印度洋熱力分異與洋際協(xié)同對(duì)中國(guó)氣候的影響及關(guān)鍵災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)初探

齊慶華

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門(mén) 361005;2.福建省海洋物理與地質(zhì)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門(mén) 361005)

0 引言

印度洋地處亞印太交匯區(qū),是泛第三極(Panthird Pole)地區(qū)西太平洋-印度洋-青藏高原系統(tǒng)的重要一員[1-2]。印度洋西南和東南分別與大西洋和太平洋相連,東印度洋還通過(guò)印度尼西亞貫穿流連通西太平洋。東印度洋-西太平洋暖池是全球表層海溫最高以及熱含量和水汽最集中的區(qū)域[3-4],印度洋熱力異常是影響高原熱源和暖濕環(huán)境、亞洲季風(fēng)變異及全球氣候變化的重要因素[5-6],在維持全球海洋熱量與水分平衡中發(fā)揮重要作用[7]。受非洲和亞洲大陸影響,印度洋10°S以北大范圍洋區(qū)的季風(fēng)活動(dòng)最為活躍,該海域處于Hadley 環(huán)流和Walker環(huán)流的上升支[8],影響強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生和熱帶氣旋暴發(fā)[9-11]。印度洋是東亞夏季風(fēng)環(huán)流和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的重要發(fā)源地,同時(shí)是我國(guó)季風(fēng)降水的重要水汽源區(qū),其變化對(duì)東亞季風(fēng)氣候和我國(guó)環(huán)境具有重要影響和調(diào)制作用[12-14]。印度洋引發(fā)的海氣系統(tǒng)季節(jié)內(nèi)振蕩過(guò)程[15]可協(xié)同導(dǎo)致天氣和氣候異常,造成我國(guó)出現(xiàn)旱澇、高溫、冷害和霧霾等極端性氣候和環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[16-20]。當(dāng)前我國(guó)正全面推進(jìn)“一帶一路”建設(shè),印度洋扼亞洲、大洋洲、非洲和歐洲的海洋交通要道,是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的必經(jīng)之地和“一帶一路”倡議順利推進(jìn)的關(guān)鍵海域[21]。因此,對(duì)印度洋熱力分異特征規(guī)律、海氣相互作用和洋際協(xié)同效應(yīng)及氣候與生態(tài)災(zāi)害影響風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和探討,可為提高我國(guó)季風(fēng)氣候和海洋環(huán)境變化研究及精準(zhǔn)預(yù)測(cè)水平提供必要的科學(xué)依據(jù),對(duì)“21世紀(jì)海上絲綢之路”的氣候與海洋環(huán)境安全保障以及我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)研究具有重要的科學(xué)與實(shí)踐意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

海溫作為海洋環(huán)境的基本要素,是表征海洋氣候變化的重要指標(biāo)和影響天氣氣候和環(huán)境生態(tài)的關(guān)鍵因子,體現(xiàn)海洋上層熱狀況和局地及跨海域三維立體水交換特征,反映與低層大氣的相互作用過(guò)程,并通過(guò)海洋通道與大氣橋或海氣遙相關(guān)[22],鏈接全球海洋協(xié)同作用以及海、陸、氣、冰等多圈層耦合,呈現(xiàn)海洋在氣候系統(tǒng)中的重要地位,其變化會(huì)產(chǎn)生顯著的氣候環(huán)境效應(yīng)以及氣候和生態(tài)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。熱含量是表示海洋熱力狀況垂向累積的綜合指標(biāo),反映海洋熱力結(jié)構(gòu)和總體配置,決定海洋潛熱和水汽通量及其向陸地的輸送。從能量學(xué)角度而言,海洋熱含量與季風(fēng)變化的耦合作用是調(diào)節(jié)全球海洋與氣候變化的內(nèi)在本質(zhì)。此外,混合層厚度、海面高度、躍層深度及相應(yīng)次表層海溫(或不同層面溫差)等均表示中上層海洋熱狀況。

本研究中的印度洋海洋熱力狀況主要以海溫(或梯度)和熱含量(垂向累積)作為表征指標(biāo)。隨著海洋觀測(cè)資料的不斷豐富,人們對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)逐漸從表層向深層、從局地區(qū)域向全域高維系統(tǒng)發(fā)展。海洋與氣候要素場(chǎng)的空間分異經(jīng)時(shí)空分解(EOF、SVD 等方法)[23]可得到主模態(tài)特征,由于聚焦區(qū)域和關(guān)注視角的不同,會(huì)存在不同特征的時(shí)空模態(tài),但就分異分解方法本身而言,包括全域一致型、偶極子型和三極子型等空間型態(tài),且各自具有主導(dǎo)變率。通常人們關(guān)注要素場(chǎng)的主導(dǎo)模態(tài)和優(yōu)勢(shì)模態(tài),但其他變異模態(tài)不能忽略,尤其是在具有實(shí)際物理意義和存在模態(tài)轉(zhuǎn)換的情形下,以便系統(tǒng)和全面地認(rèn)識(shí)要素場(chǎng)的時(shí)空分異特征規(guī)律。

