“太平洋-印度洋暖池”研究计划课件

“太平洋-印度洋暖池”研究计划Indo-PacificOceanWarmPoolResearch“太平洋-印度洋暖池”研究计划1前言项目简介研究队伍Argo观测XBT观测研究进展国际合作人才培养资料共享国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室中国青岛266061PrefaceIntroductionResearchTeamArgoObservationXBTObservationResearchProgressInternationalCooperationEducationandtrainingDatamanagement123456789123456789

Lab.MarineScienceandNumericalModelingFirstInstituteofOceanography,SOAQingdao

266061,China前言国家海洋局第一海洋研究所Preface11Lab.Ma2前言

从远古到今天，神秘的蔚蓝海洋见证着人类文明的孕育和发展，然而我们又对她了解多少？在遥远的热带太平洋和印度洋，聚集着一团体积庞大而又是全球海洋最为温暖的海水。她的宁静令人神往，然而她以诡秘方式影响着几乎世界每一个角落，她就是我们魂牵的梦想之地—“太平洋-印度洋暖池”她是海洋和大气角逐的一艘旗舰，是ElNiño这一古怪精灵的摇篮。郑和，中国探索海洋的先驱，从1405年起率浩荡船队七下西洋，穿越马六甲海峡，远达东非。600年后，我们把目光再次投向这片熟悉而又陌生广袤海洋。自然如不能被目证就不能被征服，这就是我们的使命：揭开“太平洋-印度洋暖池”美丽而又神秘面纱。研究资助：科技部国家重大基础研究前期研究专项（2001CCB00500）科技部国际合作重点项目（2002CB714001)自然科学基金委员会重点基金（40232012）郑和宝船前言从远古到今天，神秘的蔚蓝海洋见证着人类文明3Preface

Fromtheremoteantiquitytonow,themysteriousazureblueoceanwitnessesthebirthandgrow-upofthehumancivilization.Howmuchdoweunderstandher,however?

InthefarawaytropicalPacificandIndianOceanliesahugevolumeofwarmestwaterintheworld.Hertranquilityissoattractive,whileshetouchestheworldinhercunningway.Sheisjustwhatwearedreamingof—“Pacific-IndianOceanWarmPool”

ActingastheFlagshipinthewrestlebetweentheoceanandatmosphere,sheisthecradleofthemonstrousgeniusElNiño.ZhengHe,thegreatestChinesepioneeringnavigator,exploredtheso-calledWesternOceanfrom1405leadinghishugefleetwithsevenexpeditions.600yearslater,wecastoursightagainonthisfamiliarbutalsounacquaintedvastocean.

Naturecann’tbeconqueredifnotwitnessed.Thisisjustourduty,tounveilthebeautyandmysteryofthePacific-IndianOceanWarmPool.Sponsors:MinistryofScienceandTechnology(2001CCB00500,2002CB714001)NSF(40232012)ZhengHe’sTreasure-shipPrefaceFromtheremotean4项目简介

ENSO是全球年际尺度气候变化的主要机制之一，早期研究中ENSO被认为是主要发生在东太平洋的海-气相互作用事件，但是TOGA-COARE观测事实在一定程度上改变了这种观点。近年来中、外科学家的工作证实ElNiño信号首先出现在西太平洋暖池次表层，然后向东传播，到达东太平洋后形成传统意义上的ElNiño。因此，西太平洋暖池对于ENSO研究具有重要意义。印度洋偶极子（IOD）是近年来引起人们重视的印度洋海盆尺度海表温度和海面风场的异常事件，它对于印度洋周边国家甚至对全球的气候产生影响。由于印度洋缺乏观测资料，对于IOD相对于ENSO的独立性以及它和ENSO相互作用的理解受到很大限制。因此，以“太平洋-印度洋暖池”这一核心概念为中心，研究太平洋、印度洋中的海-气相互作用过程、二者之间的联系以及对中国气候的影响具有重要科学价值。项目简介ENSO是全球年际尺度气候变化的主要机制之一5Introduction

Thetropicalocean-atmosphereinteractionassociatedwithENSOisregardedastheoneofkeymechanismsoftheglobalinter-annualclimatevariability.Originally,ENSOisbelievedtobedominatedbytheair-seainteractionintheeasternPacific.However,TOGA-COAREobservationsarguethisparadigm.RecentlyresearchrevealsthattheElNiñosignalfirstlyappearsinthesubsurfaceofWesternPacificWarmPool(WPWP)andthenpropagateseastward.ThusWPWPplaysacriticalroleintheENSOcycle.IndianOceanDipole(IOD),isarecentlyidentifiedeventasabasin-scalepatternofSSTandwindanomaly.Itcanloadsignificantimpactsontheseasonalclimateconditionsatregionalandglobalscales.UnderstandinghowIODisindependentofENSOandhowitinteractswithENSOhasbeenlimitedbyalackofobservationsintheIndianOcean.Itisthusrathervaluabletostudytheatmosphere-oceaninteractionswithintheso-called“Pacific-IndianWarmPool”(PIWP),theircommunicationandimpactonChineseclimate.IntroductionThetropicaloce6研究队伍巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心于卫东，博士/副研究员，海洋一所许建平，研究员，海洋二所张庆华，博士/研究员，海洋一所蒲书箴，研究员，海洋一所刘海行，研究员，海洋一所陈显尧，博士/研究员，海洋一所李立，研究员，海洋三所项目执行协调人：于卫东

