胡石建 胡敦欣

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071)

西太平洋暖池研究綜述*

胡石建1,2①胡敦欣1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071)

西太平洋暖池(Western Pacific warm pool)是全球海溫最高的海域, 匯聚了巨大的熱能, 在地球氣候系統(tǒng)中具有非常重要的作用。本文綜述了近30年來(lái)有關(guān)西太平洋暖池的研究進(jìn)展, 包括西太平洋暖池的維持機(jī)制、不同時(shí)間尺度下西太平洋暖池的變異特征和物理機(jī)制, 以及西太平洋暖池的觀測(cè)和數(shù)值模擬等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。西太平洋暖池的維持是現(xiàn)有地形下大氣過(guò)程和海洋過(guò)程相互作用導(dǎo)致的, 在季節(jié)內(nèi)到世紀(jì)尺度均存在很強(qiáng)的變化。其中, 季節(jié)內(nèi)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制主要包括與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian oscillation)相關(guān)的對(duì)流和海表面熱通量變化, 以及海洋波動(dòng)等海洋動(dòng)力過(guò)程; 季節(jié)變化主要是由太陽(yáng)輻射的季節(jié)變化所導(dǎo)致的; 在年際尺度上, 西太平洋暖池作為厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)的一部分, 其振蕩具有顯著的年際變化; 太平洋代際振蕩(Pacific decadal oscillation, PDO)和大西洋代際振蕩(Atlantic multi-decadal oscillation, AMO)驅(qū)動(dòng)著西太平洋暖池的年代際變化; 世紀(jì)尺度的變化顯示全球變暖背景下西太平洋暖池存在擴(kuò)張趨勢(shì)。人類(lèi)對(duì)西太平洋暖池的系統(tǒng)觀測(cè)始于海洋觀測(cè)衛(wèi)星的使用, 隨后歷經(jīng) TOGA、TAO/TRITON、TOGA-COARE、WOCE、Argo、SPICE、NPOCE等多個(gè)觀測(cè)計(jì)劃, 極大地促進(jìn)了西太平洋暖池的研究。但截止到第五次耦合模式比對(duì)計(jì)劃(Coupled Model Intercomparison Project 5), 多數(shù)氣候模式仍未能克服熱帶模擬偏差, 對(duì)西太平洋暖池的模擬效果較差, 表明在西太平洋暖池動(dòng)力學(xué)的理解和模擬方面仍有較大的進(jìn)步空間。

西太平洋; 暖池; 季節(jié)內(nèi)變化; 年際變化; 年代際變化; 熱帶海洋氣候; ENSO

在地球氣候系統(tǒng)中, 熱帶海洋由于具有 極高的海溫而發(fā)生強(qiáng)烈的海氣相互作用, 并導(dǎo)致局地乃至全球氣候系統(tǒng)在高頻天氣到低頻氣候尺度的變異, 深刻影響著地球人類(lèi)生活的方方面面。西太平洋暖池(Western Pacific warm pool)是熱帶海洋中重要的組成部分, 與東印度洋暖池和南海暖池一起構(gòu)成全球海溫最高的海域, 匯聚了巨大的熱能, 是緯向沃克環(huán)流(Walker circulation)和經(jīng)向哈德里環(huán)流圈(Hadley cell)上升支所在, 在氣候系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。

暖池的定義主要考慮到大氣深對(duì)流的海表溫度閾值, 一般認(rèn)為暖池是海洋中溫度高于 28～29°C的水體。西太平洋暖池則是熱帶大洋暖池在西太平洋的部分, 以區(qū)分東印度洋暖池、南海暖池和西半球暖池(其中南海暖池在冬季較弱而成為印太暖池的一個(gè)豁口),但不同的文獻(xiàn)可能因研究的具體問(wèn)題的差異而對(duì)于西太平洋暖池的定義有所不同(以下提及暖池均特指西太平洋暖池)。部分學(xué)者使用28°C 等溫面作為暖池的邊界(Wyrtki, 1989; Picaut et al., 1996; 張啟龍和翁學(xué)傳, 1997; Yan et al., 1997; 翁學(xué)傳等, 1998; Fu and Kimura, 1998; 李萬(wàn)彪和周春平, 1999; Fasullo and Webster, 1999; 周春平, 2001; 趙永平等, 2002; Eldin et al., 2004; 張啟龍等, 2004; Clement et al., 2005; Zhang et al., 2007; 齊慶華等, 2008; Wang and Mehta, 2008; Watanabe, 2008a, 2008b; Gan and Wu, 2012; Hu S J and Hu D X, 2012; Kim et al., 2012; Sun et al., 2013), 也有學(xué)者使用28.5°C等溫面(Fu et al., 1986; Webster and Lukas, 1992; Clarke et al., 2000; Wang and Enfield, 2001, 2003; 楊宇星等, 2007; 王宏娜, 2009; 陳錦年和王宏娜, 2009; Cravatte et al., 2009; 胡石建, 2013)、27.5°C等溫面(Graham and Barnett, 1987; 邱東曉等, 2007)或 29°C等溫面(McPhaden and Picaut, 1990; Picaut et al., 1997; Ridout and Reynolds, 1998)作為暖池的邊界。此外, 還有少數(shù)學(xué)者采用固定區(qū)域作為暖池的范圍, 如李崇銀和穆明權(quán)(1999)采用 10°S～10°N, 140°E～180°E,黃榮輝和陳光華(2007)采用 0°～16°N, 125°E～ 165°E, 而 Zhan等(2013)則定義 0°～16°N, 125°E～165°E為西太平洋暖池。在28°C等溫面定義下的西太平洋暖池, 其面積大約為2500萬(wàn)km2, 體積為2.0×1015m3, 深度為80m左右(Wyrtki, 1989), 其熱心平均位置約為0.4°S, 169.0°E, 深度為38m(Hu S J and Hu D X, 2012)。西太平洋暖池是一個(gè)溫度相對(duì)較均勻的水體, 但觀測(cè)資料顯示, 在發(fā)生“西太平洋暖池分裂”等異常事件時(shí), 暖池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)異常強(qiáng)冷事件, 西太平洋暖池的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生分裂(胡石建, 2013)。

