风暴驱动混合层调节南大洋夏季增温的关键机制与气候模型改进意义

《Nature Geoscience》：Southern Ocean summer warming is regulated by storm-driven mixing

为解决气候模型中南大洋夏季海表温度(SST)持续偏暖的偏差问题，研究人员开展了风暴对南大洋夏季SST年际变率影响的主题研究。通过自主水下滑翔机和表面波浪滑翔机等原位观测结合再分析数据，发现天气尺度风暴通过改变混合层有效热容量和卷夹较冷下层水调节夏季SST，且风暴平均风速变化与南半球环状模(SAM)相关。该研究揭示了风暴强迫与SST变率的因果联系，对减少气候模型增温偏差、改进未来气候预测具有重要意义。

　　

在全球气候变暖的背景下，南大洋作为地球系统最重要的热量吸收器，承担了全球绝大部分额外热量的吸纳任务。然而令人困惑的是，气候模型始终存在一个显著偏差：模拟的南大洋夏季海表温度(SST)系统性偏暖，最高可达2.5°C——相当于当地季节性SST循环的100%。从CMIP5到CMIP6代际模型，这一偏差不仅没有改善，反而扩大了一倍以上。这种持续存在的模型偏差，暴露出我们对控制该区域海气热交换机制的认识仍存在重大空白。

传统研究多关注季节性尺度或更长时间尺度的动力学过程，如南半球环状模(SAM)对埃克曼输送的调制、海气热通量的错误表征等，而对天气尺度(2-6天)动力过程如何影响长期SST变率的关注较少。这主要源于获取高时间(小时)和垂直分辨率海洋观测数据的困难。事实上，南大洋的海气相互作用强烈受到中纬度气旋或风暴的影响，虽然风暴对小时到天尺度的SST变率影响已有较多研究，但其对月到年尺度变化的贡献尚不明确。

在这一科学背景下，由Marcel D. du Plessis领衔的国际研究团队在《Nature Geoscience》发表了最新研究成果。研究人员通过结合自主水下Slocum滑翔机、表面Wave Glider等机器人平台的原位观测、气候再分析数据和卫星资料，首次系统揭示了天气尺度风暴通过调控混合层深度(MLD)及其有效热容量，进而支配南大洋夏季SST年际变率的物理机制。

关键技术方法主要包括：(1)利用南大洋季节性循环实验(SOSCEx-Storm)获取的79天原位观测数据，包括水下滑翔机测量的上层海洋温度和湍流耗散率、表面波浪滑翔机测量的10米风速；(2)基于ERA5再分析数据(0.25°×0.25°网格)的风速和海气热通量组分分析；(3)采用拉格朗日风暴追踪算法识别1981-2019年夏季风暴轨迹；(4)利用EN4质量控制的海洋温盐剖面数据计算混合层深度；(5)通过混合层温度倾向方程量化海气热通量和卷夹过程对SST变化的贡献。

季节性海洋增温速率受风暴调控

2018-2019年夏季开展的SOSCEx-Storm现场观测揭示了风暴活动对上层海洋变率的深刻影响。研究区域位于54°S, 0°E的亚极地海域，该区域频繁且强烈的风暴活动导致了比南北相邻区域更深的夏季平均混合层深度(MLD)。这些更深混合层所具有的更大热容量，使得夏季SST增温(-1°C)显著低于相邻区域(-3°C)。

滑翔机观测显示SST从布放时的0.6°C升至夏季最大值(T_max)2.28°C，增温主要受正短波辐射驱动，白天峰值达219-921 W m^-2。尽管存在周期性的正湍流通量(感热和潜热通量组合，平均每5.4±3.3天超过40 W m^-2)，但整个观测期间潜热通量平均为负值(-13.6 W m^-2)，反映海洋通过蒸发失热。相比之下，感热通量平均为7.5 W m^-2，最高达116 W m^-2。因此，季节性SST增温主要源于太阳辐射，感热通量作为次要热源，而蒸发潜热通量、长波辐射和下层冷水卷夹则部分抵消了这一增温。

