“太平洋印度洋暖池”计划

“太平洋-印度洋暖池”研究计划Indo-PacificOceanWarmPoolResearch前言项目简介研究队伍Argo观测XBT观测研究进展国际合作人才培养资料共享国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室中国青岛266061PrefaceIntroductionResearchTeamArgoObservationXBTObservationResearchProgressInternationalCooperationEducationandtrainingDatamanagement123456789123456789

Lab.MarineScienceandNumericalModelingFirstInstituteofOceanography,SOAQingdao

266061,China前言

从远古到今天，神秘的蔚蓝海洋见证着人类文明的孕育和发展，然而我们又对她了解多少？在遥远的热带太平洋和印度洋，聚集着一团体积庞大而又是全球海洋最为温暖的海水。她的宁静令人神往，然而她以诡秘方式影响着几乎世界每一个角落，她就是我们魂牵的梦想之地—“太平洋-印度洋暖池”她是海洋和大气角逐的一艘旗舰，是ElNiño这一古怪精灵的摇篮。郑和，中国探索海洋的先驱，从1405年起率浩荡船队七下西洋，穿越马六甲海峡，远达东非。600年后，我们把目光再次投向这片熟悉而又陌生广袤海洋。自然如不能被目证就不能被征服，这就是我们的使命：揭开“太平洋-印度洋暖池”美丽而又神秘面纱。研究资助：科技部国家重大基础研究前期研究专项（2001CCB00500）科技部国际合作重点项目（2002CB714001)自然科学基金委员会重点基金（40232012）郑和宝船Preface

Fromtheremoteantiquitytonow,themysteriousazureblueoceanwitnessesthebirthandgrow-upofthehumancivilization.Howmuchdoweunderstandher,however?

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

ActingastheFlagshipinthewrestlebetweentheoceanandatmosphere,sheisthecradleofthemonstrousgeniusElNiño.ZhengHe,thegreatestChinesepioneeringnavigator,exploredtheso-calledWesternOceanfrom1405leadinghishugefleetwithsevenexpeditions.600yearslater,wecastoursightagainonthisfamiliarbutalsounacquaintedvastocean.

Naturecann’tbeconqueredifnotwitnessed.Thisisjustourduty,tounveilthebeautyandmysteryofthePacific-IndianOceanWarmPool.Sponsors:MinistryofScienceandTechnology(2001CCB00500,2002CB714001)NSF(40232012)ZhengHe’sTreasure-ship项目简介

ENSO是全球年际尺度气候变化的主要机制之一，早期研究中ENSO被认为是主要发生在东太平洋的海-气相互作用事件，但是TOGA-COARE观测事实在一定程度上改变了这种观点。近年来中、外科学家的工作证实ElNiño信号首先出现在西太平洋暖池次表层，然后向东传播，到达东太平洋后形成传统意义上的ElNiño。因此，西太平洋暖池对于ENSO研究具有重要意义。印度洋偶极子（IOD）是近年来引起人们重视的印度洋海盆尺度海表温度和海面风场的异常事件，它对于印度洋周边国家甚至对全球的气候产生影响。由于印度洋缺乏观测资料，对于IOD相对于ENSO的独立性以及它和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”这一核心概念为中心，研究太平洋、印度洋中的海-气相互作用过程、二者之间的联系以及对中国气候的影响具有重要科学价值。Introduction

Thetropicalocean-atmosphereinteractionassociatedwithENSOisregardedastheoneofkeymechanismsoftheglobalinter-annualclimatevariability.Originally,ENSOisbelievedtobedominatedbytheair-seainteractionintheeasternPacific.However,TOGA-COAREobservationsarguethisparadigm.RecentlyresearchrevealsthattheElNiñosignalfirstlyappearsinthesubsurfaceofWesternPacificWarmPool(WPWP)andthenpropagateseastward.ThusWPWPplaysacriticalroleintheENSOcycle.IndianOceanDipole(IOD),isarecentlyidentifiedeventasabasin-scalepatternofSSTandwindanomaly.Itcanloadsignificantimpactsontheseasonalclimateconditionsatregionalandglobalscales.UnderstandinghowIODisindependentofENSOandhowitinteractswithENSOhasbeenlimitedbyalackofobservationsintheIndianOcean.Itisthusrathervaluabletostudytheatmosphere-oceaninteractionswithintheso-called“Pacific-IndianWarmPool”(PIWP),theircommunicationandimpactonChineseclimate.研究队伍巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心于卫东，博士/副研究员，海洋一所许建平，研究员，海洋二所张庆华，博士/研究员，海洋一所蒲书箴，研究员，海洋一所刘海行，研究员，海洋一所陈显尧，博士/研究员，海洋一所李立，研究员，海洋三所项目执行协调人：于卫东

