張榮華 王 凡1 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 青島 2660712 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 266237

海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用研究
——一個(gè)應(yīng)用于厄爾尼諾模擬的成功范例*

張榮華1,2王 凡1,2
1 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 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 266237

海洋中存在各種對(duì)氣候和環(huán)境有顯著影響的多尺度自然現(xiàn)象，如熱帶不穩(wěn)定波和厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）等，它們是海洋中不同時(shí)間和空間尺度過(guò)程及其與地球系統(tǒng)中其他圈層之間相互作用的綜合產(chǎn)物，表現(xiàn)出復(fù)雜性、多樣性、多變性和相互作用等特點(diǎn)。對(duì)海洋的研究要作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)展開(kāi)，以考慮多尺度和多圈層過(guò)程間的相互作用和反饋；要采用不同方法相結(jié)合的綜合手段（包括觀測(cè)、理論和模式等）；在認(rèn)知和表征現(xiàn)象和過(guò)程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建模式，從而模擬、預(yù)測(cè)和預(yù)估海洋相關(guān)現(xiàn)象及其對(duì)氣候和環(huán)境變化的影響。作為地球系統(tǒng)中最強(qiáng)的年際變化信號(hào)，ENSO現(xiàn)象是研究年際時(shí)間尺度海氣相互作用和氣候預(yù)估的核心內(nèi)容，本文以 ENSO 為例，來(lái)闡明海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用對(duì) ENSO 的調(diào)制影響（如海洋生物引發(fā)的加熱效應(yīng)和熱帶不穩(wěn)定波等的反饋?zhàn)饔茫?/p>

海洋多尺度和多圈層過(guò)程，海洋觀測(cè)，海洋模擬，厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.12.004

海洋約占地球表面積的 3/4，是地球圈層的關(guān)鍵組成部分。由于其巨大的水體和熱容量，以及海水熱慣性和緩慢的流動(dòng)性，海洋對(duì)全球熱收支、水循環(huán)和碳循環(huán)等起重要貢獻(xiàn)，在各種時(shí)間尺度氣候變化（年際、年代際和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)等）中起著至關(guān)重要的作用。特別是，海洋是氣候系統(tǒng)具有長(zhǎng)期記憶的載體，是氣候可預(yù)報(bào)性的根源所在。海洋科學(xué)是多學(xué)科交叉的學(xué)科，用來(lái)描述海水特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)知海洋時(shí)空演變規(guī)律等。深入研究海洋與氣候和環(huán)境相關(guān)的多尺度過(guò)程以及與各圈層（如生物圈、大氣圈等）相互作用等是當(dāng)今海洋與氣候科學(xué)領(lǐng)域的重大國(guó)際前沿課題，也是預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)氣候與環(huán)境變化的基礎(chǔ)和重點(diǎn)所在。

由于海洋多尺度和多圈層過(guò)程間相互作用的復(fù)雜性和非線性，海洋過(guò)程不是局部的而是系統(tǒng)性的，不是孤立的而是相互聯(lián)系的；所以海洋科學(xué)不但要研究海洋本身，又要考量與其他圈層間的相互作用，即應(yīng)把海洋當(dāng)作系統(tǒng)來(lái)研究。在研究方法上，需要觀測(cè)、理論、模式和模擬等的結(jié)合，在認(rèn)知和定量表征的基礎(chǔ)上，建立數(shù)值模式并預(yù)測(cè)、預(yù)估其未來(lái)變化。

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）是海洋起主導(dǎo)作用而產(chǎn)生的年際氣候變化現(xiàn)象。本文將通過(guò)闡述海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用對(duì)ENSO的調(diào)制影響，總結(jié)海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用

海洋的變化可分為自然變率和外界強(qiáng)迫引起的變化，其中自然變率是地球自然氣候系統(tǒng)內(nèi)部海洋、陸地、海冰、大氣等多圈層間交換過(guò)程及相互作用而形成的；海洋變化外界因子包括人類活動(dòng)的強(qiáng)迫（如溫室氣體增加、人為氣溶膠增多以及大尺度土地利用/覆蓋變化等）所產(chǎn)生的全球和區(qū)域效應(yīng)（如海平面上升和海水酸化等）。海洋中存在各種對(duì)氣候與環(huán)境有顯著影響的多尺度自然現(xiàn)象，并在不同時(shí)間尺度氣候模態(tài)形成和變化中起重要作用，海洋變異可導(dǎo)致年際、年代際或更長(zhǎng)時(shí)間尺度的區(qū)域和全球持續(xù)性氣候變化（包括海洋物理、生物及化學(xué)等）。