(wdyu@)项目执行秘书：李劳钰

(lilaoyu@)ChaoJi-ping1,2,Academician,YuWei-dong1,PhD/AssociateProfessorXuJian-ping3,ProfessorZhangQing-hua1,PhD/ProfessorPuShu-zhen1,ProfessorLiuHai-xing1,ProfessorChenXian-yao1,PhD/ProfessorLiLi4,ProfessorFirstInstituteofOceanography,SOANationalMarineEnvironmentCenterSecondInstituteofOceanography,SOAThirdInstituteofOceanography,SOAProjectcoordinator:YuWeidong

(wdyu@)Projectsecretary:LiLaoyu

(lilaoyu@)Researchgroup研究队伍巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心ChaoJi-p7巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心于卫东，博士/副研究员，海洋一所许建平，研究员，海洋二所张庆华，博士/研究员，海洋一所蒲书箴，研究员，海洋一所刘海行，研究员，海洋一所陈显尧，博士/研究员，海洋一所李立，研究员，海洋三所项目执行协调人：于卫东

(wdyu@)项目执行秘书：李劳钰

(lilaoyu@)大事记2002年3月21日下午15时，中国第一枚Argo浮标在东印度洋(114°42′E,14°12′S)投放成功，世界气象组织编号5900798；2002年10月20-25日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；2002年12月30日至2003年1月13日，在西太平洋投放Argo浮标13枚；2003年8月4-11日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；2004年1月9-18日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；Argo资料的NormalMode分解NormalModedecompositionofArgoProfile利用前5个模态的密度剖面重构Densityreconstructionwith1-5modes利用前5个模态的温度剖面重构Temperaturereconstructionwith1-5modesMemorabilia15:00,Mar.21,2002,EastIndianOceandiscernsthefirstChineseArgodeploymentatthelocation(114°42′E,14°12′S).ItsWMOIDis5900798;Oct.20-25,2002,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Dec.30,2002toJan.13,2003,13ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Aug.4-11,2003,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Jan.9-18,2004,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Argo观测Argo

Deployment巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心大事记Argo资料的Nor8XBT观测۞西太平洋断面：15N至15S2002年11月24日至12月2日完成0.25度间隔调查船：雪龙号۞东印度洋断面：15S至15N2003年3月10日至15日完成0.25度间隔调查船：雪龙号XBT

Observation۞WestPacificSection：15N–15SFromNov.24toDec.2,20020.25degreeresolutionVessel:Xue-Long۞EastIndianSection：15S–15NFromMar.10-15,0.25degreeresolutionVessel:Xue-LongDataquicklook数据一瞥XBT观测۞西太平洋断面：15N至15SXBTObse9

研究进展۞

ENSO循环中大气环流异常特征分析

热带海-气相互作用过程的分析中，大气环流的变化常以纬向风作为代表性指标，但是这还不足以给出大气环流变异的全貌。

ElNiño的发生和Walker环流有着密切联系，Walker环流在本质上是热力驱动环流，直接对应着大气环流的无旋分量。同时，大气环流的无辐散分量代表了大气的动力响应。因此，把热带大气运动分解成无旋（以流函数表征）和无辐散（以速度势表征）两部分，研究它们的变化特征可以使我们对大气环流变化有一个更清晰的认识。图1给出了850hPa、200hPa流函数和速度势与Nino-3指数的相关系数。高、低空的反位相特征表明大气对于海洋强迫响应的斜压性，从速度势结果可以看出在ElNiño期间Walker环流发生了距平意义上的翻转，从流函数结果可以看出大气的动力响应主要表现为低空的一对关于赤道对称的气旋式环流，高空为一对反气旋式环流。ENSO循环中，大气的无旋和无辐散分量的调整、变化非常协调一致，图2表明无辐散分量指数和无旋分量指数的相关系数超过了0.8。图1、850hPa（上）、200hPa（下）流函数（左）/速度势（右）与Nino-3指数的相关场摘自：于卫东、巢纪平，自然科学进展，2004ab图2、流函数（红）、速度势（黑）指数的时间演化研究进展۞ENSO循环中大气环流异常特征分析图1、85010ResearchProgress۞

