Basic Info

• Title: Characteristics and drivers of marine heatwaves in the western South Atlantic / 南大西洋西部海洋热浪的特征和驱动因素
• The author: Camila Artana, Regina R. Rodrigues, Juliette Fevrier, Marta Coll
• Journal: Communications Earth & Environment
• Publication date: 2024

1. What did the author do

该研究利用高分辨率海洋再分析数据（GLORYS12）和 K-means 聚类分析方法，系统地检测并分类了南美洲西南大西洋沿岸（10°S 至 45°S）发生的海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs），并识别了不同类型海洋热浪的主要驱动机制。作者分析了海洋热浪的时空特征、频率、持续时间和强度，并结合大气和海洋气候模式（如 ENSO 和 MJO）探讨了它们与不同海洋热浪类型的关系，为理解区域海洋热浪形成机制及其预测提供了新见解。

2. Why they do this

海洋吸收了全球因人类活动产生的过量热量的约 89%，导致海洋热浪事件变得更加频繁和强烈。这些海洋极端高温事件对海洋生态系统造成严重影响，包括栖息地变化、物种结构调整和大量海洋生物死亡，特别是在生物多样性丰富和渔业资源重要的区域如西南大西洋。虽然已有研究表明局部大气和海洋动力过程以及远程气候模式（如 ENSO）均可驱动海洋热浪，但西南大西洋沿岸的海洋热浪仍缺乏系统的特征描述和驱动机制综合分析。

明确不同类型海洋热浪的特征及其驱动因素，有助于提升对这些极端事件的预测能力和理解，从而为沿岸生态系统保护和资源管理提供科学基础，并为制定适应和预警策略提供支持，减轻海洋热浪对生态和社会的破坏性影响。

3. How they did it

数据来源

本研究综合使用了多种高质量数据集，确保海洋热浪的检测和驱动机制分析具备坚实基础。主要数据来源包括：

• 海表温度（SST）数据 采用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的最优插值海表温度产品（OISST V2.1），该数据空间分辨率为 0.25°，时间分辨率为日，覆盖 1981 年至今。该产品融合多种遥感观测，经过插值生成连续均匀的温度场，适合细致的海洋热浪监测。

• 大气再分析数据 利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的 ERA5 再分析产品，空间分辨率 0.25°，时间跨度 1940 年至今。该数据集提供多层次大气变量，包括 200 hPa 气压高度和 850 hPa 风场，帮助分析大气环流对海洋热浪的远程影响。

• 气候指数

  • ENSO 指数：使用 Niño 3.4 区域的去趋势 ENSO 指数，反映太平洋热带地区的 El Niño 和 La Niña 事件。
  • MJO 指数：采用澳大利亚气象局基于辐射出射长波（OLR）数据计算的 Madden-Julian 振荡指数，反映热带大气振荡状态。

• 海洋再分析产品 选用 Copernicus GLORYS12 全球高分辨率海洋再分析（1/12°），时间范围 1993-2020 年。该产品融合卫星观测、现场探测和数值模式，提供三维温盐动力学数据，能准确再现局地海洋动力过程。

海洋热浪检测方法

研究采用 Hobday 等人提出的海洋热浪定义，具体为：在某空间网格点上，海表温度连续超过该点季节性第 90 百分位阈值，且持续时间不低于 5 天。检测流程通过公开的 Matlab 工具箱自动完成，计算每次事件的关键指标，如持续时间、平均强度、最大强度和累计强度，确保了检测的客观性和一致性。

聚类分析

为揭示不同海洋热浪类型的内在特征和空间分布，研究团队使用 K-means 聚类算法对所有检测到的热浪事件进行分类。聚类特征选取了四个关键指标：

• 平均强度
• 最大强度
• 累计强度
• 持续时间

通过尝试不同聚类数（k 值从 2 至 12），并计算数据点与各聚类中心均值之间的相关系数，确定 7 类聚类结果既能有效区分热浪特征，又保持聚类稳定性。多次随机初始化验证了结果的稳健性。

驱动机制分析

针对每个热浪类别，研究者进行了详细的气候驱动分析：

• 复合分析 统计各类别活跃期间的海表温度异常、200 hPa 气压高度异常及 OLR 异常，并制作复合场图。通过 t 检验评估这些复合场的统计显著性，筛选出关键空间结构，识别区域性大气环流和海温异常的联系。

