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《中国科学院海洋所在多圈层/多尺度相互作用及对气候调制影响研究方面获新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2020-05-01

  • 中国科学院海洋研究所张荣华研究团队在多圈层/多尺度相互作用的机理认知、过程表征和模式发展等研究方面取得重要进展，最新研究成果以论文形式在Journal of Climate, Geophysical Research Letters, Climate Dynamics, Journal of Geophysical Research, Journal of Advances in Modeling Earth Systems等期刊发表。

    海洋科学主要研究海水特性及其运动和变化规律，是一门多学科交叉的学科。对海洋的研究应作为一个系统来进行，要考虑多尺度和多圈层过程间的相互作用和反馈，采用观测、理论和模式等不同方法相结合的综合手段，在认知和表征现象及过程基础上进一步构建模式，从而模拟、预测和预估海洋相关现象及其对气候和环境变化的影响。因此，深入研究海洋与气候和环境相关的多尺度过程以及与各圈层相互作用是当今海洋与气候科学领域的重大国际前沿课题，也是预测和应对气候与环境变化的基础和重点所在。

    多年来，张荣华研究团队一直在自行发展和改进一个考虑热带太平洋多圈层/多尺度过程及其相互作用的简化型模式系统，包括大气、海洋环流与生物地球化学（AOCB）模式，同时也显式考虑海气界面间的淡水通量（FWF）强迫作用。另外，热带不稳定波（TIWs）是热带东太平洋海区一个显著的中小尺度海洋-大气耦合现象，对海洋环流和气候有着重要影响。为表征TIWs所引发的大气风场反馈影响和海洋叶绿素加热效应，研究团队利用卫星资料来构建与TIWs相关的海表风场反馈模式，并耦合到大尺度AOCB模式中，构建成一个多圈层/多尺度过程的混合型耦合模式（HCM-AOCB）。该模式为综合考虑热带太平洋多圈层/多尺度海气过程及相互作用研究提供了一个示范框架和数值模拟平台。

    基于此模式，已系统开展了海洋生物引发加热、海气界面淡水通量、热带不稳定波等多圈层/多尺度过程间相互作用及对气候的影响研究，其中一个重要应用是在对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的调制影响方面。

    ENSO是地球系统中最显著的年际气候变率信号，可引发全球天气、气候异常,也对我国的天气、气候产生重大影响。ENSO本身表现出极大的可变性，其对全球和区域天气、气候影响的方式也呈现多样性和复杂性。几十年来，对ENSO广泛而深入的研究已取得巨大进展，使对其实时预测成为可能（详情参见美国哥伦比亚大学国际气候研究所网站https://iri.columbia.edu/our-expertise/climate/forecasts/enso/current/）。但目前海气耦合模式对ENSO模拟和预测仍有很大的不确定性和模式模拟间的差异性，需进一步认清和合理表征调制ENSO的主要过程和机理，提高对ENSO及相关气候年际异常的预测和预估能力。

    当前对ENSO的实时预测面临瓶颈问题，认知ENSO多样性和复杂性成因并在模式中合理表征是解决问题的根本所在。基于张荣华团队发展的HCM-AOCB模拟研究表明，热带太平洋中存在的多圈层/多尺度海气过程对ENSO特性有调制作用（即反馈效应），且这些不同过程之间又有相互作用，对ENSO产生的综合影响导致了ENSO的复杂性和多样性，也导致了ENSO预测的不确定性和模式模拟误差及模式间的差异性。

    以上研究由张荣华研究员及其团队成员田丰博士、高川博士和其他合作者共同完成，研究得到中国科学院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助。