AtmosphericcirculationvariabilityduringENSO

Thezonalwindanomalyisusuallyadoptedastheindicatorfortheatmos-phericcirculationvariationduringENSO.However,themoreelegantgeneralpicturesarestilldesired.WalkercirculationiscloselyassociatedENSO,whichisbasicallythermallydriven.Itcorrespondsthedivergentcirculationcomponent.Meanwhile,therotationalcomponentrepresentstheatmosphericdynamicresponse.Thusitisvaluabletodecomposetheatmosphericmotionintothesetwoparts,evaluatedbythestreamfunctionandvelocitypotentialrespectively.Fromthecorrelationmap(fig.1),itcanbeseenthattheatmosphereshowsbaroclinicresponsetotheoceanicforcing.TheWalkercirculationisreversedinthesenseofanomalyfield.Thelowerlevelatmosphereischaracterizedbyacycloniccirculationpair,whiletheupperatmospherebyananti-cycloniccirculationpair.DuringENSOcycle,thedivergentandrotationalcomponentsvaryinaratherconsistentway,whichcanbeverifiedfromfig.2.Thecorrelationbetweenthetwoindexexceeds0.8.Fig.1Thecorrelationmapbetweenthestreamfunction/velocitypotentialandNino-3IndexRef:YuW.andJ.Chao,AdvancesinNaturalScience,2004abFig.2Theindexofthestreamfunction(red)andvelocitypotential(black)ResearchProgress۞Atmospheric11

研究进展۞

ENSO循环中的大气-海洋反馈过程

ENSO作为一种大气-海洋相互作用事件，通过海气之间的正反馈过程得到发展，通过负反馈过程完成位相转变，目前关于ENSO循环中负反馈过程的认识有待于进一步加深。无旋大气分量，即翻转的Walker环流，与海洋之间始终保持着正反馈（图略）。无辐散大气分量（图1）在ElNiño达到它的盛期之前和海洋之间存在着正反馈，它的主要作用是使西太平洋赤道和赤道外海域的温跃层抬升，激发沿赤道东传的暖Kelvin波，造成西太平洋的海表面温度降低。在ElNiño达到盛期和之后的时间里，无辐散大气分量和海洋之间转变成负反馈，表现为关于赤道对称的气旋式环流移到了中东太平洋并且在西太平洋出现一对新的关于赤道对称的反气旋环流，其中，东移的气旋式环流使东太平洋的温跃层变浅，造成温度的降低，而西太平洋新出现的反气旋环流对加深了西太平洋的温跃层，使西太平洋海表面温度升高，这两种负反馈过程共同造成了翻转Walker环流的减弱，并使ElNiño向着它的相反为向转化，这一过程可以通过图2的示意卡通图直观的了解。

图1、ElNiño过程中大气850hPa流函数演变的合成图图2、ElNiño过程大气-海洋正负反馈过程的示意图研究进展۞ENSO循环中的大气-海洋反馈过程图1、El12ResearchProgress۞

Theatmosphere-oceanfeedbackduring

ENSOcycle

ENSOisregardedasanatmosphere-oceaninteractionprocess,whichdevelopsthroughthepositiveair-seafeedbackanddecaysthroughthenegativefeedback.Thepositiveprocessiswellunderstood.However,thenegativefeedbackneedsfurtherinvestigation.Thedivergentatmosphericcomponent,orthereversedWalkercirculation,keepsthepositivefeedbackwiththeoceanduringthewholelifetimeofElNiño(fiuresnotshown).Thecaseoftherotationalatmosphericcomponentissomewhatdifferent(fig.1).BeforethepeaktimeofElNiño,thereispositiveatmosphere-oceanfeedback,whichstrengthensthedevelopmentofElNiño.However,thispositiveprocessstopsfromthepeaktimeofElNiñoandconvertstothenegativefeedback.Thistransitionisrealizedthroughtheeastwarddisplacementofthecycloniccirculationpairoverthecentral-to-easternPacificandthenewemergenceoftheanti-cycloniccirculationpairoverthewesternPacific.NowthecycloniccirculationpairshoalstheeasternPacificthermoclineandtheanti-cycloniccirculationpairdeepensthewesternPacificthermocline.ThesetwonegativefeedbackprocessesgreatlyweakensthereversedWalkercirculationandfinallyleadstothephasetransitionofElNiño.ThewholeprocesscouldbeclearlyunderstoodfromthecartoonshowninFig.2.Fig.1ThecompositeoftheevolutionofthestreamfunctionduringElNiñolifetimeFig.2Schematicplanoftheair-seafeedbackResearchProgress۞Theatmosph13

研究进展۞ENSO和IOD对于嵌入太平洋-印度洋暖池的南海冷水楔的影响在冬季东北季风的驱动下，南海上层表现为气旋式环流，中南半岛沿岸的沿岸流得到充分发展，向南的冷水输运造成南海南部海表温度比西太平洋和东印度洋明显偏低，形成所谓的嵌入太平洋-印度洋暖池的冷水楔（图1）。这一南海冷水楔的年际变化明显的受到ENSO和IOD的影响。通过偏相关研究发现，ENSO和IOD对于南海冷水楔的影响是相反的：ENSO期间南海冷水楔强度减弱，而在IDO期间南海冷水楔增强（图2）。ENSO和IOD对南海冷水楔的相反影响源自它们所导致的不同大气环流异常。ENSO期间，通过“太平洋-东亚”遥相关，在西太平洋造成异常的反气旋环流和辐散中心，削弱了南海的东北季风，从而导致南海上层气旋式环流减弱、沿岸流减弱，向南的冷水输送减弱，从而南海冷水楔被削弱。IOD期间，东印度洋北部一侧呈现反气旋式环流，其向南的分支控制了南海，增强了南海上空的东北季风，从而导致南海冷水楔增强。(a)(b)(c)(a)(b)图1.冬季海表温度的分布图2.海表温度和Nino-3指数（左）、IOD指数（右）的偏相关图3.ElNino盛期合成的流函数(a)、速度势(b)和总风场图4.流函数与IOD指数的相关(a)、偏相关(b)研究进展۞ENSO和IOD对于嵌入太平洋-印度洋暖池的南海14ResearchProgress۞ENSOandIODimpactsonthegapinIndo-PacificWarmPooloverSCS