2 印度洋海洋熱力分異主模態(tài)與熱收支相關(guān)機(jī)制

本研究從印度洋本身和洋際協(xié)同的角度,簡(jiǎn)述印度洋熱力異常的局地和非局地模態(tài)分型,分析和探討主導(dǎo)模態(tài)(優(yōu)勢(shì)模態(tài))、梯度模態(tài)和聯(lián)合模態(tài)等時(shí)空模態(tài)的特征規(guī)律和相關(guān)機(jī)制。熱帶印度洋的主導(dǎo)模態(tài)主要包括印度洋偶極子型(IOD)和海盆一致型(IOB)。IOD 是印度洋最強(qiáng)的年際氣候模態(tài),Saji等[24]首先提出熱帶印度洋偶極型海溫異常模態(tài),其在約100 m 的次表層變幅最大[25];強(qiáng)度和位置等的偏度以及季節(jié)循環(huán)使得IOD 的類(lèi)型多樣,并具有季節(jié)鎖相特征[24,26]。IOB 是熱帶印度洋海溫異常的另一個(gè)典型模態(tài),熱帶印度洋的一致變化可引起大氣對(duì)流層的Kelvin波東傳,以維持菲律賓異常反氣旋,進(jìn)而影響亞洲夏季風(fēng)[27]。

印度洋與太平洋熱力異常變化的獨(dú)立性和相關(guān)性并存[28-29]。就相關(guān)性而言,熱帶印度洋的IOD事件與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)的多樣性暖事件顯著相關(guān),且關(guān)聯(lián)機(jī)制各異[30];熱帶印度洋的IOB事件也在一定程度上被視為對(duì)厄爾尼諾(El Ni?o)事件的滯后響應(yīng)[31];同時(shí),熱帶印度洋的IOD事件可通過(guò)熱動(dòng)力過(guò)程觸發(fā)ENSO 事件[32]。除風(fēng)應(yīng)力和海面熱通量外[33-34],表層與次表層的異常海洋動(dòng)力過(guò)程與風(fēng)-溫躍層-SST 反饋(WTS)[35-36]尤其是海洋波動(dòng)對(duì)熱帶印度洋年際尺度的海表溫度變化作用顯著[37],同時(shí)其多年代際氣候變率受北大西洋濤動(dòng)的調(diào)控[38]。

熱帶印度洋IOD 和IOB 模態(tài)之間互為關(guān)聯(lián)。有觀點(diǎn)指出,IOD 并非緯向海溫差異的反位相振蕩,而是疊加于IOB背景上的溫度梯度擾動(dòng)[39]。對(duì)印度洋緯向海溫梯度進(jìn)行時(shí)空分析可得到印度洋海溫梯度模,海溫梯度模不僅體現(xiàn)印度洋緯向海溫差異的特征,影響我國(guó)的季風(fēng)活動(dòng)和降水分布,而且與印太海溫梯度疊加,極大地影響西北太平洋登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)[40-42]以及周邊地區(qū)的氣候異常[43]。印度尼西亞貫穿流和大氣Walker環(huán)流是關(guān)聯(lián)印度洋和太平洋海溫異常的重要樞紐通道[44],將熱帶印太海域作為整體進(jìn)行時(shí)空分析,進(jìn)一步得到熱帶印太海域最重要的海溫異常聯(lián)合(綜合)模態(tài)。該模態(tài)呈緯向三極子分布[45],同時(shí)體現(xiàn)于表層和次表層并互為聯(lián)系[46]。有研究表明,印度洋-太平洋聯(lián)合模態(tài)由海溫梯度與Walker環(huán)流之間的正反饋?zhàn)饔镁S持[47],并對(duì)季節(jié)內(nèi)振蕩產(chǎn)生重要的調(diào)控作用[48]。

在南印度洋副熱帶海區(qū),顯著的印度洋海盆尺度的海溫異常分布型以西南-東北反向偶極子為主要特征,其是南印度洋副熱帶海區(qū)的年際變率主導(dǎo)模態(tài),可觸發(fā)熱帶印度洋的IOD 事件[49],對(duì)ENSO 事件的位相轉(zhuǎn)換有重要作用[50-51],而且通過(guò)影響西太平洋副熱帶高壓調(diào)控我國(guó)長(zhǎng)江中游和華南地區(qū)的夏季降水[52-54]。此外,印度洋海溫異常還存在中部型[55]和三級(jí)子型[56]等模態(tài)以及氣候變化驅(qū)動(dòng)的赤道模態(tài)[57]等,本研究不作贅述。

熱帶印度洋上層(700 m)的熱含量與海表溫異常具有相似的分型[58],由于缺乏深層數(shù)據(jù)[59],相關(guān)認(rèn)識(shí)較為不足。印度洋的熱量收支及變化機(jī)制分析表明,風(fēng)和熱通量強(qiáng)迫影響整個(gè)海盆的熱含量。印度洋貫穿流主要影響南印度洋的熱含量[60];北印度洋熱含量的變化主要由經(jīng)向熱輸送引起,其中邊界流和經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流起主導(dǎo)作用,而渦動(dòng)項(xiàng)的貢獻(xiàn)較小[60-61]?；跓嵬糠匠痰姆治霰砻?東北印度洋上層海洋熱含量的季節(jié)變化是海氣相互作用的結(jié)果,由動(dòng)力過(guò)程(海洋上層100 m 以?xún)?nèi))和海表凈熱通量共同控制[62]。

