利古里亚与第勒尼安陆架表层及中层水团的十年温盐演变与 regime shift（2009–2022）

《Journal of Marine Systems》：Decadal thermohaline evolution and regime shift of surface and intermediate water masses along the Ligurian and Tyrrhenian shelves (2009–2022)

　　

研究人员基于2009—2022年间12次夏季EVATIR航次采集的CTD（电导率-温度-深度）观测资料，结合卫星海表温度（SST）、大气强迫场与三维海洋再分析产品，刻画了意大利西部陆架（利古里亚海与第勒尼安海）表层与中层水团的空间及年际温盐变异性，并评估了区域尺度与气候相关驱动因素对这些变化的塑造作用。分析聚焦于上层250 m水体，采用盐度最小值（S_min）作为大西洋水（AW）的示踪指标，并以位温局地最小值识别中层水（IW），包括西部中层水（WIW）与第勒尼安中层水（TIW）。结果表明，研究期间表层与中层水体均发生了由相对冷咸向暖咸状态的 regime shift（状态转换），其特征为较冷中层水信号逐渐消失，以及具有伊奥尼亚表层水（ISW）温盐特征（S>38.3，θ>20 °C）的暖咸水体在中层（90–200 m）的影响增强。南部第勒尼安陆架是唯一表层S_min盐度与温度均呈统计显著长期变化的区域（分别约为+0.15 decade^?1与+1.03 °C decade^?1），而中部第勒尼安与利古里亚陆架以强年际变率、无持续性趋势为特征。中层水升温与盐化在两个子区域均统计显著（南部：+0.46 °C decade^?1、+0.15 decade^?1；北部：+0.36 °C decade^?1、+0.17 decade^?1），为研究期最稳健的长期温盐信号。卫星SST、大气强迫与海气热通量显示，记录早期冷冬与近年暖冬之间存在显著差异；尽管博尼法乔气旋涡（BCG）因持续气旋式环流仍为冬季最冷区，但其冬季SST亦升高，指示第勒尼安海盆冬季冷却总体减弱。海洋再分析产品进一步表明，与2012年2月相比，2020年2月BCG内冬季混合更浅、空间范围更小，上层海洋结构更为层化。上述变化与冬季浮力损失减弱相一致，有利于中层水形成减弱。在盆地尺度上，南部第勒尼安海的温盐演变与北伊奥尼亚涡（NIG）及亚得里亚—伊奥尼亚双模态振荡系统（BiOS）相关的盆地间交换变率背景相一致。研究认为，ISW侵入增强与较冷中层水信号消失可能作为耦合系统共同作用，强化了观测到的温盐结构转变；但当前数据尚不能定量区分局地形成过程与大尺度平流的相对贡献。研究强调了持续长期观测、高分辨率模拟与卫星监测对深化地中海温盐变率认识的价值。

研究背景：意大利西部陆架横跨西地中海（WMED）的第勒尼安与利古里亚两个子海盆，该区域对盆地尺度环流、温盐结构与海洋生态系统具有重要意义。自20世纪80年代以来，两个子海盆均经历了显著的水文与生态变化，包括水团温盐性质改变与生物群落变化。WMED表层由大西洋水（AW）占据，其经直布罗陀海峡东流，深度约100–200 m，随后经阿尔及利亚流（AC）系统向东传播；在西西里以西，AW入流分叉，一支作为分叉第勒尼安流（BTC）进入南部第勒尼安海，沿西西里北部陆架坡折东流，相当部分AW亦经中第勒尼安流（MTC）再分配至第勒尼安盆地中部与东部。南部第勒尼安海上层还可能受伊奥尼亚表层水（ISW）影响。表层之下，黎凡特中层水（LIW）经西西里海峡进入西地中海并在中层深度向西扩展，西地中海深层水（WMDW）与第勒尼安深层水（TDW）充填最深层。AW与LIW之间的过渡中层水（IW）由冬季冷却与混合形成，以位温相对最小值为特征；在利古里亚子海盆对应当地形成的西部中层水（WIW），在第勒尼安海则称为第勒尼安中层水（TIW），其存在更具变率，形成于博尼法乔气旋涡（BCG），该处气旋式环流依据大气条件可增强垂直混合至约400 m。WIW通常较TIW更冷、更密、更缺氧。21世纪初以来，WMED经历了显著温盐变化，包括增暖、盐化与中层水密度增加，并伴随环流与水柱稳定度异常；这些变化发生在东地中海瞬变（EMT）背景下，后者自20世纪80年代末启动，改变了经西西里海峡的东侧溢流水（EOW）。表层增暖、蒸发增强、淡水输入减少与海气热通量改变增强了层化并改变了中层水形成与扩展。尽管盆地尺度环流与中层水路径已被广泛研究，意大利西部陆架的年际温盐变率仍表征不足，尤其是过渡中层水及其对大气强迫、异常平流与长期气候变率的响应。本研究旨在刻画第勒尼安与利古里亚陆架水团性质的空间与年际变率，并评估区域尺度与气候相关驱动因素如何塑造这些变化；研究人员采用基于过程的分析，将12次夏季EVATIR航次（2009—2022）采集的独特CTD数据集与卫星及模拟产品相结合，以将观测变率与大气强迫相联系。研究得出，表层与中层水体均发生了由相对冷咸向暖咸状态的 regime shift，特征为较冷中层水信号逐渐消失及ISW特征暖咸水体在中层影响增强；中层水升温为研究期最稳健的长期信号；卫星与再分析资料指示冬季冷却总体减弱、BCG内冬季混合变浅。研究意义在于，上述结果凸显了冬季大气条件与大尺度环流变率对西地中海陆架温盐演变的潜在影响，并表明持续长期观测、高分辨率模拟与卫星监测对深化地中海温盐变率认识具有重要价值。