西太平洋暖池的維持是現(xiàn)有地形下大氣過(guò)程和海洋過(guò)程相互作用導(dǎo)致的(Clement et al., 2005)。大尺度大氣深對(duì)流(Wallace, 1992)、卷云(Ramanathan and Collins, 1991)和大尺度大氣環(huán)流(Fu et al., 1992)都對(duì)西太平洋暖池空間結(jié)構(gòu)的維持具有重要作用, 但 Pierrehumbert (1995)基于云反射和云的溫室效應(yīng)相抵消的假設(shè), 認(rèn)為深對(duì)流云對(duì)于熱帶太平洋氣候態(tài)海表溫度(sea surface temperature, SST)的建立無(wú)凈效用, 并肯定了海洋熱輸送的作用。事實(shí)上, 海洋環(huán)流在西太平洋暖池維持中的作用早就被一些海洋學(xué)家所認(rèn)識(shí)到。Wyrtki(1989)認(rèn)為, 暖池的變化是南、北半球副熱帶環(huán)流相互作用的結(jié)果。通過(guò)研究北赤道流、南赤道流、北赤道逆流、印度尼西亞貫穿流和黑潮的流量及其在暖池的停留時(shí)間, Wyrtki(1989)認(rèn)為,流經(jīng)暖池區(qū)的洋流對(duì)暖池本身的維持具有重要作用。袁東亮(1991)通過(guò)開(kāi)展約化重力模式敏感性數(shù)值實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)西太平洋暖池對(duì)西邊界流棉蘭老流反應(yīng)敏感, 在棉蘭老流和西邊界的聯(lián)合作用下, 模式中的赤道暖池庫(kù)出現(xiàn)向南漂移的現(xiàn)象。Clement等(1996)利用Zebiak-Cane耦合模式發(fā)現(xiàn)海表熱通量的變化與海洋異常上升流導(dǎo)致的垂向熱量輸送基本平衡, 提出海洋動(dòng)力調(diào)溫器是調(diào)制熱帶 SST的機(jī)制。Fu和 Kimura(1998)運(yùn)用一個(gè)簡(jiǎn)單海氣耦合模式模擬了暖池的形成, 認(rèn)為海洋Rossby波振幅的不穩(wěn)定增長(zhǎng)是暖池形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。值得注意的是, 不論是大氣過(guò)程還是海洋過(guò)程, 均以當(dāng)代地形特征為條件。

數(shù)值模擬和古氣候研究顯示, 地形可以影響海洋環(huán)流系統(tǒng), 從而對(duì)西太平洋暖池的維持產(chǎn)生重要作用(袁東亮, 1991; 翦知湣等, 2003; 周祖翼等, 2004)。Watanabe (2008a, 2008b)通過(guò)開(kāi)展一系列敏感性數(shù)值實(shí)驗(yàn), 認(rèn)為赤道風(fēng)場(chǎng)使得海水在東印度洋-西太平洋區(qū)域輻合, 從而形成暖池, 但其基本表現(xiàn)出多個(gè)平衡態(tài), 平衡態(tài)之間的轉(zhuǎn)變主要取決于太平洋海盆寬度和印度洋海盆寬度之間的比率。

近年來(lái), 國(guó)際上關(guān)于西太平洋暖池本身的研究聚焦于兩個(gè)方面, 一個(gè)是在不同時(shí)間尺度西太平洋暖池的變異特征和物理機(jī)制,另一個(gè)則是對(duì)西太平洋暖池的觀測(cè)和數(shù)值模擬研究。在此, 本文就以上內(nèi)容對(duì)過(guò)去近 30年(20世紀(jì)80年代以來(lái))的研究成果進(jìn)行總結(jié)綜述。