總體而言,目前對(duì)印度洋熱力分型已有較多分析,并取得系列研究成果,然而對(duì)氣候變化下分型之間的關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)換和模態(tài)演化[63],以及調(diào)控局地?zé)崃Ξ惓Ｅc相關(guān)海氣擾動(dòng)振蕩激發(fā)、傳播和不同影響的分析較為缺乏,對(duì)熱力狀況與分異的氣候環(huán)境影響、作用通道和調(diào)控機(jī)制的研究明顯不足,同時(shí)對(duì)季節(jié)變化引起的預(yù)報(bào)障礙等可預(yù)報(bào)性仍待深刻剖析。因此,可借對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題的研究,為區(qū)域氣候模擬和預(yù)測(cè)研究提供重要的科學(xué)依據(jù)。

3 印度洋熱力分異與中小尺度過(guò)程的關(guān)聯(lián)

從大尺度洋流,到中尺度渦旋、海洋鋒面、潮汐和內(nèi)波,以至小尺度湍流等動(dòng)力學(xué)體系,均與海洋熱力狀況密切關(guān)聯(lián)。目前對(duì)于大尺度海洋過(guò)程已有很好的認(rèn)識(shí)進(jìn)展,而對(duì)中小尺度海洋過(guò)程的理解成為提升海洋與氣候變化全過(guò)程精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵?？紤]到大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)數(shù)值天氣和短期氣候預(yù)報(bào)的重要意義,本研究?jī)H圍繞相關(guān)的中小尺度海洋過(guò)程以及大氣與海洋季節(jié)內(nèi)振蕩,簡(jiǎn)要探討其與印度洋熱力分異的關(guān)聯(lián)性。

有研究顯示,海浪水體輸運(yùn)的大尺度效應(yīng)顯著調(diào)控大洋熱量配置,并對(duì)IOD 模態(tài)的發(fā)生和發(fā)展具有重要作用[64]。IOD 負(fù)位相期間,受西南風(fēng)的影響,海洋的不穩(wěn)定過(guò)程使得能量由平均流能量向渦旋場(chǎng)轉(zhuǎn)化[65],如印度洋赤道潛流的剪切不穩(wěn)定能誘導(dǎo)次表層的中尺度渦旋。印度洋的海洋中尺度渦旋主要分布于北印度洋的阿拉伯海、孟加拉灣西部海域以及南印度洋的澳大利亞與非洲連線(xiàn)海域,中尺度渦旋對(duì)相關(guān)海域海洋熱狀況的改變具有重要作用[66]。有研究表明,不同類(lèi)型的IOD 事件通過(guò)改變西南季風(fēng)的強(qiáng)弱變化,對(duì)上升流產(chǎn)生不同程度的影響[67];受到IOD 事件的調(diào)控,西南印度洋和東印度上升流的強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的年際變化特征[68]。海洋鋒面處于溫度梯度最大處,較強(qiáng)鋒面主要位于南印度洋西風(fēng)帶區(qū)域以及季風(fēng)盛行期的東印度洋。從梯度模態(tài)的角度看,其兩側(cè)的冷暖水可通過(guò)調(diào)節(jié)海氣界面熱通量而影響低層大氣環(huán)流[69]。海洋障礙層可強(qiáng)化層結(jié),阻礙海洋混合層的存儲(chǔ)熱量向下與溫躍層以深水體的熱交換,進(jìn)而影響海面溫度變化,并反饋和調(diào)控IOD 事件的發(fā)生和發(fā)展[70-71]。有研究發(fā)現(xiàn),北印度洋東部海洋障礙層的形成主要由等溫層的深度變化引起,溫躍層在赤道波的作用下也會(huì)影響海洋障礙層的變化[72]。IOD 事件期間,孟加拉灣的海洋障礙層變化顯著,與等溫層改變密切相關(guān)[73]。同時(shí),IOD 事件對(duì)混合層的年際變率具有調(diào)制作用[74]。

作為大氣中最顯著的振蕩現(xiàn)象,大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(統(tǒng)稱(chēng)ISO)是鏈接天氣活動(dòng)和氣候變化(如ENSO)及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵[75],現(xiàn)有研究圍繞大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的激發(fā)傳播機(jī)制、行星尺度選擇和多尺度相互作用開(kāi)展[76]。大氣季節(jié)內(nèi)振蕩通過(guò)影響動(dòng)量、浮力強(qiáng)迫和海氣熱通量引起上層海洋發(fā)生變異,調(diào)控印度洋IOD 的發(fā)展和演化[77-78]。有研究顯示,熱帶印度洋是全球大氣季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一[79]。受大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的強(qiáng)迫影響,熱帶印度洋的海表溫度變幅可達(dá)3℃[80],而海表溫度也是反饋和激發(fā)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的重要因子[81-83],其中具有能量頻散特性的波動(dòng)-積云對(duì)流加熱反饋是重要機(jī)制[84]。秋季季風(fēng)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的Rossby波西傳會(huì)引發(fā)熱帶東南印度洋的暖海溫異常,進(jìn)而加強(qiáng)東傳的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩深對(duì)流。有研究發(fā)現(xiàn),IOD 事件顯著影響大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的強(qiáng)度,并明顯區(qū)別于ENSO 的作用[85]。大氣季節(jié)內(nèi)振蕩與亞洲季風(fēng)的活躍、中斷、推進(jìn)和撤退均密切相關(guān)[86],亞洲季風(fēng)起始于孟加拉灣西南季風(fēng)[87],有分析表明其具有典型的季節(jié)內(nèi)振蕩特征[88]。大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的持續(xù)性活躍在引發(fā)季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)異常的同時(shí),主要影響水汽的輸送[86],最終導(dǎo)致我國(guó)發(fā)生極端的高溫?zé)崂恕⒌蜏乩浜秃禎碁?zāi)害[17,89-90]。同時(shí),受大氣熱力和低層風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫以及海洋次表層過(guò)程[91]的影響,中印度洋的海洋季節(jié)內(nèi)振蕩同樣顯著,有分析發(fā)現(xiàn)在中印度洋模態(tài)中可捕捉到北半球夏季向北的季節(jié)內(nèi)信號(hào)[55]。目前對(duì)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的結(jié)構(gòu)和傳播特征及其對(duì)天氣氣候的影響已有較好的認(rèn)識(shí),但仍缺乏對(duì)其生成、維持和傳播等動(dòng)力學(xué)機(jī)制的闡釋,從而影響對(duì)其預(yù)測(cè)能力的提升。而因數(shù)據(jù)的限制,針對(duì)海洋季節(jié)內(nèi)振蕩及海氣相互作用的分析很少,相關(guān)研究亟待加強(qiáng),以便有效提升海氣耦合模式對(duì)季風(fēng)降水的模擬能力。