例如：熱帶太平洋海洋—大氣相互作用所產(chǎn)生的ENSO[1,2]，是最強(qiáng)的年際氣候變化模態(tài)，涉及到熱帶上層海洋動(dòng)力學(xué)；更長(zhǎng)時(shí)間尺度的年代際氣候變化模態(tài)（如大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流等）是全球尺度的，并且涉及到深層海洋（如受到海洋溫鹽環(huán)流的影響），是造成全球許多地區(qū)氣候年代際變異的重要原因，如太平洋海洋年代際過(guò)程被認(rèn)為是造成 21 世紀(jì)以來(lái)全球變暖趨緩或停滯（hiatus）的重要原因。

百年時(shí)間尺度的氣候變化主要取決于人類活動(dòng)，特別是 CO2增溫的影響——研究表明人類活動(dòng)使得CO2增加，從而在長(zhǎng)期趨勢(shì)上顯著改變著全球氣候和環(huán)境狀態(tài)。當(dāng)然，氣候系統(tǒng)的自然變率和人為引起的變化是相互作用的，所觀測(cè)到的氣候變化是多尺度過(guò)程的綜合產(chǎn)物。認(rèn)知其復(fù)雜的相互作用需要對(duì)氣候動(dòng)力學(xué)，特別是全球尺度海洋環(huán)流動(dòng)力學(xué)有深刻的認(rèn)識(shí)和理解，需要發(fā)展新的理論來(lái)闡明不同時(shí)間尺度過(guò)程間相互作用和影響。

海洋在氣候變化中的作用反映其多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用的特點(diǎn)，一個(gè)典型的例子是 ENSO。ENSO 是熱帶太平洋海氣耦合作用的產(chǎn)物，起源于海表大氣風(fēng)場(chǎng)、海表溫度場(chǎng)和海洋溫躍層間的相互作用，即所謂的溫躍層反饋機(jī)制（thermocline feedback）。除了這一主導(dǎo)因子以外，熱帶太平洋中多尺度和多圈層過(guò)程可調(diào)制 ENSO，如海洋生物加熱（Ocean Biology-induced Heating，OBH）、熱帶不穩(wěn)定波（Tropical Instability Waves，TIWs）、海氣界面間的淡水通量（Freshwater Flux，F(xiàn)WF）、熱帶氣旋（Tropical Cyclones，TCs）等強(qiáng)迫和反饋過(guò)程，這些過(guò)程一方面受ENSO的直接影響，另一方面其所產(chǎn)生的變化又可對(duì)ENSO特性產(chǎn)生調(diào)制作用（即反饋）；并且這些不同尺度和不同圈層過(guò)程之間又相互作用，對(duì) ENSO 所產(chǎn)生的綜合影響導(dǎo)致了 ENSO 的多樣性、可變性和復(fù)雜性，更導(dǎo)致其預(yù)報(bào)的不確定性，因此需要觀測(cè)、理論和模式相結(jié)合的綜合手段來(lái)系統(tǒng)研究。

2 海洋觀測(cè)資料的獲取和應(yīng)用

海洋觀測(cè)的目的是為了獲取海洋要素場(chǎng)的資料（包括物理、化學(xué)、生物過(guò)程或現(xiàn)象等），揭示其時(shí)、空分布特征和變化規(guī)律，為海洋科學(xué)研究、海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)等提供基本狀態(tài)變量信息和科學(xué)依據(jù)。海洋觀測(cè)的手段和形式已經(jīng)從早期的沿岸站或島嶼站觀測(cè)、?。摚?biāo)觀測(cè)、船舶走航調(diào)查等單一形式的觀測(cè)或監(jiān)測(cè)逐漸發(fā)展成陸地、?；涂栈嘟Y(jié)合（如現(xiàn)場(chǎng)或遙感觀測(cè)資料）的多樣化、系統(tǒng)化和立體化觀測(cè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。特別可開(kāi)展有針對(duì)性地圍繞海洋現(xiàn)象和過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)、深入的強(qiáng)化海洋觀測(cè)（包括新的測(cè)量?jī)x器的開(kāi)發(fā)和使用、優(yōu)化的觀測(cè)方案或觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、新的資料分析方法的探索等）。在海洋技術(shù)的推動(dòng)下，現(xiàn)代觀測(cè)技術(shù)已提供了廣泛的海洋多源資料，積累了更精細(xì)化和更長(zhǎng)時(shí)期的海洋觀測(cè)資料（如基于觀測(cè)描述的海洋過(guò)程的時(shí)空尺度在不斷地拓展；已發(fā)展到目前的中尺度過(guò)程長(zhǎng)期觀測(cè)、次中尺度過(guò)程觀測(cè)以及海洋內(nèi)部或海氣界面間的微尺度過(guò)程觀測(cè)等）。在多學(xué)科交叉研究需求的推動(dòng)下，跨學(xué)科的海洋多要素的同步觀測(cè)資料也在不斷積累[3]，提供了海洋全方位、高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料，特別是近些年來(lái) Argo（全球海洋觀測(cè)計(jì)劃）已為人類提供了海洋次表層觀測(cè)資料等，可供各種應(yīng)用需求。

