全球气候变化背景下，随着海洋温度、盐度变化，海洋“上轻、下重”的密度层结特征显著增强，这是海洋气候变化的一个核心特征，具有重要的气候和生态意义。探究海洋层结变化事实、机制并揭示其气候影响，是海洋和气候变化研究领域的热点和焦点问题。
9月30日，Nature Reviews Earth & Environment发表了由中国科学院大气物理研究所牵头、联合国内外19家单位的研究人员共同撰写的综述论文（题目：Ocean stratification in a warming climate）。该论文系统探讨了海洋层结变化的科学意义，定量评估了自上世纪60年代以来的层结变化观测事实，提供了全球和区域层结变化的未来预估结果，梳理了其变化机制、总结其对人类和生态系统的广泛影响 ，并展望了目前研究的不足和未来研究方向。
论文发现，自1960年以来，全球上层2000米海洋层结显著增强，速率为每十年0.8 ± 0.1%。层结增强主要发生在热带，并主要由温度变化驱动。同时，层结变化具有显著的季节差异，其在夏季增幅要强于冬季，主要与表层和次表层的温度季节循环的变化有关。CMIP6模式预估结果显示，未来海洋层结变化可能会在本世纪50~60年代出现关键拐点，即在较低的温室气体排放情景下（例如SSP1-2.6），全球海洋层结将扭转其上升趋势，逐步下降。这主要是由于近表层海温不再升高（稳定在比工业革命之前的水平之上2摄氏度左右），而次表层和深层海洋持续升温。而在中、高温室气体排放情景下（例如SSP2-4.5；SSP5-8.5），由于近表层海洋持续增温，且增温高于次表层海洋，全球海洋层结将持续增强。在区域尺度上，过去半世纪中的变化趋势也将持续到未来。
图1. 海洋层结的变化及其对地球系统的广泛影响
层结变化对气候系统的物理、生态、生物地球化学过程均有重要的影响。例如，海洋层结增强减弱了海洋表层-次表层热交换，从而加剧海表增温，形成正反馈，同时推升海洋热浪发生的频率和强度。海洋层结增强改变海洋环流，加速上层副热带环流系统，并使得黑潮等西边界流系向极地及近岸方向移动。层结增强也会减弱海洋垂向溶解无机碳、溶解氧向深海的输送，从而减弱海洋碳汇并加剧海洋缺氧。此外，通过改变海洋内部及海气能量交换强度，海洋层结增强影响台风的强度、影响厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）、太平洋年代变率（PDV）等关键气候模态的幅度、强度和可预报性。层结增强也改变潮汐和内波，使得内波幅度增加，同时和大西洋经向翻转环流（AMOC）、南极海冰等地球系统的临界点也紧密相关。这些重要影响意味着未来层结增加或减弱，对未来地球系统气候演化都具有重要意义。
论文最后提出了未来层结相关研究的挑战和方向，包括：1）层结的定义需要澄清：过去文献中使用了多种经验的方法定义海洋层结变化，使得对层结趋势测算存在较大差异，因而建议未来研究中使用更加清晰物理意义的方法；2）海洋关键层的层结变化需要定量测算，例如混合层底、温跃层、季节或永久密跃层、障碍层等；3）亟需对模式层结变化及其影响的评估，层结涉及温盐的垂向梯度，因而与温盐本身具有截然不同的模式偏差，其原因和影响需深入研究，并对未来层结变化进行准确预估；4）古气候历史的层结变化需要与现代气候结合，进而深入理解层结变化对现代和未来气候的关键意义；5）需对层结历史变化进行归因，并定量揭示其对气候系统物理和生物地球化学过程的影响。
论文作者团队包括中科院大气物理研究所成里京研究员（通讯作者）；生态环境部珠江流域南海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科研中心李冠城；河海大学龙上敏副教授、程旭华教授；中国科学院海洋研究所李元龙、徐振华研究员；法国墨卡托中心K. von Schuckmann研究员；美国圣-托马斯大学J. Abraham研究员；美国大气研究中心K. Trenberth研究员；美国宾州州立大学M. Mann教授；中国科学院南海海洋研究所杜岩研究员；云南大学刘海龙教授；北京大学刘茂峰教授；美国斯克利普斯海洋研究所彭启华；山东省科学院海洋仪器仪表研究所、山东科学院宫勋研究员；国防科技大学马占宏教授；中国科学院网络信息中心原惠峰。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院国际伙伴计划、亚洲合作基金、地球系统数值模拟装置（EarthLab）等项目的支持。
论文信息：
Cheng Lijing, Guancheng Li, Shang-Min Long, Yuanlong Li, Karina von Schuckmann, Kevin E. Trenberth, Michael E. Mann, John Abraham, Yan Du, Xuhua Cheng, Hailong Liu, Zhenhua Xu, Maofeng Liu, Qihua Peng, Xun Gong, Zhanhong Ma, Huifeng Yuan, Ocean stratification in a warming climate. Nature Reviews Earth & Environment (2025) https://doi.org/10.1038/s43017-025-00715-5