溫度升高的海洋生物所帶來的潛在威脅。結果表明，由于海水溫度變率的變化，次表層海洋熱浪的強度預計將比海表熱浪增長得更快，尤其是在沿海大型海洋生態系統區域，這將對海洋生物適應極端溫度的能力構成更大挑戰（圖2）。

圖1.觀測與模擬的歷史時期不同深度海洋熱浪（MHWs）頻率。基于(a)再分析數據 GLORYS、(b) 高分辨模式CESM-HR和(c)低分辨模式CESM-LR數據的年均海洋熱浪頻率。較深層次的白色網格方格表示該區域沒有對應的海洋溫度數據。(d)是緯向平均圖，表示在1°緯度區間內，GLORYS（黑色）、CESM-HR（紅色）和CESM-LR（藍色）數據中年均海洋熱浪頻率的平均強度。

圖2.大型海洋生態系統內海洋熱浪平均強度的到本世紀末基于未來閾值方法的未來變化。橫軸上方的數字表示大型海洋生態系統區域的索引。灰色文字表示該LME中海洋熱浪的未來變化不顯著（p≥0.05）。

表層與次表層海洋熱浪可能同時發生，加劇其對海洋生態系統的影響。本研究引入復合型海洋熱浪的概念，即海洋熱浪從海表垂直向下連續延伸至更深層海洋。在歷史時期，這類事件的全球平均延伸大約到達140米。而在西部邊界流和鋒面區域，底層海洋熱浪的影響尤為顯著，復合型海洋熱浪的延伸深度可達1000米。采用未來閾值方法發現，全球變暖下超過三分之二的海洋區域中復合型海洋熱浪的延伸深度仍將顯著增加（圖3）。

圖3.表層?底層復合海洋熱浪的垂直分布及特定深度海洋熱浪事件參與復合事件的比例。(a)表層?底層復合海洋熱浪在歷史時期的垂直延伸深度空間分布，以及(c)基于未來閾值（2071?2100年減去1993?2020年）的未來變化。(b,d)的箱線圖分別展示了不同深度下海洋熱浪（SMHWs）參與到復合海洋熱浪事件的比例，（b）為歷史時期數據，（d）為使用未來閾值后的未來變化。圖中標記了最小值和最大值（線條端點）、第25和第75百分位數（箱體）、中位數（水平線）以及平均值（灰色三角形）。(b,d) 圖右側的灰點表示每一層底層海洋熱浪中未與表層海洋熱浪同步發生的比例。

團隊合影

鑒于次表層海洋熱浪可能帶來的巨大經濟和社會影響，預測其在全球變暖背景下的演變特征和規律具有重要的科學意義和實際價值。該研究成果表明，隨著氣候變化的加劇，次表層海洋熱浪的強度和年均發生天數將持續增加，對海洋生態系統、經濟和社會發展可能產生深遠影響。同時，該研究為相關地區管理者制定應對措施和戰略規劃提供了重要的科學依據。成果由深海前沿中心/海洋環境與生態教育部重點實驗室在讀博士研究生郭修文為第一作者，高陽教授和張紹晴教授為共同通訊作者，聯合中國海洋大學和嶗山實驗室吳立新院士，清華大學陳德亮院士等國內外多位學者共同完成。這是科研團隊基于高分辨率地球系統模式在極端天氣氣候事件研究領域取得的又一項創新進展。本研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。