• 相关性分析 计算各类别海洋热浪时间序列与 ENSO 指数的皮尔逊相关系数，量化 El Niño 和 La Niña 事件对不同区域海洋热浪的影响程度。结合 MJO 指数，分析中部区域热浪与 Madden-Julian 振荡的关系，揭示热带大气振荡在局地热浪触发中的作用。

• 大气环流模式识别 利用 ERA5 大气再分析数据，研究各类海洋热浪对应的阻塞高压系统和波动模式，揭示远程大气环流通过高空波列和阻塞对热浪形成的调控路径。

局地海洋动力作用

此外，研究还结合海洋动力学视角，重点分析南部巴西暖流-马尔维纳斯汇合区的海流和涡旋活动，探讨其对高强度热浪的贡献。通过分析风应力旋度异常和海流变异，揭示局地海洋动力过程如何放大或维持海洋热浪。

总体流程概述

整个研究流程依次为：数据采集 → 海洋热浪事件检测 → 事件特征提取 → K-means 聚类分组 → 复合气候场分析 → 驱动机制关联分析 → 局地动力学辅助解释。该流程融合了遥感观测、再分析数据和机器学习技术，系统解析了西南大西洋海洋热浪的多尺度时空特征及驱动机制。

4. What are the major results

4.1 海洋热浪的空间与时间特征

研究明确揭示了西南大西洋沿岸海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs）在不同纬度带呈现出显著的空间与时间特征差异，体现了区域海洋环境和气候驱动力的复杂异质性。

• 从热浪频率和持续时间来看，北部区域（约10°S至25°S）的MHW平均每年发生约1.5次，且这些事件持续时间相对较长，平均可达30天左右。这一长时间尺度的热浪特征意味着该区域海洋热量积累缓慢但持久，可能与该区相对稳定的大气和海洋条件相关。相比之下，中部区域的MHW事件频率增加至每年约2次，但单次事件持续时间明显缩短，平均约17天，显示热浪活动更加频繁但单次事件强度和影响时间减弱。进入南部区域（约35°S至45°S），热浪发生频率进一步升高至每年3次，但持续时间进一步缩短至约10天，体现为更短暂但更激烈的海温异常过程。

• 关于热浪强度的变化趋势，研究中发现明显的纬度梯度。北部区域MHW的平均强度较低，约为0.7℃，说明热浪相对温和。中部区域热浪强度提升至约1.5℃，表现为中等强度事件。而南部区域热浪强度显著增强，平均达到4℃，在一些极端事件中甚至达到7至10℃的高峰，这些极端值反映了该区域海洋动力和气候条件共同作用下的强烈海温异常。累计强度指标——即温度异常与持续时间的乘积——也显示从北向南逐渐增加，进一步说明南部热浪不仅强度大，且在频率和热量积累方面都更具显著性。

• 图2g和2h的散点图通过颜色编码纬度和聚类类别，形象地反映了不同纬度区域热浪的持续时间与强度关系，展示出北部区域偏向低强度、长持续时间的热浪模式，而南部区域则对应高强度、短持续时间的热浪，且中部区域特征介于两者之间。这种梯度特征充分体现了西南大西洋沿岸气候环境、海洋动力过程与区域海温响应的复杂交互。

总的来说，北部区域受相对缓和的气候和海洋动力条件控制，热浪表现为较弱且持久；南部区域则受强烈的海流动力和气候模式影响，产生频繁且剧烈的短时海温异常。这种明显的空间分异为后续理解不同热浪驱动机制及其生态社会影响提供了基础。

4.2 海洋热浪的聚类分组及其特征

通过K-means聚类分析，研究将所有检测到的海洋热浪（MHW）事件划分为七个不同类别，揭示了西南大西洋沿岸海洋热浪的多样性及区域差异，具体分类特征如图3所示。

北部组（Group 1 和 2）

• 北部热浪主要集中在组1和组2。组1以极长的持续时间为显著特点，平均持续时间达到50至70天，但强度较弱，平均温度异常约为1℃左右。图3a和3h分别展示了组1的平均强度和持续时间，清晰显示其热浪持久且温和的性质。相比之下，组2代表的是短持续时间（约10天）且强度同样较低的热浪事件。图3b和3i对应展示了组2的强度和持续时间，突显出两组北部热浪在时间尺度上的明显差异。该结果提示北部海域存在持续缓慢升温的热浪，也存在相对短暂但仍弱烈的事件，反映了区域气候和海洋过程对热浪持续性的影响。