(wdyu@)项目执行秘书：李劳钰

(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巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心于卫东，博士/副研究员，海洋一所许建平，研究员，海洋二所张庆华，博士/研究员，海洋一所蒲书箴，研究员，海洋一所刘海行，研究员，海洋一所陈显尧，博士/研究员，海洋一所李立，研究员，海洋三所项目执行协调人：于卫东

(wdyu@)项目执行秘书：李劳钰

(lilaoyu@)大事记2002年3月21日下午15时，中国第一枚Argo浮标在东印度洋(114°42′E,14°12′S)投放成功，世界气象组织编号5900798；2002年10月20-25日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；2002年12月30日至2003年1月13日，在西太平洋投放Argo浮标13枚；2003年8月4-11日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；2004年1月9-18日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；Argo资料的NormalMode分解NormalModedecompositionofArgoProfile利用前5个模态的密度剖面重构Densityreconstructionwith1-5modes利用前5个模态的温度剖面重构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观测Argo

DeploymentXBT观测۞西太平洋断面：15N至15S2002年11月24日至12月2日完成0.25度间隔调查船：雪龙号۞东印度洋断面：15S至15N2003年3月10日至15日完成0.25度间隔调查船：雪龙号XBT

Observation۞WestPacificSection：15N–15SFromNov.24toDec.2,20020.25degreeresolutionVessel:Xue-Long۞EastIndianSection：15S–15NFromMar.10-15,0.25degreeresolutionVessel:Xue-LongDataquicklook数据一瞥

