热带西太平洋深海动力过程和气候效应
2018-05-15 17:34:17



习近平总书记在2016年全国科技创新大会上提出了深海三部曲:深海进入、深海探测和深海开发。探索深海不仅是实施海洋强国战略和建设海上丝绸之路的必然选择,也是维护国家海洋安全与权益、保障社会发展的战略需求。海洋中超过2000米的深海区域占到海洋总面积的84%,深海蕴藏着全球气候变化、生命起源和地球演化等重大科学前沿问题,但目前对深海的认知甚至远不如我们对浩瀚太空的了解,深海是地球上尚未被认识和开发的最后疆域。近年来深海在全球海洋气候变化中的作用得到越来越多海洋学家的重视,深海对海洋热量的再分配引起了全球变暖的停滞,深刻影响着我国的气候变异,这关乎国家安全、资源、环境、气候等方面的核心利益。

 

热带西太平洋是我国开启全球大洋研究的关键区域,涵盖我国重要战略物资运输的咽喉海峡和岛链及涉及海洋领土争端的关键海区,对我国经济社会平稳发展和国家安全保障至关重要,是我国海洋核心利益的重要组成部分。该海域具有复杂的西边界流系统和强烈的海气耦合过程,也有着全球海洋温度最高和面积最大的暖池区,是厄尔尼诺和台风等极端气候过程的主要发源地,对全球和局部气候具有极为重要的调制作用。热带西太平洋动力环境和气候研究是目前国际关注的前沿科学问题,由我国科学家发起的“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)国际合作计划被誉为“气候变率及其可预报性研究项目”(CLIVAR)计划实施20年来在西太平洋的成功范例,标志着西太平洋新一轮调查研究热潮的兴起。

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以往观测和研究侧重于对西太平洋暖池表层和次表层,对西太平洋全水体的综合环境信息知之甚少,特别是对深层水体在海洋能量和物质平衡中的作用、深海湍流混合、底层水团变异等关键过程缺乏系统观测和科学认识。深层海洋与上层海洋存在着截然不同的动力环境和机制,深海动力过程对全球气候系统年代际和更长时间尺度的变异起着决定性作用,深层环流对海洋热量的输运和再分配决定着全球气候的变化趋势。因此,在“一带一路”倡议和深海战略的实施中,在当前全球变暖的背景下,迫切需要对大洋全水层海洋动力过程进行长期、系统、综合的观测,掌握西太平洋的深层海洋环境、特别是水文和动力过程的变异规律以及其与气候变化的关联,具有毋庸置疑的重要性和紧迫性!

 

一、西太平洋深海环流系统及其动力机制

 

 在二十世纪70年代,海洋学家对赤道太平洋中深层环流结构做了粗略估计,确定了赤道中层流、下层赤道中层流、南中层逆流、北中层逆流等多支海流。近年来,随着声学多普勒海流剖面仪以及Argo浮标在海洋调查中的广泛应用,海洋学家对赤道太平洋地区主温跃层以深的环流结构有了初步的认识。1000-3000米深度间存在着东西流向随深度交替变化的赤道深层急流,在1000米深度上,赤道区域向西的下层赤道中层流夹在向东的南中层逆流和北中层逆流之间;在北半球,向西流动的北赤道中层流核心位于3°N(西太平洋3.5°N),沿4.5°N存在较弱的东向流,向极地方向西太平洋地区的急流比较模糊,而日期变更线以东至110°W,分别沿着5.5°N、7°N、8°N和9.5°N存在东西向交替的急流。赤道中层流和下层赤道中层流常年存在转向现象,属于赤道太平洋次表层年周期变率的组成部分。数值模拟结果显示,这种年周期变化与风应力驱动的赤道Rossby波的垂向传播有关。基于西北太平洋开展的温度、盐度和溶解氧的断面观测,根据水团性质和地转关系可推断得到西太平洋深层环流的一些特点,如南极绕极下层水,在进入中太平洋盆地后分为东西两个分支等。

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大洋环流系统

 