4 印度洋熱力強(qiáng)迫與海氣相互作用對(duì)我國(guó)氣候的影響

海洋尤其是熱帶海洋在全球能量收支中占有重要的地位,其吸收最多的太陽(yáng)輻射,通過(guò)海氣相互作用驅(qū)動(dòng)局地大氣運(yùn)動(dòng),且低緯度海洋熱狀況的改變可經(jīng)海氣相互作用調(diào)控?zé)釒Т髿飧鞒叨鹊臄_動(dòng)振蕩、遙相關(guān)型或遙相關(guān)波列激發(fā)以及急流波導(dǎo)能量傳播,進(jìn)一步導(dǎo)致中高緯度的大氣環(huán)流變化,造成天氣和氣候異常[92]。亞洲夏季風(fēng)的熱源主要位于印度洋,其中以孟加拉灣北部的熱源強(qiáng)度最大、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)[93]。亞洲夏季風(fēng)首先暴發(fā)于印度洋的孟加拉灣海區(qū),海表溫度的變化對(duì)其發(fā)生與演變起重要作用[94-95],并受到太平洋ENSO 相關(guān)海氣系統(tǒng)的協(xié)同影響[96]。作為亞洲夏季風(fēng)的子系統(tǒng),東亞夏季風(fēng)是影響我國(guó)環(huán)境的重要?dú)夂蛞蜃?其始于南海夏季風(fēng),有研究表明孟加拉灣的高海溫通過(guò)誘導(dǎo)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)夏季風(fēng)的暴發(fā)產(chǎn)生重要影響[97],其中印度洋緯向海溫梯度異常和一致性模態(tài)的調(diào)控作用顯著[98-100]。印度洋海溫異常通過(guò)感熱和潛熱的2級(jí)熱力效應(yīng)造成西太平洋副熱帶高壓異常[101],同時(shí)海洋異常緯向模態(tài)可觸發(fā)東亞季風(fēng)的極端變化[102],調(diào)控東亞西風(fēng)急流南北擺動(dòng),最終影響東亞季風(fēng)和下游氣候[103]。

值得關(guān)注的是,印度洋熱力分異可通過(guò)強(qiáng)迫季風(fēng)環(huán)流異常從而調(diào)控夏季風(fēng)氣流對(duì)水分和能量的長(zhǎng)程輸運(yùn),最終影響我國(guó)雨帶的分布分型以及氣溫、濕度等極端天氣氣候的發(fā)生。有分析表明,正(負(fù))相位趨于形成東西緯向(南北經(jīng)向)型降水分布[104]。印度洋異常海溫IOD 模態(tài)的相位控制我國(guó)主雨帶的持續(xù)維持,可造成超?；驑O端的災(zāi)害性事件。數(shù)值模擬研究也表明,東冷西暖的印度洋海溫結(jié)構(gòu)使我國(guó)西南到華南地區(qū)的降水明顯增加,易造成我國(guó)大陸緯向的帶狀旱澇分布[105]。而IOB模態(tài)的升溫趨勢(shì)會(huì)減弱夏季風(fēng)環(huán)流,并使我國(guó)雨帶南移[106],顯著影響我國(guó)江淮流域的汛期降水[107]。在南半球環(huán)狀模的影響下,南印度洋中高緯度海域的海溫異?？烧T發(fā)東亞夏季風(fēng)的變化,從而引起我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降水異常[108]。此外,印度洋海溫可通過(guò)調(diào)節(jié)我國(guó)華北地區(qū)的水汽輸送從而影響當(dāng)?shù)亟邓亩喙裑109],且熱帶印度洋的早春海表溫度對(duì)我國(guó)東北地區(qū)初夏降水的影響呈年代際增強(qiáng)特征[110],印度洋的海溫變化還是影響我國(guó)東北地區(qū)極端低溫天氣的重要因子[111]。尤其指出的是,受氣候變暖的強(qiáng)迫,海洋的顯著升溫通過(guò)印度洋的電容器效應(yīng)對(duì)我國(guó)長(zhǎng)江流域的極端降水和華南地區(qū)夏季的極端高溫有重要影響[112-114]。在全球變暖的背景下,極端降水和極端高溫事件與氣候模態(tài)相關(guān)的海氣相互作用和海洋動(dòng)力過(guò)程密切相關(guān),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的認(rèn)識(shí),以提升我國(guó)對(duì)海洋與氣候極端事件的預(yù)測(cè)能力[115]。

