“太平洋-印度洋暖池”研究計劃Indo-PacificOceanWarmPoolResearch前言項目簡介研究隊伍Argo觀測XBT觀測研究進展國際合作人才培養(yǎng)資料共享國家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室中國青島266061PrefaceIntroductionResearchTeamArgoObservationXBTObservationResearchProgressInternationalCooperationEducationandtrainingDatamanagement123456789123456789

Lab.MarineScienceandNumericalModelingFirstInstituteofOceanography,SOAQingdao

266061,China前言

從遠古到今天，神秘的蔚藍海洋見證著人類文明的孕育和發(fā)展，然而我們又對她了解多少？在遙遠的熱帶太平洋和印度洋，聚集著一團體積龐大而又是全球海洋最為溫暖的海水。她的寧靜令人神往，然而她以詭秘方式影響著幾乎世界每一個角落，她就是我們魂牽的夢想之地—“太平洋-印度洋暖池”她是海洋和大氣角逐的一艘旗艦，是ElNi?o這一古怪精靈的搖籃。鄭和，中國探索海洋的先驅(qū)，從1405年起率浩蕩船隊七下西洋，穿越馬六甲海峽，遠達東非。600年后，我們把目光再次投向這片熟悉而又陌生廣袤海洋。自然如不能被目證就不能被征服，這就是我們的使命：揭開“太平洋-印度洋暖池”美麗而又神秘面紗。研究資助：科技部國家重大基礎(chǔ)研究前期研究專項（2001CCB00500）科技部國際合作重點項目（2002CB714001)自然科學(xué)基金委員會重點基金（40232012）鄭和寶船Preface

Fromtheremoteantiquitytonow,themysteriousazureblueoceanwitnessesthebirthandgrow-upofthehumancivilization.Howmuchdoweunderstandher,however?

InthefarawaytropicalPacificandIndianOceanliesahugevolumeofwarmestwaterintheworld.Hertranquilityissoattractive,whileshetouchestheworldinhercunningway.Sheisjustwhatwearedreamingof—“Pacific-IndianOceanWarmPool”

ActingastheFlagshipinthewrestlebetweentheoceanandatmosphere,sheisthecradleofthemonstrousgeniusElNi?o.ZhengHe,thegreatestChinesepioneeringnavigator,exploredtheso-calledWesternOceanfrom1405leadinghishugefleetwithsevenexpeditions.600yearslater,wecastoursightagainonthisfamiliarbutalsounacquaintedvastocean.

Naturecann’tbeconqueredifnotwitnessed.Thisisjustourduty,tounveilthebeautyandmysteryofthePacific-IndianOceanWarmPool.Sponsors:MinistryofScienceandTechnology(2001CCB00500,2002CB714001)NSF(40232012)ZhengHe’sTreasure-ship項目簡介

ENSO是全球年際尺度氣候變化的主要機制之一，早期研究中ENSO被認為是主要發(fā)生在東太平洋的海-氣相互作用事件，但是TOGA-COARE觀測事實在一定程度上改變了這種觀點。近年來中、外科學(xué)家的工作證實ElNi?o信號首先出現(xiàn)在西太平洋暖池次表層，然后向東傳播，到達東太平洋后形成傳統(tǒng)意義上的ElNi?o。因此，西太平洋暖池對于ENSO研究具有重要意義。印度洋偶極子（IOD）是近年來引起人們重視的印度洋海盆尺度海表溫度和海面風(fēng)場的異常事件，它對于印度洋周邊國家甚至對全球的氣候產(chǎn)生影響。由于印度洋缺乏觀測資料，對于IOD相對于ENSO的獨立性以及它和ENSO相互作用的理解受到很大限制。因此，以“太平洋-印度洋暖池”這一核心概念為中心，研究太平洋、印度洋中的海-氣相互作用過程、二者之間的聯(lián)系以及對中國氣候的影響具有重要科學(xué)價值。Introduction

