南大洋跨海盆增暖不对称性：风驱热量再分配的关键作用及未来预估

本研究针对南大洋(SO)热量存储的空间分布机制这一关键科学问题，通过多源观测数据、气候模式大集合(CESM1-LE)和海洋模式(LICOM/MITgcm)敏感性实验，揭示了南大洋大西洋-印度扇区(35°S-55°S)过去60年0-700米层增暖速率比太平洋扇区快40.0±5.7%的显著跨海盆不对称性。研究发现该现象主要由人为气候变化下西风带在大西洋-印度扇区更显著的强化和极向移动所驱动的海洋热量再分配（而非表层热通量）导致，且该不对称性将在21世纪持续增强。这项研究深化了对南大洋热量存储机制的理解，对预测区域气候、冰盖质量和海洋生态系统变化具有重要意义。

　　

南极洲周围那片广阔的南大洋，是全球气候系统的“热量收集器”，吸收了全球海洋热量增加的绝大部分。过去几十年来，科学家们已经注意到南大洋在35°S至55°S纬度带内存在着显著的、可深达2000米的增暖趋势，并在南极绕极流(ACC)的北翼达到最大值。然而，与这种经向结构相比，增暖的东西向（即纬向）结构却鲜有关注。南大洋横跨太平洋、大西洋和印度洋的南部，不同海盆的地形、环流和大气强迫是否存在差异，从而导致增暖速率的不均一？这个问题长期以来被区域或纬向平均的诊断方法所掩盖。理解这种不对称性对于精确预测南大洋对全球热量的吸收、区域海冰变化、冰架稳定性以及独特的海洋生态系统命运至关重要。

近期研究开始揭示南大洋增暖的复杂不对称特征，但这些分析多集中于较短时期（如1979-2019年），其结果可能混杂了外部强迫引起的长期变化和强烈的内部变率（如年代际太平洋振荡IPO）。因此，这些不对称增暖模式及其驱动机制是否是人为温室气体增暖下南大洋的稳健特征，仍然存在不确定性。在此背景下，由宋媛媛和李元龙等研究人员在《Nature Communications》上发表的最新研究，利用更新的观测数据和气候模型模拟，深入探究了南大洋热量存储的纬向不对称模式及其驱动因子，揭示了一个显著的跨海盆增暖对比。

为了回答上述问题，研究人员综合运用了多种技术方法。他们首先分析了1960-2020期间三家机构的观测海洋温度数据集（IAP、EN4.2.1、Ishii）以确定0-700米海洋热含量(OHC)的变化趋势。同时，利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据(ERA5)和日本55年再分析数据(JRA-55)来评估表面净热通量(Q_net)和风场变化。在模型方面，研究主要依赖社区地球系统模型版本1大集合(CESM1-LE)的40个成员模拟（包含历史时期和RCP 8.5情景下的未来预估），以分离外部强迫和内部变率的影响。此外，研究还使用了两个独立的海洋环流模型——LASG/IAP气候海洋模型(LICOM)版本3和麻省理工学院通用环流模型(MITgcm)——进行受迫模拟和敏感性实验（控制实验CTRL、仅热通量变化实验HTFL、仅风应力变化实验WND），以区分“增加的热量”（表面热吸收）和“再分配的热量”（风驱海洋环流变化）的相对贡献。研究还计算了经向海洋热输送(MOHT)及其辐散、埃克曼热输送以及纬向海洋热输送(ZOHT)来量化热量输送过程。最后，基于CMIP6多模型集合的未来情景（SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP5-8.5）预估了跨海盆增暖对比的未来变化。

跨海盆增暖对比

观测数据清晰地显示，在1960-2020年期间，南大洋35°S-55°S的强化增温带内存在显著的纬向不对称性。

大西洋-印度扇区（定义为70°W至150°E）的增暖明显快于太平洋扇区（150°E至70°W）。在大西洋-印度扇区，ACC北翼存在一个增暖极大值，这一特征在太平洋扇区未见。强增暖趋势在大西洋-印度扇区可延伸至约1000米深度，而在太平洋扇区则主要局限于上层300米。CESM1-LE的集合平均在很大程度上再现了这种增暖模式和跨海盆对比，表明这种跨海盆热量存储对比是人为气候变化下南大洋的一个稳健特征。定量分析表明，观测中太平洋扇区0-700米层的平均增暖速率为0.05±0.01 K/十年，而大西洋-印度扇区为0.07±0.01 K/十年，后者比前者强46.7±10.7%。在约44°S的增暖极大值处，大西洋-印度扇区的增暖几乎是太平洋扇区的两倍。