  • 原文来源：http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202004/t20200429_5565545.html
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  • 《海洋所在海洋物理-生物地球化学等多圈层耦合模式及海洋生物加热效应影响气候机制方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：mall
    • 发布时间：2018-09-20
    • 近日，中国科学院海洋所张荣华研究员团队在热带太平洋大气 - 海洋物理和生物地球化学等多圈层耦合模式、海洋生物引发加热过程及其气候效应研究方面取得新进展，研究成果分别在 Journal of Climate, Journal of Advances in Modeling Earth Systems 和 Scientific Report 等期刊发表。 　　热带太平洋存在复杂的多圈层相互作用，其中海洋 - 大气相互作用产生的厄尔尼诺 - 南方涛动（ El Ni？o and Southern Oscillation, 简称 ENSO ) 现象，是导致全球气候年际异常的主要因素之一。然而，当前对 ENSO 的数值模拟和预报仍存在很大的不确定性和模式误差，这与一些相关过程和机制未能在模式中有很好的表征有关，海洋物理与生物地球化学过程之间的相互作用就是其中之一。例如，海洋浮游植物中的叶绿素可以吸收和调制进入海洋上层的太阳辐射，进而改变太阳辐射在海洋上层中的转递和分配，并可最终影响气候系统。 图1 热带太平洋混合型大气- 海洋物理和生物地球化学耦合模式(HCM-AOPB) 　　基于此，张荣华研究员团队率先构建了基于卫星资料的统计模型来表征海洋生物过程引发的加热效应，将统计模式进一步拓展至过程表征模式，并自主发展了针对热带太平洋的混合型大气 - 海洋物理和生物地球化学耦合模式 ( 图 1) 。该模式能够真实 表征海洋物理与生物地球化学过程之间的相互作用，通过模式的敏感性试验发现，海洋叶绿素引发的加热效应会削弱 ENSO 约 20% 的振幅并改变其周期，从而形成对 ENSO 的负反馈效应。此外 , 该研究还揭示了海洋生物加热效应影响气候的一种新机制 : 叶绿素主要通过影响穿透过混合层底的太阳辐射，从而进一步改变上层海洋层结和混合强度等海洋动力过程来间接实现，所发现的间接动力机制不同于以往关于叶绿素在混合层内吸收太阳辐射并直接加热混合层以影响气候系统的观点。 　　科研团队将基于卫星数据所构建的海表面温度和叶绿素浓度年际异常之间的统计模型引入到国际上广泛使用的 NCAR-CESM 模式中，以表征热带太平洋生物加热过程所引发的气候效应，从而有效改善了 NCAR-CESM 对 ENSO 的模拟（原 CESM 模拟的 ENSO 振幅明显偏强，图 2 ），这为改进气候模式对 ENSO 的模拟提供了新的思路。研究发展的混合型大气 - 海洋物理和生物地球化学耦合模式（ HCM-AOPB ）以及相应的统计模式，为表征海洋生物和物理相互作用以及对 ENSO 调制等提供了一个经济有效的数值模拟平台和预报工具，为解释 ENSO 可变性和多样性提供了新的框架。 　　该研究由中国科学院海洋所张荣华研究员和博士研究生田丰、北京师范大学王秀君教授、中国民用航空飞行学院康贤彪博士、海洋所高川博士和美国马里兰大学朱杰顺博士等合作完成。研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、青岛海洋国家实验室、 山东省泰山学者和自主创新计划以及青岛市领军人才计划 等项目资助。 　　相关文章： 　　1. Zhang R-H, Tian F , Wang X (2018) Ocean Chlorophyll-Induced Heating Feedbacks on ENSO in a Coupled Ocean Physics–Biology Model Forced by Prescribed Wind Anomalies. J Clim 31(5):1811–1832. (JCR Q1 ， IF=4.661) 　　https://journals.ametsoc.org/doi/10.1175/JCLI-D-17-0505.1 　　2. Zhang R-H, Tian F , Wang X (2018) A New Hybrid Coupled Model of Atmosphere, Ocean Physics and Ocean Biogeochemistry to Represent Biogeophysical Feedback Effects in the Tropical Pacific. J Adv Model Earth Syst. doi:10.1029/2017MS001250. (JCR Q1 ， IF=3.970) 　　https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2017MS001250 　　3. Kang X, Zhang R-H, Gao C , Zhu J (2017) An improved ENSO simulation by representing chlorophyll-induced climate feedback in the NCAR Community Earth System Model. Sci Rep 7(1):17123. (IF=4.122) 　　https://www.nature.com/articles/s41598-017-17390-2