1 西太平洋暖池多時(shí)間尺度變異

西太平洋暖池在多個(gè)時(shí)間尺度上均具有顯著變化特征, 不同頻率的變化具有相對(duì)不同的物理機(jī)制。現(xiàn)有的研究主要針對(duì)從季節(jié)內(nèi)到世紀(jì)尺度變異而展開(kāi)。

1.1 季節(jié)內(nèi)變化

西太平洋暖池的溫度、面積、邊界、海表熱通量, 以及暖池區(qū)的海洋環(huán)流等物理量的季節(jié)內(nèi)變化非常顯著(如 Kessler et al., 1995; Hendon and Glick, 1997; Zhang, 1997; Shinoda and Hendon, 1998; Sengupta et al., 2001; Sato et al., 2010; 胡石建, 2013; Hu et al., 2013, 2015; Zhang et al., 2014)。Hu和Wei(2013)利用 2003～2008年的地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣(Array for real-time geostrophic oceanography, Argo)數(shù)據(jù)研究了全球海洋水深2000m內(nèi)溫度的季節(jié)內(nèi)變化。結(jié)果表明, 近表面的季節(jié)內(nèi)變化主要位于60°E以西, 10°S～10°N及南極繞極流區(qū)域, 部分海域 2000m 處仍可見(jiàn), 其最大信號(hào)出現(xiàn)在赤道三大洋的溫躍層, 最大標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了1.2°C。胡石建(2013)發(fā)現(xiàn), 暖池面積的季節(jié)內(nèi)變化振幅達(dá)1.7×1012m2, 與年際變化振幅(1.8×1012m2)接近, 其不規(guī)則周期為 60d左右。

暖池區(qū)季節(jié)內(nèi)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制主要包括與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian oscillation, MJO)相關(guān)的對(duì)流和海表面熱通量變化, 以及海洋波動(dòng)等海洋動(dòng)力過(guò)程。有關(guān)西太平洋暖池區(qū) SST 季節(jié)內(nèi)振蕩的研究很多(Lin and Johnson, 1996; Cronin and McPhaden, 1997; Hendon and Glick, 1997; Lau and Sui, 1997; Zhang, 1997; Shinoda and Hendon, 1998; Shinoda et al., 1998, 1999; Moore and Kleeman, 1999; Lin et al., 2000, 2006; Sengupta et al., 2001; Kutsuwada and McPhaden, 2002; Bernie et al., 2005; Agudelo et al., 2006; Sato et al., 2010)。Hendon和Glick(1997)認(rèn)為, 潛熱通量和海表面太陽(yáng)輻射是驅(qū)動(dòng)暖池 SST季節(jié)內(nèi)變化的主要因素。Shinoda和Hendon(1998)進(jìn)一步指出, 西太平洋短波輻射和潛熱通量對(duì)SST的季節(jié)內(nèi)變化同等重要, 其中短波輻射的日變化可以明顯地影響 SST的季節(jié)內(nèi)變化振幅。Kessler等(1995)則強(qiáng)調(diào)了海洋波動(dòng)的作用, 認(rèn)為大氣MJO激起海洋的Kelvin波可以引起中東太平洋緯向海流異常, 從而引起SST異常; 而 Zhang(1997)則指出, 赤道西太平洋溫度的季節(jié)內(nèi)振蕩和海表面風(fēng)速及風(fēng)做功密切相關(guān)。Sato等(2010)利用衛(wèi)星和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn), 當(dāng)對(duì)流季節(jié)內(nèi)變化最大信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí), SST下降, SST變化最大可達(dá)1.5～2.0°C,其中在暖池南部, SST在對(duì)流最大值到來(lái)之前突然降低, 同時(shí)指出暖池南部向上的 Ekman抽吸可能對(duì) SST的這種下降有貢獻(xiàn), 而暖池北部Ekman抽吸相對(duì)較弱。胡石建(2013)通過(guò)西太平洋暖池區(qū)熱收支分析認(rèn)為, MJO一方面通過(guò)影響暖池區(qū)對(duì)流活動(dòng)和海表熱通量的季節(jié)內(nèi)變化來(lái)影響暖池 SST的季節(jié)內(nèi)變化,另一方面通過(guò)產(chǎn)生 Kelvin波和驅(qū)動(dòng)中東太平洋緯向流季節(jié)內(nèi)變化來(lái)影響暖池東邊界 SST的季節(jié)內(nèi)變化, 尤其發(fā)現(xiàn)在赤道太平洋海域,緯向平流的季節(jié)內(nèi)變化對(duì) SST季節(jié)內(nèi)變化的貢獻(xiàn)較大, 而經(jīng)向平流的季節(jié)內(nèi)變化則在西邊界區(qū)域較為顯著。