中部组（Group 3 和 4）

• 中部热浪归为组3和组4，表现出更为复杂的特征。组3事件强度较低，持续时间较短，表现为相对弱且快速消散的热浪，图3c和3j反映了这类事件的低强度与短时间特征。而组4则呈现出较长的持续时间，平均约30天，并且强度中等，通常在1至2℃之间。图3d和3k清楚地展示了组4热浪持续时间和强度的提升，表明该区域存在持续时间较长且热量积累显著的事件。两组热浪的差异可能反映了中部区域大气阻塞和Madden-Julian振荡（MJO）活动在不同时间尺度上的影响。

南部组（Group 5、6 和 7）

• 南部区域热浪主要归为组5、6和7，这些热浪均表现出高强度但短持续时间的特点。特别是组5，强度尤为显著，超过5℃，但持续时间较短，约5天左右。图3e和3l体现了该组热浪的极端强度和时间尺度。组6和7热浪虽然强度稍弱，但仍属于高强度短时事件，图3f、3g及3m、3n展示了这两组的强度和持续时间，表现出相似的空间集中性。它们主要发生在巴西-马尔维纳斯汇合区，受局地海洋动力及远程大气环流共同影响，形成极端的温度异常。

整体来看，聚类分析清晰划分了西南大西洋海洋热浪的七种典型类型，反映了不同区域在强度、持续时间及频率上的显著差异。北部以弱强度且持续时间跨度较大的热浪为主，中部则展现出持续时间和强度兼具的多样化事件，南部则是短暂但极端强烈的海温异常事件。这种多样化的类型结构不仅揭示了海洋热浪的物理驱动机制存在地域差异，也提示了不同气候模态（如ENSO、MJO）及局地海洋动力过程在各区域的不同作用，为后续对海洋热浪形成机理的深入研究提供了清晰的分类框架和指导。

4.3 季节性分布及气候关联

图 4 展示了七类热浪的季节分布：

• 北部热浪 北部区域的组1和组7热浪事件主要集中在南半球夏季，即每年12月至次年3月之间。组1的事件峰值出现在3月，表明该组热浪多发生于夏季末期，这段时间海洋吸收大量太阳辐射，且大气阻塞系统和远程ENSO影响较为活跃，促进热浪形成和延续。相比之下，组7热浪虽然同样集中在夏季，但其活动高峰略微偏向夏季末尾，可能受局地海洋动力和季节性风场变化调节。

• 中部热浪 中部组4和组6的热浪峰值主要出现在2月，明显集中于南半球夏季的早期阶段。这一时间段对应该区域的高太阳辐射输入期，且与Madden-Julian振荡（MJO）活跃期重叠，反映了大气热带扰动对热浪触发的关键作用。组4热浪的强度和持续时间均较显著，夏季早期的气候条件和大气环流模式为其形成提供了有利环境。

• 南部热浪 南部组5热浪则显示出明显的冬季相位锁定，活动高峰集中在每年8月。该时期为南半球冬季，海洋与大气的动力过程发生显著变化，伴随巴西-马尔维纳斯汇合区流场调整及La Niña事件的远程影响，促成短暂但高强度的热浪爆发。组5的季节性特征反映了该区域独特的气候和海洋动力耦合机制，季节周期对热浪的时空分布具有强烈调节作用。

• 

图5展示了西南大西洋七个海洋热浪组的月度时间序列，反映了每类热浪在研究期间的相对强度和空间覆盖比例的变化趋势，同时叠加了ENSO事件的正（El Niño）和负（La Niña）相位信息，揭示了热浪发生与ENSO振荡的密切关联。

具体来看，北部组1和组2的时间序列明显与El Niño事件同步升高，表现出较强的正相关性。这意味着在El Niño发生及发展阶段，北部区域海表温度异常显著增强，热浪频率和强度显著上升。El Niño通过改变赤道太平洋和大气环流模式，影响了大西洋上空的远程大气波列，促发高压阻塞和增强的辐射入射，从而加剧了北部海洋热浪的形成和持续。