观测期间识别出三个特征阶段：初期(第-12至5天)伴随一系列强风暴(中心气压低于970 hPa)，风速超过15 m s^-1，强湍流混合使层结较低、混合层较深(123±11米)，尽管平均净热通量达179 W m^-2，SST增温速率仅为0.012°C d^-1。中期(第5至23天)较弱风暴(中心气压高于980 hPa)使风速降至10 m s^-1以下，强正净热通量(180 W m^-2)促使海洋重新层化，混合层快速变浅(一日内浅化67-113米)，SST增温速率增加325%至0.051°C d^-1，此阶段虽仅占夏季18%时间，却贡献了61%的SST总增温。后期(第23至47天)强风暴系列使混合层加深至约100米，加之净热通量降至131 W m^-2，增温速率降至0.025°C d^-1。SST达到季节最大值后保持相对稳定(-0.002°C d^-1)，尽管热通量仍为正，但由深层湍流混合驱动的多日卷夹冷却抵消了增温。三次显著卷夹事件使夏季SST降低约1°C，最强两次各降温0.4°C，凸显了风暴驱动卷夹对季节尺度增温的整流效应。

风暴对海气热通量的控制

风暴过境伴随持续数日的正湍流热通量爆发，通常先于短波辐射减少和长波辐射增加。这种特征模式与低纬度暖湿空气平流至较冷海洋上空以及暖锋沿线云量增加相关。研究发现，所有风暴事件中，增强的湍流通量均与西北风相关，反映副热带空气向极输送；而减少的短波辐射和增加的长波辐射则平均与风暴前缘的东北风相关，该区域层状云形成高反照率云盾，反射下行短波辐射。

扩展至1981-2019年无冰南大洋的合成分析显示，暖锋区域短波辐射减少但仍保持正值(约100 W m^-2)，暖区则呈现最弱的长波冷却和蒸发冷却(均约-20 W m^-2)以及最强的感热加热(20 W m^-2)。冷区则表现出最强的海洋热损失：长波辐射-50 W m^-2、潜热通量-60 W m^-2、感热通量-15 W m^-2，但在减少的云量下，短波辐射达300 W m^-2，导致净海洋热增益。区域分析表明，亚极地纬度风暴驱动约-15 W m^-2的平均海洋热损失(主要源于潜热通量)，而大西洋和印度洋扇区及西太平洋部分区域则因感热通量呈现约10 W m^-2的热增益。总体而言，这些区域的湍流通量比南大洋更北区域大20-40 W m^-2，归因于源自副热带纬度的暖湿空气向极输送。值得注意的是，74%的夏季风暴从其生成点向极移动。

风暴驱动对南大洋夏季SST的影响

为评估风暴在南大洋夏季SST变率中的作用，研究首先关联了夏季平均净海气热通量与T_max的年际变化。结果显示大部分海域相关性不显著，仅在东太平洋和印度洋北部扇区部分区域发现显著正相关，表明这些区域海气热通量驱动SST年际变率。相反，亚极地南大洋印度洋扇区出现显著的负相关，T_max在更正通量下反而冷却，这一反直觉响应表明混合层加深和卷夹或更强西风引发的上升流增强等其他因素主导了T_max设置。

同时，南大洋大部分区域T_max与夏季平均风速存在显著反比关系，即较高夏季平均风速年份对应较低T_max。尽管这种关联以往多归因于埃克曼输送，但集成1981-2019年各夏季仅由埃克曼输送驱动的日平均温度倾向显示，虽然平均冷却约0.6°C(强SST梯度区域超4°C)，但其年际变率较小，仅解释约10%的T_max异常。

鉴于埃克曼输送解释力有限，T_max与风的相关性必然源于其他过程。研究发现了夏季平均风速与MLD在整个南大洋的强正相关，而更深混合层又一致地与较低T_max相关，可能源于混合层热容量增加或卷夹增强。关键的是，风暴内去趋势夏季平均风速与整个无冰南大洋的强相干性暗示风暴是南大洋风速强度的关键调节器。