表层热吸收与风驱热量再分配

接下来，研究探讨了造成这种不对称性的机制。两个候选机制是表层热吸收和风驱动的海洋热量再分配。

ERA5再分析数据显示，1960-2020年间，南大洋西风带普遍增强，并伴有风应力旋度(WSC)的变化。然而，有趣的是，太平洋扇区的表层净热通量(Q_net)趋势（1.08 W m^-2/十年）实际上强于大西洋-印度扇区（0.29 W m^-2/十年）。这表明表层加热无法解释观测到的热量存储不对称模式，反而会起到抵消作用。相比之下，西风的变化显示出明显的跨海盆不对称性：大西洋-印度扇区的西风强化和伴随的WSC正趋势（55°S以北）更为显著，并且WSC的气候学分布显示出向极地移动的特征。这种不对称的风场变化导致大西洋-印度扇区出现更强的异常向北海洋热输送和45°S以北的热量辐合，这为解释跨海盆热量存储对比提供了线索。CESM1-LE模拟虽然存在低估西风强化趋势和表层热通量偏差等常见问题，但也产生了风场变化的不对称性，进一步支持了风的作用。

为了理解风场变化如何影响热量存储，研究计算了海洋热输送。

分析发现，在35°S-55°S band内，由经向海洋热输送(MOHT)辐散（负的?MOHT/?y，代表热量辐合）所表征的热量堆积效应在两个扇区均有增强，但在大西洋-印度扇区明显更强，且覆盖的纬度范围更广。基于ERA5风场估算的埃克曼热输送辐合(?MOHT_E/?y)也显示出类似的不对称性。伴随热量辐合的是普遍的向下热通量，该通量在大西洋-印度扇区也更强，并能穿透到更深的海洋次表层，这与观测到的增暖垂直结构跨海盆对比一致。此外，对CESM1-LE中纬向海洋热输送(ZOHT)的分析表明，在150°E（从印度洋进入太平洋）和70°W（德雷克海峡，从太平洋进入大西洋）的0-700米层积分热输送均在增加，但后者的增加速率更快，这意味着通过纬向输送，太平洋扇区可能向大西洋-印度扇区出现了净的热量损失，这也可能对增暖不对称性有所贡献。

海洋模型实验的启示

上述观测和CESM1-LE分析均指向风驱热量再分配在塑造南大洋热量存储纬向不对称性中的关键作用。为了验证这一结论，研究使用了独立的海洋模型进行受迫模拟和敏感性实验。

LICOM的控制实验(CTRL)在受ERA5强迫下，成功再现了观测中大西洋-印度扇区中纬度带增强增暖的特征，尽管在细节上存在一些偏差。MITgcm的模拟也捕捉到了这种跨海盆对比，为大气强迫变化塑造该对比提供了额外支持。关键的敏感性实验将表面热通量(HTFL)和风应力强迫(WND)的效应分离开来。HTFL实验（仅热通量变化）产生了南大洋35°S-50°S band内近乎均匀的增暖，甚至显示太平洋扇区的增暖趋势略强于大西洋-印度扇区，这再次证明表面加热无法解释观测到的不对称性。而WND实验（仅风应力变化）则在没有额外热量吸收的情况下，在大西洋-印度扇区的35°S-50°S band内产生了增强的热量堆积，而在中东太平洋扇区趋势不显著。这一结果明确证实，南大洋热量存储的跨海盆对比主要源于风驱动的上层海洋热量再分配。LICOM实验还表明，风驱热量再分配对于塑造大西洋-印度扇区约40°S（观测中约44°S）的增暖极大值也起着至关重要的作用。

讨论与启示

本研究强调了基于气候模型预估展望南大洋未来变化的必要性。

CESM1-LE和CMIP6多模型集合预估均表明，在21世纪高排放情景下（如SSP5-8.5），大西洋-印度扇区的增暖将持续快于太平洋扇区，且这种跨海盆对比将进一步放大。在低排放情景下（SSP1-2.6），对比将在21世纪中期后减弱。跨海盆增暖对比的持续性凸显了温室气体强迫在产生这一现象中的关键作用。因此，跨海盆对比是人为气候变化下南大洋的一个稳健特征，并可能在未来几十年持续或加剧。

综上所述，这项研究揭示了风驱热量再分配在塑造南大洋中纬度带(35°S-55°S)跨海盆增暖对比中的关键作用。这一发现补充了现有主要强调表层热吸收和平均环流平流在塑造南大洋增暖经向结构中的作用的观点。研究明确了跨海盆增暖对比是南大洋增暖的一个代表性不对称特征；指出不均匀的西风变化（在大西洋-印度扇区更显著的强化和极向移动）通过驱动海洋环流和热输送变化，是导致该对比的主导因素；并通过气候模型模拟证实，该对比是南大洋对人为气候变化的稳健响应，并将在21世纪持续。这些见解对于理解和预测南大洋区域气候、初级生产力（如在南大洋食物链中占关键地位的南极磷虾，其超过50%的种群分布在大西洋扇区）的变化具有重要意义。尽管当前研究存在模型偏差和观测不确定性等限制，但它为未来更深入地探究南大洋热量和碳储存的时空结构奠定了重要基础。