可見(jiàn),印度洋熱力分異主要調(diào)控我國(guó)華南和西南地區(qū)的季風(fēng)性降水以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)的汛期降水,同時(shí)協(xié)同引發(fā)我國(guó)的旱澇和高溫、冷害等極端災(zāi)害[1,116-117]。然而在全球變暖的背景下,以及在以印度洋熱力分異為主導(dǎo)、多因子協(xié)同疊加的情形下,印度洋熱力異常將對(duì)我國(guó)氣候產(chǎn)生復(fù)雜影響[118]。

5 印度洋熱力分異多源脅迫的協(xié)同效應(yīng)與關(guān)鍵災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

印度洋熱力多源(區(qū)際、洋際和域際)因子的互作脅迫與疊加協(xié)同效應(yīng)(包括放大和相消,這里更多關(guān)注放大作用)通過(guò)海洋通道和大氣橋等遙相關(guān)機(jī)制(緣起與中繼)導(dǎo)致我國(guó)極端天氣和氣候?yàn)?zāi)害與風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。海洋熱力狀況是大氣運(yùn)動(dòng)與季風(fēng)系統(tǒng)的原始驅(qū)動(dòng)力,有分析表明熱帶印度洋緯向大氣環(huán)流異常與東西熱力差異的強(qiáng)迫有關(guān),同時(shí)受到印太海洋整體熱力異常的協(xié)同影響[119]。20 世紀(jì)90年代末,氣象學(xué)家開(kāi)始關(guān)注洋際海氣相互作用和耦合關(guān)系[28],有關(guān)太平洋和印度洋相互聯(lián)系的物理機(jī)制從海洋通道、海氣相互作用過(guò)程和大氣遙相關(guān)等方面給出相關(guān)闡釋。有分析表明,赤道印度洋緯向垂直環(huán)流相繼受到前期和同期赤道東印度洋海溫和太平洋厄爾尼諾型海溫信號(hào)的影響[120];熱帶太平洋的熱力年際異常信號(hào)通過(guò)大氣Walker環(huán)流和局地海氣相互作用的緯向大氣橋[121]相聯(lián)系,并由印度洋季風(fēng)環(huán)流與太平洋Walker環(huán)流的齒輪式耦合作用引發(fā)[28];此外,熱帶西太平洋通過(guò)貫穿流導(dǎo)致熱帶東印度洋的年際尺度熱力調(diào)整[122]。有研究發(fā)現(xiàn),西印度洋的熱含量受到北大西洋濤動(dòng)(NAO)和北極濤動(dòng)(AO)的共同調(diào)控[123],同時(shí)該海域的海溫通過(guò)影響Walker環(huán)流和信風(fēng)觸發(fā)大西洋厄爾尼諾事件[124]。

印度洋熱力異常的協(xié)同作用與影響我國(guó)氣候的重要天氣氣候系統(tǒng)(如ENSO、季風(fēng)環(huán)流、副熱帶高壓及菲律賓海異常反氣旋)密切相關(guān)。有模式分析表明,熱帶印度洋的海溫變化通過(guò)風(fēng)應(yīng)力的橋梁作用調(diào)制熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的正負(fù)反饋機(jī)制,促使ENSO 暖冷位相的轉(zhuǎn)變[125],且其年代際變率更為明顯[126]。印度洋海溫從偶極到單極的變化對(duì)應(yīng)ENSO 暖事件的發(fā)展與消亡[127],而印度洋IOD 模態(tài)的空間特征和強(qiáng)度變化可能是20世紀(jì)90年代初印度洋增暖對(duì)厄爾尼諾衰減貢獻(xiàn)減弱的重要原因[128]。熱帶印度洋IOD 與ENSO 對(duì)我國(guó)降水具有獨(dú)立且不同的季節(jié)影響[129],同時(shí)IOD 與ENSO的獨(dú)立和聯(lián)合作用對(duì)我國(guó)秋季降水的影響存在明顯差異[130-131],且其聯(lián)合疊加影響可同時(shí)存在協(xié)同放大或相消效應(yīng)[132]。有研究發(fā)現(xiàn),熱帶印度洋秋季海溫異常的全區(qū)一致型和偶極子型對(duì)后期東亞冬、夏季風(fēng)的強(qiáng)度變化具有重要作用,且印度洋和太平洋協(xié)同振蕩型可通過(guò)東亞冬季風(fēng)影響我國(guó)冬季氣候[133],而ENSO 可調(diào)制印度洋熱力異常與東亞季風(fēng)關(guān)聯(lián)的顯著程度[134]。此外,有分析表明,我國(guó)長(zhǎng)江中下游及江南地區(qū)的極端降水風(fēng)險(xiǎn)主要受熱帶印太海溫年際和年代際異常與中高緯度歐亞大陸上空緯向遙相關(guān)波列的協(xié)同調(diào)控[135]。西太平洋副熱帶高壓是影響我國(guó)東部旱澇災(zāi)害和高溫天氣的重要?dú)夂蛳到y(tǒng)[136-137],印度洋-南海暖池與赤道東太平洋的海表溫度異常對(duì)西太平洋副熱帶高壓具有協(xié)同影響[138]。作為熱帶海洋對(duì)東亞夏季風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓作用的紐帶,菲律賓海異常反氣旋環(huán)流與局地海氣相互作用、ENSO 事件和熱帶內(nèi)外相互作用關(guān)聯(lián)密切,并成為影響我國(guó)東部地區(qū)降水的關(guān)鍵因素之一[139-140]。有分析顯示,熱帶西南印度洋夏季海表溫度升高造成北印度洋的東北風(fēng)異常,通過(guò)風(fēng)-蒸發(fā)-海溫(WES)機(jī)制使得北印度洋海表溫度升高,同時(shí)北印度洋的東北風(fēng)異常向東延伸引發(fā)西北太平洋冷海溫異常,并共同維持西北太平洋菲律賓海的反氣旋式大氣環(huán)流異常,進(jìn)而導(dǎo)致我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)極端降水。需要指出的是,西南印度洋溫躍層呈“dome”結(jié)構(gòu),海溫變化的溫躍層反饋機(jī)制(WTS)顯著[36],而夏季熱帶西南印度洋的海溫異常變暖與印度洋IOD 緊密相關(guān)[141]。此外,熱帶氣旋是影響我國(guó)降水的重要因子,其中熱帶中太平洋增暖與印度洋變冷是夏季西北太平洋熱帶氣旋趨多的主要因素,且北大西洋負(fù)三極型海溫異常的協(xié)同作用會(huì)促使熱帶氣旋的進(jìn)一步增多[142]。

