全球变暖下海洋中尺度活动向岸迁移及其对海岸带生态系统的影响

《Nature Communications》：Shoreward shift of oceanic mesoscale activity over the last three decades

本刊推荐：为阐明全球变暖背景下海洋中尺度活动的经向演变，研究人员通过多源观测与再分析数据，发现全球海洋中尺度涡动动能（EKE）和海表温度梯度幅度（|?SST|）的纬向质心在过去三十年以约35.4±22.5 km/十年和34.4±20.3 km/十年的速度显著向岸迁移。能量收支分析表明，表面风功率（WP）和斜压能量转换（BC）的向岸迁移是主要驱动机制。该研究揭示了中尺度活动重新配置海岸-开阔海交换的关键过程，对预测气候变化下海岸带生态系统韧性具有重要科学意义。

　　

在广袤的海洋中，隐藏着无数规模从几十到几百公里不等的“海洋漩涡”——这就是海洋中尺度活动。它们虽然不像台风那样引人注目，却承载着全球海洋近90%的动能，如同海洋的“心脏搏动”，调节着全球能量平衡和生物地球化学循环。特别是在海岸过渡带，这些中尺度锋面和涡旋扮演着关键界面调节者的角色，促进动量、热量、溶解碳、营养物和污染物的跨陆架运输，对海岸带环境、生态系统和资源可持续性产生级联效应。

然而，全球变暖正在悄然改变这一平衡。过去几十年观测到的海洋快速升温可能改变这些基本过程。尽管已有研究深入探讨了中尺度活动在经向上的变化，特别是其向极地迁移的趋势，但关于其纬向（东西方向）演变的认识仍是一片空白。海岸带作为人类活动与海洋交互的前沿阵地，理解中尺度活动如何向海岸迁移，对于改进气候预测、推进可持续海洋治理和制定基于证据的海岸适应策略具有紧迫的科学意义。

为此，由周书义和张一航等研究人员组成的团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果，首次系统揭示了全球海洋中尺度活动在过去三十年间的向岸迁移现象。

主要技术方法

研究团队整合了多源数据集，包括卫星观测（AVISO、CMEMS、OISST）、再分析产品（GLORYS）、海洋后报模拟（OFES）以及CMIP6高分辨率气候模型（FGOALS、HadGEM3）。通过定义“纬向质心”指标量化中尺度活动的空间分布，采用150 km高通滤波提取中尺度信号，计算涡动动能（EKE）和海表温度梯度幅度（|?SST|）。利用能量收支分析评估表面风功率（WP）、斜压能量转换（BC）和正压能量转换（BT）的贡献，并通过线性回归和Student's t检验评估趋势显著性。

研究结果

过去几十年海洋中尺度活动的向岸迁移

分析显示，1993-2022年间，全球海表EKE在西部边界流区域的极地侧呈增加趋势，而赤道侧呈减少趋势，印证了EKE的向极迁移。更重要的是，在纬向分布上，EKE趋势在中国边缘海、加利福尼亚海岸等近岸区域普遍增强。除西部南大西洋（WSA）外，所有研究区域均表现出中尺度活动向岸增强的特征。全球平均的海表EKE纬向质心迁移速度达41.7±14.4 km/十年。

作为海洋中尺度活动的另一可靠指标，|?SST|同样表现出显著的向岸增强模式。1993-2022期间，海岸区域|?SST|信号明显放大，这与区域海表温度（SST）增暖的不对称性（近岸增暖快于邻近开阔海）相一致。近岸|?SST|强化与EKE质心迁移的空间协同性表明动量和温度过程共同驱动了近三十年海岸中尺度活动的变化。

跨数据集合成分析进一步证实了这一趋势的普适性。所有观测、再分析和后报产品均显示EKE和|?SST|纬向质心的一致性向岸迁移（图3a,b），多数据集平均位移速率分别为35.4±22.5 km/十年和34.4±20.3 km/十年。再分析系统（GLORYS）、模式后报（OFES）和卫星衍生数据集呈现出收敛趋势（约35 km/十年）。区域上，西部海盆区域表现出更稳健的模式，而东部海盆区域则显示出更大的动力复杂性。

