近日，物理海洋教育部重点实验室在Climate Dynamics上，发表题为“The long-term variability of dominant mode of sea temperature gradient in the Northwest Atlantic”（《西北大西洋海温梯度主导模态的长期变率》）的最新研究成果。该工作利用观测和模式数据，首次从多关键层（水深50/200/500 m）视角出发，识别出西北大西洋湾流区海温梯度的主导模态（NATG），并揭示其百年尺度变率特征、1960年代多年代际趋势转折与相关物理机制。该成果由实验室/海洋与大气学院在读博士生熊厚林为第一作者，“筑峰人才工程”第一层次李建平教授担任通讯作者合作完成。

　　西北大西洋湾流区存在两个主要的海洋锋：湾流锋（GSF/GSNW）和陆架-陆坡锋（SSF），在海温场上表现为强水平海温梯度。它们在调节大气、海洋表层和海洋次表层之间的能量和物质交换中具有重要作用，能显著影响区域气候和海洋生态系统。已有研究多基于海表或某一特定水深的海洋要素来识别GSNW与SSF，并分别考察它们的变率。然而，这难以直接表征三维海温梯度场的空间变化且容易忽视 GSNW 与 SSF 的联合演变关系。

　　本研究基于湾流区海温梯度的三维空间结构特征，选取水深50、200、500 m三层为关键层，提取海温梯度场的主导模态，并将其命名为西北大西洋温度梯度模态（Northwest Atlantic Temperature Gradient Mode, NATG）。该模态表征了GSNW和SSF的联合变率。当NATG处于正位相时，GSNW在75°-70°W区域南移，在70°–65°W区域强度增强，而在65°–55°W 区域则北移，且移动幅度在表层更大。与此同时，SSF在75°–65°W区域强度减弱，而在 65°–55°W区域南移或强度增强。在纽芬兰大浅滩尾部（TGB，43°N，50°W）的南侧，GSNW和SSF强度均增强。研究发现，NATG存在一个约100年的准周期信号，即世纪振荡，并且其在1960年代初（约1963年）经历了一次多年代际尺度的趋势转折：NATG指数由先前的缓慢上升转为快速下降（图1）。鉴于海洋锋区在海洋生态系统中的关键作用，这一转折可能会对西北大西洋海洋生态系统（尤其是渔业）产生实质性影响。

图1. (a–c) 基于年的SODA再分析资料在50、200、500 m水深处西北大西洋NATG的空间型（EOF1，解释方差为32%，填色，单位：10^-2 ℃ km^-1）。黑色细（粗）虚线表示200 m（3000 m）等深线，绿线为SSF的平均路径，紫线是GSNW的平均位置，黑实线为等温线。(d) 标准化的NATG指数时间序列（PC1，黑实线）。红（蓝）直线表示下降（上升）趋势，图中对应颜色的字表示趋势值（单位：1/年），*表示达到90%置信水平。紫圆点表示趋势转折点（1963年），达到90%的置信水平。(e) 图(d)中NATG指数的功率谱。(f) 同(e)，但基于GFDL-CM4 500年的piControl试验数据。

图2. (a) 50 m水深处9年低通滤波的年平均流速异常和NATG的相关场（填色），打点表示通过90%置信水平的显著性区域。紫色箭头表示NATG正负位相下年平均流速异常的合成差（达到95%置信水平）。红、蓝框是用于计算速度差指数的GS（湾流）和LC（拉布拉多流）区域。黑框用于计算TGB（纽芬兰大浅滩尾端）南侧的区域平均SSH异常。黑色细（粗）虚线是200 m（3000 m）等深线。紫线是GSNW平均位置。(b) 9年低通滤波的NATG指数（蓝线）和速度差指数（红线）。图中数值为两者相关系数，**表示达到95%置信水平。(c) 同(b)，但对TGB区域平均SSH异常时间序列（红线）。

　　进一步研究发现，NATG与湾流（GS）和拉布拉多流（LC）强度变化的联合效应密切相关。为定量刻画这一联合效应，本文构建了速度差指数，用于表征 GS 与 LC 相对强度的变化。该指数与NATG指数高度相关（r=0.88），可解释其77%的方差，并表现出与NATG相似的百年谱峰（图2）；此外，二者在百年尺度低频带上也表现出强相干性。上述结果表明，GS和LC相对强度的变化会调制湾流区（尤其是陆架—陆坡区）的热结构和温度梯度，对NATG的形成和发展具有重要作用。此外，北美东岸的异常“气旋—反气旋”大气环流配置通过调制GS和LC的强度与路径，有利于NATG的发展（图3）。

图3 (a) 18712022年北大西洋气候年平均风应力旋度（填色，单位：10^-7Νm^-3）和表面风场（箭头，单位：ms^-1）。蓝线是风应力旋度零线。(b) NATG强正负位相时期风应力旋度异常（填色，单位：10^-8Νm^-3）和表面风异常（箭头，单位：ms^-1）的合成差。绿（粉红）线是NATG强正（负）位相时期的风应力旋度零线，红线是湾流区GSNW的平均位置。

　　该工作首次基于多关键层视角提出并命名西北大西洋海温梯度模态（NATG），用于刻画GSNW与SSF的联合变率；揭示其百年尺度变率特征与1960年代初的多年代际趋势转折及相关物理机制，深化了对中高纬海洋锋区长期变率的认识，并为评估其对海洋生态系统和渔业的影响提供了新视角。研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、崂山实验室科技创新项目联合资助。

文章引用：

XIONG H. -L, and J. -P. Li*, 2025: The Long-term Variability of Dominant Mode of Sea Temperature Gradient in the Northwest Atlantic. Climate Dynamics, 63:367, https://doi.org/10.1007/s00382-025-07876-5.