相反，南部组5、6和7的时间序列则与La Niña事件呈负相关，显示La Niña期间南部区域海洋热浪活跃度显著提升。这些组别的热浪频率和强度在La Niña事件期间达到峰值，表明La Niña通过调整南半球大气环流和海洋动力过程，促进了巴西-马尔维纳斯汇合区及其邻近区域的高强度海温异常。

这种明显的正负相关分布突出了ENSO作为全球主要气候模态对西南大西洋海洋热浪空间分布和时间演变的双重调控作用。它不仅影响热浪的发生频率，也对热浪强度和持续时间产生深远影响，为该区域的气候预测和生态风险评估提供了重要线索。

4.4 海表温度异常空间模式

图6呈现了西南大西洋七类海洋热浪对应的海表温度（SST）异常复合场，清晰展示了各类热浪与全球和区域大尺度海温异常模式的联系，反映了热浪事件的气候驱动背景。

• 北部组 1 和 2 这两组热浪明显伴随着典型的El Niño事件所导致的赤道太平洋暖异常，复合场中赤道中东太平洋区域呈现显著的正温异常。同时，印度洋及南太平洋部分海域亦出现正异常，显示ENSO的热带远程辐射效应对该区域的广泛影响。这种暖异常通过大气波动和远程大气环流，驱动了北部区域持续且较温和的热浪事件，印证了ENSO作为北部热浪主要远程调节因子的角色。
• 中部组 3 和 4 中部组热浪未表现出赤道太平洋的明显异常，但印度洋及南太平洋暖区异常显著，尤其是印度洋负OLR异常指示的活跃对流区。这种模式反映了Madden-Julian振荡（MJO）等热带扰动的影响，中部区域的海温异常更可能由MJO引发的波列和大气阻塞驱动。该结果强化了MJO在中部热浪形成中的关键作用，区分了其与ENSO驱动的北部和南部热浪的不同机制。
• 南部组 5、6、7 南部三组热浪复合场呈现出赤道太平洋冷异常的特征，典型的La Niña事件信号明显，伴随南大西洋偶极子的正相表现，尤其是南大西洋中高纬度海域出现显著正温异常。该空间格局表明La Niña通过调节南半球大气环流和海洋环流，影响巴西-马尔维纳斯汇合区及更南部区域的海温，促进强烈且短暂的热浪爆发。

这些空间SST异常模式的分布揭示了全球主要气候模态——ENSO和MJO——与西南大西洋区域海洋热浪之间的耦合关系，展示了大尺度气候远程强迫对局地极端海温事件的重要驱动作用，为理解和预测区域海洋热浪提供了气候背景基础。

4.5 高空气压高度异常与大气环流特征

图7展示了西南大西洋七类海洋热浪对应的200 hPa气压高度异常复合图，揭示了不同热浪类别背后的大气环流特征和远程气候驱动力。

• 北部组 1 和 2 这两组热浪对应的复合场显示了典型的Pacific-South American第二模态（PSA2）波列结构。PSA2波列形成持续且稳定的高压阻塞区域，主要位于南美洲东南部及南大西洋上空。该阻塞系统减少了该区域的云覆盖，导致更多的太阳短波辐射直射海面，促进了海表温度的升高，从而加剧了热浪事件的强度和持续时间。PSA2波列是ENSO事件产生的远程大气响应，这一发现进一步确认了ENSO在北部海洋热浪形成中的主导作用。
• 中部组 3 和 4 中部区域热浪对应的200 hPa异常场显示由印度洋发源的罗斯比波激发的显著大气阻塞。该阻塞系统表现为大尺度的高压区域，持续时间较长，与频繁的Madden-Julian振荡（MJO）活动密切相关。MJO的动态波动不仅影响该区域的降水和云量，还通过调节大气环流阻塞的强度和位置，控制了中部组热浪的强度和持续时间。这种大气阻塞与MJO的耦合机制，表明中部海洋热浪的驱动具有明显的热带扰动特征。
• 南部组 5、6、7 南部三组热浪与La Niña事件相关的大气波列明显不同于北部和中部组。复合图显示，这些波列影响了巴西-马尔维纳斯汇合区附近的高压系统和低层风场。通过调整该区域的风场结构和强度，促进了暖水的南向输送和海温快速升高。叠加的850 hPa风场进一步说明了低层风的南北摆动和强度变化在局地海洋热浪发展中的关键调节作用。这种波列的存在及其对局地风场的影响，是南部区域热浪高强度短持续时间特征的重要物理基础

