热带气旋引发的上层海洋冷却作用对海洋热浪活动的抑制效应

《SCIENCE ADVANCES》：Suppression of marine heatwave activity by tropical cyclone–induced upper ocean cooling

海洋热浪与台风的相互作用机制研究。本研究发现台风通过诱导海表温度骤降（最高达7°C）可有效终止海洋热浪（MHW），并抑制后续MHW形成长达8个月。统计显示，SST每降温1°C可延长MHW中断约5-7天，且20年数据显示台风活动与MHW发生频率显著负相关，尤其在东海和西太平洋，但南海因复杂水文条件相关性较低。研究结果揭示了台风作为海洋热浪自然调节器的机制，对生态系统保护和灾害管理具有重要意义。

　　海洋热浪（MHWs）近年来引起了科学界的广泛关注，主要是因为它们对生物和经济领域带来了深远的影响，尤其是在全球变暖的背景下。本研究揭示了热带气旋（TCs）在破坏MHWs方面的重要作用，通过改变海洋温度来干预其发展。以热带气旋Bavi为例，它在2020年对东海（ECS）的MHW产生了显著影响，导致了高达7°C的海面温度（SST）冷却，直接终结了一个成熟的MHW，并抑制了接下来长达8个月的MHW发展。更普遍地，在2014至2023年间，基于TC发生后MHW重现的案例（间隔不超过1个月），我们发现MHW中断的持续时间与TC引起的SST冷却幅度成正比，大约每1°C的冷却能带来5至7天的中断时间。从更广泛的角度来看，20年（2004至2023）的分析显示，季节性MHW活动与TC活动之间存在99%显著性的反向关系。这些发现表明，TCs可以作为一种自然调节机制，有效缓解MHW带来的热应激，甚至可能成为海洋生态系统的重要保护因素。

MHWs通常伴随着连续异常温暖的海洋温度，对许多海洋生态系统产生显著的影响，有时甚至是灾难性的。例如，长期的暖水温度可能导致珊瑚白化以及海草床的大规模消失，而这些区域是许多海洋生物的重要栖息地和觅食场所。在MHW影响的区域或附近，物种的结构和社区组成可能会发生明显变化，因为不同物种对热量的耐受能力不同。此外，这些生态影响会迅速转化为社会经济后果，例如渔业、水产养殖以及旅游业可能受到严重影响。因此，理解MHWs的形成、发展和消散机制对于评估其潜在危害和采取相应措施至关重要。

在过去十年中，MHWs的成因已被广泛研究。已知MHWs是由大气和/或海洋过程通过局部或远程强迫驱动的。大气中的因素包括增加的太阳辐射、减少的海面风速以及升高的空气温度，这些通常与准稳态反气旋系统相关。从海洋角度来看，空气-海面热通量、洋流输运以及分层作用被认为是主要驱动因素。值得注意的是，这些大气和海洋驱动因素往往同时作用，以加热海洋并引发MHWs。然而，近期研究指出，热带气旋（TCs）也可能在MHWs的发展中起到一定作用。TC外围的下沉区域通常伴随着晴朗的天空和较低的海面风速，这种状况显著增强了太阳辐射并减少了海面热通量，从而有利于MHWs的形成。此外，Pun等人还发现，这种类型的MHW反过来又通过空气-海面热通量反馈机制促进了后续TC的增强。尽管如此，关于MHWs和TCs之间相互作用的研究仍处于初步阶段。

截至目前，大多数研究主要集中在识别MHWs的形成和发展机制，而对于其消散的原因关注较少。然而，了解导致MHWs消散的因素同样重要，因为这些因素会影响MHWs的持续时间，而持续时间直接关系到事件的严重程度和破坏性。同时，这些消散因素也能为海洋生物提供及时的缓解。近期研究表明，MHWs在TC经过后很可能消散。这是由于TC引起的强烈垂直混合，使得较冷的深层水上升，从而导致海面温度显著下降。然而，目前文献中对TCs能够消散或干扰MHWs的程度仍缺乏详细研究。

在本研究中，我们首先以热带气旋Bavi为例，展示了它如何在2020年通过引起显著的SST冷却，完全消除了东海的MHW。在Bavi经过之后，该区域在整个年度内再未出现新的MHW。其次，我们基于2014至2023年间在西太平洋识别出的85个明确的TC-MHW案例，进行了系统性统计分析。结果显示，如果MHW在TC之后再次出现，其中断时间与TC引起的SST冷却幅度相关。此外，对20年数据集（2004至2023）的分析表明，季节性MHW活动受到TC活动的强烈调控。这些发现提供了明确的证据，证明TCs可以作为MHWs的有效调节者，从而减轻其对海洋生态系统的影响。

在对Bavi的案例研究中，我们观察到在TC经过后，MHW迅速消散。2020年8月26日的SST地图显示，Bavi引发的冷却使整个东海的SST下降至约22°C，尤其是在TC路径的右侧，靠近朝鲜半岛西海岸的区域。这种极端的SST下降不仅使得MHW完全消失，还可能导致潜在的冷浪事件。通过比较，我们发现Bavi引起的SST冷却程度高达7°C，远高于其他区域的平均水平。这种冷却作用不仅迅速终结了MHW，还显著抑制了其在后续8个月内的重新发展。尽管在这一期间，周围地区出现了三到四个MHW事件，但冷浪区域内的MHW仍未出现。这表明，TC引起的SST冷却对MHW的抑制作用非常显著。