Thetropicalocean-atmosphereinteractionassociatedwithENSOisregardedastheoneofkeymechanismsoftheglobalinter-annualclimatevariability.Originally,ENSOisbelievedtobedominatedbytheair-seainteractionintheeasternPacific.However,TOGA-COAREobservationsarguethisparadigm.RecentlyresearchrevealsthattheElNi?osignalfirstlyappearsinthesubsurfaceofWesternPacificWarmPool(WPWP)andthenpropagateseastward.ThusWPWPplaysacriticalroleintheENSOcycle.IndianOceanDipole(IOD),isarecentlyidentifiedeventasabasin-scalepatternofSSTandwindanomaly.Itcanloadsignificantimpactsontheseasonalclimateconditionsatregionalandglobalscales.UnderstandinghowIODisindependentofENSOandhowitinteractswithENSOhasbeenlimitedbyalackofobservationsintheIndianOcean.Itisthusrathervaluabletostudytheatmosphere-oceaninteractionswithintheso-called“Pacific-IndianWarmPool”(PIWP),theircommunicationandimpactonChineseclimate.研究隊伍巢紀平，院士，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心于衛(wèi)東，博士/副研究員，海洋一所許建平，研究員，海洋二所張慶華，博士/研究員，海洋一所蒲書箴，研究員，海洋一所劉海行，研究員，海洋一所陳顯堯，博士/研究員，海洋一所李立，研究員，海洋三所項目執(zhí)行協(xié)調(diào)人：于衛(wèi)東

(wdyu@)項目執(zhí)行秘書：李勞鈺

(lilaoyu@)ChaoJi-ping1,2,Academician,YuWei-dong1,PhD/AssociateProfessorXuJian-ping3,ProfessorZhangQing-hua1,PhD/ProfessorPuShu-zhen1,ProfessorLiuHai-xing1,ProfessorChenXian-yao1,PhD/ProfessorLiLi4,ProfessorFirstInstituteofOceanography,SOANationalMarineEnvironmentCenterSecondInstituteofOceanography,SOAThirdInstituteofOceanography,SOAProjectcoordinator:YuWeidong

(wdyu@)Projectsecretary:LiLaoyu

(lilaoyu@)Researchgroup巢紀平，院士，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心于衛(wèi)東，博士/副研究員，海洋一所許建平，研究員，海洋二所張慶華，博士/研究員，海洋一所蒲書箴，研究員，海洋一所劉海行，研究員，海洋一所陳顯堯，博士/研究員，海洋一所李立，研究員，海洋三所項目執(zhí)行協(xié)調(diào)人：于衛(wèi)東

(wdyu@)項目執(zhí)行秘書：李勞鈺

(lilaoyu@)大事記2002年3月21日下午15時，中國第一枚Argo浮標在東印度洋(114°42′E,14°12′S)投放成功，世界氣象組織編號5900798；2002年10月20-25日，在西太平洋投放Argo浮標3枚；2002年12月30日至2003年1月13日，在西太平洋投放Argo浮標13枚；2003年8月4-11日，在西太平洋投放Argo浮標3枚；2004年1月9-18日，在西太平洋投放Argo浮標3枚；Argo資料的NormalMode分解NormalModedecompositionofArgoProfile利用前5個模態(tài)的密度剖面重構(gòu)Densityreconstructionwith1-5modes利用前5個模態(tài)的溫度剖面重構(gòu)Temperaturereconstructionwith1-5modesMemorabilia15:00,Mar.21,2002,EastIndianOceandiscernsthefirstChineseArgodeploymentatthelocation(114°42′E,14°12′S).ItsWMOIDis5900798;Oct.20-25,2002,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Dec.30,2002toJan.13,2003,13ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Aug.4-11,2003,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Jan.9-18,2004,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Argo觀測Argo

DeploymentXBT觀測?西太平洋斷面：15N至15S2002年11月24日至12月2日完成0.25度間隔調(diào)查船：雪龍?zhí)?東印度洋斷面：15S至15N2003年3月10日至15日完成0.25度間隔調(diào)查船：雪龍?zhí)朮BT

Observation?WestPacificSection：15N–15SFromNov.24toDec.2,20020.25degreeresolutionVessel:Xue-Long?EastIndianSection：15S–15NFromMar.10-15,0.25degreeresolutionVessel:Xue-LongDataquicklook數(shù)據(jù)一瞥

研究進展?