图7中同时叠加了850 hPa的风场矢量，揭示了低层大气流动与高空气压异常的耦合关系。风场变化直接影响海洋表面的风应力，进而影响混合层深度和海水温度的垂直分布，为海洋热浪的形成和维持提供动力支持。尤其是在南部区域，低层风的异常与巴西暖流的变动密切相关，进一步强化了热浪事件的强度。

4.6 局地海洋动力对热浪的强化作用

研究揭示，在南部巴西-马尔维纳斯汇合区，局地海洋动力过程在远程气候模态（如ENSO）驱动的基础上，显著增强了海洋热浪的强度和频率。具体而言，风应力旋度异常导致亚热带前缘向南移动，促使巴西暖流沿着南美洲东岸向南扩展。这一海流位移不仅携带更多暖水进入高纬度区域，还改变了局部的海洋环流结构和热量输送路径。

与此同时，增强的涡旋活动成为海洋热量局部聚集的重要动力机制。涡旋通过水平和垂直混合作用，有效地阻滞或汇聚热量，延长了海表温度异常的持续时间，从而强化了热浪事件。补充材料中的风应力旋度和海流异常图直观地支持了这一多尺度耦合机制，表明远程气候调制和局地动力过程相互作用，共同塑造了该区域极端的热浪特征。

这一发现突出了海洋动力学在调节海洋热浪强度中的关键角色，提醒研究者和管理者在热浪预警和应对中需同时关注远程气候信号与局地海洋动力过程。

4.7 生态影响实例及社会意义

论文通过具体生态事件实例，强调了不同类型海洋热浪对区域生态系统和社会经济的深远影响。2017年，中部组热浪引发了南美黄蛤大规模死亡事件，伴随的是有害藻华的爆发，这不仅严重破坏了渔业资源，也影响了当地海洋生态平衡和渔民生计。

2019年，北部组热浪造成巴西沿岸珊瑚礁的严重退化，珊瑚白化和死亡加剧，威胁了生物多样性和旅游业经济。通过与ENSO和MJO气候模式的关联分析，研究明确了这些极端生态事件背后的气候驱动机制，强调建立基于气候模态的海洋热浪预警系统的必要性。

这种结合气候科学与生态影响的跨学科视角，为政府和相关部门提供了科学依据，有助于制定更为有效的生态保护、渔业管理和灾害应对策略，减轻气候变化背景下极端海洋事件对社会的冲击。

5. My thoughts

这篇论文系统地解析了西南大西洋海洋热浪的多样性特征及其驱动机制，内容详实且结构严谨。作者结合高分辨率的海洋与大气数据，巧妙地应用机器学习聚类技术，将复杂的海洋热浪事件划分为七个具有代表性的类型，这不仅深化了我们对区域海洋热浪多尺度异质性的理解，也为精准预测和管理提供了重要基础。

我特别欣赏论文中对远程气候模态（ENSO 和 MJO）与局地海洋动力耦合机制的深入探讨。通过对大气环流模式和海洋动力过程的联动分析，研究揭示了海洋热浪发生的多因子、多尺度驱动机制，这种“内外结合”的方法论非常先进且具有推广价值。

此外，论文将科学研究与实际生态影响结合，引用了具有代表性的生态灾害案例，强调了科学研究的现实意义和社会价值。未来若能进一步结合生态系统模型或社会经济数据，探讨热浪对渔业、旅游等行业的综合影响，将使研究成果更加完整。

唯一希望能加强的是对局地海洋过程（如涡旋动力学）的量化分析，这部分在文中虽有提及但较为概括。若结合高分辨率观测或数值模拟，定量揭示局地动力在热浪增强中的具体贡献，将大幅提升研究深度。

总体而言，这篇论文为理解和应对海洋热浪提供了坚实的科学依据和思路，对气候变化背景下海洋极端事件的研究具有重要启发意义。