對(duì)印度洋跨洋盆相互作用的深入認(rèn)識(shí)是提升季節(jié)至年代際氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。鑒于系統(tǒng)與系統(tǒng)間的互作互饋機(jī)制異常復(fù)雜,并考慮到海氣系統(tǒng)具有顯著的非線(xiàn)性動(dòng)力行為體現(xiàn)[143],可基于信息熵理論,通過(guò)構(gòu)建傳遞熵和互信息熵等信息傳輸特征量加以分析。針對(duì)印度洋作為信息源的信息傳輸?shù)娜蛱卣餮芯勘砻?其大氣信息匯主要分布于中緯度地區(qū),且與太平洋和印度洋存在信息通道[144-145]。針對(duì)三大洋協(xié)同性及影響的分析表明,三大洋的交互作用可協(xié)同影響我國(guó)南部地區(qū)季節(jié)內(nèi)降水、頻次和強(qiáng)度的分布格局與演化,并引發(fā)極端天氣氣候事件[146-148]。有研究發(fā)現(xiàn),ENSO 事件期間的熱帶印度洋和太平洋存在明顯的三維“齒輪式”耦合特征,同時(shí)印度洋與大西洋耦合助推極端厄爾尼諾事件的暴發(fā)[149]。可見(jiàn),充分考慮印度洋的洋際協(xié)同作用可有效提高對(duì)極端厄爾尼諾事件的預(yù)測(cè)水平[150]。

總而言之,印度洋熱力分異可由局地或遠(yuǎn)地作用(如ENSO)機(jī)制觸發(fā)[151],大氣動(dòng)力異常由WES和WTS (Bjerknes正反饋)等反饋機(jī)制以及大氣與海洋波動(dòng)過(guò)程(如Kelvin波和Rossby波)影響印度洋熱力分異分型和氣候演化,并通過(guò)海氣相互作用、季風(fēng)影響以及與其他大洋的協(xié)同作用等對(duì)我國(guó)產(chǎn)生顯著和不同的氣候效應(yīng),尤其對(duì)我國(guó)極端氣候事件的發(fā)生具有極大的影響。但相關(guān)影響機(jī)制,尤其是針對(duì)氣候變化下全球與區(qū)域性氣候變率、中高緯度環(huán)流系統(tǒng)以及各大洋之間的協(xié)同調(diào)制作用對(duì)我國(guó)極端氣候事件的影響和危險(xiǎn)性等科學(xué)問(wèn)題,亟須開(kāi)展深入的研究。

圍繞上述主要科學(xué)問(wèn)題,本研究簡(jiǎn)要概述印度洋熱力分異及多源強(qiáng)迫協(xié)同作用下我國(guó)氣候和環(huán)境的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。印度洋熱源異常是我國(guó)重要的氣候、環(huán)境和海洋影響中心:一方面,通過(guò)影響大氣季節(jié)內(nèi)振蕩等過(guò)程引起東亞中高緯度地區(qū)的環(huán)流變化,造成夏季風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓異常,同時(shí)調(diào)控?zé)釒庑┌l(fā)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)生成,進(jìn)而影響我國(guó)東部地區(qū)季風(fēng)雨帶和氣溫的配置與強(qiáng)度[102,152-153];另一方面,激發(fā)熱帶內(nèi)外低頻遙相關(guān)波列形成,影響我國(guó)旱澇、高溫與冷害等災(zāi)害的極端特性和分布格局[154]。尤其是在全球變暖的背景下,熱帶印度洋熱力異常和相應(yīng)的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)流活動(dòng)異常均發(fā)生改變[155],印度洋熱力分異模態(tài)與全球和區(qū)域氣候變率(如太平洋ENSO 事件)以及與其他大洋協(xié)同疊加作用,對(duì)我國(guó)東部地區(qū)氣候尤其是極端氣候產(chǎn)生復(fù)雜而嚴(yán)重的影響[37,148,156-158]。同時(shí),印度洋熱力分異模態(tài)可通過(guò)影響異常反氣旋的建立,致使我國(guó)南海發(fā)生極端高溫現(xiàn)象[159],對(duì)海洋環(huán)境和珊瑚礁等生態(tài)系統(tǒng)造成災(zāi)害性影響。因此,針對(duì)我國(guó)海洋與氣候變化的研究須考慮印度洋熱力模態(tài)的綜合影響,這對(duì)于提高東亞極端氣候和環(huán)境的可預(yù)報(bào)性與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的精準(zhǔn)性至關(guān)重要。

