揭开暖池的神秘面纱——热带西太平洋次表层研究取得显著进展

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时间:2014-06-10  来源:中国科学报文本大小:【 |  | 】  【打印

王凡(右四)率队开展西太平洋考察,起航时与科考队员合影

  ■薛 坤 

  热带西太平洋及印度洋东部,存在多年平均海表温度在28℃的暖水区,被称为热带西太平洋暖池(以下简称“暖池”)。暖池的一丝一毫的变化都左右着亚洲、太平洋区域,甚至全球气候和某些重大自然灾害的形成与动向,可以说,对它的研究具有非常重要的意义。

  以往,国内外海洋与气候学者将目光较多地聚焦于暖池表层的海洋动力、热力变异,特别是热结构、热收支的变异对气候的影响。如今,随着研究的逐步深入,暖池次表层与盐度有关的海洋变异及其对气候变异的影响,逐渐成为当前国际海洋与气候领域的研究热点。

  作为国家重点基础研究发展计划(973)项目“热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应”(简称“暖池973项目”)的首席科学家,中国科学院海洋研究所研究员王凡肩负重任,带领研究团队立足国际前沿开展协作研究,围绕“建立以次表层热盐结构为重要环节的暖池变异机制及其与气候变异之间的内在关联”等科学问题,以“暖池内部次表层水团的发现与命名”“暖池内外次表层水团间物质交换的交错入侵机制和年际变异信号的经向交换通道”“暖池区次表层盐度的南北反相振荡及其机制”等为代表的新发现和新认知,初步揭开了暖池结构及其变异的神秘面纱,为全面认识暖池变异的内在机理和在海洋—大气耦合系统中的作用奠定了坚实的基础。

  暖池研究意义重大,次表层研究不断升温 

  暖池是全球海洋中最大的暖水团,是引发强烈的大气对流,驱动Walker环流和Hadley环流系统的主要热源之一,对我国旱涝、冷暖(灾害)等重大气候灾害的形成具有极为重要的影响。因此,大力开展调控暖池变异的关键海洋、大气过程对东亚和我国气候变化影响的调查研究,是提高我国气候变异研究水平和预报能力的迫切需要。

  早在20世纪80年代后期,热带西太平洋海洋环流与海气相互作用的研究在国际上兴起。而于2008年启动的“西南太平洋海洋环流与气候试验(SPICE)”和2010年启动的由我国发起、8个国家19个研究机构参加的“西北太平洋海洋环流与气候试验(NPOCE)”等国际合作计划,昭示着新一轮研究热潮的到来。这两轮研究热潮中,暖池的变异机理和气候效应自始至终都是国际海洋与气候研究的前沿科学问题。而随着调查研究的不断深入,新的、更具挑战性的科学问题被提出。

  通常意义上的暖池存在于温跃层(深度约150~200米)以上。随着观测资料的增多和科学认识的提高,人们逐渐认识到,由于强降水导致暖池区海表面盐度极低,在温跃层之上形成了盐度/密度跃层,所形成的障碍层现象将风应力、海面热通量等外强迫作用限制在更为浅薄的混合层内,使暖池对海面热通量变化的响应非常敏感和更加迅速。随着盐度在暖池变异中的作用不断凸显,与之相关的次表层过程的研究愈发变得重要,逐渐成为当前国际上的研究热点。

  聚焦前沿科学问题,研究取得突破进展 

  暖池973项目“热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应”,是国际NPOCE计划启动后国际上实施的首个重大调查研究项目。自2012年启动以来,王凡带领的团队针对关键海域、关键过程开展了专门的观测和系统研究,力求通过不断深化对一系列重要科学问题的认识,丰富热带海洋动力学和气候动力学的内涵,进一步巩固和提升我国在该计划和西太平洋海洋和气候研究领域的科学地位和国际影响力。其中,建立以次表层热盐结构为重要环节的暖池变异机制及其与气候变异之间的内在关联,即是该项目跟踪进而引领国际研究前沿热点研究方向的切入点和着力点之一。

  通过周密组织和协同研究,该项目发现并命名了暖池内部的次表层水团,发现暖池内外不同次表层水之间存在强烈的交错入侵现象并定量估算了其与海洋动力过程和ENSO的密切关系,找到了暖池内外年际变异信号的热带—副热带次表层经向交换通道的观测证据,揭示了暖池次表层盐度的南北反位相年际变异特征及其主要环流动力控制过程。上述研究成果得到国际同行的一致认可,近两年来先后在Geophysical Research Letter、Journal of Geophysical Research、Journal of Physical Oceanography、Deep Sea Research等刊物上发表,初步揭开了暖池次表层结构及其变异的神秘面纱,为今后进一步研究暖池变异机制及其气候效应提供了新的科学假想和研究思路。

  项目整体进展顺利,可望实现预期目标 

  令人欣喜的是,除了在暖池次表层研究中获得的成果,该项目在其他方面也都进展顺利,甚至超过了预期目标。已于2014年1月利用新建科学考察船“科学号”完成暖池区两套潜标的布放;按计划得到了海洋环流和暖池特征分析以及集合资料同化所需的高质量观测资料集,为后三年研究工作的深入开展提供强有力的数据支撑;先后发展了若干新方法、新指标和新模式,为今后研究取得创新性成果提供了必要的方法储备,所发展的高分辨率海洋模式和包含盐度变量的中等复杂程度海气耦合模式,为开展暖池影响中部型厄尔尼诺的机理和可预报性研究奠定了基础;初步阐明了赤道流系、涡旋及海面动力高度的变异规律,为系统研究大、中尺度过程相互作用、阐明海洋环流变异对暖池变异的关键调控机理奠定了基础;初步建立了暖池变异和海气相互作用与ENSO和东亚夏、冬季风之间的联系,为综合考虑暖池的盐度与温度结构、进一步研究其机理和构建预报因子提供了新的背景信息。