关键技术方法：研究基于2009—2022年夏季12次EVATIR航次（2010与2012年无航次）沿第勒尼安与利古里亚陆架采集的2704个CTD垂直剖面，使用 calibrated Sea-Bird Electronics SBE 911plus CTD（电导率、温度、溶解氧与压力传感器），经Sea-Bird数据处理包质控并按TEOS-10框架计算盐度、位温与位密异常；水团识别采用位温、盐度与溶解氧垂直剖面结合θ–S图与垂直断面，以S_min识别AW、以位温局地最小值识别IW；趋势计算采用2009年及2015—2022年共9次季节更均一航次的共同子集以减小季节采样差异影响。辅助数据包括Copernicus地中海SST L4超高分辨率产品（0.01°，约1 km）、地中海物理再分析产品（MEDSEA MULTIYEAR PHY_006_004，1/24°，141层）及ECMWF大气强迫场（0.25°，6小时）。CTD数据集经SEANOE存储库公开。

研究结果：
3.1 表层：θ–S图显示研究期水体逐渐向暖咸条件偏移，表层可区分AW（S<37.6）与ISW（S>38.3，θ>20 °C），IW位于100–200 m。南部第勒尼安陆架S_min最低值出现在2011年（37.45±0.10）与2014年（37.50±0.10），9次航次子集显示S_min弱但统计显著上升（约+0.15 decade^?1），θ_Smin由2011年17.61±0.78 °C升至2022年22.02±2.89 °C，呈显著增暖（+1.03 °C decade^?1）。中部第勒尼安陆架2013年（37.63±0.18）与2014年（37.50±0.22）S_min较低，趋势弱且不显著（+0.14 decade^?1；+0.59 °C decade^?1），以强年际变率为主。利古里亚陆架AW侵入更间歇，2011、2017、2020年S_min最低，2016、2018年最高，无显著趋势（?0.01 decade^?1；?0.10 °C decade^?1）。垂直断面显示2011年西西里西端低盐水舌沿陆缘向北延伸近1000 km；2014年低盐信号垂直范围较小但北伸更远；2022年西西里陆架表层低盐信号消失，近墨西拿海峡出现更显著的高盐核（S接近38.59，θ超过15.74 °C，60–75 m），与ISW特征一致。
3.2 中层：90–200 m平均位温与盐度显示2009—2013年为冷咸阶段，2014—2015年为过渡期，2016年起进入持续暖咸阶段。南部子区域变化更早且更单调，北部子区域更渐进而年际变率更大。回归分析确认两个子区域均统计显著增暖盐化：南部+0.46 °C decade^?1与+0.15 decade^?1，北部+0.36 °C decade^?1与+0.17 decade^?1。
3.2.1 西西里北部陆架：2009年100–200 m存在较冷中层水（ST002站位136 m处局地温度最小值13.81 °C，S 38.31，σ_θ 28.80 kg m^?3），2013年ST17站位75 m处最低位温13.89 °C（DO 6.79 mL L^?1，S 38.28）；温度低于约14.10 °C的中层水特征此后不再出现。2017年90–250 m温度普遍超过14.8 °C，形成垂直均一暖层，墨西拿海峡附近15 °C等温线下探至近170 m，盐度同范围升高，指示ISW影响增强；2022年维持成熟暖咸状态，14.8 °C等温线多位于80–150 m，38.25等盐线较冷相位显著上抬（多在50–100 m）。
3.2.2 中北部第勒尼安与利古里亚陆架：2011年断面北段存在较冷中层水（利古里亚陆架ST205站位157 m处最低位温13.54 °C，DO 6.93 mL L^?1，S 38.21，与WIW一致；北第勒尼安ST166站位151 m处最低位温13.60 °C，DO 7.23 mL L^?1，S 38.20，与TIW贡献一致），并与南部暖水形成明显经向过渡。2016年冷中层水基本局限于利古里亚段，14.7 °C等温线显著加深，S>38.25水体在100–250 m广泛出现，标志暖咸阶段在中北部第勒尼安陆架开始。2022年暖咸状态持续但沿断面表现不同，南部等温线向表层南移上抬，中层水向低纬扩展（位温14.25–14.5 °C），38.25等盐线较上年更深并向北加深。
3.3 冬季表层条件与大气强迫：2月SST在2009—2012年变率大，13.4 °C等温线覆盖中北部第勒尼安大部，最冷区始终位于BCG；2012、2014、2018、2021年出现与博尼法乔偶极子一致的表层热力偶极型。2013年后冷SST信号范围明显收缩并日益局限于BCG，2014年起13.4 °C等温线在大部分海盆消失。BCG代表点（10°E，41.5°N）月平均气温显示2012年2月约7 °C、2020年2月近12 °C；BCG区域经向风分量2012年2月约?6 m s^?1，2020年2月近零；2012年2月海表热损失达约?320 W m^?2，2020年2月最低约?200 W m^?2。再分析显示2012年2月13.8–14 °C以下等温线下探至约200–300 m，指示强冬季冷却与深垂直混合；2020年2月冬季冷却下探主要限于上部50–100 m。120 m位温场显示2012年2月西部第勒尼安大部位温低于14 °C，2020年2月高于14.8 °C（局地超15 °C）的水体广泛分布且水平梯度减小。