Undertheforceofwintermonsoon,uppercirculationofSouthChinaSeashowsthecyclonicpattern.ThesouthwardcoastalcurrentalongtheeastIndochinaPeninsulagetsfullydeveloped,whichtransportslargevolumeofcoldwatertothesouthernSCS.Asaresult,thereformsagapintheIndo-Pacificwarmpool,wheretheSSTissignificantlylowerthanwesternPacificandeasternIndianOceans.SCSgapshowsclearvariabilityassociatedwithENSOandIOD.Fortheequatorialocean,theatmosphericEkmanpumpingrealizesthroughthezonalwindalongtheequator.Comparingthedivergentandrotationalequatorialzonalwind(fig.1)providesananswertotheabovequestion.

Duetothedeepthermoclineandrelativelyweakvalue,theinteractionbetweenthedivergentatmosphereandoceancanonlytakeplaceinthetropicaleasternPacific,whereitdeepensthethermoclineandincreasestheSST.

DuringthedevelopmentstageofElNiño,theinteractionbetweentherotationalatmosphereandequatorialoceantakesplaceinthewesternPacific,whereitshoalsthethermoclineandexcitesthewarmKelvinwave.Therefore,thewarmwateroneithersideofthecomesfromdifferentdynamics.ResearchProgress۞ENSOandIO15

研究进展۞

热带大气-海洋中Rossby波-地形Rossby波的耦合不稳定性

按照对ElNiño的传统认识，认为它主要是发生在东太平洋的暖事件，即暖水首先出现在东太平洋，然后向西扩展形成ElNiño。但是后来的研究发现某些年份的海洋增暖并不首先从东太平洋开始，近来的研究又提出暖水首先出现在西太平洋暖池次表层，然后向东传播形成ElNiño，那么究竟哪种观点更准确呢？通过对上400米海洋热含量变异的合成分析发现（图略），暖水几乎是同时在东、西赤道太平洋出现，西太平洋暖信号表现为东传Kelvin波，而西太平洋暖信号局地发展，对这一现象的物理解释是什么呢？

考虑到我们考察赤道附近的海洋暖信号，那么大气的Ekman抽吸主要借助纬向风来完成，对比无旋分量和无辐散分量沿赤道的纬向风可以发现它们存在显著的不同（图1）。无旋大气环流和海洋的动力学反馈只能发生在赤道附近，由于西太平洋温跃层深厚而无旋大气环流比无辐散大气环流小一个数量级，因此翻转的Walker环流和海洋的相互作用主要发生在赤道东太平洋，图1种看出无辐散纬向风在东、西赤道太平洋特征不同，东太平洋是东风，加深了该处的温跃层深度，造成海表面温度升高。在ElNiño的发展期，无辐散大气环流和赤道海洋的相互作用重要在西太平洋，一方面抬升了西太温跃层厚度，另一方面激发暖的Kelvin波，而在东太平洋几乎没有正的海气反馈。因此，东、西赤道太平洋的暖水同时出现，但是产生机制不同。西赤道太平洋暖水来自无辐散大气和海洋的相互作用，而东太平洋的暖水来自无旋大气和海洋的相互作用。研究进展۞热带大气-海洋中Rossby波-地形Rossb16

研究进展۞

2002/2003年太平洋ElNiño事件的XBT观测根据Wang（2004）对历史ElNiño发生特征的总结，1976年之前的ElNiño首先表现为东太平洋增暖，1976-1996期间的ElNiño首先表现为西太平洋增暖，1997/1998年ElNiño表现为东-西太平洋同时增暖，而2002/2003年ElNiño事件非常独特，首先表现为中太平洋增暖（图1）的。因此，有必要认识在这种不同ElNiño发生背后所包含的动力学原因。对于2002/2003年ElNiño事件，我们的XBT断面观测揭示了非常强的西太平洋次表层冷却（尤其在西北太平洋），配合海面风场的结构，以利于加深我们对于ElNiño爆发过程的认识。图2、2002年11月份西太平洋XBT断面上的温度距平及海表风场距平图1、历史上不同的ElNiño发生形态的合成SST分布研究进展۞2002/2003年太平洋ElNiño事件的17

