荐读丨Nature 2023年北大西洋极端海洋热浪的驱动因素

MagicJack

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韧性城市研究室  PKU韧性城市研究室  2025年07月26日

0 论文信息

标题：Drivers of the extreme North Atlantic marine heatwave during 2023
期刊：Nature
时间：04 June 2025
作者：Matthew H. England, Zhi Li, Maurice F. Huguenin, et al.
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08903-5

1 摘要

北大西洋的海洋环流和温度模式在全球和区域气候中起着重要作用，影响着从天气尺度到季节、年代际、多年代际甚至更长时间尺度的气候变化。2023年北半球夏季，北大西洋发生了近乎全海盆范围的极端海洋热浪事件，7月达到峰值。这种变暖几乎扩展到北大西洋所有区域，包括副极地海域——过去50-100年这里一直呈现降温趋势，被认为与经向翻转环流减弱有关。然而，导致此次极端海洋变暖的机制尚不清楚。

本研究使用观测约束的大气再分析数据、海洋观测数据和模型模拟表明，作用于极浅表层混合层的海气热通量（而非异常的海洋热输送）是此次极端海洋变暖事件的主要原因。主导因素是异常弱的风场导致混合层显著变浅，从而使北大西洋浅表层温度快速上升。此外，太阳辐射异常在某些与主要航运路线大致对应的区域也对局地变暖有贡献，表明减少硫酸盐排放可能也起到了局地作用。随着近几十年来混合层变浅的趋势持续，并预计未来将继续发展，北大西洋海洋热浪的严重程度将会加剧。

2 引言部分

海洋热浪是指特定海域海洋温度持续异常偏高的时期，可能对海洋生态系统和依赖海洋的人类系统造成严重破坏。海洋热浪还会影响大气条件，包括改变天气模式和邻近地区的陆地热浪。2023年夏季北大西洋海洋热浪与欧洲大范围极端热浪（特别是7月）相关，其强度之大使其成为当年全球平均温度破纪录的重要因素。6-9月欧洲部分地区还出现了强风暴和洪涝降雨，可能因北大西洋异常高温导致蒸发增强和大气水汽含量增加而加剧。2023年全年降水异常显示，欧洲和英国许多地区的总降雨量比1991-2020年高出10-20%。

鉴于北大西洋海洋热浪可能造成重大生态破坏并引发欧洲等地区的严重热浪和洪涝，理解2023年这一特殊事件的驱动因素十分重要。

3 2023年北大西洋海洋热浪

2023年北大西洋海洋热浪事件是气候变化背景下的一次极端海洋异常现象，其形成机制和演变特征具有重要的科学研究价值。本次事件展现出三大显著特征：首先，海表温度异常呈现阶段性演变，5月初始升温后，6月东部海域急剧增温2℃以上，7月西北海域接力升温，8月扩展至格陵兰周边；其次，大气环流异常表现为北大西洋高压系统显著减弱，与ENSO事件形成遥相关，导致创纪录的弱风条件；第三，海洋响应呈现混合层深度异常变浅，较历史均值偏浅达4个标准差，形成"浅层快速增温"的典型模式。

从驱动机制来看，多重因素共同促成了这次热浪事件：大气方面，异常弱风减少了海洋热量散失和蒸发冷却，同时导致低云量减少，增加了太阳辐射吸收；海洋方面，长期混合层变浅趋势（每十年0.58米）降低了热容量，而格陵兰融水输入进一步强化了表层分层；人类活动方面，航运排放减少可能通过气溶胶-云相互作用增强了局地太阳辐射。这些因素相互作用形成了"弱风-浅层-增温"的正反馈循环，最终导致2023年夏季北大西洋出现前所未有的海洋热浪事件。

该事件的影响深远：在生态系统层面，异常高温改变了物种分布和生物量；在气候系统层面，通过海气相互作用加剧了欧洲极端高温天气；在长期气候变化方面，可能影响大西洋经向翻转环流。研究显示，虽然太阳辐射异常在局部区域起到助推作用，但混合层变浅仍是全海盆异常增温的主导因素。这一发现对理解未来海洋热浪的变化规律具有重要启示，随着全球变暖持续，类似极端事件的发生风险和强度可能进一步提升，亟需加强监测预警和适应措施。

4 表面温度收支

为了量化各种驱动因素的相对重要性，我们接下来使用由大气再分析场强迫的海洋模型模拟，研究峰值变暖月份表层混合层的温度收支。评估了两个模型模拟，两者都捕捉到了2023年夏季北大西洋异常变暖的主要特征。这里我们分析由ERA5大气再分析场强迫的海洋模型；由JRA55强迫的模拟也得到了类似结果。

观测估计的混合层温度(MLT)收支也可以重建，包括所有表面海气热通量项，但由于观测记录稀疏，无法解析海洋平流和混合项，且存在较大不确定性。尽管如此，观测推导的估计和两个模型模拟在MLT收支计算结果上总体一致。

图4a显示了ERA5强迫模型模拟的2023年5-8月北大西洋总表面变暖的分析，分解为MLT趋势异常(°C/月)和其他相对于1981-2010气候平均的收支项。由于收支公式是MLT收支，每项的异常（例如由海气热通量引起的变暖）可以单独由MLD异常引起，也可以与热源项本身的异常共同引起。图4（下面板）还绘制了2023年6-7月MLT趋势项的地理分布，分为净海气热通量引起的变暖异常和海洋环流与混合共同效应引起的变暖异常。图5a包含了由ERA5海气热通量结合Argo浮标数据和其他水文测量得出的基于观测的MLT收支。

