出品：科普中国

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，推荐科研经历，塑造科学世界。让大家跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

我叫何庆友，我就职于中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室，我主要的研究方向是海洋动力过程的环境效应，通俗地说，就是研究海水流动对海洋温盐分布和生态环境的影响，试图破解海洋环境变化背后的机理。

研究团队在讨论有关科学问题

（图片来源：由付恬拍摄）

在全球变暖背景下，不只陆地面临更为极端的干旱、洪涝、高温等事件，海洋也同样面临着诸如极端高温、缺氧、酸化等事件的威胁。理解这类极端环境事件的发生机理与变化趋势，是大家准确预测将来海洋环境变化并拟定有效应付手段的必要首要条件，也是大家从事这方面研究工作的初衷。

海洋有多层，大家为何要研究次表层的温度？

海洋一般被划分为表层、近表层/混合层、次表层和深层海洋。海洋近表层的温度遭到太阳辐射的加热，温度最高，且呈现显著的季节变化特点。

伴随深度的增加，太阳辐射对海水温度的影响减弱，因而次表层温度显著减少，且没有明显的季节变化特点。

比如，副热带海洋海表温度在冬天约为22℃、夏天则高达28℃，但在100米深度处，这种季节性温度变化特点已几乎不可见，海水温度在23℃附近，且伴随深度的增加而减少，至1000深度处一般只有5℃左右。在1000米以深的深海，温度长期保持在2-4℃。

海洋次表层是很多海洋生物的栖息地，包含一些尚未被充分研究和开发的鱼类种群。这里有适合的温度环境，且光照微弱，便于鱼类躲避天敌的捕食。甚至不少鱼类会选择白天躲在这里休息，夜幕即将来临后，再游至海表附近觅食。这类生物对保持海洋生物多样性和生态系统平衡至关要紧。

然而，极端温度事件或许会对它们的栖息地产生严重干扰，进而影响整个海洋生态系统功能的稳定性。譬如，海洋热浪（冷浪）。

海洋热浪（冷浪）是指温度超越肯定阈值的持续性高温（低温）事件，这种极端温度事件会破坏海洋生物栖息环境，引发珊瑚白化、海草甸和海带林退化、贝类和鱼类死亡等、导致生态系统和社会经济的灾难性后果。

糟糕的是，近几十年来，伴随全球变暖加剧，海洋热浪（冷浪）的发生频率和强度不断上升，遭到全球科学家和社会各界的高度关注。

迟迟解不开的难点，在卫星遥感图中找到了突破口

现有绝大部分关于海洋热浪或冷浪的研究集中于海洋表层，这主如果由于卫星遥感提供了过去40多年全球海洋天天海表温度的变化信息。基于热收入支出等剖析办法，科学家们已经明确了表层热浪或冷浪主如果由海气热交换、海水平流与混合等过程引发。

但卫星遥感没办法直接观测海表以下的温度，这使得海洋内部极端温度事件的观测与研究很难拓展。有研究尝试通过海表温度变化推断次表层极端温度事件，但成效并不理想。

潜标站点观测是现在获得深海连续温度数据的效果最好方法，大家剖析了8套坐落于全球不同海盆、最长观测时间超越15年的潜标数据，发目前海洋100米以下，80%以上的热浪或冷浪事件的发生与表层热浪或冷浪没直接关联，这说明通过海表温度探测次表层极端温度事件缺少可行性。

除去了解用海表温度探测次表层极端温度事件这条路走不通以外，剖析数据的时候，大家有了更大的收成。

很有趣，结合卫星遥感探测的的中尺度涡旋海表特点，大家发现这类次表层热浪（冷浪）事件中有一半发生在反气旋涡（气旋涡）经过期间。

海洋涡旋，巨大的热水浴缸/冷水池

涡旋是旋转的流体，当旋转速度足够快时，它们能保持我们的稳定结构较长一段时间，并对所过之处的环境导致重大影响。

容易见到的涡旋现象包含河流里面的水涡、陆地上空的龙卷风、海上的台风/飓风乃至整个银河系的星云等。

海洋涡流

（图片来源：Veer图库）

上：海上飓风 下：宇宙中的星云

（图片来源：Veer图库）

海洋涡旋是指海洋中直径几十至上百公里的巨大旋转流体。这类涡旋的大小等于国内一个中等面积的省份。它们可以持续存在几周甚至几个月，影响深度从海表直达水下几百甚至上千米。