海洋觀測(cè)資料已有廣泛的應(yīng)用，除描述海洋要素場(chǎng)四維時(shí)空演變特征外，已用于構(gòu)建和驗(yàn)證海洋中多尺度和多圈層過(guò)程參數(shù)化方法的有效性，以及檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性等。例如，在對(duì)海洋系統(tǒng)性觀測(cè)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)認(rèn)知海洋的物理過(guò)程及機(jī)制，改進(jìn)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)模式整體性表征，以提升海洋環(huán)境模擬和預(yù)報(bào)的技巧；通過(guò)同化海洋觀測(cè)資料，可以改進(jìn)或優(yōu)化海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的海洋初始狀態(tài)，以克服目前對(duì)海洋物理過(guò)程認(rèn)識(shí)的不足以及其他不確定性因素對(duì)環(huán)境預(yù)報(bào)精度的可能影響。

目前海洋觀測(cè)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但海洋觀測(cè)資料的獲取非常昂貴和費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，相對(duì)于廣闊浩瀚的海洋來(lái)說(shuō)，海洋觀測(cè)資料的時(shí)空分布仍極不均勻。海洋觀測(cè)條件的困難性，導(dǎo)致了對(duì)海洋過(guò)程理解的局限性和嚴(yán)重不足，因此需要采用觀測(cè)與模式相結(jié)合的研究手段。

3 海洋綜合模式的發(fā)展和改進(jìn)

在認(rèn)知和表征過(guò)程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于物理規(guī)律的數(shù)值模式和模擬是研究海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用強(qiáng)有力的工具，已在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)中取得了巨大進(jìn)展，模式和模擬為我們提供了一個(gè)全面深刻認(rèn)識(shí)海洋多尺度和多圈層過(guò)程、機(jī)制、演變規(guī)律以及未來(lái)變化的機(jī)會(huì)。例如，模式經(jīng)歷了從早期以海洋-大氣耦合模式為基礎(chǔ)，之后考慮更多地球系統(tǒng)分量（如海冰）耦合的氣候系統(tǒng)模式，再到進(jìn)一步考慮生物地球化學(xué)過(guò)程的地球系統(tǒng)模式的發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)，模式發(fā)展已充分利用觀測(cè)資料作進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，模式也為觀測(cè)資料的應(yīng)用提供了核心平臺(tái)。例如，通過(guò)結(jié)合模式和資料所開(kāi)展的資料同化可確定最優(yōu)海洋狀態(tài)和參數(shù)值等；特別是，包括海洋在內(nèi)的地球系統(tǒng)模式是天氣-氣候-環(huán)境一體化和進(jìn)行無(wú)縫隙模擬和預(yù)報(bào)的應(yīng)用工具，不僅可再現(xiàn)過(guò)去全球氣候演變，還可以預(yù)估未來(lái)氣候變化。因此，基于多尺度和多圈層耦合的綜合性模式的發(fā)展和改進(jìn)具有重要的科學(xué)意義和戰(zhàn)略意義。

由于海洋觀測(cè)資料的匱乏及多尺度和多圈層等特點(diǎn)，所發(fā)展的綜合模式極其復(fù)雜和龐大的計(jì)算量等，因此海洋觀測(cè)設(shè)計(jì)本身要科學(xué)、優(yōu)化；觀測(cè)資料利用要合理、有效；觀測(cè)資料與模式的融合要協(xié)調(diào)、一致；要有效利用觀測(cè)資料構(gòu)建模式未能分辨出的多尺度和多圈層過(guò)程（即參數(shù)化）等。這些方法和理念已被廣泛用于海氣相互作用和 ENSO 等研究中。ENSO 是熱帶太平洋中海洋—大氣物理過(guò)程為主要驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的，對(duì)海洋中多尺度和多圈層過(guò)程產(chǎn)生重大影響，如引發(fā)海洋生態(tài)系統(tǒng)的異常等；所引發(fā)的海洋生態(tài)響應(yīng)進(jìn)一步對(duì)物理過(guò)程產(chǎn)生反饋，從而產(chǎn)生海洋物理和生物間的相互作用。目前，氣候模式中未能合理表征海洋生物過(guò)程及其反饋影響，需要利用觀測(cè)資料來(lái)發(fā)展參數(shù)化方案以表征海洋生物加熱效應(yīng)對(duì) ENSO 的影響。