研究进展۞

2003年印度洋偶极子事件的Argo观测印度洋偶极子是近来颇受关注的发生在热带印度洋的海盆尺度的海洋变异现象，Saijietal.(1999)、Websteretal.(1999)等人通过分析SST和海面风场的变异关系认为这是一种独立于太平洋ENSO的海-气相互作用事件。虽然受到一些学者的批评，但是越来越多的次表层过程研究表明海洋内部调整的确参与了偶极子事件，倾向于认同它是独立于ENSO的印度洋海-气相互作用事件。我们的Argo观测（图1）支持了这一观点，并且揭示了2002/2003年ENSO对于东印度洋次表层的影响，并且表明2003年偶极子事件期间东印度洋次表层显著变冷（图2）。图1、我国第一个Argo浮标的位置和轨迹（工作时间：2002.2-2003.12）2002/2003ENSOimpactontheIndianOcean图1、我国第一个Argo浮标观测到的2002/2003年ElNino对印度洋的影响和2003年印度洋偶极子事件期间的次表层冷却研究进展۞2003年印度洋偶极子事件的Argo观测图1、18

国际合作۞

参加CLIVAR/GOOSIOP的印度洋观测系统建设印度洋与太平洋和大西洋相比，观测非常滞后。但是，印度洋季风、偶极子事件等的研究需求促成了国际社会共同开展印度洋的观测。CLIVAR/GOOSIOP正在起草该观测方案（图1）。受CLIVAR/GOOSIOP主席Dr.GaryMeyers的邀请，我们参与了该方案的制定，并正在讨论有关的观测合作。图1、CLIVAR/GOOSIOP计划的印度洋观测系统۞

与NOAA合作在热带东印度洋投放深水浮标利用“大洋一号”环球航次，将在印度洋航段为NOAA投放三个深水锚定浮标，同时NOAA提供XBT、漂流浮标用于航线观测，双方共享资料。国际合作۞参加CLIVAR/GOOSIOP的印度洋观测19

人才培养已毕业硕士研究生：1名（王秀红）在读博士研究生：3名（刘琳、刘娜、？）在读硕士研究生：5人（项宝强、孙振宇、左河疆、王冠林、高力宝）人才培养已毕业硕士研究生：1名（王秀红）20

研究论文已发表论文1、巢纪平，刘琳，于卫东，2005，热带海洋和大气中地形Rossby波和Rossby波的耦合不稳定性，中国科学，35（1），79-87。2、张庆华，于卫东，曲媛媛，范海梅，2005，赤道大洋定常风生环流的理论模型，海洋科学进展，23（1），11-19。3、于卫东，巢纪平，2004：热带太平洋ENSO期间的海气相互作用分析--大气环流无旋和无辐散分量的年际变化，自然科学进展，第14卷，第8期，917-924。4、Wang,X.,W.Yu,T.Luo,2004:DynamicsofthezonalasymmetricstructureofArcticOscillation.J.Hydrodyn.,vol.16(5),533-536.（EI）5、刘海行、于卫东、周玉斌、矫玉田，2004：航线断面数据的三维可视化实现，海洋科学进展，22（4），493-500。6、Pu,S.,J.Zhao,W.Yuandetal.,2004:Progressoflarge-scaleair-seainteractionstudiesinChina.Adv.Atmos.Sci.,21(3),383-398。（SCI-E）7、乔方利，于卫东，袁业立，2004，厄尔尼诺/拉尼娜信号循环回路及其传播特征研究，海洋学报，26（4），1-8。8、蒲书箴，于卫东，程军，2004：热带西太平洋浮力频率的垂直分布和径向变化，海洋科学进展，22（3），275-283。9、蒲书箴，赵进平，于卫东等，2004，中国大尺度海-气相互作用研究进展，海洋科学进展，第21卷，第1期，107-121。10、于卫东，乔方利，2003：ENSO事件中热带太平洋上层海洋热含量变化分析，海洋科学进展，第21卷，第4期，446-453。

已接受论文1、Yu,W.,Z.LiandY.Yuan,2005,PreliminaryresultsfromacoupledatmosphericGCM-oceansurfacewavemodel’sclimatemodeling.ActaOceanologicaSinica.(SCI)2、Yu,W.,Z.LiandY.Yuan,2005,Climatemodelingwiththecoupledatmosphericandoceansurfacewavemodel.ChineseSci.Bull..(SCI)。3、于卫东，刘琳，巢纪平，2005，印度洋偶极子事件期间的海-气相互作用分析，海洋科学进展。4、Chao,J.,L.LiuandW.Yu,2005:ThecouplinginstabilityofthetopographyRossbywaveandRossbywaveintropicaloceanandatmosphere.ScienceinChina.（SCI）5、刘琳，于卫东，2005，热带太平洋ENSO期间的海-气相互作用分析：次表层海温和大气旋度的协调变化。地球科学进展。6、LiuL.andW.Yu,2005:Atmosphere-OceaninteractionduringENSO:oceanicsubsurfacetemperatureandatmosphericwindcurl.Adv.Geophys.Sci.（SCI7、项宝强，于卫东，根据大气流函数/速度势定义的北方涛动指数及其应用，海洋科学进展。研究论文已发表论文21演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！22“太平洋-印度洋暖池”研究计划Indo-PacificOceanWarmPoolResearch“太平洋-印度洋暖池”研究计划23前言项目简介研究队伍Argo观测XBT观测研究进展国际合作人才培养资料共享国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室中国青岛266061PrefaceIntroductionResearchTeamArgoObservationXBTObservationResearchProgressInternationalCooperationEducationandtrainingDatamanagement123456789123456789

