国家自然基金标书-热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应

项目名称：热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应首席科学家：王凡 中国科学院海洋研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院 山东省科技厅一、关键科学问题及研究内容（一）关键科学问题 1、调控暖池形成和变异的海洋环流多尺度相互作用过程在诸多调控暖池形成和变异的海洋动力过程中，海洋环流的多尺度相互作用过程殊为重要，其亟待回答的科学问题主要有：作为上游的低纬度西边界流的交汇过程怎样影响向东流出暖池的NECC，继而NECC与其两侧反向流动的NEC、SEC之间如何相互作用？涡旋、波动等动力过程对NECC及NEC的年际变化又有何调制作用？热带-热带外次表层经向交换过程如何影响EUC和赤道温跃层变异？赤道流系内部的水质点穿越行为如何影响暖池区的质量、热量输运与交换过程？ 2、海洋动力过程在暖池热盐结构变异中的作用及其机理包括海洋环流的多尺度相互作用过程在内的各种海洋动力过程直接或者间接地在暖池热盐结构形成和变异中起重要作用。其中，海洋环流多尺度相互作用过程所导致的热、盐平流辐聚效应在暖池热盐结构形成和变异中的作用机理是什么，如何通过影响障碍层和盐度收支改变暖池密度层结，进而影响暖池的热结构和热收支？垂向与侧向混合过程又怎样影响暖池热盐结构的变异，如何将其正确地参数化以改进数值模式？迄今均未被充分认识。 3、暖池变异对不同类型El Niño影响机理之异同和对东亚季风变异的调制机理暖池变异影响或者调制不同类型El Niño和东亚季风变异的过程和机理显然各不相同，且认识程度不一。其中，暖池变异影响El Niño Modoki及其可预报性的关键过程与传统型El Niño有何差异？暖池影响东亚夏季风爆发早晚的敏感区是否存在、机理是什么？暖池变异是否和如何通过中高纬大气环流系统影响东亚冬季风？El Niño Modoki频繁发生的情况下暖池区海气相互作用及其对东亚冬、夏季风的影响有什么新特点？是本项目重点研究的科学问题。 （二）主要研究内容围绕上述关键科学问题，拟开展的主要研究内容包括： 1、热带太平洋海洋环流和暖池的结构与变异特征重点研究热带太平洋环流的年际变化特征，赤道流系各分支（NECC、NEC、SEC）之间及与低纬度西边界流（MC、NGCC）相互作用过程，涡旋等中尺度过程对NECC等年际变化的调制作用和水质点穿越行为的影响，热带-热带外次表层经向交换过程的存在性和时空分布格局及对EUC变异的影响和相对贡献；暖池热盐结构及其年际变异特征，特别是暖池盐度收支以及障碍层形成与变异机制；暖池区海气界面、混合层、障碍层、温跃层垂向及侧向混合特征、机制及通量。 2、热带太平洋海洋环流与暖池相互作用的关键过程和机理 重点研究赤道流系和低纬度西边界流及其辐聚效应对暖池形成和变异，特别是对纬向伸缩的影响，环流过程对暖池热盐结构、热含量和热、盐收支的影响；暖池热盐结构及其变异对海洋环流的影响；垂向与侧向混合对暖池热盐结构的影响；基于观测和理论研究的暖池区垂向和侧向混合参数化方案；暖池气候态和年际变化的OGCM和CGCM的数值模拟。 3、暖池变异的海洋-大气耦合过程及其气候效应重点研究暖池区海洋、大气耦合响应过程及其空间差异；El Niño和El Niño Modoki与暖池的关系及对我国气候的影响机理；暖池与东亚夏季风、冬季风变异之间的关系及机理，特别是影响东亚季风及我国气候异常的敏感区及关键过程；两类El Niño可预报性的差异及其原因；暖池气候效应的海气耦合同化预报技术的改进；两类El Niño事件的预测试验。 二、预期目标（一）总体目标揭示热带西太平洋暖池的结构特征与变异机理，特别是海洋环流动力过程对其变异的的调控机制，及对不同类型El Niño发生、发展和可预报性的影响；阐明暖池影响东亚季风和我国气候变异的过程、机理与敏感区；提出改进海洋模式和海气耦合模式的混合参数化方案和有效提高ENSO预报技巧的同化方案；为我国短期气候预测能力的提高和海洋环境保障能力的扩展提供海洋科学支撑；提升我国热带太平洋环流与气候研究水平和国际影响力。 （二）五年预期目标 1、阐释热带太平洋暖池区海洋环流的年际变异规律及对暖池变异的关键调控机理阐明基于不同尺度海洋动力过程相互作用的海洋环流及其热平流辐聚效应的年际变化规律，以及对暖池变异，特别是纬向伸缩的影响机理；建立以障碍层和盐度收支为重要环节的暖池热盐结构变异机制，阐释海洋动力过程对暖池热盐结构变异的重要影响。 2、探明海洋混合过程对暖池变异的影响并提出有效的参数化改进方案客观评估海洋垂向和侧向混合过程对暖池SST及其热盐结构的调控作用，揭示混合特征、控制机理及与大尺度海洋动力、热力结构和大气强迫之间的内在联系；发展物理合理、技术可行的混合参数化方案，提高热带太平洋海洋环流与暖池的模拟能力。 