6 研究存在的不足與建議

目前圍繞印度洋熱力變異及其氣候環(huán)境效應(yīng)已取得一定的研究成果,但針對(duì)基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性科學(xué)問(wèn)題的研究仍存在很大的不足。

(1)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題研究的系統(tǒng)深入嚴(yán)重依賴(lài)觀測(cè)技術(shù)方法的發(fā)展和觀測(cè)體系的建立。印度洋海盆尺度的相關(guān)觀測(cè)始于20世紀(jì)60年代[160],之后首次GARP全球?qū)嶒?yàn)印度洋實(shí)驗(yàn)(INDEX)、世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(WOCE)、全球聯(lián)合海洋通量研究(JGOFS)和ARGO 全球海洋觀測(cè)網(wǎng)計(jì)劃相繼實(shí)施,對(duì)印度洋進(jìn)行較為系統(tǒng)的觀測(cè)和研究。隨后氣候變率與可預(yù)測(cè)性研究計(jì)劃(CLIVAR)和全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)(GOOS)聯(lián)合推動(dòng)建立印度洋海洋觀測(cè)系統(tǒng)(Ind OOS),其以亞非澳季風(fēng)分析和預(yù)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為主要組成部分。隨著印度洋多學(xué)科海洋調(diào)查航次的不斷開(kāi)展,對(duì)印度洋的觀測(cè)與研究能力日益提升,我國(guó)也將“兩洋一海”(西太平洋、南海、印度洋)作為重要的核心觀測(cè)區(qū)。然而相比于其他大洋,印度洋現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料尤其是深層次海洋資料仍十分匱乏。

(2)印度洋熱力異常除通過(guò)大氣橋的作用反饋于北極濤動(dòng)[161]、南北極渦[162]以及協(xié)同其他大洋聯(lián)合影響我國(guó)氣候與環(huán)境,還通過(guò)海洋通道作用中繼高緯度環(huán)狀模態(tài)(可理解為大氣不穩(wěn)定性由活動(dòng)中心向活動(dòng)帶的推廣延伸[163])的遙相關(guān)影響。當(dāng)前對(duì)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)主要集中在印度洋熱力分異和洋際等多源協(xié)同的大尺度特征,對(duì)有關(guān)的耦合機(jī)理、聯(lián)合影響、協(xié)同效應(yīng)及多尺度變化的認(rèn)識(shí)仍相當(dāng)有限。尤其圍繞以印度洋為核心的各大洋協(xié)同作用及其造成的復(fù)合型極端或超級(jí)災(zāi)害性事件,有待進(jìn)一步系統(tǒng)研究多源脅迫和多時(shí)空維度的相互作用影響與機(jī)理。此外,中小尺度海洋過(guò)程使得氣候預(yù)測(cè)復(fù)雜化,已成為提升短期氣候預(yù)測(cè)能力的關(guān)鍵。因此,亟待圍繞海洋熱狀態(tài),重點(diǎn)突出印度洋海洋與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩等中小尺度動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行研究,打通印度洋熱力分異演變與洋際協(xié)同關(guān)鍵動(dòng)力聯(lián)系和能量信息通道,發(fā)展大數(shù)據(jù)處理人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)新方法[164],豐富中小尺度理論以及開(kāi)展中小尺度建模研發(fā),進(jìn)而為我國(guó)氣候變化預(yù)測(cè)與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)化評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

(3)在全球變暖的背景下,印度洋升溫最為明顯[144,165],極端和早發(fā)型IOD 頻發(fā)[166-167]。印度洋熱力變異通過(guò)增強(qiáng)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的東傳和北傳[168]調(diào)節(jié)太平洋氣候[169],影響北大西洋氣候變化并強(qiáng)化大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流[144,170],顯著調(diào)控南海夏季風(fēng)暴發(fā)[171],進(jìn)而加大極端天氣和氣候事件的致災(zāi)危險(xiǎn)性[114,172]。目前已從系統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)到大洋區(qū)域子系統(tǒng)(如大洋與近海)、不同界面(如海氣界面)之間存在相互作用、相互影響和相互適應(yīng)的過(guò)程[173],但缺乏對(duì)獨(dú)立個(gè)體和聯(lián)合主體的貢獻(xiàn)以及作用通道疊加效應(yīng)的析構(gòu),尚未深刻辨析其相關(guān)性和內(nèi)在關(guān)聯(lián)本質(zhì)、主被動(dòng)關(guān)系以及協(xié)同和相消作用,無(wú)法明確作用貢獻(xiàn)隸屬、影響通道以及聯(lián)動(dòng)與響應(yīng)反饋機(jī)制,由此影響對(duì)相關(guān)要素變率尤其是氣候變化下印度洋熱力分異模態(tài)成因機(jī)理和未來(lái)演化的準(zhǔn)確研判和預(yù)測(cè),進(jìn)而妨礙有關(guān)印度洋熱力分異與多源強(qiáng)迫協(xié)同作用對(duì)我國(guó)氣候和環(huán)境效應(yīng)的深刻認(rèn)知和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)防控。