为了进一步分析TC引起的SST冷却对MHW消散和后续发展的影响，我们对Bavi路径上的主要MHW区域的SST演变进行了分析。结果表明，MHW在TC到来前逐渐发展，但在TC经过后几乎立即消散。这主要归因于TC引起的强烈SST冷却。随后的长时间序列分析显示，尽管TC之后的SST有一些波动，但整体温度仍低于MHW阈值，直到10月初才有所回升。然而，直到11月中旬，SST仍未恢复到气候学值。即使在2020年底，SST似乎恢复正常，但也没有符合条件的MHW形成。与2016年同期相比，这一情况更加明显，因为2016年东海经历了其中最热的8月之一，而TC活动较为平静，导致MHW持续时间较长。

我们还分析了2014至2023年间85个TC-MHW案例，这些案例来源于西太平洋的65个TC。结果显示，99%的MHW（84个案例）在TC经过后消失，这提供了有力的证据，表明TC引起的SST冷却是MHW消散的主要机制。此外，在40%的案例中，MHW在TC之后的余下时间里没有重新出现，表明这些事件被TC彻底终结。在剩下的53%案例中，尽管MHW在TC之后重新出现，但其恢复时间受到TC引起的SST冷却和大尺度大气条件的共同影响。为了更好地隔离TC引起的SST冷却的影响，我们专注于那些在TC之后1个月内重新出现MHW的案例。这些案例占总数的28%，并具有有利的大气条件，如我们新提出的ACI所显示的。在这些案例中，我们发现MHW中断时间与SST冷却幅度存在显著的正相关关系，平均而言，每1°C的SST冷却大约能延长MHW中断时间5至7天。

我们还进行了长期研究，利用20年的数据（2004至2023）来探讨MHW与TC活动之间的关系。基于我们修改的PDI（功率消散指数），该指数考虑了TC的结构特征，以更准确地反映其在海洋中的破坏力。我们发现，除了南海（SCS）以外，西太平洋大部分地区的MHW活动与TC活动之间存在显著的负相关关系。南海地区缺乏这种相关性，可能是由于其复杂的水文条件和TC与内部波之间的非线性相互作用。此外，南海位于亚洲夏季风区域，其天气和海洋温度受到大尺度气候模式的强烈影响。特别是在厄尔尼诺年，由赤道太平洋和印度洋的非本地SST强迫引起的低层西北太平洋异常反气旋（NWP-AAC）被认为是一种基本模式。NWP-AAC不仅调节降雨和SST，还影响夏季TC活动。最近的研究进一步表明，由于抑制对流，NWP-AAC可能通过增强太阳辐射和减少海洋向大气的热通量，促进MHW的发展。这种大尺度模式通过非本地空气-海洋相互作用，可能掩盖了TC与MHW活动之间的局部关系。然而，TC对MHW活动的影响仍然可以在某些年份中观察到，如2010、2015和2023年，支持了TC引起的SST冷却抑制MHW发展的观点。这些统计结果与独立数据集（即美国国家海洋和大气管理局NOAA的OISST）高度一致，无论采用30年还是40年的气候基准期。这种一致性表明我们的研究结果具有高度的稳健性，且不受数据集或基准期选择的影响。

总的来说，TC引起的SST冷却能够有效破坏MHWs，但MHWs的再次出现需要有利的大气和海洋条件。TC引起的SST冷却幅度越大，MHW中断时间越长，因为海洋需要更长时间恢复到TC前的热状态。在此恢复期间，SST仍低于MHW阈值，从而防止MHW的重新形成。从海洋生态系统的角度来看，这些发现可能被视为好消息，因为TC不仅能从深层泵出重要的营养物质，还能作为及时的缓解者，减轻海洋生物的热应激。然而，需要注意的是，Bavi案例中观察到的长达8个月的MHW抑制可能代表了一种极端情况。这种长时间的冷SST是如何维持的，以及其他海洋驱动因素如洋流和分层作用的作用，超出了本研究的范围，仍需进一步探索。此外，TC在多大程度上能帮助海洋生态系统克服MHW的影响，目前尚不明确，仍需深入研究。尽管如此，我们的研究结果为理解TC与MHW之间的相互作用提供了有价值的见解，这对于评估其对海洋生态系统和灾害管理的更广泛影响，尤其是在人为气候变化日益加剧的背景下，具有重要意义。

在本研究中，我们使用了多种数据集和方法来确保研究的准确性和可靠性。首先，我们利用微波遥感系统生成的OISST（最优插值海面温度）版本5.1数据来识别MHWs并研究TC的影响。OISST数据具有每日和0.25° × 0.25°的空间和时间分辨率，结合了所有可用的微波传感器的测量数据。此外，我们还对数据进行了质量控制和日变化校正，以确保每日SST地图能准确反映固定在12:00 UT的基准温度。OISST数据集从1998年开始，可在Remote Sensing Systems的网站上获取。为了比较，我们还使用了NOAA提供的每日OISST数据，该数据集通过结合卫星红外和现场观测数据生成，时间跨度从1981年至今。