西太平洋暖池區(qū)具有顯著的中尺度海洋過(guò)程, 在副熱帶逆流(subtropical counter current, STCC)區(qū)表層中尺度渦旋很強(qiáng)烈, 在西邊界區(qū)域則有很強(qiáng)的次溫躍層渦旋, 這些中尺度渦旋活動(dòng)對(duì)黑潮、棉蘭老流等西邊界流的季節(jié)變化有重要影響(Hu et al., 2013; Zhang et al., 2014)。但海洋的中尺度過(guò)程對(duì)西太平洋暖池季節(jié)內(nèi)變化是否產(chǎn)生及如何產(chǎn)生影響則有待于進(jìn)一步深入研究。

1.2 季節(jié)變化

在季節(jié)尺度上, 以往研究認(rèn)為, 西太平洋暖池的變化較弱(周春平和李萬(wàn)彪, 1998;楊宇星, 2006; 楊宇星等, 2007), 但北半球夏季西太平洋暖池較大, 而冬季較小。Wyrtki (1989)指出, 西太平洋暖池在北半球夏季大15%, 而在北半球冬季小15%。張啟龍和翁學(xué)傳(1997)發(fā)現(xiàn), 暖池具有顯著的季節(jié)變化, 其中北半球夏季(8月)是暖池的強(qiáng)盛期, 而春(5月)秋(11月)季節(jié)是冬夏暖池之間的過(guò)渡期而較弱, 但是暖池中心的溫度沒(méi)有明顯的季節(jié)變化。周春平和李萬(wàn)彪(1998)指出, 西太平洋暖池面積的季節(jié)變化和太陽(yáng)輻射的季節(jié)變化有關(guān), 暖池中心的季節(jié)變化較小。張啟龍等(2003)分析發(fā)現(xiàn), 暖池?zé)岷繄?chǎng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)第一模態(tài)為 12個(gè)月的季節(jié)變化模態(tài), 熱含量變化最大的區(qū)域?yàn)榕啬媳眰?cè), 南北暖池?zé)岷看嬖诘姆次幌嗉竟?jié)變化是太陽(yáng)輻射的變化引起的。楊宇星等(2007)認(rèn)為, 西太平洋暖池面積的季節(jié)變化相對(duì)較弱。Hu S J和Hu D X (2012)定義了西太平洋暖池?zé)嵝?Western Pacific warm pool heat center, WPHC), 并利用62年的客觀分析資料計(jì)算了 WPHC的時(shí)間序列,發(fā)現(xiàn) WPHC具有很明顯的季節(jié)變化, WPHC經(jīng)度、緯度、深度的季節(jié)變化振幅分別為8°、11°和2m。WPHC在3月達(dá)到最南, 并在9月達(dá)到最北, 他們指出, 這是由太陽(yáng)直射位置的南北移動(dòng)決定的。此外, Hu S J和Hu D X (2012)還發(fā)現(xiàn), WPHC的深度具有很明顯的半年變化。

1.3 年際變化

西太平洋暖池是 ENSO循環(huán)中非常重要的一環(huán), 隨著冷暖位相的交替, 暖水在西太平洋輻聚/輻散, 因此具有周期與ENSO接近的、振幅很強(qiáng)的年際變化, 西太平洋暖池區(qū)海洋環(huán)流多數(shù)也與ENSO循環(huán)有關(guān)系(Hu S J and Hu D X, 2014; Chen et al., 2015; Hu et al., 2015, 2016; Hu and Sprintall, 2016)。Yan等(1992)發(fā)現(xiàn), 1983～1987年西太平洋暖池的SST增溫、面積增加, 而在 1987年之后均下降, 他們認(rèn)為主要機(jī)制包括 ENSO事件等。張啟龍和翁學(xué)傳(1997)用最大熵譜分析認(rèn)為, 西太平洋暖池表層面積的年際變化主要周期為 3.8年和4.9年, 且與El Ni?o事件密切相關(guān), 暖池面積在El Ni?o期間面積最大, 而在“反厄爾尼諾”期間最小。周春平和李萬(wàn)彪(1998)利用COADS資料也認(rèn)為, 西太平洋暖池的面積在El Ni?o年最高。方立新等(2004)的結(jié)果表明,暖池的年際變化周期為3.3年。楊宇星(2006)則認(rèn)為, 暖池年際變化主要存在3～6年和1.5年的振蕩。但是, 胡石建(2013)發(fā)現(xiàn), 西太平洋暖池?zé)嵝奈恢玫哪觌H變化和 ENSO循環(huán)密切相關(guān), 但西太平洋暖池的熱含量則在很多時(shí)段與 ENSO位相并不符合, 年際時(shí)間尺度上經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)在赤道太平洋輻合/輻散, 引起海水和熱量在赤道太平洋輻合/輻散, 這才是西太平洋暖池?zé)岷磕觌H變化的原因。

1.4 年代際變化與長(zhǎng)期趨勢(shì)