ENSO循環(huán)中大氣環(huán)流異常特征分析

熱帶海-氣相互作用過程的分析中，大氣環(huán)流的變化常以緯向風(fēng)作為代表性指標，但是這還不足以給出大氣環(huán)流變異的全貌。

ElNi?o的發(fā)生和Walker環(huán)流有著密切聯(lián)系，Walker環(huán)流在本質(zhì)上是熱力驅(qū)動環(huán)流，直接對應(yīng)著大氣環(huán)流的無旋分量。同時，大氣環(huán)流的無輻散分量代表了大氣的動力響應(yīng)。因此，把熱帶大氣運動分解成無旋（以流函數(shù)表征）和無輻散（以速度勢表征）兩部分，研究它們的變化特征可以使我們對大氣環(huán)流變化有一個更清晰的認識。圖1給出了850hPa、200hPa流函數(shù)和速度勢與Nino-3指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。高、低空的反位相特征表明大氣對于海洋強迫響應(yīng)的斜壓性，從速度勢結(jié)果可以看出在ElNi?o期間Walker環(huán)流發(fā)生了距平意義上的翻轉(zhuǎn)，從流函數(shù)結(jié)果可以看出大氣的動力響應(yīng)主要表現(xiàn)為低空的一對關(guān)于赤道對稱的氣旋式環(huán)流，高空為一對反氣旋式環(huán)流。ENSO循環(huán)中，大氣的無旋和無輻散分量的調(diào)整、變化非常協(xié)調(diào)一致，圖2表明無輻散分量指數(shù)和無旋分量指數(shù)的相關(guān)系數(shù)超過了0.8。圖1、850hPa（上）、200hPa（下）流函數(shù)（左）/速度勢（右）與Nino-3指數(shù)的相關(guān)場摘自：于衛(wèi)東、巢紀平，自然科學(xué)進展，2004ab圖2、流函數(shù)（紅）、速度勢（黑）指數(shù)的時間演化ResearchProgress?

AtmosphericcirculationvariabilityduringENSO

Thezonalwindanomalyisusuallyadoptedastheindicatorfortheatmos-phericcirculationvariationduringENSO.However,themoreelegantgeneralpicturesarestilldesired.WalkercirculationiscloselyassociatedENSO,whichisbasicallythermallydriven.Itcorrespondsthedivergentcirculationcomponent.Meanwhile,therotationalcomponentrepresentstheatmosphericdynamicresponse.Thusitisvaluabletodecomposetheatmosphericmotionintothesetwoparts,evaluatedbythestreamfunctionandvelocitypotentialrespectively.Fromthecorrelationmap(fig.1),itcanbeseenthattheatmosphereshowsbaroclinicresponsetotheoceanicforcing.TheWalkercirculationisreversedinthesenseofanomalyfield.Thelowerlevelatmosphereischaracterizedbyacycloniccirculationpair,whiletheupperatmospherebyananti-cycloniccirculationpair.DuringENSOcycle,thedivergentandrotationalcomponentsvaryinaratherconsistentway,whichcanbeverifiedfromfig.2.Thecorrelationbetweenthetwoindexexceeds0.8.Fig.1Thecorrelationmapbetweenthestreamfunction/velocitypotentialandNino-3IndexRef:YuW.andJ.Chao,AdvancesinNaturalScience,2004abFig.2Theindexofthestreamfunction(red)andvelocitypotential(black)

研究進展?

