我叫何庆友，我就职于中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室，我主要的研究方向是海洋动力过程的环境效应，通俗地说，就是
研究海水流动对海洋温盐分布和生态环境的影响，试图破解海洋环境变化背后的机理。
研究团队在讨论相关科学问题
（图片来源：由付恬拍摄）
在全球变暖背景下，不仅陆地面临更为极端的干旱、洪涝、高温等事件，海洋也同样面临着诸如极端高温、缺氧、酸化等事件的威胁。理解这些极端环境事件的发生机理与变化趋势，是我们准确预测未来海洋环境变化并制定有效应对措施的必要前提，也是我们从事这方面研究工作的初衷。
海洋有多层，我们为什么要研究次表层的温度？
海洋通常被划分为表层、近表层/混合层、次表层和深层海洋。海洋近表层的温度受到太阳辐射的加热，温度最高，且呈现显著的季节变化特征。
随着深度的增加，太阳辐射对海水温度的影响减弱，因而次表层温度显著降低，且不存在明显的季节变化特征。
例如，副热带海洋海表温度在冬季约为22℃、夏季则高达28℃，但在100米深度处，这种季节性温度变化特征已几乎不可见，海水温度在23℃附近，且随着深度的增加而降低，至1000深度处通常只有5℃左右。在1000米以深的深海，温度常年维持在2-4℃。
海洋次表层是许多海洋生物的栖息地， 包括一些尚未被充分研究和开发的鱼类种群。这里有适宜的温度环境，且光照微弱，便于鱼类躲避天敌的捕食。甚至很多鱼类会选择白天躲在这里休息，夜幕降临后，再游至海表附近觅食。这些生物对维持海洋生物多样性和生态系统平衡至关重要 。
然而，极端温度事件可能会对它们的栖息地产生严重影响，进而影响整个海洋生态系统功能的稳定性。比如，海洋热浪（冷浪）。
海洋热浪（冷浪）是指温度超过一定阈值的持续性高温（低温）事件，这类极端温度事件会破坏海洋生物栖息环境，引发珊瑚白化、海草甸和海带林退化、贝类和鱼类死亡等、造成生态系统和社会经济的灾难性后果。
糟糕的是，近几十年来，随着全球变暖加剧，海洋热浪（冷浪）的发生频率和强度不断上升，受到全球科学家和社会各界的高度关注。
迟迟解不开的难题，在卫星遥感图中找到了突破口
现有绝大多数关于海洋热浪或冷浪的研究集中于海洋表层，这主要是因为卫星遥感提供了过去40多年全球海洋每天海表温度的变化信息。基于热收支等分析方法，科学家们已经明确了表层热浪或冷浪主要是由海气热交换、海水平流以及混合等过程引发。
但卫星遥感无法直接观测海表以下的温度 ，这使得海洋内部极端温度事件的观测与研究难以开展。有研究尝试通过海表温度变化推测次表层极端温度事件，但效果并不理想。
潜标站点观测是目前获取深海连续温度数据的最有效手段， 我们分析了8套位于全球不同海盆、最长观测时间超过15年的潜标数据，发现在海洋100米以下，80%以上的热浪或冷浪事件的发生与表层热浪或冷浪没有直接关联，这说明通过海表温度探测次表层极端温度事件缺乏可行性。
除了知道用海表温度探测次表层极端温度事件这条路走不通之外，分析数据的时候，我们有了更大的收获。
非常有趣， 结合卫星遥感探测的的中尺度涡旋海表特征，我们发现这些次表层热浪（冷浪）事件中有一半发生在反气旋涡（气旋涡）经过期间。
海洋涡旋，巨大的热水浴缸/冷水池
涡旋是旋转的流体， 当旋转速度足够快时，它们能维持自己的稳定结构较长一段时间，并对所过之处的环境造成重大影响。
常见的涡旋现象包括河流里面的水涡、陆地上空的龙卷风、海上的台风/飓风乃至整个银河系的星云等。
海洋涡流
（图片来源：Veer图库）
上：海上飓风 下：宇宙中的星云
（图片来源：Veer图库）
海洋涡旋是指海洋中直径几十至上百公里的巨大旋转流体。 这些涡旋的大小相当于我国一个中等面积的省份。它们可以持续存在几周甚至几个月，影响深度从海表直达水下几百甚至上千米。
