现代科技综述知识文库：热带海洋与全球大气计划

1、现代科技综述系列热带海洋与全球大气计划科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“热带海洋与全球大气计划”的解读，以供大家了解。热带海洋与全球大气计划又称TOGA计划。TOGA是海洋学家和气象学家作为一支共同的队伍，在国际上第1次大规模合作的研究计划。共有18个国家参加，主要有美国、日本、中国、法国、澳大利亚、英国及新西兰等，还有秘鲁、厄瓜多尔、智利、巴西、印度和印度尼西亚等。TOGA计划的领导机构是国际TOGA办公室，其总部设在瑞士日内瓦。18个成员国的政府间TOGA组织，每年举行一次工作会议。TOGA受到世界气象组织(WMO)、国际科学联盟

2、理事会(ICSU)、联合国教科文组织(UNESCO)政府间海洋委员会以及ICSU的海洋研究科学委员会等机构联合资助，仅美国联邦政府的3个机构每年约资助1800万美元(1989年数字)。这些经费的75%左右花费在为了获得确定热带太平洋海气状态所要求的观测上，或者说约34的经费花在建设一个较完整的观测系统上。因为在TOGA以前，由于热带海洋和大气的观测资料的缺乏，严重阻碍了耦合海洋大气系统的研究进展。TOGA计划要处理两个问题：大气风应力变化和其他强迫作用对赤道海流和热力结构的影响；热带海洋动力学对全球大气环流的反馈，也就是耦合海洋大气相互作用问题。海洋主要通过海表温度(SST)的热强迫改变大气环

3、境，变化了的大气环境主要通过风应力强迫影响海洋环境发生变化，从而再改变原先的海表温度，反过来又再一次改变大气环流，如此循环不已。具体说来TOGA计划有如下3个科学目标：为了描述热带海洋和全球大气作为一个时变系统，以及弄清该时变系统的可预报性机制；为了研究海气系统模拟的适用性；为了发展业务预报系统提供科学背景。在耦合海洋大气相互作用过程中，最突出的是以3年为变化时间尺度的ENSO现象(参见该条目)，所以ENSO就成为TOGA计划的中心研究内容。并且由ENSO条目可知TOGA计划对人类生存环境和经济影响的重要意义。TOGA是为期10年的计划，自1985年起1994年止。这是依据ENSO的历史资料，

4、任意一个10年时段内均可出现数次ENSO现象的事实，来论证确定该计划的时间长度为10年。这样在TOGA计划执行的10年时间内至少可包含一个和最好是几个ENSO事件。1979年由世界气象组织(WMO)开始规划和执行的世界气候研究计划(WCRP)的3项科学目标中，其中第2项就是要研究全球大气年际变率以及为期数年的热带海洋年际变率。而TOGA计划就是为WCRP第2项科学目标而制定的。这也是经过努力研究积累之后，证实了热带海洋与全球大气间存在着相互作用，人们才开始为期10年的TOGA计划。从定性分析方面而言，来自太阳的能源驱动着大尺度大气环流，而后者确定了全球和区域性气候。由于太阳辐射在近赤道处几乎直

5、射地球，所以占地球面积一半的热海洋就吸收了这种能量的绝大部分。海洋主要从热带暖水区以热量和水汽的形式，驱动着大气环流变化。由此同时大气通过风应力拖带海流改变着海洋动力和热力结构的特征。另一方面，大气运动的热力调整时间和对流层特征时间估计是以月为量级的。而海洋运动的特征时间是随纬度增加的，在热带地区基本亦是以月为量级的。所以，只有在热带地区海洋可以与特征时间以月为量级的大气运动发生强耦合相互作用。TOGA的目的是建立业务气候预报和与之相应的观测网。它要寻求预报未来一年以后或更长时间以后的热带海洋状况(海面高度、斜温层深度及海表面温度场分布)，以及给出热带降水、急流位置和风暴路径等。TOGA目的还