ENSO循環(huán)中的大氣-海洋反饋過程

ENSO作為一種大氣-海洋相互作用事件，通過海氣之間的正反饋過程得到發(fā)展，通過負反饋過程完成位相轉(zhuǎn)變，目前關(guān)于ENSO循環(huán)中負反饋過程的認識有待于進一步加深。無旋大氣分量，即翻轉(zhuǎn)的Walker環(huán)流，與海洋之間始終保持著正反饋（圖略）。無輻散大氣分量（圖1）在ElNi?o達到它的盛期之前和海洋之間存在著正反饋，它的主要作用是使西太平洋赤道和赤道外海域的溫躍層抬升，激發(fā)沿赤道東傳的暖Kelvin波，造成西太平洋的海表面溫度降低。在ElNi?o達到盛期和之后的時間里，無輻散大氣分量和海洋之間轉(zhuǎn)變成負反饋，表現(xiàn)為關(guān)于赤道對稱的氣旋式環(huán)流移到了中東太平洋并且在西太平洋出現(xiàn)一對新的關(guān)于赤道對稱的反氣旋環(huán)流，其中，東移的氣旋式環(huán)流使東太平洋的溫躍層變淺，造成溫度的降低，而西太平洋新出現(xiàn)的反氣旋環(huán)流對加深了西太平洋的溫躍層，使西太平洋海表面溫度升高，這兩種負反饋過程共同造成了翻轉(zhuǎn)Walker環(huán)流的減弱，并使ElNi?o向著它的相反為向轉(zhuǎn)化，這一過程可以通過圖2的示意卡通圖直觀的了解。

圖1、ElNi?o過程中大氣850hPa流函數(shù)演變的合成圖圖2、ElNi?o過程大氣-海洋正負反饋過程的示意圖ResearchProgress?

Theatmosphere-oceanfeedbackduring

ENSOcycle

ENSOisregardedasanatmosphere-oceaninteractionprocess,whichdevelopsthroughthepositiveair-seafeedbackanddecaysthroughthenegativefeedback.Thepositiveprocessiswellunderstood.However,thenegativefeedbackneedsfurtherinvestigation.Thedivergentatmosphericcomponent,orthereversedWalkercirculation,keepsthepositivefeedbackwiththeoceanduringthewholelifetimeofElNi?o(fiuresnotshown).Thecaseoftherotationalatmosphericcomponentissomewhatdifferent(fig.1).BeforethepeaktimeofElNi?o,thereispositiveatmosphere-oceanfeedback,whichstrengthensthedevelopmentofElNi?o.However,thispositiveprocessstopsfromthepeaktimeofElNi?oandconvertstothenegativefeedback.Thistransitionisrealizedthroughtheeastwarddisplacementofthecycloniccirculationpairoverthecentral-to-easternPacificandthenewemergenceoftheanti-cycloniccirculationpairoverthewesternPacific.NowthecycloniccirculationpairshoalstheeasternPacificthermoclineandtheanti-cycloniccirculationpairdeepensthewesternPacificthermocline.ThesetwonegativefeedbackprocessesgreatlyweakensthereversedWalkercirculationandfinallyleadstothephasetransitionofElNi?o.ThewholeprocesscouldbeclearlyunderstoodfromthecartoonshowninFig.2.Fig.1ThecompositeoftheevolutionofthestreamfunctionduringElNi?olifetimeFig.2Schematicplanoftheair-seafeedback

研究進展?ENSO和IOD對于嵌入太平洋-印度洋暖池的南海冷水楔的影響在冬季東北季風(fēng)的驅(qū)動下，南海上層表現(xiàn)為氣旋式環(huán)流，中南半島沿岸的沿岸流得到充分發(fā)展，向南的冷水輸運造成南海南部海表溫度比西太平洋和東印度洋明顯偏低，形成所謂的嵌入太平洋-印度洋暖池的冷水楔（圖1）。這一南海冷水楔的年際變化明顯的受到ENSO和IOD的影響。通過偏相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，ENSO和IOD對于南海冷水楔的影響是相反的：ENSO期間南海冷水楔強度減弱，而在IDO期間南海冷水楔增強（圖2）。ENSO和IOD對南海冷水楔的相反影響源自它們所導(dǎo)致的不同大氣環(huán)流異常。ENSO期間，通過“太平洋-東亞”遙相關(guān)，在西太平洋造成異常的反氣旋環(huán)流和輻散中心，削弱了南海的東北季風(fēng)，從而導(dǎo)致南海上層氣旋式環(huán)流減弱、沿岸流減弱，向南的冷水輸送減弱，從而南海冷水楔被削弱。IOD期間，東印度洋北部一側(cè)呈現(xiàn)反氣旋式環(huán)流，其向南的分支控制了南海，增強了南海上空的東北季風(fēng)，從而導(dǎo)致南海冷水楔增強。(a)(b)(c)(a)(b)圖1.冬季海表溫度的分布圖2.海表溫度和Nino-3指數(shù)（左）、IOD指數(shù)（右）的偏相關(guān)圖3.ElNino盛期合成的流函數(shù)(a)、速度勢(b)和總風(fēng)場圖4.流函數(shù)與IOD指數(shù)的相關(guān)(a)、偏相關(guān)(b)ResearchProgress?ENSOandIODimpactsonthegapinIndo-PacificWarmPooloverSCS