基于目前有關(guān)印度洋熱力分異與洋際協(xié)同及其對(duì)我國(guó)氣候和環(huán)境效應(yīng)的研究現(xiàn)狀和不足,本研究提出3項(xiàng)啟示性建議。

(1)夯實(shí)印度洋海洋觀測(cè)基礎(chǔ),不斷完善關(guān)鍵海區(qū)的全過(guò)程、全要素觀測(cè)數(shù)據(jù),為海洋熱動(dòng)力學(xué)與海氣相互作用過(guò)程、東亞季風(fēng)變異及氣候模擬與預(yù)測(cè)等研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。需要指出的是,印度洋熱力異?？杉ぐl(fā)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩,并通過(guò)大氣波-波的相互作用引起中高緯度大氣環(huán)流擾動(dòng)以及嚴(yán)重影響東亞氣候[174]。作為影響我國(guó)天氣氣候與旱澇災(zāi)害的重要大氣環(huán)流系統(tǒng),西太平洋副熱帶高壓的發(fā)展和演化受到印度洋熱力強(qiáng)迫下準(zhǔn)定長(zhǎng)波、高空急流、瞬變渦旋和阻塞等形勢(shì)與過(guò)程的重要影響[175-178]。由于高分辨率觀測(cè)資料的匱乏[152,179],相關(guān)科學(xué)問(wèn)題亟須系統(tǒng)深入研究。因此,應(yīng)針對(duì)氣候變化下印度洋熱力變異與季節(jié)內(nèi)振蕩激發(fā)傳播、東亞季風(fēng)暴發(fā)、西太平洋副熱帶高壓和西北太平洋低層大氣環(huán)流異常(以氣旋和反氣旋為主),尤其是菲律賓海異常反氣旋等科學(xué)問(wèn)題,圍繞洋際交互的海洋與大氣貫穿通道,加強(qiáng)國(guó)際合作,主導(dǎo)印度洋尤其是東印度洋海洋綜合調(diào)查,系統(tǒng)構(gòu)建高分辨率和深層次的海洋多要素氣候變化監(jiān)測(cè)和氣候連續(xù)觀測(cè)體系,改善分散、單一的觀測(cè)局面,促進(jìn)海洋多學(xué)科交叉與融合,為印度洋熱力變異對(duì)我國(guó)海洋氣候和環(huán)境生態(tài)的效應(yīng)及其災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

(2)發(fā)展跨界面(尺度)相互作用的氣候診斷分析技術(shù)方法,厘清海洋與氣候系統(tǒng)及系統(tǒng)間不同尺度的互作互饋?zhàn)饔秒`屬和通道機(jī)制,為我國(guó)海洋氣候和環(huán)境生態(tài)災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。深刻認(rèn)識(shí)海洋與氣候指標(biāo)內(nèi)涵,辨識(shí)和建立精準(zhǔn)指標(biāo)體系,提高濾波降噪和因應(yīng)關(guān)系及穩(wěn)定性[180]的診斷分析與析構(gòu)方法,提高技術(shù)方法的動(dòng)態(tài)性、自適應(yīng)性以及全息化智能性,尤其著眼于作用隸屬與通道機(jī)制(脅迫因子、主導(dǎo)通道、疊加轉(zhuǎn)換、占優(yōu)析構(gòu)),針對(duì)海洋與氣候復(fù)雜系統(tǒng)多源性、多尺度的復(fù)合型特征,發(fā)展人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生新方法,為區(qū)際、域際和洋際海洋子系統(tǒng)之間以及海、陸、氣、冰等跨圈層不同界面的相互作用、影響和適應(yīng),海洋與氣候的臨界狀態(tài)、響應(yīng)反饋、作用通道、影響貢獻(xiàn)和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)對(duì)等科學(xué)研究提供理論和技術(shù)支撐。

(3)深刻辨析氣候變化下印度洋熱力變異對(duì)我國(guó)氣候與環(huán)境生態(tài)影響的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)與動(dòng)態(tài)趨勢(shì),發(fā)展分類(lèi)、分級(jí)、分時(shí)、分區(qū)的災(zāi)害與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)動(dòng)態(tài)區(qū)劃技術(shù),提高氣候變化與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)適度應(yīng)對(duì)效率,避免過(guò)度適應(yīng)。著力探討印度洋熱力分異的氣候模態(tài)分型、轉(zhuǎn)換[63]、載荷[181]、位相鎖定和不對(duì)稱(chēng)性[182]與影響東亞季風(fēng)變化的關(guān)鍵海區(qū)海溫異常的關(guān)聯(lián)性,尤其加強(qiáng)對(duì)南海夏季風(fēng)[183]、副熱帶季風(fēng)[184]和西風(fēng)急流變異[107]的驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及季風(fēng)雨帶留滯推進(jìn)的熱動(dòng)力協(xié)同強(qiáng)迫的探討,從而為我國(guó)極端降水和重大旱澇的預(yù)測(cè)以及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)防范[185]提供重要的科學(xué)參考?；趯?duì)印度洋洋際耦合系統(tǒng)互作互饋機(jī)制機(jī)理的系統(tǒng)分析,闡釋耦合影響、聯(lián)合作用和協(xié)同放大效應(yīng)(影響貢獻(xiàn)),構(gòu)建動(dòng)態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)(等級(jí)區(qū)劃),為氣候變化下的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估和等級(jí)區(qū)劃以及災(zāi)害與風(fēng)險(xiǎn)的高精準(zhǔn)防治(管理治理)提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)而為我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體提供有效的科技支撐。