IBS气候物理研究组利用超高分辨率气候模型揭示“极地海洋扰动增强”机制
有分析指出，随着地球变暖加速导致极地海冰迅速融化，今后极地海洋洋流将向更加不稳定、剧烈波动的体系转变。
基础科学研究院（IBS）气候物理研究团研究团队利用超高分辨率地球系统模式（CESM-UHR）开展模拟研究，发布结果称，人类活动引发的变暖会减少海冰，从而显著强化海洋的中尺度水平搅动（mesoscale horizontal stirring）现象。
在当前大气二氧化碳浓度（左）及四倍增（右）条件下的北冰洋三月份中尺度水平扰动对比。研究利用有限尺寸李雅普诺夫指数（FSLE）对中尺度水平扰动进行定量化。FSLE 数值越高（颜色越亮），表示水平扰动越强。图由 Lee Kyuseok IBS 气候物理研究团学生研究员提供（图中所用底图借自 NASA 的 Visible Earth）。
View original image此次研究通过将大气、海冰与海洋整合在一起的超高分辨率全球系统模式，首次定量刻画了极地海域的动力学响应，被评价为气候物理研究领域的突破性成果。
“中尺度水平搅动”是指在数十到数百公里尺度上，海水在水平方向被搅拌混合，形成洋流、湍流和涡旋等相互叠加的复杂流动。这种流动不仅影响热量和营养盐的输送，还对浮游生物、鱼卵、幼体的分布以及微塑料等污染物的扩散产生重大影响。
然而，由于极地海域在地理上的可达性有限，加之卫星空间分辨率存在局限，高分辨率观测这些过程的研究极为罕见。
研究团队利用名为“Aleph”的超级计算机，构建了大气分辨率为0.25度、海洋分辨率为0.1度的精细耦合模式，并将二氧化碳浓度分别设定为当前水平、2倍和4倍，对不同情景下的变化趋势进行比较。结果显示，随着二氧化碳浓度的升高，北极和南极沿岸海域的洋流和湍流强度以及海水的水平搅动都同步加速。
研究人员采用了表示流体粒子分离速度的“有限尺度李雅普诺夫指数（FSLE，Finite-Size Lyapunov Exponent）”，该指数越大，表明搅动越强烈。
模拟结果显示，在北极海域，由于海冰减少，风对表层海水的推动更为强劲，环流和湍流得到强化；而在南极沿岸，融冰带来的淡水输入加大了海水之间的密度差，从而进一步放大了洋流及混合流动。
在当前大气二氧化碳浓度（左）和四倍增浓度（右）条件下的南极海9月中尺度水平扰动对比。研究利用有限尺度李雅普诺夫指数（FSLE）对中尺度水平扰动进行定量化。FSLE数值越高（颜色越亮），表示水平扰动越强。学生研究员 Lee Gyuseok 供图，IBS气候物理研究团提供（图中所用基础地图引自 NASA Visible Earth）。
View original image第一作者、IBS气候物理研究团研究员 Lee Gyuseok 表示：“地理结构不同的北冰洋和南极沿岸海域，在强化海水水平搅动的动力学过程中表现出截然不同的机制。但在地球变暖持续的情景下，两大海域的搅动都会显著增强这一结果却高度一致。”
通讯作者、釜山大学气候科学研究所教授 Lee Junyi 强调：“现在正是系统探讨水平搅动对鱼卵和幼体生存环境、微塑料扩散以及海洋生物地球化学结构等整个生态系统所产生连锁影响的关键时点。”
这项研究清楚表明，海冰减少并不仅仅意味着冰面面积缩小，而是在从根本上改变极地海洋的“动力学特性”。尤其是在可再生能源与海上风电开发、航道开辟以及极地资源勘探的技术与环境风险评估中，这一变化预计将成为重要的考量因素。
IBS气候物理研究团团长 Axel Timmermann 表示：“目前我们研究团正在开发整合气候与生命系统的下一代地球系统模式。借此，我们将更准确地预测极地生态系统如何响应全球变暖，以及这种响应会对整个地球产生怎样的影响。这样的预测能力也将在推动我国成为气候物理领域世界级枢纽方面发挥重要作用。”
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本次研究成果已发表于国际学术期刊《自然·气候变化》（Nature Climate Change，影响因子27.1）11月5日在线版，论文题目为《海冰减少强化的未来极地海洋中尺度水平搅动》（Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline）。
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