Undertheforceofwintermonsoon,uppercirculationofSouthChinaSeashowsthecyclonicpattern.ThesouthwardcoastalcurrentalongtheeastIndochinaPeninsulagetsfullydeveloped,whichtransportslargevolumeofcoldwatertothesouthernSCS.Asaresult,thereformsagapintheIndo-Pacificwarmpool,wheretheSSTissignificantlylowerthanwesternPacificandeasternIndianOceans.SCSgapshowsclearvariabilityassociatedwithENSOandIOD.Fortheequatorialocean,theatmosphericEkmanpumpingrealizesthroughthezonalwindalongtheequator.Comparingthedivergentandrotationalequatorialzonalwind(fig.1)providesananswertotheabovequestion.

Duetothedeepthermoclineandrelativelyweakvalue,theinteractionbetweenthedivergentatmosphereandoceancanonlytakeplaceinthetropicaleasternPacific,whereitdeepensthethermoclineandincreasestheSST.

DuringthedevelopmentstageofElNi?o,theinteractionbetweentherotationalatmosphereandequatorialoceantakesplaceinthewesternPacific,whereitshoalsthethermoclineandexcitesthewarmKelvinwave.Therefore,thewarmwateroneithersideofthecomesfromdifferentdynamics.

研究進展?

熱帶大氣-海洋中Rossby波-地形Rossby波的耦合不穩(wěn)定性

按照對ElNi?o的傳統(tǒng)認識，認為它主要是發(fā)生在東太平洋的暖事件，即暖水首先出現(xiàn)在東太平洋，然后向西擴展形成ElNi?o。但是后來的研究發(fā)現(xiàn)某些年份的海洋增暖并不首先從東太平洋開始，近來的研究又提出暖水首先出現(xiàn)在西太平洋暖池次表層，然后向東傳播形成ElNi?o，那么究竟哪種觀點更準確呢？通過對上400米海洋熱含量變異的合成分析發(fā)現(xiàn)（圖略），暖水幾乎是同時在東、西赤道太平洋出現(xiàn)，西太平洋暖信號表現(xiàn)為東傳Kelvin波，而西太平洋暖信號局地發(fā)展，對這一現(xiàn)象的物理解釋是什么呢？

考慮到我們考察赤道附近的海洋暖信號，那么大氣的Ekman抽吸主要借助緯向風(fēng)來完成，對比無旋分量和無輻散分量沿赤道的緯向風(fēng)可以發(fā)現(xiàn)它們存在顯著的不同（圖1）。無旋大氣環(huán)流和海洋的動力學(xué)反饋只能發(fā)生在赤道附近，由于西太平洋溫躍層深厚而無旋大氣環(huán)流比無輻散大氣環(huán)流小一個數(shù)量級，因此翻轉(zhuǎn)的Walker環(huán)流和海洋的相互作用主要發(fā)生在赤道東太平洋，圖1種看出無輻散緯向風(fēng)在東、西赤道太平洋特征不同，東太平洋是東風(fēng)，加深了該處的溫躍層深度，造成海表面溫度升高。在ElNi?o的發(fā)展期，無輻散大氣環(huán)流和赤道海洋的相互作用重要在西太平洋，一方面抬升了西太溫躍層厚度，另一方面激發(fā)暖的Kelvin波，而在東太平洋幾乎沒有正的海氣反饋。因此，東、西赤道太平洋的暖水同時出現(xiàn)，但是產(chǎn)生機制不同。西赤道太平洋暖水來自無輻散大氣和海洋的相互作用，而東太平洋的暖水來自無旋大氣和海洋的相互作用。

研究進展?

