IF50.5｜2023年北大西洋极端海洋热浪的驱动机制

异常弱风导致混合层极端变浅，是2023年北大西洋破纪录海洋热浪的主导因素。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

北大西洋海洋环流和温度模态对全球和区域气候具有深远影响，从天气尺度到多年代际尺度均有关联。海洋热浪指特定区域持续异常高温事件，可严重破坏海洋生态系统并影响人类系统，还能改变大气环流，加剧邻近地区陆域热浪和极端降水。2023年夏季，北大西洋出现了近乎全盆地的极端海洋热浪，海表温度在6-7月远超历史纪录，并持续至年底。该事件与欧洲大范围热浪和强降水相关联，并显著贡献了当年全球平均气温的破纪录升高。此前研究已注意到2023年北大西洋异常增暖，但其驱动机制尚不明确。

科学问题

卡在哪里： 已有研究提出多种可能因素，包括大气环流异常、沙尘减少、航运排放减少导致的太阳辐射增强等，但缺乏定量评估。特别是，海洋热输送异常是否主导、海气热通量与混合层深度变化各自的贡献大小，以及局地辐射强迫的作用，均未得到系统解析。

本文要回答： 本文旨在定量揭示2023年北大西洋极端海洋热浪的主导驱动因子，区分海气热通量异常与混合层变浅的相对贡献，并评估局地辐射强迫的可能作用。

技术路线

作者主要用了：ERA5再分析、IAPv3海洋观测、ACCESS-OM2海洋模式、混合层温度收支。

作者首先利用ERA5再分析刻画2023年北大西洋海表温度异常的时空演变，并对比海洋模式模拟结果。随后分析风场、云量、海气热通量及混合层深度异常，发现弱风与浅混合层在时空上与增暖事件高度吻合。进一步，通过构建混合层温度收支方程，将增暖分解为海气热通量、短波穿透、平流、夹卷和混合等项，定量比较各因子贡献。同时，利用观测数据重建收支，并检验航运排放减少的敏感性。最后，结合长期趋势分析，探讨混合层变浅对海洋热浪未来风险的影响。

图 1　Fig. 1。图1展示了2023年北大西洋海表温度异常的演变。a图显示2023年（红色粗线）在6-7月远超历史纪录，且模式模拟（黑/灰线）能再现这一特征。b图将总异常分解为东部和西部贡献，显示6月东部快速增暖，7月西部接替。c-f图显示5-8月增暖的地理分布，6月东部大范围增暖超过2°C，7月西北大西洋（新斯科舍至拉布拉多海）异常升温，8月格陵兰附近和哈德逊湾继续增暖。

核心亮点

亮点 1｜弱风导致混合层极端变浅

2023年6月，北大西洋东部出现创纪录的弱风，导致混合层深度异常偏浅，达到约3个标准差的极端事件（发生概率仅0.13%）。7月，弱风区转移至西北大西洋，混合层深度异常达到约4个标准差（发生概率0.003%）。混合层变浅使得海表热容量大幅降低，在相同海气热通量下，海表温度升高更为迅速，形成正反馈。长期观测显示，北大西洋夏季混合层深度自1980年以来以每十年0.58米的速度变浅，2023年夏季平均混合层深度（20.6米）比1980-2000年气候态均值（25.1米）浅约20%，为极端增暖提供了有利背景。

图 2　Fig. 2。图2显示风场异常与海表温度异常的空间对应关系。a-d图分别对应5-8月，阴影为风速异常，箭头为风矢量异常。6月（b图）东部弱风区与增暖区重合，7月（c图）弱风区移至西北大西洋，与当地增暖爆发一致。8月（d图）几乎所有增暖区都对应弱风。这表明弱风是增暖的关键驱动因素。

亮点 2｜海气热通量异常贡献有限

混合层温度收支分析表明，2023年5-8月北大西洋海表增暖主要归因于混合层异常变浅，而非海气热通量异常。在模式模拟中，即使将海气热通量固定为气候态平均值，仅由混合层变浅引起的增暖幅度仍可达到实际增暖的约80%。观测重建的收支结果与模式一致。这表明，即使没有异常的太阳辐射或湍流热通量，仅凭混合层变浅就足以驱动破纪录的增暖。

图 3　Fig. 3。图3展示混合层深度异常。a-d图显示5-8月混合层深度异常（以标准差为单位），红色等值线为+1°C海温异常，蓝色为-1°C。6月（b图）东部混合层显著变浅，7月（c图）西北大西洋混合层异常浅。e图显示北大西洋平均混合层深度异常时间序列，2023年夏季达到约-3至-4个标准差，为历史极值。

亮点 3｜太阳辐射异常的局地贡献

尽管海气热通量异常在盆地尺度上贡献有限，但在部分区域，尤其是与主要航运航道重合的纬度带，太阳辐射异常对增暖有显著贡献。这些区域云量减少，入射太阳辐射增强，可能与2020年国际海事组织限硫令导致的硫酸盐气溶胶排放减少有关。然而，敏感性试验表明，即使额外增加1 W/m²的太阳辐射（约为航运减排影响的高估值），盆地尺度的结论依然稳健，说明辐射异常仅起局地作用。

图 4　Fig. 4。图4展示模式模拟的混合层温度收支分解。a图显示5-8月各收支项异常，红色柱为总增暖趋势，橙色柱为净海气热通量贡献，绿色柱为混合层底部冷却（垂直混合和夹卷）。短波辐射项被进一步分解为仅由混合层深度变化（MLD′）、仅由海表短波辐射变化（QSW′）和仅由混合层底部短波穿透变化（QSW,H′）引起的贡献。结果显示MLD′项主导增暖。b-g图显示6-7月各收支项的空间分布，进一步证实混合层变浅的主导作用。

亮点 4｜长期混合层变浅趋势加剧风险

过去四十年，北大西洋夏季混合层深度呈显著变浅趋势，主要由海表增暖导致的层结增强驱动，部分区域还受淡水输入影响。这一趋势使得海洋热浪发生的概率增加。2023年的极端事件叠加在长期变浅趋势之上，表明未来类似事件可能更加频繁和剧烈。

图 5　Fig. 5。图5展示观测重建的混合层温度收支及机制示意图。a图与图4a类似，但基于ERA5海气热通量和IAPv3海洋数据，结果与模式一致，显示混合层变浅主导增暖。b图为机制示意图，概括了夏季增暖的演变过程：弱风→混合层变浅→海表快速增暖→层结增强→混合层进一步变浅的正反馈循环。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： ERA5再分析、IAPv3海洋观测、ACCESS-OM2海洋模式、混合层温度收支
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 关注海洋热浪、海气相互作用和气候归因的研究者，以及从事海洋模式诊断和再分析数据应用的分析人员。

带走一句

做海洋热浪归因分析时，不能只看海气热通量异常，混合层深度的变化往往才是决定海表温度响应的关键，需在收支方程中显式分离。