 深层西边界流亦是西太平洋中深层环流的重要组成部分,近期获得的暖池西边界深层水体中存在着平均流速超过50cm/s的强劲海流的观测事实,使得深层海洋动力学机制的研究变得越来越重要。太平洋没有局地的高盐低温深层水形成,因此太平洋的深层水和底层水均由深层西边界流将南极高密水向北输运而来。深层西边界流流量的大小和变化成为理解太平洋深层底层水通风量和深海热量淡水平衡的关键因素,影响着全球和区域气候的年代际和更长时间尺度变异。深层西边界流一旦进入海盆内部将很难测量和估算其流量,而作为其向北输运必经的观测海峡通道成为研究深层西边流流量大小和时间变化的关键点。同时关键海峡通道处于两个海盆的连接处,其流动方向和大小会在两个海盆水柱间产生压强梯度,从而对两个海盆中深层水体流态结构产生决定性影响。最近菲律宾以东的深海潜标观测发现西边界流存在明显的季节变化,夏季与冬季存在流向转向的现象,全水深的海流观测进一步发现不同水深对应不同的流场结构及季节变化规律。

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 大洋中深层环流的形成维持机制尚存在着较大的争议。经典的理论认为在二维旋转涡旋场里大尺度的纬向急流由湍流的逆能量串级产生,然而由于在斜压海洋中涡旋动能随深度的增加而迅速减小,使该理论依赖于特定的区域与水层才能成立。除经典理论之外,关于中深层纬向流形成机制的研究则分别在赤道区以及赤道外两个海域展开。在赤道区域,有研究认为中深层的纬向流是由深层海洋的季节内变化引起的,该季节内变化可能由深层西边界流的不稳定性或者风驱的上层海洋环流激发。在赤道外,中深层纬向流可由年周期的斜压罗斯贝波的不稳定性所导致,而不稳定的东边界流也可激发出中深层纬向流。目前关于中深层环流的形成机制仍然是一个开放课题,各个理论都有其解释的优越性和局限性,因此对于其更加详尽的动力机制仍待深入探究,另一方面,海洋上层的能量如何传递到深海大洋驱动深层环流是目前物理海洋的重要前沿问题,不同水层环流如何相互作用来维系海洋的能量与热量平衡,以及海洋对全球变暖的响应是建立完整海洋环流理论的基础。

 

 

二、西太平洋深层环流年代际变异及气候效应

 

 近年来,中深层海洋和上层海洋的物质能量交换以及在全球气候中的作用成为气候变化研究的一个热点。全球海洋环流实验(WOCE)对深层水文的调查是历史上第一次也是最大规模的深层水文资料调查。由于WOCE断面大部分集中在马里亚纳海沟以东的太平洋海盆,全球海洋船载水文调查计划(GO-SHIP)由IOCCP及CLIVAR于2007年启动,对WOCE断面进行重复观测,获得了时隔十几年的宝贵重复观测数据,对于进一步研究深海的年代际变化提供了数据支持。通过对GO-SHIP水文重复观测与WOCE历史水文资料做对比,最近研究表明全球深层水文结构以及深层环流结构在十几年的跨度内发生着较大变化。

 

 已有观测事实表明上层海洋热含量自本世纪以来呈下降趋势,目前一个重要的科学假设是“失去的热量”被中深层海洋所吸收。其中的一种认识是虽然全球温室气体含量一直在上升,但气温自2001年来基本保持稳定的原因是反常的强烈信风将“丢失的热量”暂时“藏”到西太平洋的中深层海水中,反常的强烈信风减弱后被“藏”在西太平洋中深层海水中的热量将“逃回”表层,然后被释放到大气层中,从而加快全球变暖的进程。全球变暖也会引起降水和蒸发的再分配从而影响海洋盐度分布。通过研究深海的温盐变化可以进而研究经向翻转环流变化以及深层海洋对于受热膨胀和盐收缩影响的海平面变化。许多研究提出北太平洋海盆底层水变暖的观点,虽然我们已经认识到大洋上层与中深层存在着有效的物质和能量交换,中深层海洋对全球和区域气候变化有重要的调控和反馈作用。然而由于西太平洋内部深水数据没有GO-SHIP的支持,对于面积广阔的西太平洋海盆而言,其深水水文变化、深层环流的年代际变异及气候效应有待进一步观测研究。

 

三、西太平洋内波能量传递和混合机制

 