TC的数据来自美国联合台风预警中心（JTWC）发布的最佳路径数据集。这些数据提供了TC的最优估计，包括其位置、强度（即最大1分钟平均持续海面风速）、最低海平面气压、风圈半径等参数，用于描述TC的特征。这些数据可在JTWC的网站上获取。

为了分析MHW重新出现后的大气条件，我们使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据集。ERA5是由先进的预报模型和数据同化系统生成的全球数据集，具有高分辨率（0.25° × 0.25°）和高时间分辨率（每小时），覆盖了自1940年以来的时期。数据可通过Copernicus气候变化服务网站获取。在本研究中，我们提取了海面净短波辐射（SWR）和10米风速（U10）的数据，这些参数是MHWs的主要大气驱动因素。通过计算每日数据的平均值，并将其与30年（1994至2023）的每日气候学数据进行对比，我们得到了每日异常值。

MHWs的定义主要基于Hobday等人的研究。通常，当局部SST超过长期日变化的上90百分位数，并且这种异常至少持续5天时，MHW事件就被识别出来。在本研究中，我们基于1998至2023年的OISST数据生成了长期日变化气候学数据。为了增加样本量，我们采用了11天的时间窗口，例如，208月的每日SST气候学数据是26年期间15日至25日SST的平均值。此外，如果两个MHW事件之间的时间间隔小于3天，它们将被视为连续事件。这一过程可能会略微影响MHW的天数计算，但确保了每个0.25°网格单元的MHW计算准确。

为了识别TC-MHW相互作用的案例，我们使用了Bavi案例作为原型。首先，我们检查了TC生成前5天到消散期间的每日SST序列地图，以确定是否有明显的MHW信号与TC相关。如果存在这样的信号，我们将MHW区域识别出来，并将其分类为TC-MHW案例。其次，我们生成了TC-MHW案例的区域平均SST时间序列，提取了关键参数，如SST冷却、TC前MHW的持续时间、TC后MHW的天数以及MHW中断时间（见表S1至S3）。这一过程确保了所有识别出的TC-MHW案例都是明确且具有代表性的。然而，需要注意的是，一个TC可能会产生多个TC-MHW案例，具体取决于MHW的特征和不同的盆地。在本研究期间，共识别出85个TC-MHW案例，并在图4（A和B）中进行了展示。

为了评估TC对MHW的季节性影响，我们采用了PDI（功率消散指数）的概念。PDI是Emanuel提出的，通过将TC风速的立方在生命周期内进行积分来表示其破坏力和对海洋的能量转移。与Emanuel的方法不同，我们修改了PDI，以考虑TC的结构特征，使得每个0.25°网格点都有一个与TC位置相关的PDI值。假设TC具有轴对称结构，我们基于最佳路径数据集提供的34、50和64节（即34、50和64节）信息，构建了每个6小时间隔的TC风速径向分布（见图S11A）。同样，我们通过将季节内的PDI值进行累加来计算季节性PDI（见图S11B）。需要注意的是，风速低于34节的TC通常没有半径信息，因此我们排除了这些数据点，以确保PDI计算的准确性。排除这些较弱的TC不会影响整体PDI模式。

为了更好地描述有利的大气条件，我们提出了一个简单的指数，称为大气条件指数（ACI），基于太阳辐射（SWR）和10米风速（U10）这两个主要的大气驱动因素。ACI的计算公式为：

$$ ACI = Z_{SWR} - Z_{U10} $$

其中，$ Z_{SWR} $ 和 $ Z_{U10} $ 分别代表SWR和U10的标准化异常值。标准化计算方式为：

$$ Z = \frac{x - \mu}{\sigma} $$

其中，$ x $ 是原始值，$ \mu $ 和 $ \sigma $ 分别是对应时间序列的均值和标准差。ACI的正负值反映了大气条件对MHW发展的支持程度。在本研究中，当ACI大于零时，认为大气条件有利于MHW的发展。通过分析2016年东海的MHW事件，我们发现正的 $ Z_{SWR} $ 和负的 $ Z_{U10} $ 异常通常与MHW期间相关，这突显了这两个大气驱动因素的重要性。此外，新提出的ACI有效地捕捉了有利于MHW发展的大气条件（见图S12B）。

通过上述分析，我们不仅揭示了TC在MHW消散中的关键作用，还展示了其对海洋生态系统和气候系统的重要影响。TCs能够通过引起显著的SST冷却来破坏MHWs，从而为海洋生物提供缓解。然而，这种影响可能受到其他海洋因素的调控，例如洋流和分层作用。因此，未来的研究需要进一步探讨这些因素如何与TC引起的SST冷却相互作用，以更全面地理解MHWs的消散机制。此外，TC在多大程度上能够帮助海洋生态系统克服MHW的影响，仍然是一个值得深入研究的问题。这些研究不仅有助于更好地预测和应对MHWs，还能为海洋生态系统的保护和气候适应策略提供科学依据。