热带海洋与全球大气计划（TOGA）研究报告

热带海洋与全球大气计划（TOGA）研究报告报告编号：CLIM-REP-20250914编制单位：[气候科学研究中心]报告日期：2025年9月14日执行周期：1985-1994年项目性质：国际气候合作研究计划（WCRP框架下）一、项目概述热带海洋与全球大气计划（TropicalOceanandGlobalAtmosphere，简称TOGA）是20世纪末最重要的国际气候合作研究项目之一，由世界气候研究计划（WCRP）发起并组织实施。该计划为期10年（1985-1994年），汇聚了美国、澳大利亚、日本、中国等30余个国家的气象与海洋科研机构，通过建立全球首个热带海洋-大气综合观测网络，系统研究热带海洋与大气相互作用机制，重点突破厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的预测难题，为提高全球气候可预测性奠定科学基础。TOGA的核心目标包括：建立覆盖热带太平洋的长期观测系统，获取海洋-大气耦合过程的关键数据；揭示ENSO事件的形成机制，阐明热带海洋变异对全球气候的影响路径；发展海洋-大气耦合数值模式，实现ENSO事件的提前6-12个月预测；建立国际数据共享机制，推动全球气候预测业务化发展。该计划的实施标志着人类对气候系统的研究从分散观测进入系统性、多学科协同攻关阶段，其成果直接推动了现代气候预测科学的形成与发展。二、项目背景与科学基础1.立项背景20世纪70-80年代，全球范围内频繁发生由ENSO事件引发的极端气候灾害。1982-1983年超强厄尔尼诺事件导致全球粮食减产10%以上，造成数百亿美元经济损失，但当时的科学水平无法对其进行有效预测。这一背景下，国际科学界认识到：必须通过跨国合作建立长期观测网络，深入理解热带海洋-大气相互作用的物理过程，才能实现对ENSO等气候异常事件的精准预警。2.科学挑战当时面临的核心科学问题包括：热带太平洋海温异常与大气环流（如沃克环流）的耦合反馈机制尚不明确；缺乏覆盖关键海域的连续观测数据，无法捕捉ENSO发生的早期信号；现有气候模型对海洋次表层过程（如温跃层变化）的刻画精度不足；国际间数据共享机制不完善，制约了全球尺度的综合研究。3.国际合作框架TOGA由世界气象组织（WMO）和国际科学理事会（ICSU）联合协调，设立了太平洋区域观测、模式开发、数据同化等专项工作组。美国国家海洋和大气局（NOAA）承担了核心观测系统的建设任务，中国、日本等亚洲国家负责西太平洋海域的观测与研究，形成了覆盖赤道太平洋的国际合作网络。三、研究内容与技术方案1.核心观测系统建设TOGA的标志性成果是建立了热带大气海洋观测阵列（TropicalAtmosphere-OceanArray，简称TAO）。该系统由70余个锚定浮标组成，沿赤道太平洋（5°N-5°S）从140°E至95°W均匀分布，每座浮标配备温度、盐度、风速、气压等传感器，可实时采集从海面到500米水深的海洋参数及大气数据，数据通过卫星实时传输至全球数据中心。补充观测手段包括：气象卫星（如NOAA系列卫星）提供海表温度和云顶高度遥感数据；调查船定期开展断面观测，获取温盐深（CTD）剖面数据；潮汐观测站记录海平面变化，辅助验证海洋模式结果。2.关键科学实验西太平洋合作调查（1986-1990）：中美科学家联合开展5次科考，首次发现棉兰老潜流（MindanaoUndercurrent），揭示了西太平洋暖池能量输送的新路径；ENSO过程加密观测：在1986-1987、1991-1992年厄尔尼诺事件期间，临时增加观测密度，捕捉到暖水东传的完整过程；模式对比试验：组织全球12个研究机构开展数值模式比对，统一初始条件与验证标准，推动预测模型标准化。3.数据同化与模式开发TOGA首次实现了海洋观测数据与大气再分析资料的系统融合，开发了第一代全球海洋数据同化系统（GODAS）。在模式方面，成功研发出包含海洋次表层过程的耦合模式，首次能够模拟出厄尔尼诺事件的周期变化特征，预测时效从之前的2-3个月延长至6-9个月。四、主要研究成果1.ENSO机制的突破性认识明确了温跃层波动在厄尔尼诺发展中的核心作用：观测发现赤道太平洋温跃层深度的东传波动可提前6个月预示厄尔尼诺发生；揭示了热带不稳定波（TIW）的影响：在拉尼娜期间，TIW会增强温跃层下半部分的湍流混合，进而影响ENSO循环周期；建立了ENSO-全球气候响应关系图，明确了厄尔尼诺对中国夏季降水、澳大利亚干旱等区域气候异常的影响路径。2.预测能力的显著提升TOGA研发的预测模型在1997年超强厄尔尼诺事件中得到验证：中国气象局和美国NOAA均在事件发生前3-4个月发布预警，准确预测了其强度和发展趋势，为全球防灾减灾提供了关键决策支持。与1982-1983年厄尔尼诺相比，1997年的预测准确率提升约40%，提前量增加5个月。3.观测技术与数据共享创新建立了全球首个实时海洋-大气数据共享平台，实现观测数据24小时内全球共享；开发了抗恶劣环境的深海浮标技术，使观测数据回收率从60%提升至90%以上；形成了标准化的海洋气象观测规范，成为后续国际观测计划的范本。4.中国科学家的贡献参与TAO西太平洋段建设，提供了关键海域的初始观测数据；发现棉兰老潜流对暖池维持的重要性，修正了传统的太平洋环流模型；建立了适合中国区域的ENSO影响预测模型，在1997年厄尔尼诺预测中表现突出。五、应用价值与国际影响1.防灾减灾效益TOGA成果直接支撑了全球厄尔尼诺预警业务的建立。以1997年厄尔尼诺为例，提前预警使澳大利亚农业损失减少约30亿美元，秘鲁渔业通过调整捕捞策略减少损失5亿美元，中国南方地区利用预警信息提前加固防洪设施，降低洪涝损失约15%。2.对后续研究的深远影响TOGA为2000年启动的"气候变率与可预测性研究"（CLIVAR）计划奠定了科学基础，其建立的观测网络和数据共享机制被CLIVAR继承并扩展至全球海域。TAO阵列虽在2011年后逐步退役，但其观测理念催生了中国西太平洋海洋观测网等新一代观测系统。3.学科发展推动该计划促进了物理海洋学、气象学、气候学的交叉融合，培养了一批国际知名的气候科学家。中国通过参与TOGA，建立了自主的短期气候预测业务体系，为"九五"国家重中之重科技项目"短期气候预测系统研究"提供了关键技术支撑。六、存在局限与未来展望1.主要局限观测范围集中在热带太平洋，对印度洋-太平洋相互作用的观测不足；模式对厄尔尼诺强度的预测仍有偏差，尤其是极端事件的振幅模拟偏低；TAO阵列在2011年后因维护资金不足导致观测能力下降。2.后续研究建议建立覆盖全球热带海域的新一代观测系统，补充深海和高纬度观测；发展包含生物地球化学过程的耦合模式，提升对长期气候变化的预测能力；强化区域气候影响预测模型，提高防灾减灾决策支持的针对性。七、附件TOGA-TAO观测阵列分布图（1994年）；1997年厄尔尼诺预测对比图（观测