海洋是一个包含多种时空尺度过程的宽谱复杂动力系统,既包含中尺度涡、潮汐、行星波和大尺度环流,也包含小尺度的湍流和重力波。深海中小尺度过程引起的跨等密度面混合是控制热盐环流强度的最重要因素,而海洋内波作为外界输入的机械能与海洋混合之间的纽带,由于不稳定和破碎激发的强烈混合对大洋环流的维持起着极其重要的作用。结合内波与混合动力学的机制研究给出合适的跨等密度面混合的参数化方案,能够有效解决海洋环流模拟中的次网格参数化问题,从而使细致精确地模拟海洋中的大尺度环流成为可能,并为研究ENSO等海气相互作用过程的动力学机制问题提供支撑。因此,内波与混合是目前物理海洋学研究的热点问题之一。

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 自上个世纪90年代以来,国际上开展了一系列海洋内波混合观测科学试验,包括针对内潮生成机制与内潮能量串级研究的HOME试验,围绕大西洋中脊强混合驱动机制研究的BBTRE试验,探明驱动近惯性内波混合路径研究的南极绕极流区的DIMES试验,以及南海内波混合观测计划等。这些试验及研究成果推动了内波混合机理研究,深化了对内波混合对大洋动力环境的调控机制的认识。然而目前对内波时空特征的认识还不完善,并且内波混合的三维空间结构还不清楚,这也导致目前还没有较好的混合参数化方案来解决海洋环流数值模拟中的耗散项问题。因此,需要结合大量最新的内波三维结构及混合的观测,对多尺度内波生消规律和混合机理进行深入研究,明晰内波在不同尺度能量级串中的动力学机制,结合混合动力学的机制研究给出合适的跨等密度面混合的参数化方案,才能解决海洋环流模拟中的次网格参数化问题。

 

 西太平洋丰富多变的海底地形使得其成为重要的内波生成区,其中吕宋海峡和马里亚纳岛弧为全球最强的内波特别是内潮生成源区之一。内波部分能量在源区耗散,而剩余的相当部分内波能量在西太平洋存在长距离传播耗散过程,对局地的能量耗散贡献显著,其在传播过程中受到黑潮等大尺度环流的调制,同时会与涡旋、锋面等中尺度过程相互作用,是海洋能量由大尺度向中小尺度级串的关键一环。内波在其三维传播过程中受到陡峭地形的非线性作用或与多尺度动力过程相互作用会发生破碎混合或形成上升流区,形成复杂的海洋动力环境,能够增强海洋垂向能量传递交换。对西太平洋内波的能量传递过程和混合机制的深入研究,是完善该海域多尺度海洋动力过程的理论框架必不可少的一环,同时能够为研究ENSO等海气相互作用过程的动力学机制、大尺度环流模式参数化改进和多圈层物质能量交换问题奠定坚实的基础。

 

四、西太平洋综合立体观测系统

 

 长期以来,国际海洋科学组织和海洋强国针对与社会经济发展和国防建设密切相关的海洋现象或特定的海洋科学问题,致力于发展海洋观测探测技术,组织实施一系列阶段性或长期的海洋科学观测计划,建设全球或区域的海洋观测探测系统。新时期的海洋观测进一步向立体化、长期化、连续化、自动化、精细化的方向发展,并且表现出从区域走向全球深海大洋、从单一学科走向多学科综合观测的趋势。在维护现有的观测计划的同时,国际上的“海洋持续性跨学科时间序列环境观测系统”和美国的“海洋观测行动”等一批新的观测计划和观测系统也开始实施和应用。

 

 关于西太平洋的观测研究始于上世纪60-70年代,当时黑潮联合调查(CSK)在菲律宾以东海域进行了近10年的调查,取得了大量的海洋水文资料。一些海洋学家,主要是日本科学家,利用CSK数据,对菲律宾以东和新几内亚以北海域的环流,特别是棉兰老海流和新几内亚沿岸流进行了定性描述研究。上世纪80-90年代的国际研究计划,热带海洋与全球大气实验(TOGA)和WOCE,历时10余年,在热带太平洋取得了丰富的海洋数据。在此期间及以后一段时间里,诸多学者对太平洋西边界环流的各分支,如北赤道流/潜流,棉兰老海流/潜流,黑潮/吕宋潜流,新几内亚沿岸流,北赤道逆流和哈马海拉涡旋与棉兰老涡旋等进行了研究。TOGA-WOCE之后,关于西太平洋的调查研究渐渐趋于平静,只有美国和日本联合进行的TAO\TRITON浮标阵列及部分断面仍在维持。