依据旋转方向的不同，海洋涡旋分为气旋涡和反气旋涡两种。北半球，逆顺时针旋转的涡旋称为气旋涡，顺时针旋转的涡旋称为反气旋涡（南半球则相反）。反气旋涡在顺时针旋转的过程中，因为地球自转产生的科里奥力影响，流体向右偏转，海水向涡旋中心辐聚，使海平面隆起（气旋涡内状况相反）。因此，可以通过高度计卫星遥感的海面高度变化探测到这类涡旋的活动。

反气旋涡内海水向涡中心辐聚后，因为水柱重力增加会向下下沉。这一过程会将近表层温暖的海水下压带到深层，使涡内海水温度高于周围水体，因此也常被叫做“暖涡”。同理，气旋涡则常被叫做“冷涡”。

全球尺度的发现，涡旋对海洋次表层热浪冷浪的影响

通过长期潜标站点的观测，大家捕捉到了海洋次表层热浪和冷浪的发生特点。同时，结合高度计卫星遥感的涡旋海表信息，大家发现了反气旋涡和气旋涡在引发这类次表层热浪或冷浪事件中的重点用途。

但，全球海洋环境和涡旋活动均存在强烈的地区差异性，基于仅有些这类潜标站点观测没办法达成全球尺度上的评估。

为此，大家将目光转向了全球各类观测平台积累的数百万条全球海洋历史温度剖面观测数据。

为验证这类数据在描述极端温度事件方面的有效性，团队提取了每一个潜标站点周围5°×5°范围内的历史温度剖面数据，统计其极端温度扰动强度及发生在中尺度涡内的比率，并与潜标观测结果进行比较，得到了非常不错的一致性。这意味着大家可以用这类离散的历史温度数据近似替代时间连续的温度观测，以剖析中尺度涡对海洋极端温度事件的影响。

基于此，大家团队历时3年，剖析了1993-2019年全球海洋200多万条历史温度剖面数据，达成了对全球海洋上层1000米、每5°×5°网格内极端温度扰动强度阈值的估算，为极端温度的观测与判断提供了依据。同时，结合卫星遥感的涡旋信息，进一步对涡旋的贡献进行了全球评估。

气漩涡与反气旋涡的形成示意图

（图片来源：中国科普博览自制）

结果显示，反气旋涡和气旋涡对全球海洋表层热浪和冷浪的平均贡献率仅约10%，但对次表层热浪和冷浪的平均贡献可达30%，而在副热带流涡区和中纬度强流区更高达60%以上。

不只这样，强度越大的极端事件，涡旋的贡献用途越显著。在振幅大于40厘米的强反气旋涡或气旋涡内，发生次表层极端温度事件的可能性是涡外的六倍以上。

为了研究次表层热浪/冷浪的响应，大家还估算了1993至2019年间10个不同动力海区发生在涡内与涡外极端温度异常的线性趋势，发现涡旋加剧了全球海洋热浪和冷浪的增强速率。

初步剖析显示，海洋变暖引发的涡旋增强有哪些用途远高于垂向层化增强，是涡旋放大效应的主导机制。

总的来讲，大家的研究初次发现了涡旋在驱动海洋次表层极端温度事件中饰演的重点角色。

这与海气热强迫等过程主导的表层极端温度事件是不一样的。因此，也可以讲解为什么大伙很难通过海表温度变化信息准确探测次表层极端温度事件。相比之下，卫星遥感的海面高度变化信息能有效追踪涡旋活动，可以成为探测次表层极端温度事件，特别是强热浪/冷浪事件的一个重点指标。这将为次表层极端事件的探测与预报提供一种全新的思路，也是大家下面努力的一个要紧方向。

保护海洋、保护地球，需要大家每一个人的力量

自工业革命以来，海洋吸收了大多数人类活动产生的热量，对全球气候至关要紧。而伴随全球变暖，海洋环境变化加剧，极端事件频发，不只威胁着海洋生命健康和生态环境安全，也会对大家的经济进步和社会稳定导致巨大的冲击。

作为一名研究海洋的科研职员，我见证了许很多多海洋现象的奥秘被渐渐揭开，也直观感觉到了海洋环境和气候显著变化带来的重压。

这不只让我对海洋科学充满了敬畏，也愈加认识到人类在保护海洋和地球环境方面的责任之重大。

大家需要审慎考虑怎么样在追求进步的同时，更好地保护大家赖以存活的地球。我想呼吁大伙一同关注气候变化，保护海洋，保护环境。这不止是科学问题，更是关乎人类将来存活与进步的问题。

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