4 海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用對(duì) ENSO的調(diào)制影響

ENSO 是地球系統(tǒng)中最顯著的年際氣候變率信號(hào)，它發(fā)生在熱帶太平洋，通過(guò)大氣遙相關(guān)過(guò)程對(duì)全球天氣、氣候產(chǎn)生重大影響。幾十年來(lái)對(duì) ENSO 廣泛而深入的研究已取得了巨大進(jìn)展，現(xiàn)已開(kāi)展提前半年至一年的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)（詳情請(qǐng)參見(jiàn)美國(guó)哥倫比亞大學(xué)國(guó)際氣候研究所網(wǎng)站 http∶//iri.columbia.edu/climate/ENSO/currentinfo/ update.html）。中科院海洋所（IOCAS）所發(fā)展和改進(jìn)的中等復(fù)雜程度海氣耦合模式（IOCAS ICM）每月為國(guó)際學(xué)術(shù)界提供 ENSO 實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果（圖 1）[4,5]。但由于 ENSO 時(shí)空演變表現(xiàn)出極大的可變性和多樣性，目前對(duì) ENSO 研究仍面臨許多難題，對(duì)其變異機(jī)理還不清楚，對(duì)具有重大影響的熱帶太平洋地區(qū)海表溫度（SST）模擬誤差仍很大，因此 ENSO 實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)存在很大的不確定性和模式間的差異性等，還不能滿足防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際需求。尤其是 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，不同類型厄爾尼諾（El Ni?o）事件的頻繁發(fā)生使得 ENSO 時(shí)空演變過(guò)程變得更加復(fù)雜多變，其實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)水平也面臨更大的挑戰(zhàn)。研究 ENSO 的形成機(jī)理，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào) ENSO 事件的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)變過(guò)程是氣候動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵性課題和探索年際尺度氣候預(yù)報(bào)最有希望的途徑之一，是目前科學(xué)界、政府部門(mén)和社會(huì)公眾關(guān)注的熱點(diǎn)，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且具有潛在的巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

圖1 海氣耦合模式以2015年8月作為初始條件實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)得到的2015—2016年間熱帶太平洋海表溫度隨時(shí)間的分布

為全面認(rèn)清 ENSO 的多樣性和多變性，國(guó)際上開(kāi)展了觀測(cè)、理論和數(shù)值模擬等多方面的綜合研究。如由世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）提出并于 1985 年實(shí)施的為期 10 年的研究熱帶海洋和全球大氣環(huán)流（TOGA）關(guān)系的國(guó)際合作計(jì)劃，掀起了研究 ENSO 形成機(jī)制和海氣相互作用動(dòng)力學(xué)的新高潮，特別在觀測(cè)方面揭示出 ENSO 的可變性現(xiàn)象及可能機(jī)制、多時(shí)間尺度過(guò)程（如年循環(huán)、準(zhǔn)兩年振蕩和低頻變率等）相互作用及其對(duì) ENSO 影響等新課題。自 20 世紀(jì) 80 年代中后期以后，廣泛開(kāi)展基于海洋-大氣耦合模式的模擬研究，特別借助于簡(jiǎn)化海氣耦合模式分析不穩(wěn)定海氣相互作用機(jī)理、ENSO 起源機(jī)制和循環(huán)過(guò)程等，并開(kāi)始對(duì) ENSO 進(jìn)行基于海氣耦合動(dòng)力模式的預(yù)報(bào)試驗(yàn)，如在 1986 年首次用動(dòng)力模式對(duì) 1986—1987 年的 El Ni?o 事件進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)，并獲得令人鼓舞的初步成功，為以后采用動(dòng)力模式進(jìn)行實(shí)時(shí) ENSO 預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。目前已形成了較為成熟的 ENSO 循環(huán)理論，已發(fā)展了不同類型的海氣耦合模式，如中等復(fù)雜程度耦合模式（Intermediate Coupled Model， ICM）、混合型耦合模式、環(huán)流型耦合模式等，并用于 ENSO 可預(yù)報(bào)性研究和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)等。隨著對(duì) ENSO 研究的深入，又不斷出現(xiàn)了更多相關(guān)新課題，如 ENSO 不規(guī)則性、兩類 El Ni?o 事件、ENSO 冷/暖位相的不對(duì)稱、ENSO 年代際變化、多時(shí)間尺度和跨區(qū)域海氣過(guò)程對(duì) ENSO 的調(diào)制影響以及不同氣候模態(tài)與 ENSO 模態(tài)相互作用和全球變暖背景下 ENSO 的響應(yīng)等研究領(lǐng)域。自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，年代際氣候變異規(guī)律和成因已成為國(guó)際氣候?qū)W研究的挑戰(zhàn)性問(wèn)題，被 WCRP 的“氣候變率與可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃（CLIVAR）”列為核心內(nèi)容。

