中科院海洋所海洋数值模拟和气候预测课题组利用自主研发的海洋环流-生态耦合模式，开展热带太平洋深层叶绿素浓度极大值（DCM）对气候系统的反馈效应研究并取得新进展，相关成果近日发表在国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Oceans上。

DCM是指广泛存在于层结海洋中的次表层叶绿素浓度极大值现象，其强度和深度受太阳辐射和营养盐垂向分布等物理和生态要素共同控制。在热带太平洋海域，DCM呈现“东强西弱”的总体格局，且DCM在东部较浅、西部较深。前人通过数值模式研究发现，海洋叶绿素浓度可以通过改变太阳辐射垂向衰减率来影响海温分布并进而影响气候系统，但各模式中叶绿素浓度的表征方式存在不同，一些仅考虑海表叶绿素浓度的影响，一些则考虑真实的三维叶绿素浓度效应，其中这两者差别正好反映了次表层DCM对海洋物理状态的影响。但目前两种方式上的差别所造成对海洋物理状态的影响及过程还不清楚，因此需要研究DCM效应及其对气候模拟的可能影响，以定量化因叶绿素浓度表征方式不同造成的海洋温度模拟的偏差及其进一步引起的气候效应。

研究团队利用一个海洋环流-生态耦合模式，在给定的大气强迫下设计两组敏感性试验，探究了热带太平洋DCM气候态分布对海表温度（SST）的影响，以及DCM年际变率对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）振幅的影响。结果揭示DCM效应存在着两种相互抵消作用的机制：一种是海洋生物引起的直接加热（OBH）效应，另一种是与垂向混合和浅层经向翻转环流（sMOC）有关的动力过程引起的间接冷却效应。

发现引入DCM气候态效应后，赤道东太平洋SST气候态降低约0.2℃，且次表层降温幅度大于SST。分析其物理机制发现，DCM效应通过直接增加混合层底部的太阳辐射吸收量，形成OBH效应；进一步，减弱上层海洋层结强度，从而加强垂向混合，其造成的间接冷却效应阻遏甚至超过OBH效应，改变局地海温垂向结构，从而引起海表高度和海洋环流变化。尤其是加速了热带东太平洋的sMOC，增加了赤道海域向赤道外的热量输送，进一步导致东部SST降低。在海气热交换方面，SST降幅部分被海气净热通量抵消，最终造成赤道东太平洋SST降低约0.2℃；西太平洋则因间接冷却效应较弱，所以SST略有升高。

DCM效应及其物理机制示意图

发现引入DCM年际变率效应之后，赤道中东太平洋SSTA的标准差增大，ENSO振幅增加。究其原因，一方面，厄尔尼诺期间海洋层结较强，上层海洋营养盐较少，造成DCM较弱，其引起的间接冷却效应可能不足以抵消OBH效应；拉尼娜期间则相反，较强的间接动力过程将有显著增大SST降温幅度。另一方面，DCM效应导致温跃层深度的纬向梯度加大，加强了ENSO的温跃层反馈作用，也有助于ENSO振幅增加。

综上所述，本研究较为系统地阐释了热带太平洋DCM气候态及其年际变率对海温、ENSO振幅的影响及其物理机制，为理解海洋生态系统对气候系统的反馈作用提供了新的见解。论文第一作者为中科院海洋所博士研究生石其东，通讯作者为南京信息工程大学张荣华教授。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持。

论文信息及链接：

Shi, Q., Zhang, R.-H., & Tian, F. (2023). Impact of the deep chlorophyll maximum in the equatorial Pacific as revealed in a coupled ocean GCM-ecosystem model. Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, e2022JC018631. https://doi.org/10.1029/2022JC018631