海冰消融加剧极地海洋中尺度水平搅拌的未来趋势

《Nature Climate Change》：Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline

本研究针对温室气体排放导致极地海冰急剧减少背景下，海洋中尺度水平搅拌(MHS)的未来变化这一关键科学问题，通过超高分辨率地球系统模型(CESM-UHR)模拟，发现CO2倍增和四倍条件下，北极和南极沿海区域MHS将显著增强，主要由海冰减少驱动的平均流和湍流增强所致，这对示踪物输运、营养盐供应和生态系统具有重要影响。

　　

随着全球气候变暖的加剧，极地地区正经历着前所未有的环境变化，其中海冰的快速减少尤为引人注目。这种变化不仅改变了极地海洋的物理环境，还可能对海洋中的动力过程产生深远影响。海洋中尺度水平搅拌(MHS)作为一种关键的物理过程，在调节海洋热量、碳和营养盐输运，以及影响浮游植物繁殖和鱼类幼虫扩散等方面发挥着重要作用。然而，由于当前大多数地球系统模型的分辨率不足，难以准确模拟中尺度现象，因此关于MHS如何响应温室气体增暖的认识仍然有限。

为了深入探究这一问题，由Gyuseok Yi领衔的研究团队在《Nature Climate Change》上发表了最新研究成果。他们利用具有0.1度海洋分辨率的社区地球系统模型(CESM-UHR)，通过CO₂倍增(734 ppm)和四倍(1,468 ppm)的理想化试验，系统分析了极地海洋表面MHS的未来变化趋势。

研究团队采用有限大小李雅普诺夫指数(FSLE)这一拉格朗日诊断方法来量化MHS。FSLE通过测量相邻粒子轨迹的分离速率，能够有效捕捉传统欧拉方法容易忽略的精细尺度结构。通过对10年模拟数据的分析，研究人员发现极地海洋的MHS在温室气体增暖背景下将显著增强。

研究方法主要包括三个关键技术：首先，使用超高分辨率CESM-UHR模型进行长期模拟，海洋分量水平分辨率为0.1度，能够解析中尺度涡旋等过程；其次，应用FSLE方法量化水平搅拌强度，设置初始距离δ₀=0.1°和最终距离δ_f=1.0°来 targeting 中尺度过程；第三，通过300天高通滤波分解流速场，分别计算平均动能(MKE)和涡动动能(EKE)，以区分平均流和涡流对MHS的贡献。

表面MHS在极地海洋的变化

通过比较现代(PD)和4×CO₂条件下的FSLE场，研究发现极地海洋的MHS显著增强。在北极，FSLE的增强主要出现在强流边缘、涡旋和弯曲处，如波弗特环流和横极漂流流等区域。这种增强与海冰减少导致的动量传输增加、上层海洋斜压不稳定性增强以及海冰摩擦减少密切相关。

概率密度函数分析进一步证实了MHS的增强趋势。在变暖气候下，极地海洋FSLE的PDF向高值方向移动，低值出现频率减少，高值更加常见。北极的变化主要在PD到2×CO₂阶段发生，而南大洋的变化则从2×CO₂到4×CO₂更为显著，这种差异与海冰减少的模式有关。

平均流和涡流在MHS变化中的作用

为了阐明MHS增强的物理机制，研究分析了平均动能(MKE)和涡动动能(EKE)的贡献。FSLE变化与总动能(TKE)的相关性最强，其次是EKE和MKE。在北极，FSLE与EKE的相关性略高于与TKE的相关性，而南大洋则表现出不同的模式。

通过分别计算仅基于平均流(FSLE^m)和仅基于涡流场(FSLE^e)的FSLE，研究发现中尺度湍流是MHS的主要驱动因素，而持久性平均结构如海流和常年弯曲也有局部贡献。FSLE与FSLE^e的空间相关性在北极为0.81，在南大洋为0.84，表明中尺度湍流的主导作用。

表面MHS变化的潜在驱动因素

在北极，海冰大量减少是MHS增强的主要驱动因素。在2×CO₂和4×CO₂条件下，峰值海冰季节(2-4月)的平均海冰范围分别减少了62.4%和92.8%。这种海冰减少导致风应力模式发生显著改变，从空间异质性转变为更加均匀和增强的反气旋式分布，进而加强了北极流系和涡流活动。

在南大洋，FSLE的增强主要出现在南极周边地区，与南极斜坡流(ASC)的加强区域一致。海冰减少和沿海淡水化共同作用，增强了跨岸密度梯度，进而加强了地转流。与先前研究不同，本研究强调海冰减少导致的融水通量是沿海淡水化的主要驱动因素，而非降水和径流。

全球视角下的MHS变化

除了极地地区，研究还分析了全球尺度的MHS变化。与极地海洋的显著增强相比，非极地海洋的FSLE变化较小，PDF仅轻微右移，可能反映了区域增加和减少的平衡。

研究结论强调，极地海洋MHS的增强主要由海冰减少驱动，通过改变风应力模式(北极)和增强跨岸密度梯度(南大洋)来实现。这种变化对海洋热量、碳和营养盐输运具有重要影响，可能重塑极地海洋生态系统的结构和功能。然而，MHS变化对海洋环境和生态系统的具体影响仍存在不确定性，需要进一步研究。

该研究的创新之处在于首次系统量化了温室气体增暖下极地海洋MHS的响应，揭示了海冰减少在其中起关键作用。这些发现对于理解快速变化的极地环境及其全球影响具有重要意义，特别是在北极可能在未来几十年内季节性通航的背景下，更显其紧迫性和应用价值。