 

 2010年由我国发起,共8个国家19个研究机构参与的“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)国际合作计划正式启动,标志着西太平洋新一轮调查研究热潮的兴起。NPOCE国际合作计划,在西太平洋设计规划了包括潜标、卫星SST、SSH、传统断面等综合观测项目。以此为契机,中国科学院在战略性先导科技专项的资助下,经过统筹安排和周密部署,3年多来先后组织综合考察航次3次,成功收放潜标73套次,建成了由16套深海潜标组成的我国西太平洋科学观测网并实现稳定运行,获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和洋流等数据。

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大洋综合立体观测系统

 

 深海数据的实时传输对海洋与气候预报和海洋环境安全保障意义重大,世界海洋大国纷纷致力于其关键技术和系统集成的攻关。上世纪90年代,海洋卫星技术的发展实现了海洋表层数据的实时传输,例如1992年美法合作发射了TOPEX/Poseidon卫星,科学家实现了实时获取海洋表层流场和海表面高度场等数据。美国于1994年初步建成,而后2000年日本加入建设的TAO/TRITON浮标阵列,提供了实时的海气通量和上层100m海洋温度等数据,为监测、预报和理解厄尔尼诺和拉尼娜海洋气候现象做出了贡献。海表和海气界面的观测数据实现实时传输后,海洋学家亟待解决深海数据的实时传输问题,这对提高气候预报精度具有重要意义。

 

 深海潜标最上面一个浮体距离海平面还有四五百米,这些数据很难穿透海水传输到卫星上。如何实现潜标观测、数据水下采集和传输、卫星通信等多系统集成,并设置好其工作程序,降低功耗实现长时间稳定工作是深海数据实时传输的难点。海上现场作业具有很大的不确定性和工程难度,潜标的布放是一个压力和张力快速变化的过程,如何在这一过程中保证实时传输系统设备的正常工作是另一个难点。针对上述问题,中国科学院海洋研究所联合中国科学院声学研究所组织开展了技术攻关,研发了潜标数据采集、无线水声通信传输、水面实时通讯、潜标布放等一系列技术方案。在2016年航次中,科考队员在其中一套潜标系统安装了水面实时传输浮体,深海观测数据首先进行成功采集后,将通过无线水声通信方式传输给水面浮体,水面浮体再将其发射到卫星上,卫星反馈回陆地实验室。最终,无线实时数据传输的方案获得了试验成功。截至2017年9月,深海数据已成功连续实时回传280余天,创造了国内外有明确文献记录的实时获取深海数据的最长工作时间。实时数据已向国家海洋环境预报中心等用户提供,科学家和业务用户可以通过电脑或手机终端实时掌握深海大洋的动力状况,对深海数据的查看模式从“录像回放”变成了“现场直播”。

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 以此为工程示范,我国西太平洋科学观测网建设与维护实现了批量化、标准化和常态化,总体技术指标已达到国际先进水平,部分关键技术国际领先。深海观测数据的长时间连续积累和实时化传输,将加速我国海洋与气候预报和环境保障业务系统建设步伐,提升我国深海探测和科学研究能力,为保障国家海洋环境安全提供重要基础支撑。

 

 我国还建立了国际一流的深海综合探测技术体系,突破自主关键技术开展深海原位探测与实验,推动了我国深海装备研发体系的建立,使我国深海探测与研究能力跨入世界先进国家行列。但是,由于我国海洋科技特别是深海领域起步晚,与发达国家相比,我国在装备和技术体系的建设方面差距还较大,海洋领域科技条件和产业化平台建设规模小且布局分散,尚未形成有效的资源共享机制,还不能有效满足科学研究与技术研发、海上试验和成果推广应用的需求。同时,与建设世界海洋科技强国的要求相比,我国海洋环境尤其是深海环境监测技术与数据获取能力还需要进一步提升,对海洋气候变化的掌控度、海洋环境安全保障能力还需要进一步加强,海洋科技创新对我国海洋经济发展和维护海洋权益、保障国防安全还需要进一步提供有力支撑。