Lab.MarineScienceandNumericalModelingFirstInstituteofOceanography,SOAQingdao

266061,China前言国家海洋局第一海洋研究所Preface11Lab.Ma24前言

从远古到今天，神秘的蔚蓝海洋见证着人类文明的孕育和发展，然而我们又对她了解多少？在遥远的热带太平洋和印度洋，聚集着一团体积庞大而又是全球海洋最为温暖的海水。她的宁静令人神往，然而她以诡秘方式影响着几乎世界每一个角落，她就是我们魂牵的梦想之地—“太平洋-印度洋暖池”她是海洋和大气角逐的一艘旗舰，是ElNiño这一古怪精灵的摇篮。郑和，中国探索海洋的先驱，从1405年起率浩荡船队七下西洋，穿越马六甲海峡，远达东非。600年后，我们把目光再次投向这片熟悉而又陌生广袤海洋。自然如不能被目证就不能被征服，这就是我们的使命：揭开“太平洋-印度洋暖池”美丽而又神秘面纱。研究资助：科技部国家重大基础研究前期研究专项（2001CCB00500）科技部国际合作重点项目（2002CB714001)自然科学基金委员会重点基金（40232012）郑和宝船前言从远古到今天，神秘的蔚蓝海洋见证着人类文明25Preface

Fromtheremoteantiquitytonow,themysteriousazureblueoceanwitnessesthebirthandgrow-upofthehumancivilization.Howmuchdoweunderstandher,however?

InthefarawaytropicalPacificandIndianOceanliesahugevolumeofwarmestwaterintheworld.Hertranquilityissoattractive,whileshetouchestheworldinhercunningway.Sheisjustwhatwearedreamingof—“Pacific-IndianOceanWarmPool”

ActingastheFlagshipinthewrestlebetweentheoceanandatmosphere,sheisthecradleofthemonstrousgeniusElNiño.ZhengHe,thegreatestChinesepioneeringnavigator,exploredtheso-calledWesternOceanfrom1405leadinghishugefleetwithsevenexpeditions.600yearslater,wecastoursightagainonthisfamiliarbutalsounacquaintedvastocean.

Naturecann’tbeconqueredifnotwitnessed.Thisisjustourduty,tounveilthebeautyandmysteryofthePacific-IndianOceanWarmPool.Sponsors:MinistryofScienceandTechnology(2001CCB00500,2002CB714001)NSF(40232012)ZhengHe’sTreasure-shipPrefaceFromtheremotean26项目简介

ENSO是全球年际尺度气候变化的主要机制之一，早期研究中ENSO被认为是主要发生在东太平洋的海-气相互作用事件，但是TOGA-COARE观测事实在一定程度上改变了这种观点。近年来中、外科学家的工作证实ElNiño信号首先出现在西太平洋暖池次表层，然后向东传播，到达东太平洋后形成传统意义上的ElNiño。因此，西太平洋暖池对于ENSO研究具有重要意义。印度洋偶极子（IOD）是近年来引起人们重视的印度洋海盆尺度海表温度和海面风场的异常事件，它对于印度洋周边国家甚至对全球的气候产生影响。由于印度洋缺乏观测资料，对于IOD相对于ENSO的独立性以及它和ENSO相互作用的理解受到很大限制。因此，以“太平洋-印度洋暖池”这一核心概念为中心，研究太平洋、印度洋中的海-气相互作用过程、二者之间的联系以及对中国气候的影响具有重要科学价值。项目简介ENSO是全球年际尺度气候变化的主要机制之一27Introduction

Thetropicalocean-atmosphereinteractionassociatedwithENSOisregardedastheoneofkeymechanismsoftheglobalinter-annualclimatevariability.Originally,ENSOisbelievedtobedominatedbytheair-seainteractionintheeasternPacific.However,TOGA-COAREobservationsarguethisparadigm.RecentlyresearchrevealsthattheElNiñosignalfirstlyappearsinthesubsurfaceofWesternPacificWarmPool(WPWP)andthenpropagateseastward.ThusWPWPplaysacriticalroleintheENSOcycle.IndianOceanDipole(IOD),isarecentlyidentifiedeventasabasin-scalepatternofSSTandwindanomaly.Itcanloadsignificantimpactsontheseasonalclimateconditionsatregionalandglobalscales.UnderstandinghowIODisindependentofENSOandhowitinteractswithENSOhasbeenlimitedbyalackofobservationsintheIndianOcean.Itisthusrathervaluabletostudytheatmosphere-oceaninteractionswithintheso-called“Pacific-IndianWarmPool”(PIWP),theircommunicationandimpactonChineseclimate.IntroductionThetropicaloce28研究队伍巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心于卫东，博士/副研究员，海洋一所许建平，研究员，海洋二所张庆华，博士/研究员，海洋一所蒲书箴，研究员，海洋一所刘海行，研究员，海洋一所陈显尧，博士/研究员，海洋一所李立，研究员，海洋三所项目执行协调人：于卫东