西太平洋暖池具有顯著的年代際變化和長(zhǎng)期(世紀(jì)尺度)變化趨勢(shì)。楊宇星(2006)認(rèn)為,在 1950～1999年西太平洋暖池面積存在年代際跳躍, 且有體積增大、強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì)。邱東曉等(2007)指出, 27.5°C等溫面定義的西太平洋暖池體積具有顯著的準(zhǔn) 10年周期振蕩,在 1976～1986年前后還存在年代際突變等特征, 1976年以前偏冷, 而 1986年則轉(zhuǎn)為“熱”暖池。胡石建(2013)利用全局經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform, HHT)發(fā)現(xiàn), 暖池?zé)嵝慕?jīng)度的 IMF-6為年代際主模態(tài), 且周期為30年和40年, 而對(duì)140年暖池表面積的全局經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),暖池面積的年代際主模態(tài)為 IMF-7, 周期為20～30年。Cravatte等(2009)使用 Extended Reconstructed SST(Smith and Reynolds, 2004)和Hadley Ice SST(Rayner et al., 2003)資料研究了西太平洋暖池的長(zhǎng)期變化, 發(fā)現(xiàn)在1955～ 2003年暖池區(qū)(137°E和165°E)障礙層厚度存在增加趨勢(shì), 暖池平均溫度上升了0.29°C, 面積明顯擴(kuò)張(擴(kuò)張速度為14×1010m2/a), 體積增長(zhǎng)。但由于暖池的低頻變化較大, 對(duì)線性趨勢(shì)的估計(jì)有較大影響, 因此胡石建(2013)提出“滑動(dòng)趨勢(shì)法”, 該方法可以有效消除時(shí)間序列中較短時(shí)間尺度自然波動(dòng)(如年代際)對(duì)趨勢(shì)估計(jì)的影響。利用“滑動(dòng)趨勢(shì)法”, 胡石建(2013)估計(jì)了1955～2003年暖池的擴(kuò)張趨勢(shì)為11×1010m2/a, 修正了Cravatte等(2009)結(jié)果中因年代際振蕩引入的約 30%的相對(duì)誤差。西太平洋暖池面積在1874～2005年的132年間以3.2×1010m2/a的速度擴(kuò)張, 其熱心以每年0.007°的速度向東移動(dòng)。

西太平洋暖池的年代際變化被認(rèn)為和太平洋代際振蕩(Pacific decadal oscillation, PDO)和大西洋代際振蕩(Atlantic multi-decadal oscillation, AMO)有聯(lián)系。Gan 和 Wu(2012)使用HadISST資料指出PDO和AMO是西太平洋暖池面積年代際變化的主要驅(qū)動(dòng)力, PDO正位相增大西太平洋暖池年代際變化的時(shí)間尺度, 而AMO正位相則降低西太平洋暖池年代際變化的時(shí)間尺度。基于一個(gè)多元回歸模型, Gan和Wu(2012)利用PDO和AMO時(shí)間序列預(yù)測(cè)了西太平洋暖池的年代際變化特征。胡石建(2013)分析了西太平洋暖池年代際變化與PDO/AMO之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系, 指出西太平洋暖池的年代際變化有可能是 PDO主模態(tài)和AMO主模態(tài)的聯(lián)合作用, 其中AMO超前暖池20年, 最強(qiáng)相關(guān)系數(shù)為-0.61, 而PDO指數(shù)超前暖池的年代際主模態(tài)約4年, 最大相關(guān)系數(shù)達(dá)0.52。

暖池的長(zhǎng)期趨勢(shì)與人類(lèi)活動(dòng)和自然變率均有關(guān)系。Xie等(2014)認(rèn)為, 印太暖池自20世紀(jì)80年代以來(lái)的擴(kuò)張代表對(duì)流層從印太暖池區(qū)獲得的總熱量增加。Weller等(2016)診斷了人類(lèi)和自然波動(dòng)分別對(duì)20世紀(jì)50年代以來(lái)觀測(cè)的印太暖池?cái)U(kuò)張的貢獻(xiàn), 發(fā)現(xiàn)溫室氣體強(qiáng)迫是印太暖池面積和強(qiáng)度增加的主要原因,而與PDO相關(guān)的自然變率的作用雖然顯著但是相對(duì)較小。

2 西太平洋暖池的觀測(cè)和數(shù)值模擬

2.1 熱帶太平洋和西太平洋暖池的觀測(cè)歷史

眾所周知, 觀測(cè)、理論和數(shù)值模擬是海洋科學(xué) 3個(gè)基本的研究手段, 其中觀測(cè)是理論研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。任何理論分析或者數(shù)值模擬的結(jié)果在未被觀測(cè)所證實(shí)前, 都是應(yīng)當(dāng)被懷疑的(Wunsch, 2002)。雖然海洋觀測(cè)被越來(lái)越多的人所重視, 但部分人, 甚至是一些非常有影響力的科學(xué)家仍然認(rèn)為“海洋是如此簡(jiǎn)單, 只需要少量的XBT簡(jiǎn)單測(cè)量一下即可, 剩下的事情只要在家里運(yùn)行數(shù)值模式就行了”( Wunsch, 2002), 這值得我們反思。事實(shí)上, 海洋科學(xué)是一門(mén)基于觀測(cè)的科學(xué), 現(xiàn)有描述旋轉(zhuǎn)球坐標(biāo)系下集對(duì)流、風(fēng)強(qiáng)迫和湍流的理論從未充分認(rèn)識(shí)到真實(shí)的海洋(Stewart, 2006)。在對(duì)西太平洋暖池的認(rèn)識(shí)過(guò)程中, 最為重要的是對(duì)真實(shí)暖池的實(shí)際觀測(cè)。

