我叫何慶友，我就職於中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室，我主要的研究方向是海洋動力過程的環境效應，通俗地說，就是
研究海水流動對海洋溫鹽分布和生態環境的影響，試圖破解海洋環境變化背後的機理。
研究團隊在討論相關科學問題
（圖片來源：由付恬拍攝）
在全球暖化背景下，不僅陸地面臨更為極端的幹旱、水浸、高溫等事件，海洋也同樣面臨著諸如極端高溫、缺氧、酸化等事件的威脅。理解這些極端環境事件的發生機理與變化趨勢，是我們準確預測未來海洋環境變化並制定有效應對措施的必要前提，也是我們從事這方面研究工作的初衷。
海洋有多層，我們為什麽要研究次表層的溫度？
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，且呈現顯著的季節變化特征。
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的魚類族群。這裏有適宜的溫度環境，且光照微弱，便於魚類躲避天敵的捕食。甚至很多魚類會選擇白天躲在這裏休息，夜幕降臨後，再遊至海表附近覓食。這些生物對維持海洋生物多樣性和生態系平衡至關重要 。
然而，極端溫度事件可能會對它們的棲息地產生嚴重影響，進而影響整個海洋生態系功能的穩定性。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境，引發珊瑚白化、海草甸和海帶林退化、貝類和魚類死亡等、造成生態系和社會經濟的災難性後果。
糟糕的是，近幾十年來，隨著全球暖化加劇，海洋熱浪（冷浪）的發生頻率和強度不斷上升，受到全球科學家和社會各界的高度關註。
遲遲解不開的難題，在衛星遙感圖中找到了突破口
現有絕大多數關於海洋熱浪或冷浪的研究集中於海洋表層，這主要是因為衛星遙感提供了過去40多年全球海洋每天海表溫度的變化資訊。基於熱收支等分析方法，科學家們已經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。
但衛星遙感無法直接觀測海表以下的溫度 ，這使得海洋內部極端溫度事件的觀測與研究難以開展。有研究嘗試透過海表溫度變化推測次表層極端溫度事件，但效果並不理想。
潛標站點觀測是目前獲取深海連續溫度數據的最有效手段， 我們分析了8套位於全球不同海盆、最長觀測時間超過15年的潛標數據，發現在海洋100米以下，80%以上的熱浪或冷浪事件的發生與表層熱浪或冷浪沒有直接關聯，這說明透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，分析數據的時候，我們有了更大的收獲。
非常有趣， 結合衛星遙感探測的的中尺度渦旋海表特征，我們發現這些次表層熱浪（冷浪）事件中有一半發生在反氣旋渦（氣旋渦）經過期間。
海洋渦旋，巨大的熱水浴缸/冷水池
渦旋是旋轉的流體， 當旋轉速度足夠快時，它們能維持自己的穩定結構較長一段時間，並對所過之處的環境造成重大影響。
常見的渦旋現象包括河流裏面的水渦、陸地上空的龍卷風、海上的台風/颶風乃至整個銀河系的星雲等。
海洋渦流
（圖片來源：Veer圖庫）
上：海上颶風 下：宇宙中的星雲
（圖片來源：Veer圖庫）
海洋渦旋是指海洋中直徑幾十至上百公裏的巨大旋轉流體。 這些渦旋的大小相當於中國一個中等面積的省份。它們可以持續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。
根據旋轉方向的不同，海洋渦旋分為氣旋渦和反氣旋渦兩種。 北半球，逆順時針旋轉的渦旋稱為氣旋渦，順時針旋轉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的過程中，由於地球自轉產生的科裏奧力影響，流體向右偏轉，海水向渦旋中心輻聚，使海平面隆起（氣旋渦內情況相反）。因此，可以透過高度計衛星遙感的海面高度變化探測到這些渦旋的活動。
反氣旋渦內海水向渦中心輻聚後，由於水柱重力增加會向下下沈。這一過程會將近表層溫暖的海水下壓帶到深層，使渦內海水溫度高於周圍水體，因此也常被稱為「暖渦」。同理，氣旋渦則常被稱為「冷渦」。
全球尺度的發現，渦旋對海洋次表層熱浪冷浪的影響
透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生特征。同時，結合高度計衛星遙感的渦旋海表資訊，我們發現了反氣旋渦和氣旋渦在引發這些次表層熱浪或冷浪事件中的關鍵作用。
但是，全球海洋環境和渦旋活動均存在強烈的區域差異性，基於僅有的這些潛標站點觀測無法實作全球尺度上的評估。
為此，我們將目光轉向了全球各類觀測平台積累的數百萬條全球海洋歷史溫度剖面觀測數據。
為驗證這些數據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°範圍內的歷史溫度剖面數據，統計其極端溫度擾動強度及發生在中尺度渦內的比例，並與潛標觀測結果進行比較，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據近似替代時間連續的溫度觀測，以分析中尺度渦對海洋極端溫度事件的影響。
基於此，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據，實作了對全球海洋上層1000米、每5°×5°網格內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。同時，結合衛星遙感的渦旋資訊，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%，而在副熱帶流渦區和中緯度強流區更高達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。 在振幅大於40厘米的強反氣旋渦或氣旋渦內，發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，我們還估算了1993至2019年間10個不同動力海區發生在渦內與渦外極端溫度異常的線性趨勢，發現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，海洋變暖引發的渦旋增強的作用遠高於垂向層化增強，是渦旋放大效應的主導機制。
總的來說，我們的研究首次發現了渦旋在驅動海洋次表層極端溫度事件中扮演的關鍵角色。
這與海氣熱強迫等過程主導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透過海表溫度變化資訊準確探測次表層極端溫度事件。相比之下，衛星遙感的海面高度變化資訊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/冷浪事件的一個關鍵指標。這將為次表層極端事件的探測與預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
自工業革命以來，海洋吸收了大部份人類活動產生的熱量，對全球氣候至關重要。而隨著全球暖化，海洋環境變化加劇，極端事件頻發，不僅威脅著海洋生命健康和生態環境安全，也會對我們的經濟發展和社會穩定造成巨大的沖擊。
作為一名研究海洋的科研人員，我見證了許許多多海洋現象的奧秘被逐漸揭開，也直觀感受到了海洋環境和氣候顯著變化帶來的壓力。
這不僅讓我對海洋科學充滿了敬畏，也更加認識到人類在保護海洋和地球環境方面的責任之重大。
我們必須審慎思考如何在追求發展的同時，更好地保護我們賴以生存的地球。我想呼籲大家共同關註氣候變遷，保護海洋，保護弓境。這不僅僅是科學問題，更是關乎人類未來生存與發展的問題。
出品：科普中國
作者：何慶友 付恬（中國科學院南海海洋研究所）
監制：中國科普博覽