研究进展۞

ENSO循环中大气环流异常特征分析

热带海-气相互作用过程的分析中，大气环流的变化常以纬向风作为代表性指标，但是这还不足以给出大气环流变异的全貌。

ElNiño的发生和Walker环流有着密切联系，Walker环流在本质上是热力驱动环流，直接对应着大气环流的无旋分量。同时，大气环流的无辐散分量代表了大气的动力响应。因此，把热带大气运动分解成无旋（以流函数表征）和无辐散（以速度势表征）两部分，研究它们的变化特征可以使我们对大气环流变化有一个更清晰的认识。图1给出了850hPa、200hPa流函数和速度势与Nino-3指数的相关系数。高、低空的反位相特征表明大气对于海洋强迫响应的斜压性，从速度势结果可以看出在ElNiño期间Walker环流发生了距平意义上的翻转，从流函数结果可以看出大气的动力响应主要表现为低空的一对关于赤道对称的气旋式环流，高空为一对反气旋式环流。ENSO循环中，大气的无旋和无辐散分量的调整、变化非常协调一致，图2表明无辐散分量指数和无旋分量指数的相关系数超过了0.8。图1、850hPa（上）、200hPa（下）流函数（左）/速度势（右）与Nino-3指数的相关场摘自：于卫东、巢纪平，自然科学进展，2004ab图2、流函数（红）、速度势（黑）指数的时间演化ResearchProgress۞AtmosphericcirculationvariabilityduringENSOThezonalwindanomalyisusuallyadoptedastheindicatorfortheatmos-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)研究进展۞ENSO循循环中的大大气-海洋洋反馈过程程ENSO作作为一种大大气-海洋洋相互作用用事件，通通过海气之之间的正反反馈过程得得到发展，，通过负反反馈过程完完成位相转转变，目前前关于ENSO循环环中负反馈馈过程的认认识有待于于进一步加加深。无旋大气分分量，即翻翻转的Walker环流，与与海洋之间间始终保持持着正反馈馈（图略））。无辐散大气气分量（图图1）在ElNiño达到到它的盛期期之前和海海洋之间存存在着正反反馈，它的的主要作用用是使西太太平洋赤道道和赤道外外海域的温温跃层抬升升，激发沿沿赤道东传传的暖Kelvin波，造成成西太平洋洋的海表面面温度降低低。在ElNiñño达到盛盛期和之后后的时间里里，无辐散散大气分量量和海洋之之间转变成成负反馈，，表现为关关于赤道对对称的气旋旋式环流移移到了中东东太平洋并并且在西太太平洋出现现一对新的的关于赤道道对称的反反气旋环流流，其中，，东移的气气旋式环流流使东太平平洋的温跃跃层变浅，，造成温度度的降低，，而西太平平洋新出现现的反气旋旋环流对加加深了西太太平洋的温温跃层，使使西太平洋洋海表面温温度升高，，这两种负负反馈过程程共同造成成了翻转Walker环流的的减弱，并并使ElNiño向着它的的相反为向向转化，这这一过程可可以通过图图2的示意意卡通图直直观的了解解。图1、ElNiño过程程中大气850hPa流函数演变变的合成图图图2、ElNiño过程程大气-海海洋正负反反馈过程的的示意图ResearchProgress۞Theatmosphere-oceanfeedbackduringENSOcycleENSOisregardedasanatmosphere-oceaninteractionprocess,whichdevelopsthroughthepositiveair-seafeedbackanddecaysthroughthenegativefeedback.Thepositiveprocessiswellunderstood.However,thenegativefeedbackneedsfurtherinvestigation.Thedivergentatmosphericcomponent,orthereversedWalkercirculation,keepsthepositivefeedbackwiththeoceanduringthewholelifetimeofElNiño(fiuresnotshown).Thecaseoftherotationalatmosphericcomponentissomewhatdifferent(fig.1).BeforethepeaktimeofElNiño,thereispositiveatmosphere-oceanfeedback,whichstrengthensthedevelopmentofElNiñño.However,thispositiveprocessstopsfromthepeaktimeofElNiññoandconvertstothenegativefeedback.Thistransitionisrealizedthroughtheeastwarddisplacementofthecycloniccirculationpairoverthecentral-to-easternPacificandthenewemergenceoftheanti-cycloniccirculationpairoverthewesternPacific.NowthecycloniccirculationpairshoalstheeasternPacificthermoclineandtheanti-cycloniccirculationpairdeepensthewesternPacificthermocline.ThesetwonegativefeedbackprocessesgreatlyweakensthereversedWalkercirculationandfinallyleadstothephasetransitionofElNiñño.ThewholeprocesscouldbeclearlyunderstoodfromthecartoonshowninFig.2.Fig.1ThecompositeoftheevolutionofthestreamfunctionduringElNiñolifetimeFig.2Schematicplanoftheair-seafeedback研究进进展۞ENSO和IOD对对于嵌入太太平洋洋-印印度洋洋暖池池的南南海冷冷水楔楔的影影响在冬季季东北北季风风的驱驱动下下，南南海上上层表表现为为气旋旋式环环流，，中南南半岛岛沿岸岸的沿沿岸流流得到到充分分发展展，向向南的的冷水水输运运造成成南海海南部部海表表温度度比西西太平平洋和和东印印度洋洋明显显偏低低，形形成所所谓的的嵌入入太平平洋-印度度洋暖暖池的的冷水水楔（（图1）。。这一南南海冷冷水楔楔的年年际变变化明明显的的受到到ENSO和IOD的影影响。。通过过偏相相关研研究发发现，，ENSO和IOD对于于南海海冷水水楔的的影响响是相相反的的：ENSO期期间南南海冷冷水楔楔强度度减弱弱，而而在IDO期间间南海海冷水水楔增增强（（图2）。。ENSO和和IOD对对南海海冷水水楔的的相反反影响响源自自它们们所导导致的的不同同大气气环流流异常常。ENSO期期间，，通过过“太太平洋洋-东东亚””遥相相关，，在西西太平平洋造造成异异常的的反气气旋环环流和和辐散散中心心，削削弱了了南海海的东东北季季风，，从而而导致致南海海上层层气旋旋式环环流减减弱、、沿岸岸流减减弱，，向南南的冷冷水输输送减减弱，，从而而南海海冷水水楔被被削弱弱。IOD期间间，东东印度度洋北北部一一侧呈呈现反反气旋旋式环环流，，其向向南的的分支支控制制了南南海，，增强强了南南海上上空的的东北北季风风，从从而导导致南南海冷冷水楔楔增强强。(a)(b)(c)(a)(b)图1.冬冬季海海表温温度的的分布布图2.海海表温温度和和Nino-3指数数（左左）、、IOD指指数（（右））的偏偏相关关图3.ElNino盛期期合成成的流流函数数(a)、、速度度势(b)和总总风场场图4.流流函数数与IOD指数数的相相关(a)、偏偏相关关(b)ResearchProgress۞ENSOandIODimpactsonthegapinIndo-PacificWarmPooloverSCSUndertheforceofwintermonsoon,uppercirculationofSouthChinaSeashowsthecyclonicpattern.ThesouthwardcoastalcurrentalongtheeastIndochinaPeninsulagetsfullydeveloped,whichtransportslargevolumeofcoldwatertothesouthernSCS.Asaresult,thereformsagapintheIndo-Pacificwarmpool,wheretheSSTissignificantlylowerthanwesternPacificandeasternIndianOceans.SCSgapshowsclearvariabilityassociatedwithENSOandIOD.Fortheequatorialocean,theatmosphericEkmanpumpingrealizesthroughthezonalwindalongtheequator.Comparingthedivergentandrotationalequatorialzonalwind(fig.1)providesananswertotheabovequestion.Duetothedeepthermoclineandrelativelyweakvalue,theinteractionbetweenthedivergentatmosphereandoceancanonlytakeplaceinthetropicaleasternPacific,whereitdeepensthethermoclineandincreasestheSST.DuringthedevelopmentstageofElNiño,theinteractionbetweentherotationalatmosphereandequatorialoceantakesplaceinthewesternPacific,whereitshoalsthethermoclineandexcitesthewarmKelvinwave.Therefore,thewarmwateroneithersideofthecomesfromdifferentdynamics.