讨论与结论：CTD观测表明，研究期意大利西部陆架表层与中层均发生了由相对冷咸向暖咸状态的 regime shift，与近几十年西地中海表层与中层水报告的广泛温盐变化一致。2011年西西里北部陆架最强低盐信号与BTC路径一致，2014年低盐水分布与MTC及其中尺度再循环向北输运AW一致；早期航次S_min解释需谨慎，晚春S_min未必与夏季航次采样为同一物理特征。观测到的温盐演变与两个并发过程一致：伊奥尼亚来源暖咸水侵入南部第勒尼安增强，以及记录早期较冷中层水信号逐渐消失；二者相对因果尚不能明确建立，可能作为耦合系统共同作用。最低温中层水信号处DO约7.1 mL L^?1，接近典型表层值，指示近期通风的中层水；仅凭DO不能确定环流路径或确切来源。冬季表层冷却减弱与中层水信号衰退及ISW影响水与TIW/WIW主导水之间温盐锋北移相一致；冬季浮力损失减弱时过渡中层水形成与通风效率预期降低。研究未解析中层水自利古里亚海与利翁湾向第勒尼安海输送的后续环流路径，冬季形成与后续平流的相对作用无法由本数据集评估。南部第勒尼安海温盐演变还可能受NIG与BiOS相关环流变率影响，BiOS驱动环流变化调制东、西地中海盆地间交换，影响AW与中层水路径与性质；本研究未直接评估BiOS相位或伊奥尼亚环流变率，其贡献无法定量。总体而言，结果凸显了协调盆地尺度观测与模拟对约束大气强迫、区域环流与中层水形成耦合的重要性。研究结论：本研究利用EVATIR计划2009—2022年12次夏季CTD航次的独特数据集，结合卫星SST、大气强迫与三维海洋再分析产品，调查了意大利西部陆架表层与中层水团的空间与年际变率，记录了由相对冷咸向暖咸状态的明显 regime shift，其特征为较冷中层水信号逐渐消失以及具有ISW温盐特征的暖咸水体在90–200 m中层影响增强；二者相对因果虽不能明确建立，但可能作为耦合系统共同作用。卫星冬季SST、大气强迫与海气热通量指示记录早期冷冬与近年暖冬之间冬季冷却条件迥异；BCG因持续气旋式环流仍为冬季最冷区，但其冬季SST亦升高，指示第勒尼安海盆冬季冷却总体减弱，与冬季浮力损失减弱相一致，有利于中层水形成减弱；海洋再分析产品显示2020年2月较2012年2月BCG内冬季混合更浅、空间范围更小，上层海洋结构更层化。在盆地尺度上，南部第勒尼安海温盐演变与NIG及BiOS相关变率可能作为盆地间交换背景调制因素相一致。总体而言，这些发现凸显了冬季大气条件与大尺度环流变率对西地中海陆架温盐演变的潜在影响；所讨论过程的复杂性凸显了持续长期观测、高分辨率模拟与卫星监测对改进地中海温盐变率认识的价值。