  一个伟大的团队最重要的作用是让其平凡的队员创造出不平凡的业绩。在挥洒汗水、共历风雨、创造出一连串创新硕果的同时,该项目团队的建设更是成效显著,先后涌现了“全国优秀科技工作者”和“国家中青年科技创新领军人才”。

  “只有在集体中,个人才能获得全面发展其才能的机会”。王凡如是说。未来,该项目团队将会继续努力,打造一支以中青年为主体、自主创新能力强的海洋与气候研究领域的专业团队,造就出更多有国际影响力的中青年学科带头人,为我国开展西太平洋环流与气候研究提供强有力的支撑。

  王凡团队科研成果一览 

  ——发现和命名主体位于暖池内部的北太平洋热带次表层水(TSSW)。 

  基于实测资料,王凡他们通过研究发现,在西太平洋暖池内部(130°E~150°W, 5°N~10°N,22.5~25.5 σθ)存在与北太平洋热带水(NPTW)和南太平洋热带水(SPTW)等性质不同的水团,并将该水团命名为热带次表层水(TSSW)。该水团的主要特征是盐度场中水平方向的极小值和垂直方向上的极大值,在西太平洋,流场路径相对封闭,主要是由NPTW的向南入侵形成的,强烈的垂直混合使得TSSW比NPTW 盐度低;在中太平洋,流场相对通畅,水团间交换频繁,TSSW可以看作是各种来源次表层水的混合体。该水团处在主体位于暖池之外的NPTW和TSSW之间,在暖池次表层结构及其变异中扮演潜在的重要角色。

  ——暖池内外不同性质的次表层水团之间存在交错嵌入现象——热盐入侵,其季节和年际变异及其与赤道流系的关系密切。 

  暖池次表层的热盐入侵在较浅层次上(24.8~25.2 σθ),主要出现在赤道附近,由南太平洋热带水与新发现的热带次表层水(TSSW)之间的交错嵌入造成;在较深层次上(25.5~26.3 σθ)则呈现明显的“C”型分布,出现在NPTW、TSSW、SPTW等3个次表层水交界处,与北太平洋浅层经向翻转环流的西边界流路径正好吻合,在暖池内部和暖池内外物质交换中起重要作用。

  在137°E断面上,热盐入侵最强出现在南北太平洋水团TSSW和SPTW交汇的北赤道逆流(NECC)附近。他们进一步研究发现了NECC附近的热盐入侵呈现出冬季强、秋季弱的季节循环和与ENSO显著相关的年际变化特征:在厄尔尼诺年较弱,而在拉尼娜年较强;与NECC的经向摆动密切相关。热盐入侵的变化引起的跨越NECC锋面的位温通量和水平扩散系数与ENSO指数呈现明显的负相关。表明暖池次表层物质交换过程在热带太平洋“充放电”机制中起着不可忽视的作用。

  ——基于实测资料揭示了年际变异信号的热带—热带外经向次表层交换通道。 

  以往国际上的研究,基于数值模拟结果猜测在暖池区存在从热带外向热带太平洋的年代际变异信号的传递通道,但未曾得到观测证实;而年际变异信号的传递通道无论基于数值模拟还是观测均未被报道。他们通过Argo浮标实测资料分析发现,在赤道外海域,由于流场的强烈变化产生了较强的年际变化信号,该变异信号可以通过太平洋的内部经向通道到达热带,并引起赤道中太平洋次表层约0.2摄氏度的温度低频变化。这种变化能通过改变垂向温度梯度影响到中太平洋的海表面温度,从而在近年来频繁出现的中部型ENSO事件中起到潜在的作用。

  ——揭示了暖池中北部次表层盐度的空间变化特征和南北反位相年际变异特征,指出其主要受海洋环流动力过程控制。 

  暖池区次表层水的运动与西边界流和赤道流系之间有紧密联系。他们分析发现北太平洋次表层水向热带的运动主要依靠西边界流的输运,而向副热带的运动既可通过西边界流——黑潮输送,也可以由大洋内部的中尺度涡旋的搅动完成。次表层水在输送过程中通过与表层淡水的混合,盐度迅速下降,盐度极大值逐渐移动到更深的密度层。由于强烈的水平和垂直混合,次表层水向热带运动过程中的盐度变化率比向副热带运动大得多。

  更具气候学意义的是,暖池中北部次表层盐度具有反相位年际变化特征。通过对近期一个年际气候变化的个例研究发现,该盐度变化主要是由与ENSO相关的海洋环流场的变化所引起的。在2003年,热带西太平洋出现气旋式的异常环流,导致异常多的高盐的北太平洋次表层水汇集到暖池北部,同时阻止其进一步向暖池中部流动,进而造成了次表层盐度场在暖池北部的正距平和中部的负距平;但2009年正好相反。该发现为全面阐释暖池在年际气候变化中的作用提供了新的线索。

《中国科学报》 (2014-06-10 第15版 专题)
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