(wdyu@)项目执行秘书：李劳钰

(lilaoyu@)ChaoJi-ping1,2,Academician,YuWei-dong1,PhD/AssociateProfessorXuJian-ping3,ProfessorZhangQing-hua1,PhD/ProfessorPuShu-zhen1,ProfessorLiuHai-xing1,ProfessorChenXian-yao1,PhD/ProfessorLiLi4,ProfessorFirstInstituteofOceanography,SOANationalMarineEnvironmentCenterSecondInstituteofOceanography,SOAThirdInstituteofOceanography,SOAProjectcoordinator:YuWeidong

(wdyu@)Projectsecretary:LiLaoyu

(lilaoyu@)Researchgroup研究队伍巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心ChaoJi-p29巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心于卫东，博士/副研究员，海洋一所许建平，研究员，海洋二所张庆华，博士/研究员，海洋一所蒲书箴，研究员，海洋一所刘海行，研究员，海洋一所陈显尧，博士/研究员，海洋一所李立，研究员，海洋三所项目执行协调人：于卫东

(wdyu@)项目执行秘书：李劳钰

(lilaoyu@)大事记2002年3月21日下午15时，中国第一枚Argo浮标在东印度洋(114°42′E,14°12′S)投放成功，世界气象组织编号5900798；2002年10月20-25日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；2002年12月30日至2003年1月13日，在西太平洋投放Argo浮标13枚；2003年8月4-11日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；2004年1月9-18日，在西太平洋投放Argo浮标3枚；Argo资料的NormalMode分解NormalModedecompositionofArgoProfile利用前5个模态的密度剖面重构Densityreconstructionwith1-5modes利用前5个模态的温度剖面重构Temperaturereconstructionwith1-5modesMemorabilia15:00,Mar.21,2002,EastIndianOceandiscernsthefirstChineseArgodeploymentatthelocation(114°42′E,14°12′S).ItsWMOIDis5900798;Oct.20-25,2002,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Dec.30,2002toJan.13,2003,13ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Aug.4-11,2003,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Jan.9-18,2004,3ArgofloatsbeingdeployedinthewesternPacificOcean;Argo观测Argo

Deployment巢纪平，院士，国家海洋环境预报中心大事记Argo资料的Nor30XBT观测۞西太平洋断面：15N至15S2002年11月24日至12月2日完成0.25度间隔调查船：雪龙号۞东印度洋断面：15S至15N2003年3月10日至15日完成0.25度间隔调查船：雪龙号XBT

Observation۞WestPacificSection：15N–15SFromNov.24toDec.2,20020.25degreeresolutionVessel:Xue-Long۞EastIndianSection：15S–15NFromMar.10-15,0.25degreeresolutionVessel:Xue-LongDataquicklook数据一瞥XBT观测۞西太平洋断面：15N至15SXBTObse31

研究进展۞

ENSO循环中大气环流异常特征分析

热带海-气相互作用过程的分析中，大气环流的变化常以纬向风作为代表性指标，但是这还不足以给出大气环流变异的全貌。

ElNiño的发生和Walker环流有着密切联系，Walker环流在本质上是热力驱动环流，直接对应着大气环流的无旋分量。同时，大气环流的无辐散分量代表了大气的动力响应。因此，把热带大气运动分解成无旋（以流函数表征）和无辐散（以速度势表征）两部分，研究它们的变化特征可以使我们对大气环流变化有一个更清晰的认识。图1给出了850hPa、200hPa流函数和速度势与Nino-3指数的相关系数。高、低空的反位相特征表明大气对于海洋强迫响应的斜压性，从速度势结果可以看出在ElNiño期间Walker环流发生了距平意义上的翻转，从流函数结果可以看出大气的动力响应主要表现为低空的一对关于赤道对称的气旋式环流，高空为一对反气旋式环流。ENSO循环中，大气的无旋和无辐散分量的调整、变化非常协调一致，图2表明无辐散分量指数和无旋分量指数的相关系数超过了0.8。图1、850hPa（上）、200hPa（下）流函数（左）/速度势（右）与Nino-3指数的相关场摘自：于卫东、巢纪平，自然科学进展，2004ab图2、流函数（红）、速度势（黑）指数的时间演化研究进展۞ENSO循环中大气环流异常特征分析图1、85032ResearchProgress۞

AtmosphericcirculationvariabilityduringENSO

Thezonalwindanomalyisusuallyadoptedastheindicatorfortheatmos-phericcirculationvariationduringENSO.However,themoreelegantgeneralpicturesarestilldesired.WalkercirculationiscloselyassociatedENSO,whichisbasicallythermallydriven.Itcorrespondsthedivergentcirculationcomponent.Meanwhile,therotationalcomponentrepresentstheatmosphericdynamicresponse.Thusitisvaluabletodecomposetheatmosphericmotionintothesetwoparts,evaluatedbythestreamfunctionandvelocitypotentialrespectively.Fromthecorrelationmap(fig.1),itcanbeseenthattheatmosphereshowsbaroclinicresponsetotheoceanicforcing.TheWalkercirculationisreversedinthesenseofanomalyfield.Thelowerlevelatmosphereischaracterizedbyacycloniccirculationpair,whiletheupperatmospherebyananti-cycloniccirculationpair.DuringENSOcycle,thedivergentandrotationalcomponentsvaryinaratherconsistentway,whichcanbeverifiedfromfig.2.Thecorrelationbetweenthetwoindexexceeds0.8.Fig.1Thecorrelationmapbetweenthestreamfunction/velocitypotentialandNino-3IndexRef:YuW.andJ.Chao,AdvancesinNaturalScience,2004abFig.2Theindexofthestreamfunction(red)andvelocitypotential(black)ResearchProgress۞Atmospheric33