顯然，ENSO 過(guò)程涉及不同時(shí)間尺度相互作用、多源強(qiáng)迫和反饋過(guò)程的相互制約作用、跨區(qū)域海氣過(guò)程和大氣隨機(jī)過(guò)程的影響等。例如，ENSO 起源于熱帶太平洋，除了溫躍層反饋機(jī)制以外，熱帶太平洋中還存在其他多尺度和多圈層過(guò)程（圖2）。除這些具體過(guò)程以外，不同時(shí)間尺度過(guò)程（如年循環(huán)、季節(jié)內(nèi)振蕩、準(zhǔn)兩年振蕩和低頻變率等）間相互作用可對(duì) ENSO 有調(diào)制作用，使 ENSO 時(shí)空演變具有更復(fù)雜的可變性和多樣性。例如，在全球變暖背景下，大尺度海洋-大氣平均氣候場(chǎng)發(fā)生改變，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，熱帶太平洋的背景態(tài)出現(xiàn)了顯著的年代際變化，具體表現(xiàn)為：熱帶太平洋信風(fēng)持續(xù)加強(qiáng)、西太平洋地區(qū)中層海水溫度升高、赤道東太平洋冷水上翻加強(qiáng)和熱帶東太平洋海表溫度下降等。這些背景場(chǎng)的變化也可改變 ENSO 的自然屬性，導(dǎo)致出現(xiàn)不同類型的 El Ni?o 事件，加劇了 ENSO 循環(huán)中兩個(gè)位相的不對(duì)稱性等。如 21 世紀(jì)初至 2014 年間，拉尼娜（La Ni?a）事件可持續(xù)多年，而在赤道東太平洋 El Ni?o 現(xiàn)象很難出現(xiàn)，代之以 El Ni?o 事件主要出現(xiàn)在赤道中太平洋；而在 20 世紀(jì) 80—90 年代，則是相反情況[6]。另一方面，這些背景場(chǎng)的改變對(duì)全球變暖產(chǎn)生調(diào)制作用（例如全球平均溫度的上升趨勢(shì)減緩），如已有一些研究表明太平洋海氣耦合系統(tǒng)對(duì)全球變暖有調(diào)制作用；年際尺度上 ENSO 的不對(duì)稱性發(fā)展及其累積效應(yīng)可導(dǎo)致赤道中太平洋 SST 年代際變化，可對(duì)全球增暖產(chǎn)生調(diào)制影響，但仍然存在眾多未解的科學(xué)問(wèn)題（包括 ENSO 年代際變異和年代際氣候變化與全球增暖間的相互影響等）。

圖2 ENSO相關(guān)過(guò)程示意圖

ENSO 現(xiàn)象的復(fù)雜性、多樣性和多變性等問(wèn)題都與海洋多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用密切相聯(lián)系的，ENSO 已被視作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究（包括觀測(cè)、理論和數(shù)值模式等多方面的綜合研究）。在認(rèn)知、表征和模擬的基礎(chǔ)上，利用海洋觀測(cè)所提供的初始條件進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。下面就 ENSO 受海洋中多尺度和多圈層過(guò)程的調(diào)制影響的有關(guān)研究做一些具體分析。

4.1 海洋多尺度過(guò)程對(duì) ENSO 的調(diào)制影響——一個(gè)熱帶不穩(wěn)定波的例子

熱帶東太平洋地區(qū)一個(gè)重要的海洋-大氣過(guò)程是熱帶不穩(wěn)定波（TIWs），高分辨率衛(wèi)星觀測(cè)資料表明，沿?zé)釒|太平洋冷舌區(qū) 3oN 附近存在一條明顯的海表面溫度鋒，該溫度鋒把近赤道上涌冷水區(qū)與其北側(cè)暖水區(qū)隔開(kāi)。由于赤道主要洋流經(jīng)向切變的不穩(wěn)定性和海洋溫度鋒的斜壓不穩(wěn)定性等原因，導(dǎo)致了熱帶東太平洋冷舌區(qū)海表面溫度鋒產(chǎn)生擾動(dòng)并以波動(dòng)形式向西傳播，這種波動(dòng)稱為 TIWs。雖然 TIWs 是一種中小尺度現(xiàn)象，但可對(duì)年際氣候變化（如 ENSO）有重要影響，這反映了多尺度過(guò)程間的相互作用。例如，這種起源于海洋內(nèi)部過(guò)程的中尺度現(xiàn)象，可以通過(guò)水平輸送及海洋上層的垂直混合作用等，對(duì)熱帶東太平洋的熱量和動(dòng)量平衡產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響熱帶地區(qū)氣候平均態(tài)及其季節(jié)和年際變化。例如，一些研究指出，TIWs 垂直混合產(chǎn)生的向赤道地區(qū)的經(jīng)向熱輸送是赤道東太平洋海洋混合層熱量平衡項(xiàng)中的一級(jí)項(xiàng)，甚至可以超過(guò)海表熱通量量值。衛(wèi)星觀測(cè)資料分析表明，赤道東太平洋冷舌區(qū) TIWs 引起的 SST 擾動(dòng)可以引起海表風(fēng)場(chǎng)、云和降水等系統(tǒng)性響應(yīng)，如熱帶東太平洋 TIWs 引起的 SST 擾動(dòng)可達(dá) 2oC—3oC，與之相伴隨的海表風(fēng)速變化可達(dá)氣候平均值的20%—30%，風(fēng)應(yīng)力渦度和散度變化可達(dá)其氣候平均值[7]。因此，TIWs 對(duì)赤道東太平洋冷舌區(qū)氣候平均態(tài)、季節(jié)變化和大尺度年際變率等可產(chǎn)生重要影響。