 

五、结语和展望

 

 总体而言,热带西太平洋是我国开启全球大洋研究的关键区域,关乎国家安全、资源、环境、气候等方面的核心利益。NPOCE国际合作计划的实施推动了西太平洋新一轮的调查研究热潮,深层水体在海洋能量和物质平衡中的作用、深海湍流混合、底层水团变异等关键过程等是国际关注的前沿科学问题。在当前全球变暖的背景下,开展西太平洋深海动力过程和气候效应观测研究对于解密全球和我国气候系统长期变化至关重要。中国科学院热带西太平洋海洋环流研究团队从三十年前对西太平洋的第一次探索,到领衔发起NPOCE计划,构建西太平洋国际最大潜标观测网,在《Nature》等国际期刊发表重要影响力文章,团队成员先后荣获“中国科学院杰出科技成就奖”、“山东省科学技术最高奖”等奖项,最终确立了国际热带西太平洋物理海洋和气候前沿研究的引领地位。

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 近年来,在中国科学院战略先导专项和海洋国家实验室深海专项等项目资助下,该团队进一步针对西太平洋深海动力过程和气候效应进行了协同攻关研究,实现了多套潜标多学科融合深海强化观测,突破了深海数据实时化长周期稳定传输难题,基于现场观测数据分析和多尺度数值模式研究,对西太平洋深海多尺度动力过程和机制进行了深入研究和探索,为实施“21世纪海上丝绸之路”倡议、保障国家海洋环境安全提供了重要基础支撑,为我国开启全球深海大洋研究开启了新的篇章,也是推动我国深海战略目标实现的必经之路。

摘自《全球海洋科技发展动态》2017第四期专家观点

 

作者简介

 

王凡,男,1967年出生,海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室科学家,中国科学院海洋研究所所长、研究员、博士生导师,国家“万人计划”科技创新领军人才首批入选者,全国优秀科技工作者,国家973计划和重点研发计划项目首席科学家。国际“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)主要发起者之一、IPCC第五次气候变化评估报告主要作者,中国海洋湖沼学会常务理事、海洋与气候分会理事长。长期从事热带西太平洋环流动力过程、暖池和环流的气候效应等方面研究,主持建设了该海域国际最大规模的潜标科学观测网并实现数据实时传输,阐释了次表层环流的总体结构和水源关系,发现并命名了一个新的次表层水团,披露了热带—热带外年际变异信号传递的次表层内区通道和南北半球次表层/中层水交换的西边界通道,发现有效突破厄尔尼诺春季预报障碍的表层流场热点区域等。

 

徐振华,男,1980年出生,海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室科学家,中国科学院海洋研究所研究员、博士生导师。主要从事海洋内波、内潮和混合研究。基于理论研究、数值模拟和资料分析,取得了南海西北部海域内波迄今较系统认识,揭示了南海北部内潮复杂的多模态结构和非平稳特性,给出了吕宋海峡内潮在南海和西太平洋长距离传播途径和能量耗散过程。目前担任中科院创新交叉团队负责人,获中科院“拔尖青年科学家”人才项目支持,中国科学院青年创新促进会会员,主持国家自然科学基金项目4项,多次受邀担任我国国家自然科学基金委NSFC)和美国国家自然科学基金委(NSF)内波项目评审专家。

 

汪嘉宁,男,1985年出生,海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室科学家,中国科学院海洋研究所副研究员。现主要从事大洋环流和湍流混合等研究。发现西太平洋上层热点区域流场可突破厄尔尼诺春季预报障碍;基于观测数据突破和丰富了对西太中深层环流的认知和理解;建立了底边界动力和界面通量的普适量化关系。作为核心成员参加了中国科学院西太平洋科学观测网建设,突破性地实现了深海数据长周期稳定实时传输,连续参与组织了4个西太平洋综合考察航次,担任航次调查队长和首席科学家。

 

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原创   王凡等 海洋国家实验室

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