正印度洋偶极子通过海-气-陆多通道机制加剧热带东南大西洋沿岸海洋热浪及其预测意义

《SCIENCE ADVANCES》：Positive Indian Ocean Dipole intensifies marine heatwaves in the tropical southeast Atlantic coastal region

　　本研究针对热带东南大西洋（TSEA）沿岸海洋热浪（MHWs）对海洋生态系统的严重威胁，揭示了正印度洋偶极子（pIOD）通过激发赤道大西洋西风异常（引发海洋开尔文波导致温跃层加深）和增强中非降水（增加刚果河径流导致混合层变浅）的双重通道，显著加剧该区域MHWs的新机制。基于此建立的以pIOD为预测因子的经验模型，可实现提前3个月的高精度预测，为全球变暖背景下该区域海洋灾害的早期预警和生态保护提供了关键科学依据。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

在广阔的东南大西洋沿岸，一片被称为热带东南大西洋（TSEA）的海域，孕育着异常丰富的海洋生物资源，支撑着周边数百万人的生计。然而，这片富饶的海域正日益受到一种极端海洋事件——海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs）的严重威胁。海洋热浪是海洋中发生的持续性异常高温事件，如同海洋的“高烧”，对海洋生态系统、渔业资源乃至区域气候都会产生毁灭性影响。在TSEA区域，海洋热浪会抑制沿岸生产力，导致关键鱼类资源枯竭，并加剧沿海非洲的洪涝风险和内陆地区的干旱条件。因此，深入理解TSEA沿岸海洋热浪的驱动机制，对于预测气候极端事件、减轻其影响至关重要。

以往的研究多关注本地因素或太平洋的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对全球气候的影响，而发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究，则将目光投向了遥远的印度洋。研究人员发现，发生在印度洋的一种重要气候模态——正印度洋偶极子（positive Indian Ocean Dipole, pIOD），可能是解锁TSEA沿岸夏季海洋热浪变化规律的一把关键钥匙。

为了揭示pIOD如何影响遥远的TSEA海域，研究团队综合运用了观测数据分析和数值模拟实验。他们利用了包括海表温度（SST）、海平面高度、海洋流速、温度、盐度、混合层深度（MLD）以及大气风场、热通量等多种观测数据和再分析资料。同时，他们采用了印度洋“领跑者”（pacemaker）实验，这是一种先进的海气耦合气候模型实验方法，通过仅在印度洋区域同化观测的海表温度异常，从而孤立出印度洋海温变化对全球其他区域的气候影响。此外，研究还运用了线性海洋模型来验证特定风应力强迫下的海洋波动响应，并进行了详细的混合层热收支分析，以量化不同物理过程对海表温度变化的贡献。

pIOD增强TSEA沿岸的海洋热浪

观测分析表明，TSEA沿岸的海洋热浪在 austral summer（南半球夏季）表现出显著的年际变化。当pIOD事件在 austral spring（南半球春季）达到峰值时，紧随其后的夏季，TSEA沿岸的海洋热浪活动会显著增强。复合分析显示，在pIOD年份，该区域平均每月海洋热浪天数达到6.9天，是非pIOD年份（约1.0天）的6.6倍。回归分析进一步证实，pIOD指数与TSEA沿岸海洋热浪天数存在显著正相关。这些结果清晰地表明了pIOD在加剧TSEA沿岸海洋热浪中的关键作用。

海洋通道：温跃层加深的驱动作用

pIOD是通过何种“远程遥控”机制影响大西洋的呢？研究人员发现了一条重要的“海洋通道”。pIOD事件会在大气中激发一种遥相关波列，导致赤道大西洋出现西风异常。这些西风异常会驱动海洋产生开尔文波，导致赤道东太平洋海平面升高、温跃层加深。这些信号随后沿着赤道东传，并作为沿海开尔文波沿TSEA海岸向极地传播，造成沿岸温跃层加深。温跃层加深会抑制富含营养盐的冷水上涌，从而有利于海表温度（SST）升高，为海洋热浪的形成创造了条件。混合层热收支分析定量地证实，与温跃层加深相关的垂直动力学过程对SST增暖的贡献超过50%，是主导因素。

混合层变浅的促进作用

除了海洋动力学过程，研究还揭示了另一条“陆地通道”的重要性。pIOD事件会增强中非地区的降水，从而导致刚果河径流增加。大量淡水输入海洋，使得TSEA沿岸海域的海表盐度（SSS）降低，海洋层结增强，混合层深度（MLD）因此变浅。一个更浅的混合层有利于太阳辐射热量集中在更薄的水层中，加剧海表升温。热收支分解显示，由MLD变化（即h′项）引起的增暖效应占总正贡献的27%，是仅次于垂直过程的第二大增暖因素。值得注意的是，MLD的变化主要受盐度异常驱动，温度增暖本身的贡献很小。约75%的海洋热浪事件都伴随着盐度诱导的负MLD异常，这突显了水文变化在调节海洋热浪强度中的重要作用。

建立预测模型

基于pIOD与TSEA海洋热浪之间强烈的遥相关关系，研究人员开发了一个简单的经验预测模型，仅以南半球春季的pIOD指数（DMI）作为预测因子，来预测随后夏季TSEA区域的海洋热浪天数。这个简约的模型表现出很高的预测技巧，在1982年至2022年间能够很好地捕捉海洋热浪的年际变化（相关系数r = 0.63）。虽然ENSO对TSEA海洋热浪也有影响，但这种影响很大程度上是与pIOD事件同时发生的；当剔除pIOD的影响后，ENSO相关的信号变得不显著。将ENSO作为额外的预测因子加入模型，仅能略微提高预测技能（r = 0.66），这表明pIOD的影响在很大程度上独立于太平洋气候变率，其预测关系更为稳健。

讨论与意义

该研究揭示了pIOD事件是预测TSEA沿岸夏季海洋热浪的一个关键前兆信号，提前时间可达一个季节。这为改进该区域的海洋灾害预报提供了宝贵的预测源。在全球变暖的背景下，TSEA沿岸已经成为海表温度（SST）快速升高的“热点”区域，这可能会放大海洋热浪的生态影响。同时，多数CMIP6（第六次国际耦合模式比较计划）模型预测未来pIOD事件的发生频率可能增加。尽管模型间存在不确定性，但持续的变暖趋势和可能更频繁的pIOD事件，预示着TSEA海域面临的海