南海海洋热浪的三维结构特征与几何形态

《Ocean Modelling》：Three-dimensional structural characteristics and geometric morphology of marine heatwaves in the South China Sea

　　王茵迪|孙文进|谢明星|潘永艳|董长明
中国南京信息科技大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京，210044

**摘要**
近几十年来，海洋热浪（MHWs）——定义为持续异常升高的海洋温度事件——在多个海洋盆地中变得更加频繁，对海洋生态系统和更广泛的海洋环境产生了深远且有时是不可逆转的影响。现有大多数研究通过海表面温度来检测MHWs，并主要集中在水平、二维属性上；因此，这些事件的垂直结构、内部形态以及完全三维的演变过程仍不够清晰。本文利用GLORYS12V1全球海洋再分析数据，建立了一个系统框架，用于检测和统计描述南中国海（SCS）中的三维海洋热浪。平均强度最大值位于海表面；相反，持续时间、空间覆盖范围和累积强度则由150米至220米深度范围内的次表层异常温度决定，这种垂直分布与传统的以海表面为中心的MHWs描述方式形成鲜明对比。受到现有中尺度涡旋垂直结构分类法的启发，我们引入了一种类似的三维MHWs形态分类法，识别出五种典型形态——碗形、棱柱形、圆锥形、柱形和平面形——从而为比较分析提供了标准化的命名体系。虽然平面形MHWs出现的频率最高，但圆锥形和柱形事件由于明显的垂直连续性，在累积强度和体积大小方面占比更大，这表明异常热量向下渗透并储存在海洋内部。不同形态结构的共存表明，SCS中的三维MHWs处于不同的垂直发展阶段，并受到多种动态因素的影响，因此无法用单一的统一概念模型来解释。

**引言**
自工业革命以来，全球海洋经历了长期的气候变化，显著升温。由于海洋具有巨大的热容量和广阔的表面积，它吸收了几乎90%由温室气体排放产生的额外热量，导致了现在被归类为海洋热浪（MHWs）的极端温暖事件（P?rtner等人，2019）。最近的观测表明，MHWs已变得普遍存在：2020-2021年间，西北太平洋记录了破纪录的热浪事件（Li等人，2023；Yao等人，2023）；白令海和阿拉斯加海域极端温度事件显著增加（Carvalho等人，2021；Szymkowiak等人，2023）；日本海的年累积强度几乎是全球平均水平的两倍（Wang等人，2022）；地中海在过去四十年中，热浪的持续时间、强度和频率都呈上升趋势（Garrabou等人，2022；Pastor等人，2023）。

令人信服的证据表明，海洋热浪（MHWs）会引起长期的生态和社会经济扰动：它们会引发物种重新分布或大规模死亡（Cavole等人，2016），改变食物网动态，破坏海洋碳和氮循环（Arias-Ortiz等人，2018；Barbeaux等人，2020），并进而导致种群数量下降、生物入侵和病原体爆发（Cerrano等人，2000；Marbà等人，2010；Rodrigues等人，2015；Garrabou等人，2019）。这些累积影响会导致珊瑚白化、大型藻类丧失、渔业萎缩、生态系统退化以及可测量的经济损失（Enfield等人，2001；Ferriss等人，2017；Rogers-Bennett等人，2019；Trainer等人，2020；Smith等人，2021）。因此，海洋热浪已成为全球海洋生态研究的焦点，未来这一地位不太可能改变。

南中国海（SCS）位于印度-西太平洋生物地理区域的核心，是地球上生物多样性最丰富的海洋区域之一，拥有广阔的珊瑚礁、红树林带和海草草甸，这些生态系统支撑着价值约500万吨的渔业产量（Morton等人，2001；Huang等人，2015）。在最近五年中，MHWs已从偶发异常现象转变为频繁发生的现象，导致群岛架上的珊瑚群体白化（Chen等人，2022），压缩了商业渔业的捕捞量，并加剧了网箱水产养殖中的每日死亡率（Feng等人，2022；Lyu等人，2022）。作为半封闭的边缘海域，SCS由于过度捕捞和反复出现的热浪而经历了高价值鱼类的持续减少（Su等人，2020）。