6、包括耦合海气系统的基础研究，观测网的设计和建立，资料同化和数值模式的发展应用研究。整个TOGA计划分两个阶段执行，自19851989年为前半部，19901994年为后半部。1990年7月1620日在美国夏威夷召开了国际TOGA科学会议，阶段性地小结了TOGA前半部所取得的研究成果。主要有：大气和海洋的模拟，耦合模式的发展及其试验结果，ENSO动力预报；ENSO的诊断和统计预报，与历史记载相符的ENSO事件的经验研究；物理和动力过程研究，生物过程研究；大气，海洋及其间的界面的长期观测；资料处理。在TOGA头5年期间较创新的结果，是建立了一个较适宜的海洋观测系统用于观测热带太平洋大量热力结构和海流

7、变化，采用了新一代、有威力的和经得起检验的海洋预报模式。此外，美国TOGA计划所支持的地面和高空观测站，正好填补了覆盖热带太平洋的世界天气监测网(WWW)的空隙。较显着的成功，就是ENSO循环中主要振荡的经验预报，用统计预报技术和耦合海气系统的简单动力模式作了季节的或更长的预报。用简单动力模式的基础研究结果亦得出一些新的看法。TOGA的后半部，还正在执行中。所预想的海洋观测系统，在热带太平洋已有系统地重要扩充，以便取得更高质量的资料组，支持海洋模式的能力有明显的改进。同时要不断扩充资料同化研究。相类似的，大气观测系统也在不断扩充加密。所有这些观测系统不仅是TOGA研究的资料来源，亦是TOGA结

8、束以后世界气候研究计划(WCRP)及其他重要组成部分的研究资料来源，以及未来业务数值天气预报的资料来源，就此而言TOGA计划的意义是深远的。TOGA后半部要计划研究各种过程，其中最重要的是要弄清楚局地机制。因为该机制使得大气和海洋在西太平洋的“暖池”区相互作用，亦就是在那里具有深积云对流的多种天气系统在时间尺度很宽的范围内影响着海洋。为此，在TOGA计划后半部又提出了一个子计划，即耦合海洋大气响应试验(COARE)。COARE主要是外场观测试验，它将提供一份西太平洋暖水区广泛而精密的科学资料组，以允许气候模拟者对耦合海气过程诸方面进行更真实的定量分析。试验重点将集中在750万平方公里面积上的海

9、洋和大气间的能量交换。从纬度10N伸展10S以及140E到180经度范围内，COARE区域覆盖了暖水区的最暖部分。利用陆地基地天气站、锚泊浮标、天气气球和气象卫星，西太平洋暖水区海洋和大气的持续监测将始于1992年中到1993年中结束。其中1992年11月到1993年2月为4个月的加强观测期。除掉装备有雷达、其他大气探空和廓线装置的海岛基地地面观测站以外，还将利用海洋和大气的基本观测系统：船(12条)、浮标、飞机(7架)、气球和卫星。为了更精确地测量能量交换，这些装备系统都是先进的，具有精密刻度的遥控感受器。COARE至少有15个国家700多位人员参加外场试验，中国也是其中的参加国。对于COA

10、RE，如同海洋和大气研究中的任何大规模外场试验一样，科学工作的主要部分开始于资料收集阶段以后。尽管COARE的资料分析将要持续数年，但是对于了解气候研究能力和预报当前的气候变化，以及未来的气候变迁，应该会迅速得到改进。TOGA领导组确信到1994年该计划结束时，其主要科学目标将会被完成。对热带海洋和全球大气组成的耦合系统可预报性将会得到充分地了解，并由此可对预报技术水平进行正确评价，这种预报技术原则上可达到月到年的气候预报。耦合系统的可预报性的主要指标，正在鼓舞和保证观测和资料处理的设计和试验，以支持经验气候预报的继续努力。因此，在TOGA结束后，开始设计一个业务系统并继续维持存在，已是日程上的事了。为了解决气候变化的复杂情况，TOGA亦可作为未来规划其他计划的典范。【参考文献】： 1 Na