2002/2003年太平洋ElNi?o事件的XBT觀測根據(jù)Wang（2004）對歷史ElNi?o發(fā)生特征的總結(jié)，1976年之前的ElNi?o首先表現(xiàn)為東太平洋增暖，1976-1996期間的ElNi?o首先表現(xiàn)為西太平洋增暖，1997/1998年ElNi?o表現(xiàn)為東-西太平洋同時增暖，而2002/2003年ElNi?o事件非常獨特，首先表現(xiàn)為中太平洋增暖（圖1）的。因此，有必要認識在這種不同ElNi?o發(fā)生背后所包含的動力學(xué)原因。對于2002/2003年ElNi?o事件，我們的XBT斷面觀測揭示了非常強的西太平洋次表層冷卻（尤其在西北太平洋），配合海面風(fēng)場的結(jié)構(gòu)，以利于加深我們對于ElNi?o爆發(fā)過程的認識。圖2、2002年11月份西太平洋XBT斷面上的溫度距平及海表風(fēng)場距平圖1、歷史上不同的ElNi?o發(fā)生形態(tài)的合成SST分布

研究進展?

2003年印度洋偶極子事件的Argo觀測印度洋偶極子是近來頗受關(guān)注的發(fā)生在熱帶印度洋的海盆尺度的海洋變異現(xiàn)象，Saijietal.(1999)、Websteretal.(1999)等人通過分析SST和海面風(fēng)場的變異關(guān)系認為這是一種獨立于太平洋ENSO的海-氣相互作用事件。雖然受到一些學(xué)者的批評，但是越來越多的次表層過程研究表明海洋內(nèi)部調(diào)整的確參與了偶極子事件，傾向于認同它是獨立于ENSO的印度洋海-氣相互作用事件。我們的Argo觀測（圖1）支持了這一觀點，并且揭示了2002/2003年ENSO對于東印度洋次表層的影響，并且表明2003年偶極子事件期間東印度洋次表層顯著變冷（圖2）。圖1、我國第一個Argo浮標的位置和軌跡（工作時間：2002.2-2003.12）2002/2003ENSOimpactontheIndianOcean圖1、我國第一個Argo浮標觀測到的2002/2003年ElNino對印度洋的影響和2003年印度洋偶極子事件期間的次表層冷卻

國際合作?

參加CLIVAR/GOOSIOP的印度洋觀測系統(tǒng)建設(shè)印度洋與太平洋和大西洋相比，觀測非常滯后。但是，印度洋季風(fēng)、偶極子事件等的研究需求促成了國際社會共同開展印度洋的觀測。CLIVAR/GOOSIOP正在起草該觀測方案（圖1）。受CLIVAR/GOOSIOP主席Dr.GaryMeyers的邀請，我們參與了該方案的制定，并正在討論有關(guān)的觀測合作。圖1、CLIVAR/GOOSIOP計劃的印度洋觀測系統(tǒng)?

與NOAA合作在熱帶東印度洋投放深水浮標利用“大洋一號”環(huán)球航次，將在印度洋航段為NOAA投放三個深水錨定浮標，同時NOAA提供XBT、漂流浮標用于航線觀測，雙方共享資料。

人才培養(yǎng)已畢業(yè)碩士研究生：1名（王秀紅）在讀博士研究生：3名（劉琳、劉娜、？）在讀碩士研究生：5人（項寶強、孫振宇、左河疆、王冠林、高力寶）

研究論文已發(fā)表論文1、巢紀平，劉琳，于衛(wèi)東，2005，熱帶海洋和大氣中地形Rossby波和Rossby波的耦合不穩(wěn)定性，中國科學(xué)，35（1），79-87。2、張慶華，于衛(wèi)東，曲媛媛，范海梅，2005，赤道大洋定常風(fēng)生環(huán)流的理論模型，海洋科學(xué)進展，23（1），1