先前的研究表明，SCS中MHWs的形成是表面热通量和海洋平流相互作用的结果，而区域极端升温与西边界流的减弱以及暖水流进入大陆架有关（Xie等人，2003；Wei等人，2016；Xiao等人，2018；Wang等人，2021）。具体来说，边界流减弱导致上层海洋热量积累增加（Liu等人，2004；Fang等人，2013；Wei等人，2016；Zhao等人，2016；Sun等人，2020；Wang等人，2021），而不稳定的跨大陆架环流将温暖的开放海域水带到北部大陆架，改变了局部热平衡（Wang等人，2018，2020；Liu和Gan，2020；Wang等人，2021）。然而，当前的研究主要集中在表面特征和统计总结上，因此SCS MHWs的三维结构、驱动机制及其生态后果仍不清楚。

**图1**
在描绘海洋热浪的时空特征和动态催化剂方面已取得显著进展（Hobday等人，2016；Oliver等人，2018；Holbrook等人，2019；Smale等人，2019；Sun等人，2023a）；然而，研究领域仍存在一些明显的限制。现有文献主要将MHWs视为二维结构，导致其垂直结构和几何特性仅被间歇性地记录下来。来自自主剖面仪和飞机的数据表明，某些海洋热浪（MHWs）在其整个生命周期中并不保持明显的海表面表现；相反，它们主要在次表层或更深的层次中发展（Schaeffer & Roughan，2017；Elzahaby & Schaeffer，2019；Qi等人，2022；Sun等人，2023a），这挑战了仅凭海表面温度（SST）时间序列就能完全表示其空间结构或发展路径的假设。其次，基于固定气候基线的定义——这些定义是在准静态气候假设下制定的——往往高估了未来事件的严重性和持续时间（Oliver等人，2020；Rosselló等人，2023），从而限制了它们在评估生态系统适应能力方面的有效性。最后，基于三维观测和过程解析建模的定量研究仍然非常稀少。鉴于SCS的生态敏感性和复杂的动态环境，系统地剖析MHWs的三维结构对于阐明区域热异常的成因、评估生态风险以及为基于证据的海洋资源管理提供信息至关重要。

**总结**
系统地剖析南中国海（SCS）中海洋热浪（MHWs）的三维结构和生命周期轨迹对于理解其动态机制、量化其生态影响以及为海洋灾害缓解提供证据是不可或缺的。基于此，本研究利用GLORYS再分析数据提供了南中国海地区三维海洋热浪的详细空间表示。本文提出了三个具体的科学问题：（1）SCS中三维MHWs的同时垂直和水平分布模式是什么？（2）基于时空框架检测方案得到的事件统计数据与基于传统阈值定义的数据有何不同？（3）MHWs是否表现出不同的几何结构，这些结构与其基本动态机制有何关联？通过解答这些问题，本研究旨在阐明SCS中MHWs的起源和演变过程，从而为预测和管理区域极端海洋现象提供科学基础。

**数据来源**
本研究使用GLORYS12V1再分析数据集来检测海洋热浪。Copernicus海洋服务提供了GLORYS（全球海洋物理再分析）这一高分辨率的全球海洋再分析产品，该产品采用NEMO海洋模型并整合了来自各种来源的数据，包括卫星高度测量、海表面温度、海冰浓度和Argo剖面浮标数据。该数据集的水平分辨率为大约1/12°，包含50个垂直层次。

**图3**显示了SCS中三维MHWs关键特征的 horizontally 平均垂直剖面，包括深度加权的平均强度（MeanInt）、空间范围（SpatExt）、持续时间（Duration）和累积强度（IntSum）。如图3a所示，MHWs的平均强度在接近海表面时最强，在450米以下迅速减弱。相比之下，空间范围（图3b）从海表面逐渐增加。

**讨论**
在第三节对热强度和空间特征分析的基础上，我们使用表A1中总结的统计指标进一步量化了不同类型MHWs的结构差异。根据表A1，不同类型的MHWs在垂直范围和水平空间覆盖范围上存在显著差异。碗形（Type 1）MHWs具有最大的平均表面积（约40,940平方公里）和最大的垂直范围（约15.1米）。

**结论**
基于GLORYS再分析数据，本研究开发了一套用于识别、统计描述和分析SCS（南中国海）中三维海洋热浪（MHWs）的框架，系统地描述了它们的垂直和水平分布特征。在此基础上，结合MHWs的空间尺度依赖性变化，提出了一种三维MHWs的形态分类方案。

**作者声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金的支持，合同编号为42192562。同时，我们感谢Zijie Zhao提供了用于检测MHWs和海洋寒潮（MCSs）的主要功能代码（https://github.com/ZijieZhaoMMHW/m_mhw1.0）。