近年來(lái)，由于衛(wèi)星觀測(cè)資料可提供高分辨率的海洋-大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)，使得對(duì) TIWs 的研究得到了長(zhǎng)足發(fā)展。但目前氣候模式還不能表征 TIWs 這樣的中小尺度過(guò)程，特別是 TIWs 所引發(fā)的風(fēng)場(chǎng)作用在目前大尺度海氣耦合模式中都未能很好地表征。在以前的工作中[7]，利用衛(wèi)星觀測(cè)資料構(gòu)建了一個(gè)計(jì)算 TIWs 風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并?yīng)用于海洋和海氣耦合模式中；模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TIWs 產(chǎn)生的低層大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)熱帶東太平洋海溫的氣候平均態(tài)和年際變率均有可觀的影響（尤其是對(duì) La Ni?a 事件），說(shuō)明 TIWs 這樣的中、小尺度過(guò)程也可對(duì)大尺度過(guò)程（如ENSO）產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫▓D 3）。但目前對(duì) TIWs 所引發(fā)的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫和反饋?zhàn)饔玫姆治龊湍M實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)初步的，對(duì) ENSO 預(yù)報(bào)的影響還未有人研究過(guò)，需進(jìn)一步詳細(xì)研究 TIWs 在海氣耦合模式中的作用和對(duì) ENSO 的反饋過(guò)程，評(píng)估 TIWs 對(duì)大尺度 ENSO 現(xiàn)象、過(guò)程和預(yù)報(bào)的影響。

4.2 海洋多圈層過(guò)程對(duì) ENSO 的調(diào)制影響——一個(gè)海洋生物引發(fā)的加熱效應(yīng)的例子

ENSO 主要由物理過(guò)程所控制，但也受一些多圈層過(guò)程的調(diào)制影響，這里給出一個(gè)海洋多圈層過(guò)程對(duì) ENSO 調(diào)制影響的例子。

圖3 模擬得到的海表溫度（SST）異常沿赤道的緯圈-時(shí)間分布

近年來(lái)的研究表明，熱帶太平洋海洋生物與物理存在相互作用，進(jìn)而可影響 ENSO 的特性。一方面，ENSO 相關(guān)的物理過(guò)程控制熱帶太平洋的海洋生物狀況；另一方面，上層海洋浮游生物量的存在和變化，反過(guò)來(lái)調(diào)制太陽(yáng)輻射在上層海洋的垂直穿透，從而導(dǎo)致海洋生物所引發(fā)的加熱和對(duì)海洋物理過(guò)程產(chǎn)生反饋影響，從而形成海洋生物-物理及氣候間相互作用。例如，海洋生物加熱效應(yīng)對(duì)物理過(guò)程的影響可用太陽(yáng)輻射在上層海洋的垂直穿透度來(lái)描述，可簡(jiǎn)單地引入穿透深度變量（Hp）來(lái)表征，并作為氣候系統(tǒng)中海洋物理和海洋生態(tài)系統(tǒng)的主要關(guān)聯(lián)變量。在熱帶太平洋海盆尺度上，Hp表現(xiàn)出與 ENSO 循環(huán)緊密相關(guān)的年際變率，對(duì)太陽(yáng)輻射在上層海洋的傳輸有調(diào)節(jié)作用，并在海洋混合層熱收支中起著重要影響，如發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋中海洋生物加熱的年際變率可對(duì) ENSO 起負(fù)反饋?zhàn)饔?。因此在診斷和模擬研究中，需要充分考慮海洋生物加熱所導(dǎo)致的對(duì)氣候的反饋?zhàn)饔茫?dāng)前熱帶太平洋海盆尺度模式和全球海氣耦合模式中對(duì)海洋生物加熱效應(yīng)的表征及海洋生物-氣候相互作用方面仍存在著極大的不確定性，特別是目前集海洋物理、生物和化學(xué)分量于一體的綜合模式在真實(shí)模擬ENSO 所引發(fā)的 Hp年際異常方面仍有相當(dāng)?shù)睦щy；目前描述海洋生物和化學(xué)狀態(tài)的資料非常缺少。

