三十年来地中海混合层深度的变化：盆地趋势与区域差异

《Frontiers in Marine Science》：Three decades of Mediterranean mixed layer depth change: basin trends and regional contrasts

地中海混合层深度（MLD）的长期演变及其驱动机制研究。基于1990-2019年高分辨率再分析数据，发现MLD整体呈0.5-0.6米/十年的 shoaling趋势，季节性和区域差异显著：冬季-春季MLD加深，夏季-秋季变浅；西北地中海存在异常 deepening，而 Levantine海盆持续 shoaling。主要驱动因素为表面增暖和底层盐水化增强的垂直分层， wind应力贡献较小。研究揭示了气候变化下地中海海洋分层和生态系统脆弱性，为半封闭海区气候响应研究提供新证据。

　　
该研究系统评估了1990-2019年地中海混合层深度（MLD）的长期演变及驱动机制，揭示了气候变暖背景下该海域物理过程与生态系统的重要关联。研究基于高分辨率再分析数据，通过物理参数化与区域对比分析，揭示了地中海混合层深度呈现显著季节差异和长期变浅趋势，并探讨了其与风应力、温度、盐度变化的耦合作用。

**研究背景与科学意义**
地中海作为半封闭海域，其热盐结构对全球气候系统具有重要指示作用。混合层作为大气-海洋能量交换的关键界面，其深度的时空变化直接影响海洋初级生产力、氧气输运及生态系统稳定性。已有研究指出地中海存在显著的季节和年际波动，但长期趋势及驱动机制仍不明确。本研究通过30年高分辨率再分析数据，首次实现了地中海全海域混合层深度的长期连续监测，填补了该海域日际至十年际尺度观测的空白。

**数据与方法创新**
研究采用耦合NEMO模型与数据同化的地中海物理再分析数据集（Med物理再分析，Med-PhyRea），该数据集整合了CMEMS卫星海平面、GEBCO水深及SDN历史气候数据，具有1/24°水平分辨率和141层垂直结构。创新性地引入σθ阈值法（Δσθ=0.03 kg/m3）动态追踪混合层顶界，较传统固定深度阈值方法更精准捕捉密度跃层变化。通过计算表面Brunt-V?is?l?频率（N2）和风应力场，构建了混合层深度与物理驱动因子的多维关联模型。

**核心发现与区域特征**
1. **全海域变浅趋势**：1990-2019年MLD以0.5-0.6米/十年的速率持续变浅，冬季（12-2月）和春季（3-5月）变率最大。尽管存在1992-1993年及2012-2013年的深度异常事件，但长期趋势通过置信区间检验（95%置信区间）具有统计显著性。

2. **区域分异显著**：
- **西北地中海（如卡里利亚湾）**：1990-2000年间出现异常深ening（+20米/十年），与东地中海临时水团（EMT）活动及强冬季风有关；2010年后回归全海域变浅趋势。
- **黎凡特湾**：持续变浅（-7.4%/十年），反映其作为密度锋面生成区的敏感性。
- **南亚得里亚海**：年际波动大但长期稳定，体现该区域深层水交换的缓冲作用。
- **伊比利亚半岛西部海域**：与Vargas-Yá?ez等（2022）观测一致，未发现显著长期趋势。

3. **季节驱动机制**：
- **冬季（12-2月）**：MLD最不稳定，年际波动可达±5米。强风（如北非高压增强）与密度跃层共同控制深度，典型冬季MLD为70-90米，但1992-1993年出现120米超深事件。
- **春季（3-5月）**：April达到年度最显著变浅期（-18 cm/年），与东北信风减弱及副热带高压东移导致的混合层不稳定有关。
- **夏季（6-8月）**：MLD最浅（中位数<10米），但2010年代出现+20 cm/年的异常增深，可能与北大西洋亚速尔型高压增强西移有关。
- **秋季（9-11月）**：November出现+50 cm/年的显著增深，反映赤道反气旋东移带来的风场调整。

**关键物理驱动机制**
1. **风应力变化**：
- 冬季风应力增强（1990-2019年线性趋势+1.2×10?? N/m2/年），特别是Gulf of Lion区域，导致冬季MLD深度标准差扩大（>500米）。
- 2000-2009年间Gulf of Lion区域出现+25米/十年的异常深ening，与东欧型高压西伸及局地深水形成相关。

2. **热盐结构演变**：
- **表面增暖**：1990-2019年表层温度上升约0.3°C/十年，导致密度跃层上移。通过计算表面N2值（+4.26×10?? s?2/年），证实了温跃层增强。
- **深层盐水积累**：500米以浅盐度上升0.2 PSU/十年，显著增强了垂直密度梯度。2010年代后，盐度驱动的N2值贡献率从35%增至58%，成为混合层稳定的主因。

3. **大气-海洋耦合效应**：
- 冬季深层水形成（如卡里利亚湾）与夏季上层加热存在10-30天相位滞后，导致MLD深度与热盐参数的滞后相关性系数达0.72。
- 副热带高压的十年际位置偏移（西移幅度达3个经度）显著影响冬季风场结构，进而调控混合层稳定性。

**生态与气候影响评估**
1. **生产力抑制**：混合层变薄导致上层营养盐（如硝酸盐）通量减少，2010年代夏季MLD<10米区域氮输入下降23%，可能加剧赤潮风险。
2. **通风能力减弱**：深层氧气穿透量（DOU）计算显示，混合层变浅使100米以下层氧含量下降0.1 mL/L/十年，可能影响中上层鱼类栖息。
3. **热浪频发**：表层增暖速率（0.3°C/十年）超过全球平均，结合变浅的混合层使极端高温事件持续时间延长40%。
4. **区域脆弱性差异**：
- 黎凡特湾：MLD变浅最显著（-0.6米/年），与冬季大气河强度增加相关。
- 南亚得里亚海：因深层水补给（如Adriatic Undercurrent）抵消了部分变浅趋势。
- 伊比利亚半岛西部：受北非高压遥相关影响，风应力减弱（-0.15 N/m2/十年）导致MLD变浅趋势不显著。

**不确定性分析与未来方向**
研究存在三方面主要不确定性：1）再分析数据中人为误差（如模型参数化处理）可能影响区域尺度结论；2）MLD阈值选择（Δσθ=0.03 kg/m3）对变浅趋势的敏感性未充分验证；3）亚热带高压系统的年代际变化机制尚未完全解析。建议后续研究整合：
- 多源观测数据（浮标阵列、剖面调查）
- MLD阈值敏感性实验（Δσθ=0.01-0.05 kg/m3）
- 机器学习驱动的区域模式耦合

该研究为理解半封闭海域的气候变化响应提供了关键框架，其揭示的"风-温-盐"多因子耦合机制对其他封闭/半封闭海域（如黑海、加勒比海）具有重要借鉴价值。混合层持续变浅的趋势可能使地中海在21世纪面临更频繁的"缺氧-热浪"复合灾害，需加强跨学科预警体系建设。