中新世暖期海洋热浪的变异机制及其对未来气候变暖的启示——基于CESM2模型研究

为解决全球变暖背景下海洋热浪(MHWs)预测的挑战，研究人员利用CESM2模型中新世暖期(mPWP)数据，探究了高CO2浓度下MHWs年天数、频率和强度的变化规律。结果表明，背景变暖导致MHWs强度增强、持续时间延长；移除平均SST效应后，东部热带太平洋MHWs减少而极地增加。该研究为未来变暖情景提供了关键地质类似物，对海洋生态系统保护和气候政策制定具有重要指导意义。

　　

在当今全球变暖加速的背景下，海洋热浪(Marine Heatwaves, MHWs)——即海表温度异常偏高的持续事件——已成为海洋生态系统的“隐形杀手”。这些热浪能持续数周至数月，范围可达数千公里，直接引发珊瑚白化、鱼类死亡，甚至导致疾病爆发（如2015年塔斯曼海事件造成贝类新疾病），威胁渔业经济和沿海社区健康。然而，预测未来MHWs变化却面临巨大挑战：气候模型对海表温度(SST)模拟存在偏差，关键过程如ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）难以精准刻画。更棘手的是，地质记录缺乏高分辨率数据，无法直接解析历史暖期的MHWs模式。
为填补这一空白，中国科学院等机构的研究人员将目光投向中新世暖期(mid-Pliocene Warm Period, mPWP)——约300万年前的地质时期，其CO₂浓度(约400 ppm)和大陆构型与现今相似，全球均温升高1.7-5.2°C，被视为未来中度排放情景的天然实验室。他们利用通用地球系统模型CESM2模拟了mPWP的MHWs变化，并将其与未来变暖情景对比。研究发现，mPWP期间背景变暖使MHWs强度增强、持续时间延长；但当移除平均SST上升效应后，区域差异显著：东部热带太平洋因ENSO减弱导致MHWs减少，而极地因海冰退缩则增加。该成果发表在《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》期刊上，为理解未来气候变暖下MHWs行为提供了宝贵约束。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于CESM2模型模拟，该模型整合了大气-海洋-海冰耦合过程；数据源为PlioMIP2（Pliocene Model Intercomparison Project Phase 2）中的midPliocene-Eoi400实验，使用其每日SST和海冰输出；计算MHWs指标时，采用固定阈值和调整阈值（移除平均SST趋势）两种方法，评估年天数、频率和强度；对比组包括piControl（前工业时期）实验及未来情景（如abrupt4xCO2和SSP路径）；区域分析聚焦热点地区如东部热带太平洋和极地，通过月尺度变化和年循环解析机制。

研究结果

• Abstract：基于CESM2模拟，mPWP期间全球变暖导致MHWs持续时间延长、强度增强，但当移除平均SST上升效应后，区域差异凸显：东部热带太平洋因SST变率减弱，MHWs年天数、频率和强度减少；极地则因海冰减少而增加。该模式与未来变暖情景高度相似，证实mPWP可作为预测未来MHWs的地质类似物。
• Introduction：MHWs对海洋生态和经济的危害日益加剧（如疾病爆发和物种迁移），但模型预测存在不确定性。mPWP因CO₂浓度高、气候变暖幅度可比拟未来情景（如全球均温升3-5°C），成为理想研究对象。然而，地质记录分辨率不足，CESM2模型填补了此空白。
• Model outputs：使用CESM2的midPliocene-Eoi400实验数据，关键输入为每日SST和海冰，对比piControl实验。调整阈值方法避免了固定阈值的偏差，确保比较公平。
• Annual days：前工业时期全球开放海域年均MHWs天数为32.8天，热带地区最高（如东部太平洋>36天），极地则因海冰季节性覆盖而降低（北极14.9天、南极21.4天）。mPWP期间，全球平均天数增加，但区域分布变化显著。
• A closer look over hotspot regions：在东部热带太平洋，mPWP的调整阈值MHWs月频次减少，归因于ENSO变率减弱；极地则因海冰退缩（如北极海冰减少53%）导致MHWs频次和强度上升，与未来情景一致。
• Comparison of MHWs under different warming scenarios：mPWP的MHWs变化与未来情景（如SSP）高度相似：东部太平洋减少、极地增加。这表明高CO₂浓度下MHWs响应机制具有普适性，为未来预测提供直接参考。
• Conclusions：固定阈值方法不适用于长期变暖