與此同時(shí)，衛(wèi)星觀測(cè)提供了前所未有的海盆尺度上海洋水色（ocean color）數(shù)據(jù)，為描述海洋生態(tài)過(guò)程和海洋生物-氣候相互作用等成為可能，如已利用衛(wèi)星觀測(cè)資料導(dǎo)出一個(gè)可表征熱帶太平洋 Hp年際變率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⑵淝度氲揭粋€(gè)海洋-大氣耦合模式中以表征海洋生物引發(fā)的加熱效應(yīng)和海洋生物-氣候相互作用[8]，結(jié)果表明海洋生物加熱效應(yīng)對(duì) ENSO 有很大的調(diào)制影響（圖 4）。但需結(jié)合現(xiàn)有的資料和模擬數(shù)據(jù)對(duì)海洋生態(tài)過(guò)程與 ENSO 之間的關(guān)系進(jìn)行更深入研究，特別是評(píng)估多圈層過(guò)程（包括海洋生態(tài)引發(fā)的加熱效應(yīng)等）及相互作用對(duì) ENSO 預(yù)報(bào)的影響等。本節(jié)也給出如何利用衛(wèi)星資料表征這一反饋過(guò)程以改進(jìn)海氣耦合模式對(duì) ENSO 模擬的例子。

5 結(jié)語(yǔ)

由于海洋與相關(guān)的全球氣候和環(huán)境變化關(guān)系到整個(gè)人類社會(huì)的前途與命運(yùn)，海洋科學(xué)研究的重要性和迫切性上升到了前所未有的高度。海洋研究涉及多尺度過(guò)程及與地球系統(tǒng)其他圈層之間相互作用（如海氣界面、海陸界面和海底界面等），表現(xiàn)出復(fù)雜性、多樣性和多變性等，目前，海洋的研究存在極大的挑戰(zhàn)和困難。對(duì)海洋的研究應(yīng)從地球系統(tǒng)的視角，開(kāi)展海洋與其他圈層（如大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等）相互作用的前沿綜合性研究；應(yīng)采用觀測(cè)和模式相結(jié)合的綜合手段；促進(jìn)多學(xué)科交叉觀測(cè)和模擬系統(tǒng)的建立、改進(jìn)和完善，開(kāi)展未來(lái)海洋和氣候及環(huán)境變化的預(yù)測(cè)和預(yù)估研究，為“海洋強(qiáng)國(guó)”和“21 世紀(jì)海上絲綢之路”的國(guó)家戰(zhàn)略提供重要科技支撐。

ENSO 是熱帶太平洋海氣相互作用最為重要的產(chǎn)物，是地球系統(tǒng)中最可預(yù)報(bào)的年際變化信號(hào)。研究 ENSO 的形成機(jī)理，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào) ENSO 事件的發(fā)生發(fā)展和演變，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，ENSO 及其熱帶海洋-大氣相互作用研究是當(dāng)今氣候動(dòng)力學(xué)前沿課題。目前對(duì) ENSO 的研究已經(jīng)取得了巨大成果，但仍不能對(duì)其發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的預(yù)測(cè)；目前對(duì)引發(fā) ENSO 事件的主要海氣過(guò)程（即斜溫層反饋機(jī)制）已有充分的認(rèn)知和模擬能力，但對(duì)熱帶太平洋中存在的多尺度和多圈層過(guò)程及其相互作用對(duì) ENSO 調(diào)制作用的理解還很有限，當(dāng)前模式還不能或未能很好地表征這些過(guò)程。作為例子，這里給出海洋生物加熱過(guò)程和 TIWs 在調(diào)制 ENSO 中的作用，以說(shuō)明 ENSO 受海洋多尺度和多圈層過(guò)程調(diào)制影響而表現(xiàn)出的多樣性和多變性。

圖4 模擬得到的海表溫度（SST）異常沿赤道的緯圈-時(shí)間分布（a）沒(méi)有考慮海洋生物加熱年際變化引發(fā)的氣候反饋效應(yīng)；（b）考慮海洋生物加熱年際變化引發(fā)的氣候反饋效應(yīng)。SST的等值線間隔為0.5oC

