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《中国科学院海洋研究所在热带太平洋深层叶绿素浓度极大值的气候反馈效应方面取得新进展》

  • 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：2023-04-18

  • 中国科学院海洋研究所海洋数值模拟和气候预测课题组利用自主研发的海洋环流-生态耦合模式，开展热带太平洋深层叶绿素浓度极大值（DCM）对气候系统的反馈效应研究并取得新进展，相关成果近日发表在国际学术期刊 Journal of Geophysical Research: Oceans上。

    DCM是指广泛存在于层结海洋中的次表层叶绿素浓度极大值现象，其强度和深度受太阳辐射和营养盐垂向分布等物理和生态要素共同控制。在热带太平洋海域，DCM呈现“东强西弱”的总体格局，且DCM在东部较浅、西部较深。前人通过数值模式研究发现，海洋叶绿素浓度可以通过改变太阳辐射垂向衰减率来影响海温分布并进而影响气候系统，但各模式中叶绿素浓度的表征方式存在不同，一些仅考虑海表叶绿素浓度的影响，一些则考虑真实的三维叶绿素浓度效应，其中这两者差别正好反映了次表层DCM对海洋物理状态的影响。但目前两种方式上的差别所造成对海洋物理状态的影响及过程还不清楚，因此需要研究DCM效应及其对气候模拟的可能影响，以定量化因叶绿素浓度表征方式不同造成的海洋温度模拟的偏差及其进一步引起的气候效应。

    研究团队利用一个海洋环流-生态耦合模式，在给定的大气强迫下设计两组敏感性试验，探究了热带太平洋DCM气候态分布对海表温度（SST）的影响，以及DCM年际变率对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）振幅的影响。结果揭示DCM效应存在着两种相互抵消作用的机制：一种是海洋生物引起的直接加热（OBH）效应，另一种是与垂向混合和浅层经向翻转环流（sMOC）有关的动力过程引起的间接冷却效应。

    发现引入DCM气候态效应后，赤道东太平洋SST气候态降低约0.2℃，且次表层降温幅度大于SST。分析其物理机制发现，DCM效应通过直接增加混合层底部的太阳辐射吸收量，形成OBH效应；进一步，减弱上层海洋层结强度，从而加强垂向混合，其造成的间接冷却效应阻遏甚至超过OBH效应，改变局地海温垂向结构，从而引起海表高度和海洋环流变化。尤其是加速了热带东太平洋的sMOC，增加了赤道海域向赤道外的热量输送，进一步导致东部SST降低。在海气热交换方面，SST降幅部分被海气净热通量抵消，最终造成赤道东太平洋SST降低约0.2℃；西太平洋则因间接冷却效应较弱，所以SST略有升高。

    发现引入DCM年际变率效应之后，赤道中东太平洋SSTA的标准差增大，ENSO振幅增加。究其原因，一方面，厄尔尼诺期间海洋层结较强，上层海洋营养盐较少，造成DCM较弱，其引起的间接冷却效应可能不足以抵消OBH效应；拉尼娜期间则相反，较强的间接动力过程将有显著增大SST降温幅度。另一方面，DCM效应导致温跃层深度的纬向梯度加大，加强了ENSO的温跃层反馈作用，也有助于ENSO振幅增加。　　

    综上所述，本研究较为系统地阐释了热带太平洋DCM气候态及其年际变率对海温、ENSO振幅的影响及其物理机制，为理解海洋生态系统对气候系统的反馈作用提供了新的见解。论文第一作者为中国科学院海洋所博士研究生石其东，通讯作者为南京信息工程大学张荣华教授。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持。 

    论文信息及链接：

    Shi, Q., Zhang, R.-H., & Tian, F. (2023). Impact of the deep chlorophyll maximum in the equatorial Pacific as revealed in a coupled ocean GCM-ecosystem model. Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, e2022JC018631. https://doi.org/10.1029/2022JC018631

  • 原文来源：http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202304/t20230414_6738847.html
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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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  • 《中国科学院海洋研究所在多岛屿绕岛环流理论方面取得新进展》
    • 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：2023-03-29
    • 近日，中国科学院海洋研究所胡石建研究团队在绕岛环流理论方面取得重要进展，研究得到了三岛屿绕岛理论解析解，并成功应用于印尼贯穿流流量估计，相关成果在JCR一区期刊Frontiers in Marine Science杂志（IF：5.247）发表。 绕岛环流理论由澳大利亚物理海洋学家J. Stuart Godfrey提出（Godfrey, 1989），其理论核心是在Sverdrup关系的风生环流基础上同时考虑沿着岛屿（如澳大利亚、新西兰等）海岸对压强梯度的积分必须为零这一限定条件。Godfrey（1989）同时借鉴了Stommel（1948）和Munk（1950）的研究方法而考虑了摩擦边界层。Godfrey的绕岛环流理论成功应用于印尼贯穿流的研究中，成为印尼贯穿流研究领域的经典理论工具而被反复使用。但是，由于Godfrey的绕岛环流理论进行了大量简化，基于原始绕岛环流估算的印尼贯穿流流量与实际观测值存在显著偏差，前人就如何改进Godfrey绕岛环流理论进行了大量探索。 改进Godfrey绕岛环流理论的一个方向是考虑更接近真实地形的岛屿分布和更复杂的摩擦效应。胡石建研究团队在Wajsowicz (1993)、Pedlosky et al. (1997)、Lian et al. (2017)和Yang et al. (2020)等前人研究工作基础上，考虑了三岛屿情形的海陆分布，设计了多种具有不同岛屿分布的理想化地形，采用了相应地形条件下的侧向摩擦和底摩擦，推导得到了穿过岛屿间海峡的流函数和流量解析解。相比于前人的研究，三岛屿海陆分布显然更接近真实的印尼海域情形，同时可以考虑北太平洋风场的影响和更为复杂的摩擦效应。 团队基于所得到的三岛屿绕岛环流解析解，估算了印尼贯穿流的体积输运并与INSTANT观测、MITF等观测时间序列以及前人的理论值进行了对比。结果表明该三岛屿绕岛环流理论可以很好地再现印尼贯穿流体积输运的平均值和年际变化，相较于原始的Godfrey绕岛环流理论具有明显的进步。研究团队进一步基于该解析解开展了敏感性试验，研究了岛屿分布、海峡通道尺寸、摩擦边界层厚度等因素变化对多岛屿绕岛环流框架下印尼贯穿流输运估计的影响，得到了一些有意义的结果。 研究团队在三岛屿绕岛环流理论研究方面的进展对印尼贯穿流和印太跨海盆相互作用相关研究领域具有重要科学意义。中国科学院海洋所与山东科技大学联合培养硕士研究生史万里为论文第一作者，中国科学院海洋所研究员胡石建为论文通讯作者。研究得到了中国科学院创新交叉团队项目、中国科学院战略先导科技专项和山东省自然科学基金等项目资助。 论文信息：Shi, W., S. Hu*, and H. Ma (2023), The island rule with multi-islands and its application to the Indonesian Throughflow, Frontiers in Marine Science, 10, 1145506, doi:10.3389/fmars.2023.1145506.
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