科研進展

太平洋熱帶不穩定波(TIWs)的歷史長期變化趨勢獲揭示

發布時間:2024-02-01 來源:南海海洋研究所
     近日, 中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室(LTO) 海洋動力熱力過程 課題組 杜巖團隊,在赤道太平洋海洋動力長期變化研究方面取得新進展, 相關成果以 Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades 為題 , 發表在Nature  Climate   Change 。LTO 助理 研究員 王閔楊 為第一作者 , LTO 研究員 杜巖 美國斯克里普斯海洋研究所教授 Shang -Ping Xie 通訊作者 ,日本海洋地球科學技術機構(JAMSTEC) 教授 Hideharu Sasaki 教授 Masami Nonaka 為共同作者。

  熱帶不穩定波(Tropical Instability Waves, TIWs)是熱帶太平洋最顯著的中尺度動力過程之一,由赤道流系的剪切不穩定產生,表現為赤道東太平洋海表流場和海表溫度的月周期、1000km級擾動(圖1a)。TIWs海流擾動將赤道區域上涌的冷海水與赤道外暖海水經向攪拌混合,影響赤道區域營養鹽分布和熱量收支平衡,進而影響海洋生態環境和氣候長期變化。自20世紀90年代以來,熱帶太平洋經歷了類似拉尼娜現象的平均狀態變化,影響太平洋沿岸乃至全球的氣候和天氣變化(如臺風和ENSO等)。然而,由于赤道海流缺乏觀測,以及衛星高度計數據難以計算赤道海流,TIWs等赤道動力過程的長期演變規律仍不清楚,這限制了我們對熱帶太平洋氣候長期變化的理解與預估。  

  為解決衛星高度計診斷赤道海表流場的難題,研究團隊自主提出了衛星高度計診斷非平衡態海表流場的動力方程,考慮了加速度項與壓強梯度力平衡,而不是傳統的地轉平衡。利用該方程,我們首次診斷出TIWs近30年的海表流場數據,結果與錨定浮標觀測十分接近?;谠摂祿?,我們發現TIWs在此期間持續增強,其海流渦動能(eddy kinetic energy, EKE)每十年增長12%(圖1b粗紅線)。同時利用其他3套獨立數據進行了對比驗證:衛星觀測海表溫度(1982-2021,品紅線)、熱帶海洋錨定浮標觀測的海流數據(1980s-2020,黑線)以及1/10 渦分辨率全球大洋環流模式數據(OFES2,1958-2021,藍線),結論與衛星高度計診斷結果一致。  

   

  1.太平洋熱帶不穩定波(TIWs)現象及其強度長期變化序列。a.日平均衛星海表溫度;b. TIWs強度多年代際序列(紅色:衛星高度計EKE;黑色:錨定浮標單點觀測EKE;品紅:衛星海表溫度經向梯度的方差;藍色:OFES2模擬EKE,灰色陰影是模式集合)。細線:年平均,粗線:9年滑動平均,已去除1993-2021年氣候態平均。  

  大尺度海洋環流和海溫風場的趨勢分析表明,TIWs增強的動力機制是源于熱帶東太平洋氣候30年赤道南北不對稱變化。赤道以北增暖更快(圖2a),伴隨跨赤道南風增強、赤道海流加速(圖2c),使海流剪切加強、TIWs增強。伴隨TIWs增強,我們發現TIWs的經向攪拌效應加強,使冷舌區的非線性加熱效應每十年增加23%,在海洋長期熱收支平衡中不可忽視,是近期熱帶東太平洋氣候態變冷的負反饋項。說明TIWs在響應氣候變化的同時,反饋影響著熱帶太平洋的海溫變化。目前大部分氣候模式由于分辨率較粗(1 1 )無法分辨TIWs過程,因此無法反映TIWs對冷舌的非線性加熱效應,可能造成一定的模擬偏差(比如赤道冷舌區的冷偏差),未來氣候模擬和預估需要考慮TIWs這一反饋作用(比如通過參數化或者提高模式分辨率)。  

   

  2. 30年熱帶太平洋海溫、風場和海表環流的變化趨勢。a海表溫度和海面風場趨勢;b. 東太跨赤道海溫不對稱變化(海表溫度北側減南側);c海表高度和海表流場趨勢;d南赤道流(SEC,0 -4 N平均)流速長期變化。b/d為9年滑動平均,已去除1993-2021年氣候態平均。  

  該研究揭示了太平洋TIWs對歷史氣候變化的顯著響應,表明TIWs深度參與并反饋影響氣候變化,這一結果為研究海洋多尺度動力過程響應和影響氣候變化提供參考。  

  該研究獲得國家自然科學基金(42090042,42106024)、中科院國際合作項目(133244KYSB20190031,183311KYSB20200015)、LTO自主研究項目(LTOZZ2203)及南海所自主部署項目(SCSIO202201等項目的聯合資助。  

  相關論文信息Wang, M., Xie, SP., Sasaki, H. et al. Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades. Nat. Clim. Chang. (2024). 

  論文鏈接https://doi.org/10.1038/s41558-023-01915-x  


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