針對(duì)目前我國(guó)在走向深海大洋中所急需要解決的重大科學(xué)問(wèn)題（如 ENSO 調(diào)制機(jī)理和 ENSO 實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)等），應(yīng)集中開(kāi)展以地球系統(tǒng)耦合模式為工具，以數(shù)值模擬為主要手段，以 ENSO 為聚焦點(diǎn)，積極開(kāi)展西太平洋海洋觀測(cè)網(wǎng)的建立和完善，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ENSO 現(xiàn)象和過(guò)程；同時(shí)，開(kāi)展海洋多尺度和多圈層過(guò)程相互作用研究（如發(fā)展和改進(jìn)包括海洋和大氣等在內(nèi)的多圈層耦合模式）；結(jié)合海洋資料同化技術(shù)，以改進(jìn) ENSO 事件實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)。

1 李崇銀. 氣候動(dòng)力學(xué)引論. 北京∶ 氣象出版社, 1995.

2 巢紀(jì)平. ENSO循環(huán)機(jī)理和預(yù)測(cè)研究. 北京∶ 氣象出版社, 2003.

3 王凡, 王嘉寧. 我國(guó)熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)初步建成. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2016, 31(2)∶ 258-262.

4 Zhang R H, Zheng F, Zhu J, et al. A successful real-time forecast of the 2010-11 La Ni?a event. Scientific Reports, 2013, 3∶ 1108.

5 Zhang R H, Gao C. The IOCAS intermediate coupled model (IOCAS ICM) and its real-time predictions of the 2015-16 El Ni?o event. Science Bulletin, 2016, 61∶ 1061.

6 Zhang R H, Rothstein L M, Busalacchi A J. Origin of upper-ocean warming and El Ni?o change on decadal time scalesin the Tropical Pacific Ocean. Nature, 1998, 391∶ 879-883.

7 Zhang R H. Effects of tropical instability wave (TIW)-induced surface wind feedback in the tropical Pacific Ocean. Climate Dynamics, 2014, 42∶ 467-485. 8 Zhang R H, Gao C, Kang X, et al. ENSO modulations due to interannual variability of freshwater forcing and ocean biology-induced heating in the tropical Pacific. Scientific Reports, 2015, 5∶18506.

張榮華 中科院海洋所研究員，國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家，山東省“泰山學(xué)者”特聘教授，青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“鰲山人才”卓越科學(xué)家；中科院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任。在國(guó)際重要核心刊物上發(fā)表眾多具有重要影響力的學(xué)術(shù)論文（包括 Nature 及其子刊多篇文章）。主要研究方向包括熱帶海氣耦合模式、熱帶海洋-大氣相互作用、厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)、年代際海洋氣候變率、海洋反饋過(guò)程參數(shù)化及其對(duì)氣候模擬影響等。E-mail∶ rzhang@qdio.ac.cn

Zhang Ronghua Professor at the Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences (CAS). He received his Ph. D. from the Institute of Atmospheric Physics, CAS in 1989. Then, he worked respectively at the Meteorological Research Institute/Japan Meteorological Agency (Japan), the National Oceanic Data Center (NODC)/NOAA (USA), the University of Rhode Island (USA), the Columbia University (USA), and the University of Maryland (USA). His research interests include coupled ocean-atmosphere interactions and numerical modeling, ENSO prediction and predictability, and data assimilation. E-mail∶ rzhang@qdio.ac.cn

Oceanic Studies on Multi-scale and Multi-sphere Processes and Their Interactions: A Successful Example for El Ni?o Simulation

Zhang Ronghua1,2Wang Fan1,2
（1 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 266237, China）

The ocean is one important component of the Earth system. There exist various processes in the ocean which can have significant influences on the climate and environment on the Earth, including the El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) and tropical instability waves (TIWs). These phenomena and signals result from complicated interactions among oceanic processes on multiple scales and among multispheres (such as the atmosphere, hydrosphere, biosphere and so on). Because the ocean exhibits such great diversity and variability on various space-time scales, the ocean should be studied as a system, taking into account interactions and taking different approaches in a coherent way (observation, theories, simulation and prediction etc.). Based on process understanding, models need to be developed as a powerful tool for simulation, prediction and projection. As the strongest interannual signal on the Earth, ENSO exerts significant influences on weather and climate worldwide. Examples are given for the modulating effects on ENSO by feedback processes on multiple time scales and multi-spheres, including ocean biology-induced heating and TIWs.

multi-scale and multi-sphere processes in the ocean, oceanic observations, oceanic simulations, El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA11010 000、XDA11020000），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41490 644、41475101），青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鰲山人才計(jì)劃（2015ASTP），山東泰山學(xué)者和青島創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目

修改稿收到日期：2016年11月23日