降雨如何影响海洋表层浮力？热带海域降雨强度与昼夜变化对海洋浮力通量的差异化调控

本研究通过22个热带海域锚定浮标的原位观测，揭示了降雨对海洋表层浮力的双重作用机制：轻降雨（0.2-4 mm/hr）通过冷池效应主导的负热通量产生不稳定浮力，而强降雨（>4 mm/hr）则以淡水输入的正浮力效应为主。研究发现夜间降雨引发不稳定浮力的概率是白天的2倍，颠覆了"降雨必然使海洋表层变轻"的传统认知，为理解热带海洋混合层动力学提供了新视角。

　　

在浩瀚的蓝色星球上，热带海洋如同地球的"蒸汽机"，通过复杂的海气相互作用驱动着全球气候系统。长期以来，海洋学家们普遍认为降雨会像"淡水羽毛"一样降低表层海水密度，这种认知被写入经典教科书（Talley, 2011）。然而，真实的热带降雨往往伴随着戏剧性的气象变化——当倾盆大雨砸向海面时，随之而来的冷空气团（cold pools）和阳光遮蔽效应，就像给海洋"浇冷水"又"关暖气"，这种复合效应究竟如何影响海洋浮力，成为困扰学界的关键谜题。

来自国外研究机构的Dipanjan Chaudhuri和Eric A. D'Asaro团队在《Nature Communications》发表的研究，通过分析22个热带锚定浮标（20°S-20°N）的31,000小时观测数据，首次量化了降雨事件中热力与盐度浮力的博弈关系。研究发现热带海域8-9%的时间被降雨覆盖，其中84%为轻降雨（0.2-4 mm/hr）。通过COARE 3.0b算法计算海气通量，结合雨滴温度湿球模型（Tw=Ta-[Ldv/dhCp][qs(Tw)-q]），揭示了冷池引发的热损失可达-290 W/m²（潜热）和-80 W/m²（感热），而降雨携带的感热（Q_SEN^Rain）在强降雨时达-25 W/m²，是轻降雨的12.5倍。

【研究方法】

研究团队整合了TAO、RAMA、PIRATA和WHOI锚定阵列的150浮年数据，使用R.M. Young自虹吸雨量计（误差<0.16 mm/hr）测量降雨强度。通过计算净浮力通量B₀= -gαQ_N/ρC_P + gβ(E-P)S₀，结合冷池温度突变（ΔT达3-4℃）和盐度分层（ΔS 0.05-0.2 psu）观测，采用bootstrap中值分析（95%置信区间）验证空间差异。

【研究结果】

1. 降雨强度

   强降雨（>4 mm/hr）产生的中值净浮力通量为-1.8×10^-7 m²/s³（稳定化），而轻降雨60%情况下呈现正浮力（1.2×10^-7 m²/s³）。这种差异主要源于强降雨时Q_SEN^Rain冷却效应比轻降雨强24 W/m²。

1. 昼夜变化

   夜间降雨产生不稳定浮力的概率（60%）是白天（30%）的两倍，主要由于短波辐射（Q_SW）缺失使热损失更显著。典型夜间冷池可使Q_N降至-180 W/m²。

2. 空间分异

   识别出两种降雨模式："冷雨"（如西太平洋暖池）伴随-200 W/m²热损失，而"热雨"（如中太平洋）热损失仅-100 W/m²。前者与高SST（>29℃）触发的强对流有关。

【结论与意义】

这项研究颠覆了三个传统认知：（1）降雨不总是稳定海洋表层，轻降雨60%概率引发对流；（2）冷池的热力学效应常超过淡水输入；（3）昼夜差异比降雨强度影响更大。这些发现对改进气候模型中混合层参数化具有关键意义，特别是修正了CMIP6等模式中过度简化降雨浮力效应的缺陷。未来研究需关注：（1）中高纬度降雨浮力特征；（2）再分析数据对降雨通量的再现能力；（3）全球变暖背景下降雨-浮力反馈机制。该成果为理解"降雨-冷池-海洋混合"三位一体过程建立了新范式。