研究进展۞热带大气-海海洋中Rossby波-地形Rossby波的的耦合不稳定定性按照对ElNiño的的传统认识，，认为它主要要是发生在东东太平洋的暖暖事件，即暖暖水首先出现现在东太平洋洋，然后向西西扩展形成ElNiñño。但是后后来的研究发发现某些年份份的海洋增暖暖并不首先从从东太平洋开开始，近来的研究究又提出暖水水首先出现在在西太平洋暖暖池次表层，，然后向东传传播形成ElNiñño，那么究竟哪哪种观点更准准确呢？通过对上400米海洋热热含量变异的的合成分析发发现（图略）），暖水几乎乎是同时在东东、西赤道太太平洋出现，，西太平洋暖暖信号表现为为东传Kelvin波，而西太平平洋暖信号局局地发展，对对这一现象的的物理解释是是什么呢？考虑到我们考考察赤道附近近的海洋暖信信号，那么大大气的Ekman抽吸主主要借助纬向向风来完成，，对比无旋旋分量和无辐辐散分量沿赤赤道的纬向风风可以发现它它们存在显著著的不同（图图1）。无旋大气环流流和海洋的动动力学反馈只只能发生在赤赤道附近，由由于西太平洋洋温跃层深厚厚而无旋大气气环流比无辐辐散大气环流流小一个数量量级，因此翻翻转的Walker环流流和海洋的相相互作用主要要发生在赤道道东太平洋，，图1种看出出无辐散纬向向风在东、西西赤道太平洋洋特征不同，，东太平洋是是东风，加深深了该处的温温跃层深度，，造成海表面面温度升高。。在ElNiñño的发展期期，无辐散大大气环流和赤赤道海洋的相相互作用重要要在西太平洋洋，一方面抬抬升了西太温温跃层厚度，，另一方面激激发暖的Kelvin波波，而在东太太平洋几乎没没有正的海气气反馈。因此，东、西西赤道太平洋洋的暖水同时时出现，但是是产生机制不不同。西赤道道太平洋暖水水来自无辐散散大气和海洋洋的相互作用用，而东太平平洋的暖水来来自无旋大气气和海洋的相相互作用。研究进展۞2002/2003年太太平洋ElNiño事事件的XBT观测根据Wang（2004）对历史ElNiñño发生特征征的总结，1976年之之前的ElNiño首首先表现为为东太平洋增增暖，1976-1996期间的ElNiñño首先表表现为西太平平洋增暖，1997/1998年ElNiñño表现为为东-西太平平洋同时增暖暖，而2002/2003年ElNiño事事件非常独特特，首先表现现为中太平洋洋增暖（图1）的。因此此，有必要认认识在这种不不同ElNiño发生生背后所包含含的动力学原原因。对于2002/2003年ElNiñño事件，我我们的XBT断面观测揭揭示了非常强强的西太平洋洋次表层冷却却（尤其在西西北太平洋）），配合海面面风场的结构构，以利于加加深我们对于于ElNiño爆发过过程的认识。。图2、2002年11月月份西太平洋洋XBT断面面上的温度距距平及海表风风场距平图1、历史上上不同的ElNiñño发生形态态的合成SST分布研究进展۞2003年印印度洋偶极子子事件的Argo观测印度洋偶极子子是近来颇受受关注的发生生在热带印度度洋的海盆尺尺度的海洋变变异现象，Saijietal.(1999)、Websteretal.(1999)等人人通过分析SST和海面面风场的变异异关系认为这这是一种独立立于太平洋ENSO的海海-气相互作作用事件。虽虽然受到一些些学者的批评评，但是越来来越多的次表表层过程研究究表明海洋内内部调整的确确参与了偶极极子事件，倾倾向于认同它它是独立于ENSO的印印度洋海-气气相互作用事事件。我们的Argo观测（图图1）支持了了这一观点，，并且揭示了了2002/2003年年ENSO对对于东印度洋洋次表层的影影响，并且表表明2003年偶极子事事件期间东印印度洋次表层层显著变冷（（图2）。图1、我国第第一个Argo浮标的位位置和轨迹（（工作时间：：2002.2-2003.12））2002/2003ENSOimpactontheIndianOcean图1、我国第第一个Argo浮标观测测到的2002/2003年ElNino对对印度洋的影影响和2003年印度洋洋偶极子事件件期间的次表表层冷却国际合作۞参加CLIVAR/GOOSIOP的印度洋洋观测系统建建设印度洋与太平平洋和大西洋洋相比，观测测非常滞后。。但是，印度度洋季风、偶偶极子事件等等的研究需求求促成了国际际社会共同开开展印度洋的的观测。CLIVAR/GOOSIOP正在在起草该观测测方案（图1）。受CLIVAR/GOOSIOP主席Dr.GaryMeyers的邀请请，我们参与与了该方案的的制定，并正正在讨论有关关的观测合作作。图1、CLIVAR/GOOSIOP计划的的印度洋观测测系统۞与NOAA合作在热热带东印度度洋投放深深水浮标利用“大洋洋一号”环环球航次，，将在印度度洋航段为为NOAA投放三个个深水锚定定浮标，同同时NOAA提供XBT、漂漂流浮标用用于航线观观测，双方方共享资料料。人才培养已毕业硕士士研究生：：1名（王王秀红）在读博士研研究生：3名（刘琳琳、刘娜、、？）在读硕士研研究生：5人（项宝宝强、孙振振宇、左河河疆、王冠冠林、高力力宝）研究论文已发表论文文1、巢纪平，刘刘琳，于卫卫东，2005，热热带海洋和和大气中地地形Rossby波波和Rossby波波的耦合不不稳定性，，中国科学学，35（（1），79-87。2、张庆华，于于卫东，曲曲媛媛，范范海梅，2005，，赤道大洋洋定常风生生环流的理理论模型，，海洋科学学进展，23（1）），11-19。3、于卫东，，巢纪平，，2004：热带太太平洋ENSO期间间的海气相相互作用分分析