研究进展۞

ENSO循环中的大气-海洋反馈过程

ENSO作为一种大气-海洋相互作用事件，通过海气之间的正反馈过程得到发展，通过负反馈过程完成位相转变，目前关于ENSO循环中负反馈过程的认识有待于进一步加深。无旋大气分量，即翻转的Walker环流，与海洋之间始终保持着正反馈（图略）。无辐散大气分量（图1）在ElNiño达到它的盛期之前和海洋之间存在着正反馈，它的主要作用是使西太平洋赤道和赤道外海域的温跃层抬升，激发沿赤道东传的暖Kelvin波，造成西太平洋的海表面温度降低。在ElNiño达到盛期和之后的时间里，无辐散大气分量和海洋之间转变成负反馈，表现为关于赤道对称的气旋式环流移到了中东太平洋并且在西太平洋出现一对新的关于赤道对称的反气旋环流，其中，东移的气旋式环流使东太平洋的温跃层变浅，造成温度的降低，而西太平洋新出现的反气旋环流对加深了西太平洋的温跃层，使西太平洋海表面温度升高，这两种负反馈过程共同造成了翻转Walker环流的减弱，并使ElNiño向着它的相反为向转化，这一过程可以通过图2的示意卡通图直观的了解。

图1、ElNiño过程中大气850hPa流函数演变的合成图图2、ElNiño过程大气-海洋正负反馈过程的示意图研究进展۞ENSO循环中的大气-海洋反馈过程图1、El34ResearchProgress۞

Theatmosphere-oceanfeedbackduring

ENSOcycle

ENSOisregardedasanatmosphere-oceaninteractionprocess,whichdevelopsthroughthepositiveair-seafeedbackanddecaysthroughthenegativefeedback.Thepositiveprocessiswellunderstood.However,thenegativefeedbackneedsfurtherinvestigation.Thedivergentatmosphericcomponent,orthereversedWalkercirculation,keepsthepositivefeedbackwiththeoceanduringthewholelifetimeofElNiño(fiuresnotshown).Thecaseoftherotationalatmosphericcomponentissomewhatdifferent(fig.1).BeforethepeaktimeofElNiño,thereispositiveatmosphere-oceanfeedback,whichstrengthensthedevelopmentofElNiño.However,thispositiveprocessstopsfromthepeaktimeofElNiñoandconvertstothenegativefeedback.Thistransitionisrealizedthroughtheeastwarddisplacementofthecycloniccirculationpairoverthecentral-to-easternPacificandthenewemergenceoftheanti-cycloniccirculationpairoverthewesternPacific.NowthecycloniccirculationpairshoalstheeasternPacificthermoclineandtheanti-cycloniccirculationpairdeepensthewesternPacificthermocline.ThesetwonegativefeedbackprocessesgreatlyweakensthereversedWalkercirculationandfinallyleadstothephasetransitionofElNiño.ThewholeprocesscouldbeclearlyunderstoodfromthecartoonshowninFig.2.Fig.1ThecompositeoftheevolutionofthestreamfunctionduringElNiñolifetimeFig.2Schematicplanoftheair-seafeedbackResearchProgress۞Theatmosph35

研究进展۞ENSO和IOD对于嵌入太平洋-印度洋暖池的南海冷水楔的影响在冬季东北季风的驱动下，南海上层表现为气旋式环流，中南半岛沿岸的沿岸流得到充分发展，向南的冷水输运造成南海南部海表温度比西太平洋和东印度洋明显偏低，形成所谓的嵌入太平洋-印度洋暖池的冷水楔（图1）。这一南海冷水楔的年际变化明显的受到ENSO和IOD的影响。通过偏相关研究发现，ENSO和IOD对于南海冷水楔的影响是相反的：ENSO期间南海冷水楔强度减弱，而在IDO期间南海冷水楔增强（图2）。ENSO和IOD对南海冷水楔的相反影响源自它们所导致的不同大气环流异常。ENSO期间，通过“太平洋-东亚”遥相关，在西太平洋造成异常的反气旋环流和辐散中心，削弱了南海的东北季风，从而导致南海上层气旋式环流减弱、沿岸流减弱，向南的冷水输送减弱，从而南海冷水楔被削弱。IOD期间，东印度洋北部一侧呈现反气旋式环流，其向南的分支控制了南海，增强了南海上空的东北季风，从而导致南海冷水楔增强。(a)(b)(c)(a)(b)图1.冬季海表温度的分布图2.海表温度和Nino-3指数（左）、IOD指数（右）的偏相关图3