研究暖池的歷史并不長(zhǎng), 在20世紀(jì)80年代以前, 人們對(duì)暖池的了解還很少。1982～ 1983年El Ni?o事件預(yù)報(bào)的失敗促使美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(NOAA)開(kāi)始發(fā)展自動(dòng)溫度線采集錨系(autonomous temperature line acquisition system, ATLAS mooring), 對(duì)熱帶太平洋進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1985年, 世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)、國(guó)際科學(xué)理事會(huì)(International Council for Science, ICSU)及世界氣 候 研 究 計(jì) 劃 (World Climate Research Programme, WCRP)開(kāi)始實(shí)施熱帶海洋與全球大氣計(jì)劃(Tropical Ocean Global Atmosphere Program, TOGA), 調(diào)查熱帶海洋的季節(jié)到年際變化及其對(duì)全球氣候的影響, 尤其是理解與 ENSO相關(guān)的海氣耦合系統(tǒng)的年際變化(McPhaden et al., 1998)。TOGA特別關(guān)注的問(wèn)題包括西太平洋暖池的熱收支、海洋模式對(duì)暖池溫度模擬偏高等有關(guān)西太平洋暖池的科學(xué)問(wèn)題。在TOGA計(jì)劃實(shí)施的過(guò)程中, 1992年11月至1993年2月間開(kāi)展了熱帶海洋全球大氣和海氣耦合響應(yīng)試驗(yàn)(Tropical ocean global atmosphere coupled ocean atmosphere response experiment, TOGA-COARE)(Webster and Lukas, 1992), 對(duì)西太平洋暖池區(qū)的大氣海洋過(guò)程進(jìn)行了針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查, 獲得了有關(guān)西太平洋暖池維持和變異等相關(guān)的一系列重要數(shù)據(jù),包括中國(guó)科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)一號(hào)”和中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)三號(hào)”在內(nèi)的多艘中國(guó)科考船和研究機(jī)構(gòu)參加了 TOGA-COARE試驗(yàn)(Lau and Sui, 1997; Sui et al., 1997; Wang et al., 2002)。

1985～1994年的 10年間, 集海洋表層氣象觀測(cè)和次表層海洋觀測(cè)于一身, 并通過(guò)衛(wèi)星傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的ATLAS系統(tǒng)逐漸布放于廣闊的熱帶太平洋海域, 形成了名為“熱帶大氣海洋”(tropical atmosphere ocean, TAO, http: // www.pmel.noaa.gov/tao/)的觀測(cè)陣列。1994年TOGA結(jié)束后, 在國(guó)際氣候變化與預(yù)測(cè)計(jì)劃(International Climate Variability and Predictability Progect)、全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)(global ocean observing system, GOOS)和全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)(global climate observing system, GCOS)的資助下, TAO陣列繼續(xù)工作。2000年1月1日, TAO陣列合并由日本海洋-地球科學(xué)與技術(shù)研究中心(Japan Agency for Marine- Earth Science and Technology, JAMSTEC)維護(hù)的TRITON陣列, 并正式改名為T(mén)AO/TRITON (triangle trans ocean buoy network)陣列。

1987年, WCRP、IOC、海洋科學(xué)委員會(huì)和國(guó)際科學(xué)聯(lián)盟組織發(fā)起世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(World Ocean Circulation Experiment, WOCE)。該計(jì)劃于 1990年開(kāi)始實(shí)施, 為期 10余年(1990～2002年)。WOCE主要利用常規(guī)和強(qiáng)化海洋觀測(cè)及數(shù)值模擬等手段, 研究全球海洋環(huán)流及其對(duì)氣候系統(tǒng)的影響, 并于 1990～ 1998年建立起一個(gè)包括現(xiàn)場(chǎng)船測(cè)、浮標(biāo)陣列和衛(wèi)星遙感在內(nèi)的全球觀測(cè)系統(tǒng)。這其中包括針對(duì)西太平洋暖池的浮標(biāo)陣列等多項(xiàng)觀測(cè)計(jì)劃, 獲取了大量寶貴的觀測(cè)資料。