模型和观测的MLT收支都表明，创纪录的表面海洋变暖是由于异常浅的混合层、晴朗天空和高入射短波辐射共同作用的结果。然而，对异常表面热通量与异常浅MLD相对作用的分解（Qsw项中显示的柱状图）显示，异常浅的混合层在全海盆变暖中起主导作用，因此即使海气热通量与气候平均夏季没有差异，海洋热浪也会几乎同样严重。相比之下，太阳辐射异常的影响更具局地性。区域分析显示，入射太阳辐射高于平均水平起主导作用的区域大致对应于低云和中云减少的区域。其中一些区域也与主要航运路线重合，在这些区域，硫酸盐排放减少与天空更晴朗和入射太阳辐射增加有关。低云覆盖减少的部分原因可能与航运排放减少的间接效应有关。

总体而言，我们的区域温度收支分析表明，虽然全海盆表面变暖主要由混合层变浅驱动，但航运排放减少可能在2023年北大西洋海洋热浪中起到了局地作用。然而，在量化航运排放减少的直接和间接辐射影响方面仍存在不确定性，其他因素也可能导致这些短波辐射异常，如天气和气候模态变化导致的云量减少、接近太阳活动极大期（2024年达到）、表面反照率效应和大气水汽等。

无法用海气热通量项解释的区域包括湾流及其延伸区，那里北上的暖热带表层水平流占主导地位。在其他区域（图4d、g中蓝色阴影表示），异常表面加热超过了表层变暖所需的能量。在这些区域，由于短波穿透效应以及异常垂直夹卷和混合，夏季混合层底部出现增强的垂直热损失。这导致混合层以下水柱显著加热，在观测的温度-深度异常剖面中也可以看到。观测的MLT收支项总体一致，混合层变浅是导致破纪录全海盆海洋热浪的主导因素，异常入射短波辐射也有区域贡献。

MagicJack

（接上文）

5 驱动极端加热的机制

图5b示意性概述了大西洋北半球夏季表层混合层变暖的进程。6月在东部，随后7月在西部，海洋表面的创纪录弱风导致这些区域出现有记录以来最浅的MLD。加上比平均水平更晴朗的天空、较低的云反照率和跨海气界面的净热增益，这产生了一个正反馈，导致北大西洋大部分区域出现非常浅且非常暖的混合层。尽管表层变暖进程在6月东部北大西洋和7月西北北大西洋分别展开，但相同的总体机制似乎控制着这两次表层变暖爆发：即由异常弱风、晴朗天空和浅混合层驱动的表面加热。

航运主要航线硫酸盐气溶胶排放减少也被提出是2023年破纪录变暖的驱动因素。通过重新计算北大西洋温度收支异常，假设(1)气候海气热通量和(2)气候MLD，我们证明在海盆尺度上，异常弱风导致的浅混合层是创纪录全海盆北大西洋变暖的主导驱动因素。我们还发现证据表明，航运排放减少可能在纬度带沿线起到局地作用，导致变暖异常增强，这些区域与该地区主要航运路线重合。鉴于ERA5不包括航运排放的年际变化，我们通过在所有北大西洋区域额外施加+1 W m-2的入射太阳辐射异常来进一步测试这些结果。在所有分析中，模型和观测结果对这种增加1 W m-2太阳辐射的情况保持稳健，结果变化极小。

对过去几十年海洋和大气测量的分析显示，北大西洋海洋表面风场没有明显的长期趋势，但所有季节混合层都有明显变浅的趋势，夏季入射太阳辐射也有显著增加趋势。在没有表面风趋势的情况下，混合层变浅趋势必定是由夏季加热增强和表层淡水输入共同驱动的，这两者都会增强上层海洋的分层。分析显示，过去四十年来北大西洋混合层变浅趋势主要由表层海洋变暖驱动，热带和副极地纬度表层淡化也有较小贡献。多年代际表层海洋变暖主要由长期人为变暖引起，入射太阳辐射趋势（ERA5数据估计为每十年+0.58 W m-2）可能也有额外贡献，这与航运排放减少和太阳周期变化一致。

总体而言，变暖和淡化导致过去十年比20世纪末期混合层浅得多。混合层变浅的趋势使大西洋更容易发生类似2023年观测到的严重夏季海洋热浪。北太平洋严重海洋热浪的类似预条件也被注意到。

6 总结与讨论

总之，2023年夏季北大西洋海洋表层混合层的异常变暖在观测记录中无论空间尺度还是强度都是前所未有的，形成了近乎全海盆范围的异常，并持续至今。我们确定这次极端北大西洋海洋热浪的主要驱动因素是低风速和异常浅的混合层，以及异常晴朗天空和增加的表层海洋热通量的区域贡献。此外，我们的研究强调了混合层变浅在极端夏季海洋热浪发展中的重要性，因为在气候变暖季节，浅混合层可以导致表层快速变暖，而不需要异常的辐射或进入海洋的湍流热通量。

2023年观测到的创纪录浅混合层似乎得到了北大西洋长期混合层变浅趋势的支持，这一趋势预计将持续到未来。因此，类似事件发生的可能性预计在未来几年及以后会增加。随着盛行大气环流将海洋气团移向欧洲和其他地区，加上夏季加热接近格陵兰和大西洋经向翻转环流的源水，这对区域到全球尺度的未来气候具有潜在重大影响。

7 研究重要图表

图1：北大西洋海表温度异常演变图

图2：表面风速与风矢量异常图

图3：混合层深度（MLD）异常图

图4：模型模拟的MLT收支异常图

图5：观测的MLT收支异常与机制示意图