根据旋转方向的不同，海洋涡旋分为气旋涡和反气旋涡两种。 北半球，逆顺时针旋转的涡旋称为气旋涡，顺时针旋转的涡旋称为反气旋涡（南半球则相反）。反气旋涡在顺时针旋转的过程中，由于地球自转产生的科里奥力影响，流体向右偏转，海水向涡旋中心辐聚，使海平面隆起（气旋涡内情况相反）。因此，可以通过高度计卫星遥感的海面高度变化探测到这些涡旋的活动。
反气旋涡内海水向涡中心辐聚后，由于水柱重力增加会向下下沉。这一过程会将近表层温暖的海水下压带到深层，使涡内海水温度高于周围水体，因此也常被称为「暖涡」。同理，气旋涡则常被称为「冷涡」。
全球尺度的发现，涡旋对海洋次表层热浪冷浪的影响
通过长期潜标站点的观测，我们捕捉到了海洋次表层热浪和冷浪的发生特征。同时，结合高度计卫星遥感的涡旋海表信息，我们发现了反气旋涡和气旋涡在引发这些次表层热浪或冷浪事件中的关键作用。
但是，全球海洋环境和涡旋活动均存在强烈的区域差异性，基于仅有的这些潜标站点观测无法实现全球尺度上的评估。
为此，我们将目光转向了全球各类观测平台积累的数百万条全球海洋历史温度剖面观测数据。
为验证这些数据在描述极端温度事件方面的有效性，团队提取了每个潜标站点周围5°×5°范围内的历史温度剖面数据，统计其极端温度扰动强度及发生在中尺度涡内的比例，并与潜标观测结果进行比较，得到了很好的一致性。这意味着我们可以用这些离散的历史温度数据近似替代时间连续的温度观测，以分析中尺度涡对海洋极端温度事件的影响。
基于此，我们团队历时3年，分析了1993-2019年全球海洋200多万条历史温度剖面数据，实现了对全球海洋上层1000米、每5°×5°网格内极端温度扰动强度阈值的估算，为极端温度的观测与判断提供了依据。同时，结合卫星遥感的涡旋信息，进一步对涡旋的贡献进行了全球评估。
气漩涡与反气旋涡的形成示意图
（图片来源：中国科普博览自制）
结果显示，反气旋涡和气旋涡对全球海洋表层热浪和冷浪的平均贡献率仅约10%，但对次表层热浪和冷浪的平均贡献可达30%，而在副热带流涡区和中纬度强流区更高达60%以上。
不仅如此，强度越大的极端事件，涡旋的贡献作用越显著。 在振幅大于40厘米的强反气旋涡或气旋涡内，发生次表层极端温度事件的可能性是涡外的六倍以上。
为了研究次表层热浪/冷浪的响应，我们还估算了1993至2019年间10个不同动力海区发生在涡内与涡外极端温度异常的线性趋势，发现涡旋加剧了全球海洋热浪和冷浪的增强速率。
初步分析显示，海洋变暖引发的涡旋增强的作用远高于垂向层化增强，是涡旋放大效应的主导机制。
总的来说，我们的研究首次发现了涡旋在驱动海洋次表层极端温度事件中扮演的关键角色。
这与海气热强迫等过程主导的表层极端温度事件是不同的。因此，也可以解释为何大家难以通过海表温度变化信息准确探测次表层极端温度事件。相比之下，卫星遥感的海面高度变化信息能有效追踪涡旋活动，可以成为探测次表层极端温度事件，尤其是强热浪/冷浪事件的一个关键指标。这将为次表层极端事件的探测与预报提供一种全新的思路，也是我们接下来努力的一个重要方向。
保护海洋、保护地球，需要我们每个人的力量
自工业革命以来，海洋吸收了大部分人类活动产生的热量，对全球气候至关重要。而随着全球变暖，海洋环境变化加剧，极端事件频发，不仅威胁着海洋生命健康和生态环境安全，也会对我们的经济发展和社会稳定造成巨大的冲击。
作为一名研究海洋的科研人员，我见证了许许多多海洋现象的奥秘被逐渐揭开，也直观感受到了海洋环境和气候显著变化带来的压力。
这不仅让我对海洋科学充满了敬畏，也更加认识到人类在保护海洋和地球环境方面的责任之重大。
我们必须审慎思考如何在追求发展的同时，更好地保护我们赖以生存的地球。我想呼吁大家共同关注气候变化，保护海洋，保护环境。这不仅仅是科学问题，更是关乎人类未来生存与发展的问题。
出品：科普中国
作者：何庆友 付恬（中国科学院南海海洋研究所）
监制：中国科普博览