1998年, 美國(guó)等國(guó)家的海洋、大氣科學(xué)家推出了“Argo計(jì)劃”對(duì)全球上層2000m海洋的溫度和鹽度進(jìn)行剖面觀測(cè)并通過(guò)衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。 截止到2010年, Argo計(jì)劃得到全球34個(gè)國(guó)家和組織的參與, 共投放了 7000多個(gè)浮標(biāo), 至今每天仍有3000多個(gè)Argo浮標(biāo)在全球各大洋運(yùn)行, 我國(guó)也積極參與了 Argo計(jì)劃(http: // www.argo.gov.cn/legend/china. htm#01)。Argo計(jì)劃的實(shí)施標(biāo)志著海洋現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)進(jìn)入新紀(jì)元(Gould et al., 2004)。

進(jìn)入 21世紀(jì)后, 西太平洋海洋觀測(cè)研究又掀起了新的研究熱潮, 西北太平洋海洋環(huán)流與氣候試驗(yàn)(Northwestern Pacific Ocean Circulation and Climate Experiment, NPOCE) (Hu et al., 2011)、西南太平洋環(huán)流與氣候試驗(yàn)(Southwest Pacific Ocean Circulation and Climate Experiment, SPICE)(Ganachaud et al.,2007)和 GAIA(Lee, 2011)等國(guó)際研究計(jì)劃先后啟動(dòng)實(shí)施。其中, SPICE關(guān)注于赤道西南太平洋海域的海洋環(huán)流與海氣相互作用, GAIA由韓國(guó)海洋研究與發(fā)展研究所(Korea Ocean Research and Development Institute, KORDI)設(shè)計(jì)實(shí)施, 目標(biāo)是研究赤道溫躍層混合, 計(jì)劃于 2009～2019年在西邊界流和赤道區(qū)域(沿TAO/TRITON測(cè)線)開(kāi)展包括錨定浮標(biāo)在內(nèi)的觀測(cè)研究; 而 NPOCE則是由胡敦欣等中國(guó)科學(xué)家發(fā)起并于2010年正式啟動(dòng)的, 是CLIVAR批準(zhǔn)支持的國(guó)際合作項(xiàng)目, 致力于觀測(cè)、模擬和理解西北太平洋海洋環(huán)流及其在西太平洋暖池等區(qū)域和全球氣候中的作用(Wang and Hu, 2010; Hu et al., 2011)。

除了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè), 西太平洋暖池觀測(cè)的另一個(gè)重要途徑是人造地球衛(wèi)星的大面觀測(cè)。1978年6月22日, 美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星Seasat-A, 我國(guó)于2002年5月15日發(fā)射了第一顆海洋衛(wèi)星“海洋一號(hào)”(HY-1A),隨后相繼又發(fā)射了 HY-1B衛(wèi)星(2007年 4月11日)、HY-2衛(wèi)星(2011年8月16日)。值得一提的是, 2011年6月10日, 美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)射了第一顆海表鹽度觀測(cè)衛(wèi)星——“寶瓶座(Aquarius)”衛(wèi)星。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集極大地推進(jìn)了西太平洋暖池的研究,如前文所回顧, 前人許多重要的研究都是基于衛(wèi)星的大面觀測(cè)結(jié)果。

2.2 西太平洋暖池的數(shù)值模擬

通過(guò)耦合模式對(duì)西太平洋暖池進(jìn)行模擬和數(shù)值預(yù)報(bào)是西太平洋暖池研究的一項(xiàng)重要課題。世界氣象組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署于1988年建立的政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)每隔5～7年發(fā)布一次涉及全球氣候變化科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的評(píng)估報(bào)告。到目前為止, IPCC 已對(duì)外發(fā)布了 5次評(píng)估報(bào)告(assessment report, AR)。第五次評(píng)估報(bào)告(AR5)旨在更新第四次評(píng)估報(bào)告(AR4)以來(lái)有關(guān)氣候變化的科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響方面的認(rèn)識(shí)。由于國(guó)際上的氣候模式較多, 其中一項(xiàng)重要的工作是對(duì)不同氣候模式的比對(duì), 即氣候模式比對(duì)計(jì)劃(Coupled Model Intercomparison Project, CMIP)。孫燕( 2011)系統(tǒng)評(píng)估了IPCC AR4 模式對(duì)印太暖池的模擬情況, 發(fā)現(xiàn)這些模式多存在冷舌過(guò)度西伸、西太平洋暖池面積過(guò)小且局限于赤道附近的缺陷, 雙熱帶輻合帶(intertropical convergence zone, ITCZ)現(xiàn)象依然非常明顯。當(dāng)前已發(fā)布的比對(duì)計(jì)劃是第五次比對(duì)計(jì)劃(CMIP5)(Taylor et al., 2012), 但對(duì)西太平洋暖池的模擬結(jié)果仍不樂(lè)觀。圖1(見(jiàn)文后彩圖)展示的是CMIP5模式下SST氣候態(tài)和衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比, 可見(jiàn)大部分模式模擬的西太平洋暖池偏小, 冷舌偏西, 熱帶模擬偏差仍然非常明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了近30年以來(lái)國(guó)際上關(guān)于西太平洋暖池研究的進(jìn)展情況, 從多時(shí)間尺度西太平洋暖池的變異特征和物理機(jī)制、西太平洋暖池的觀測(cè)研究和數(shù)值模擬研究 3個(gè)方面進(jìn)行了梳理?？偨Y(jié)前人研究結(jié)果可以看出, 通過(guò)前人不懈的努力, 已在西太平洋暖池的維持和變異機(jī)制方面取得了顯著成績(jī), 在暖池的現(xiàn)場(chǎng)和衛(wèi)星觀測(cè)方面, 以及數(shù)值模擬方面均具有突出進(jìn)展。但仍需注意到, 目前對(duì)暖池的觀測(cè)仍然不足, 表現(xiàn)為以Argo和TAO為代表的觀測(cè)系統(tǒng)分辨率較粗, 難以觀測(cè)暖池細(xì)致的空間結(jié)構(gòu)。雖然暖池和障礙層對(duì)氣候很重要,