主要驱动机制

为探究驱动中尺度活动向岸迁移的动力机制，研究人员分析了EKE主要源项的趋势，包括表面风功率（WP）、斜压能量转换（BC）和正压能量转换（BT）。这些项的趋势在空间上异质性强，近岸变化剧烈。纬向质心计算显示，WP（0.36±0.28 km/十年）和BC（0.07±0.04 km/十年）的质心均呈现显著向岸迁移，而BT（0.21±0.32 km/十年）的质心则表现出不显著的离岸趋势。WP和BC的迁移方向与海洋中尺度活动一致，表明两者共同促进了EKE的向岸迁移。WP趋势的空间分布与EKE和|?SST|更为一致，暗示WP对中尺度活动向岸迁移的贡献更为主要。

WP的向岸迁移主要归因于海岸边界附近风应力的增强，这可能与全球变暖下海陆热对比放大有关。BC的向岸迁移可能与开阔海洋层结增强相关， primarily induced by temperature changes under global warming in the sub-surface ocean。此外，|?SST|的近岸增强也可能与沿岸风强化有关。根据Bakun假说，增强的沿岸风在东部边界流系统促进上升流，抑制近岸SST上升，放大跨陆架梯度。在缺乏主要上升流系统的西部边界区域，增强的沿岸风可能通过加强上层海洋混合抑制SST增温率，从而强化SST梯度。

CMIP6高分辨率投影的启示

为探究全球变暖下海洋中尺度活动的纬向迁移趋势，研究人员分析了CMIP6 HighResMIP未来试验在RCP8.5情景下（2015-2050）的两个高分辨率模拟（HadGEM3和FGOALS）。结果显示模型间存在显著差异（图3c）。HadGEM3历史模拟显示出显著的EKE向岸迁移，而FGOALS历史模拟则显示不显著的离岸趋势。尽管未来EKE纬向质心的迁移趋势与|?SST|一致，但模型间的差异揭示了未来中尺度活动预测存在较大不确定性。这些不确定性强调了优先加强海岸监测的必要性。准确模拟中尺度活动的纬向迁移对于减少海气通量偏差和改进海洋环流表征至关重要，这也是气候模型发展面临的持续挑战。

研究结论与讨论

本研究通过多数据集分析揭示了全球变暖下海表EKE和|?SST|在不同海盆的一致性向岸迁移。多数据集合成表明全球平均迁移速度分别为35.4±22.5 km/十年（EKE）和34.4±20.3 km/十年（|?SST|），且在西部海盆区域趋势尤为显著。EKE和|?SST|纬向质心的迁移速度在空间上相关，一个合理的解释是近岸|?SST|的向岸迁移可以增加近岸斜压不稳定性，为海洋中尺度活动的生成和维持提供有利条件。

EKE收支分析表明，表面风功率（WP）和斜压能量转换（BC）同样发生了向岸迁移。此外，近期报道的西部边界流向岸强化现象可能也与海洋中尺度活动的向岸迁移相关。然而，这一现象在CMIP6模型中并不稳健， likely due to insufficient horizontal resolution for resolving submesoscale and smaller-scale processes。大多数CMIP6模拟的水平分辨率为0.25°，属于“涡旋呈现”级别，但对于研究中尺度活动，特别是在罗斯贝半径仅数十公里的高纬度地区，这样的分辨率仍然过于粗糙。

本研究更全面地定义了“中尺度活动”，采用高通滤波捕获所有中尺度信号，包括但不限于涡旋和锋面。涡旋和锋面行为是整体信号的一部分，它们的传播变化在多大程度上解释了完整的纬向迁移仍是一个有待进一步研究的开放性问题。

全球变暖引起的海洋中尺度活动变化可能改变海岸物质交换（图3d）。例如，延长的平流路径可能减少东部边界涡旋的离岸营养盐输送，加剧副热带海洋的“荒漠化”。观测到的|?SST|纬向质心向岸迁移可能延伸至次表层，影响更深层的中尺度动力。涡旋驱动的次级环流通过垂向泵送营养盐，增强近岸热/碳通量和生物生产力。因此，重新配置的海岸-开阔海交换可能扰乱营养盐分布，对渔业和生物多样性产生级联影响。将中尺度动力整合到气候适应策略中以减轻生态和社会经济风险已刻不容缓。