通过评估SST倾向方程Q/(ρC_ph)，比较使用夏季平均海气热通量和MLD模拟的年际SST演化与固定气候学MLD假设案例，发现所得温度差紧密跟踪观测的T_max变化(r=0.71, P<0.002, n=16)，证明仅MLD的年际变化即可驱动观测到的T_max异常，凸显MLD变率作为南大洋夏季增温的关键控制因子，而MLD变率又与风暴驱动风速相关(r=0.43, P<0.09, n=16)。

风暴平均风速的年际变化与SAM紧密相连(r=0.48)，正SAM伴随风暴轨迹和相关地面西风向极移动。这表明气候模态与T_max变率间的因果联系通过风暴活动和相关强风速变化得以实现。

研究结论与意义

该研究确立了南大洋夏季SST增温速率与风暴及相关湍流混合的因果联系，后者通过控制MLD设置其有效热容量并驱动下层冷水卷夹来调节增温。同时，风暴通过减少短波辐射降低净热通量，尽管该效应部分被风暴向极输送暖空气提升的湍流通量所抵消，且这种抵消在大西洋和印度洋扇区尤为显著。太平洋扇区风暴增强的海洋热损失可能源于较大的海气温差和湿度差。这种风暴对湍流海气通量影响的跨海盆不对称性，可能源于大西洋和印度洋扇区风暴活动增强，该区域亚极急流核心与强SST梯度重合，陡峭的SST梯度与增强的风暴活动相互反馈，通过风暴驱动湍流混合和侧向大气热交换修改SST梯度。

夏季SST增温主要受风暴驱动风速变率调节，后者改变MLD——受SAM变化调制。这些结果佐证了地球系统模型分析，将南大洋夏季增温速率差异归因于季节性MLD浅化的年际变率。鉴于先前研究已将非对称MLD异常与SAM联系，本研究指出增强的风暴驱动风速是关键因果机制。估计风暴相关风扰动使南大洋平均风应力增加近40%，伴随相应的SST响应。这对后续冬季海洋内部热量通风、海冰形成以及碳和营养盐丰富深层水向表层的供应均有深远影响。

研究成果有助于解释第六次耦合模式比较计划(CMIP6)模型中暖SST偏差和过浅MLD问题，这些模型通常低估风暴频率和强度。过浅混合层减少卷夹和混合层热容量，使SST对表面热通量更敏感。因此，准确表征风暴-海洋相互作用对减少下一代气候模型SST偏差至关重要。模拟MLD问题还因风暴轨迹位置向赤道偏差和南大洋风暴中中层云错误表征而复杂化，后者被提议解释南大洋夏季SST偏差。研究证实这些云在风暴驱动表面辐射增温减少中起关键作用。

需注意这些结果仅适用于夏季。冬季当海气热通量为负且气候学MLD较深时，混合由对流主导，风暴驱动风效应对SST变化可能较不重要。但控制夏季T_max的过程仍可能通过设置混合层底部的季节性层化影响冬季SST。即对于层化更强的夏季，对流冷却引起的MLD加深可能延迟。

风暴活动与SAM的关系对气候变化下SST具有重要暗示。由于平流层臭氧损耗，SAM在夏季呈现正趋势，伴随更强且向极移动的西风和风暴发生增加。随着风力增强，MLD加深可能通过增加混合层有效热容量和卷夹减缓未来夏季SST增温。然而南大洋层化也在加剧，可能减缓暖表层水向中层潜沉。约束这些反馈需要持续高分辨率观测以解析不同尺度变率。本研究通过机器人观测证实风暴对夏季SST演化的关键控制，且风暴影响延伸至夏季SST年际变率。更好理解这些多尺度相互作用对模拟海气交换过程和预测未来气候系统变化至关重要。