但現(xiàn)有觀測(cè)在垂向上的精度缺陷使其難以細(xì)致觀測(cè)暖池和障礙層的垂向結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬方面, 多數(shù)模式還存在熱帶模擬偏差, 這給預(yù)報(bào)西太平洋暖池和熱帶氣候系統(tǒng)造成了較大影響, 從而使得更進(jìn)一步研究西太平洋暖池(尤其是東邊界)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程并改進(jìn)氣候模式迫在眉睫。

圖1 CMIP5模式多年平均(1970～2000年)SST(顏色)和西太平洋暖池(黑色等值線)與觀測(cè)結(jié)果(藍(lán)色線, 即圖(n))對(duì)比Fig.1 A comparison between multi-year averaged CMIP5 SST (color) with Western Pacific Warm Pool (black) and observations (blue lines and graph (n))圖(n)為NOAA High Resolution Blended Analysis SST數(shù)據(jù)的觀測(cè)結(jié)果, 圖(a)～圖(m)所用數(shù)據(jù)為CMIP5模式數(shù)據(jù), 對(duì)應(yīng)的模式分別為CanCM4、GFDL-CM2p1、GFDL-CM3、GFDL-ESM2G、GFDL-ESM2M、GISS-E2-H、GISS-E2R、HadCM3、HadGEM2-AO、IPSL-CM5A-LR、MRI-CGCM3、NorESM1-M和bcc-csm1-1

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Review on Western Pacific Warm Pool Study

HU Shi-Jian1,2*, Hu Dun-Xin1,2

(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Ocean and Climate Dynamics, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China) *Corresponding author, Email: sjhu@qdio.ac.cn

The western Pacific warm pool (WPWP) is a region of highest oceanic temperature in the world, gathers huge heat, and plays a very important role in the climate system of the earth. This paper reviews progresses in the WPWP study during the past 30 years, including the mechanism underlying the formation of WPWP, multi-scale variability and corresponding physical causes, and progresses in observation and numerical simulation of the WPWP. The WPWP formation is thought to be a result of coupled atmospheric and oceanic processes in the context of modern topography. Strong variability of the WPWP can be detected on time scales from intra-seasonal to century time scales. Thereinto, the mechanism of the intra-seasonal variability includes variability in convection and sea surface heat flux associated with the Madden Julian Oscillation and ocean dynamics like oceanic waves. WPWP seasonality is mainly induced by the seasonal fluctuation in solar radiation. On an inter-annual time scale, the WPWP plays as a part of the El Ni?o-Southern Oscillation cycle and hence shows significant interannual variability. The Pacific Decadal Oscillation and Atlantic Multi-decadal Oscillation derive the inter-decadal variability of the WPWP, while on a century time scale, the WPWP shows an extending trend under the global warming. Systematical observation of the WPWP started from the application of ocean satellites, and then several observational projects including WCRP/TOGA, TAO/TRITON, TOGA-COARE, WOCE, Argo, SPICE and NPOCE were lunched successively, which have significantly promoted the WPWP study. But until the recent Coupled Model Intercomparison Project 5, most of the climate models failed to exclude the tropical SST bias, and simulation of the WPWP is not good enough yet, indicating a urgent need of better understanding the WPWP dynamics and simulating the observed WPWP.

Western Pacific Ocean; warm pool; intra-seasonal variability; interannual variability; inter-decadal variability; tropical climate; ENSO

P733

10.12036/hykxjk20160724001

* 資助項(xiàng)目: 中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)計(jì)劃“拔尖青年科學(xué)家”項(xiàng)目(QYZDB-SSW-SYS023); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41406016); 全球變化與海氣相互作用專(zhuān)項(xiàng)(GASI-03-01-01-05)。

① 通訊作者: 胡石建, 男, 副研究員, 主要從事海洋環(huán)流與氣候動(dòng)力學(xué)研究, E-mail: sjhu@qdio.ac.cn

2016-07-25, 收修改稿日期: 2016-07-31