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  • 《中国科学院海洋研究所在北太平洋海水涩度年代际变化研究方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-03-20
    • 近日，中国科学院海洋研究所张荣华研究团队在北太平洋涩度年代际变化及其气候效应研究方面取得新进展，首次从Argo观测资料中发现海水涩度信号存在一个完整的年代际循环过程。研究结果发表在学术期刊Advances in Atmospheric Sciences上。 众所周知，海水是咸的，其盐度和温度共同确定密度，又进一步决定海水压力从而控制海水的运动和变化。海洋中温度和盐度的分布、变化及其相互间关系涉及海洋热力学和动力学，一直是海洋科学研究的基本问题。之前的研究大多关注温度的作用，随着盐度观测资料的增多，学者们发现盐度在全球水循环、气候变率和可预报性等方面也起重要作用。海洋中存在两种类型的温盐关系，对应于不同的强迫和反馈过程，对密度等产生不同的影响和气候效应。一种是温盐变化对密度影响是非补偿性的，对密度产生显著的增强效应。这类温盐扰动主要反映了风场的强迫作用，主要反映在温跃层深度变化上，其信号在表层也较为明显(如在海面高度异常中有清楚地显现)，动力学上主要反映了行星波的波动过程(如向西传播的第一斜压罗斯贝波等)。另一种是温盐变化对密度的影响是相互补偿的，可引入涩度这一状态量来描述对海水密度相互补偿的温度和盐度变化现象，如暖而咸（或冷而淡）的海水具有高（低）的涩度，可通过等密度分析来具体定量估算，如在水团分析中经常用涩度来度量在给定的等密度面上海水有多涩（暖而咸）的程度，证实了温盐扰动对密度的影响具有相互补偿的特征。 已有分析表明，涩度信号具有很好的守恒性，便于追踪，是海水物理属性年代际尺度变化现象的一个载体，从而可用涩度来表征年代际时间尺度上温盐扰动所具有的清晰一致的结构特征和时空演变。但由于缺少观测资料，目前对涩度的认知还很有限，例如其时空结构和演变过程及其对海洋环境和气候的影响还不十分清楚；其在连接热带外与热带间充当年代际时间尺度上次表层海洋通道的作用还没有明确的观测证据，特别需要利用长期观测资料来更系统地刻画涩度信号的时空演变，认知其在热带外海洋过程对热带影响中的作用。 为此，张荣华研究团队利用Argo观测到的温度和盐度数据，研究了北太平洋涩度年代际异常及其在海盆尺度上的时空演变特征。利用等密度分析得到涩度变率的三维空间分布。首次发现北太平洋涩度变率存在一个完整的年代际循环过程，分别由一个暖而咸和一个冷而淡的过程所组成。其中暖而咸的涩度正异常信号在2007-2013年间从东北太平洋潜沉进入次表层，之后沿北太平洋副热带流涡顺时针向西南热带海区平流，于2014-2015年到达热带太平洋西边界海区，信号强度明显减弱。另一个海水特性相反的冷而淡的涩度负异常在2014-2020年间也有着类似的演变过程。进一步，通过追踪涩度年代际异常的平流轨迹，发现等密度面上流函数等值线可以充分显示出从东北太平洋露头区到热带西边界的潜沉通道。在海盆尺度上涩度信号演变和相位转换过程中，温跃层潜沉通道中的温度和盐度变化具有高度一致性，反映出对密度的补偿特性。此外，当涩度信号中心传到热带太平洋海区时对应于局地温盐结构的改变，从而产生远程的下游效应。如影响热带海区的层结和稳定度、上层海洋混合等动力过程，从而对热带海洋热力和动力场产生影响（包括海表温度）。这样在年代际尺度上，起源于东北太平洋潜沉过程的涩度信号，表现出沿北太平洋副热带流涡的传播特征和时空演变。另外，还发现南北太平洋中涩度信号传播特征和时空演变的差别。例如，在北太平洋副热带海区潜沉的涩度信号在25 kg m-3的等密度面上随平均环流运动，约5年后到达热带区域；而在南太平洋则只需要2年左右的时间，这种南北太平洋的不对称性和相对重要性可能导致热带海气变率特征的差异性。 当前关于太平洋热带外与热带间相互作用的研究较多地关注于大气过程，对海洋作用的研究比较匮乏。该研究通过分析由盐度效应所引入的涩度这个变量，发现温跃层中的涩度信号在等密度面上有较好的守恒性，反映了海洋中的气候信号长时间记忆能力。这种通过涩度年代际变率的识别及其传播路径的确定，揭示出热带外海洋与热带间存在一个海洋通道，这一潜沉通道的发现有助于阐释北太平洋热带外-热带间海洋过程相互作用和机制，为建立发生在北太平洋的太平洋年代际涛动（PDO）和发生在热带太平洋的ENSO之间的关联提供观测证据，对于解释ENSO的多样性和年代际变化等有重要意义。 该研究由中国科学院海洋研究所博士研究生周光辉和研究员张荣华（通讯作者）共同完成。研究成果获得中国科学院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助。 相关文章链接： Zhou, G. H., and R.-H. Zhang, 2022: Structure and evolution of decadal spiciness variability in the North Pacific during 2004–20, revealed from Argo observations. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1358-6.
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