3、阐明暖池变异对不同类型El Niño和东亚季风变异的影响过程和机理揭示暖池变异影响El Niño Modoki发生、发展的过程与机理，及其与传统型El Niño的差异；搞清暖池变异影响东亚季风的过程、机理及可能存在的敏感区；为深刻认识暖池的气候效应，提高我国短期气候预测能力提供科学依据。 4、确定影响El Niño可预报性的主要误差来源和类型，提出改进预报技巧的思路和方法 确定影响El Niño Modoki可预报性的主要误差来源和类型及其与传统型El Niño的差异；发展体现盐度作用的ENSO集合预报暨耦合同化系统，改善集合预报效果，为提高我国短期气候预测水平提供科学支撑。 5、培养和建立一支优秀的热带海洋环流与气候研究团队，获得一批对热带海洋动力学和我国气候变异机理与预测能力发展有重要支撑作用的创新成果 造就若干有国际影响力的中青年学科带头人，打造一支以中青年为主体、自主创新能力强的海洋与气候研究领域的专业团队，培养50名以上研究生和博士后。发表80篇以上的高水平研究论文，包括有影响力的SCI论文30篇以上；组织召开相关国际学术会议2-3次。 三、研究方案（一）学术思路围绕3个关键科学问题和3方面主要研究内容，提出了以“一个核心，两个基本点，三个关键过程，两个应用出口”为学术思路的总体研究方案。 “一个核心”：以暖池变异为核心科学问题，围绕重点调查研究区域“热带西太平洋暖池核心区”，开展总体调查研究方案设计； “两个基本点”：以“影响暖池变异的关键海洋环流动力过程” 和“暖池变异影响ENSO和东亚季风的过程与机理”为出发点和落脚点，作为总体研究方案的侧重点； “三个关键过程”：以“热带西太平洋-中太平洋之间的纬向过程”、“热带-副热带太平洋之间的经向过程”、“海气界面-温跃层之间的垂向过程”为三个重点关注的关键过程，设计围绕“海洋环流与暖池结构特征和变异机理”的研究方案； “两个应用出口”：以“改进暖池和海洋环流的模拟能力和评估不同类型El Niño的可预报性”、“确定暖池影响东亚季风和我国气候变异的过程及其敏感区”为明确和具体化的应用出口，设计围绕“暖池变异的气候效应”的研究方案。 （二）技术途径及其创新性 1、技术途径为了实现项目的总体目标，遵循上述学术思路，拟采用资料分析针对性强化观测过程与机制研究及参数化改进海洋模式与海气耦合模式改进相结合的系统研究方案，主要技术路线如下：（1）资料分析 基于国内外热带太平洋海洋和大气现场观测和遥感观测资料及数值模拟和同化产品，借助合成分析、相关、回归分析、EOF、SVD分解等多种统计诊断方法，分析赤道流系、低纬度西边界流、涡旋、水质点运移、次表层经向交换等海洋动力过程和暖池热盐结构（温度、盐度、密度层结等，特别是障碍层）的分布特征、变异规律、相互之间及与大气强迫之间的关系，暖池变异与不同类型El Niño和东亚季风建立早晚、强弱及其雨带分布的联系。 （2）强化观测利用数值模式，确定本项目重点调查研究区域“热带西太平洋暖池核心区”影响海洋环流和暖池变异的敏感区和模式验证的数据需求，设计目标观测方案，组织开展针对性、有限度的强化观测。强化观测采取长期观测阵列和调查船相结合的方式进行。长期观测阵列主要由1套多参数观测浮标系统、5-6套逆式回声测流仪（CPIES）海床基观测装臵组成。该阵列位臵将根据数值试验提出的目标观测方案，在重点观测区内择优确定；其基本原则是与卫星高度计观测测线相吻合，并结合现有的TAO/TRITON浮标阵列，对NEC-NECC-SEC系统和次表层经向通道开展1年以上连续观测，获取海洋温度、盐度、流速和海面起伏长时序观测数据；在浮标上加装海气界面通量、高精度温盐流传感器，长期观测海面-混合层-障碍层-温跃层垂向混合参数。强化观测还包括2-3个航次的调查。除在重点调查区域开展以长期观测阵列为中心的常规断面调查、布设和回收观测阵列外，利用走航式温盐流观测装臵精细化测量海水温度、盐度、流速垂向和侧向结构；利用下降式和上浮式湍流剖面仪直接测量温跃层以上垂向混合参数；利用等密度面中性浮子与示踪剂等，测量侧向混合系数的量值和分布。同时，在项目执行期间，获取海面动力高度、SST和海表盐度（SSS）(盐度遥感卫星Aquarius定于2011年6月发射)的大范围同步卫星遥感观测资料及Argo浮标观测资料，以便与定点观测阵列、调查船断面观测相结合，获得点-线-面综合观测数据，用于海洋环流与暖池热盐结构及其变异的分析。 （3）过程与机制研究及参数化改进利用热带海洋环流动力学、涡流相互作用、波致余流理论，研究上层海洋环流变异过程和机制；利用斜压大洋环流和温跃层理论，研究次表层环流动力学结构和经向通道，以及暖池障碍层和热盐结构形成机制；基于强化观测结果，利用海洋内波、流动稳定性和涡旋动力学理论，以及大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）方法，研究暖池区垂向和侧向混合特征与机制，改进数值模式中的混合参数化方案。 利用海气耦合理论与数值试验相结合的方法，研究暖池对El Niño和El Niño Modoki事件的影响机制，对比分析两类El Niño事件热带大气加热激发的Rossby波及其极向传播特征、对对流层中高纬度流场及极涡的改变；探讨暖池变异对Walker环流、副高及相关EAP波列等遥相关型，进而对东亚季风的影响及其可能机制，从而直接或间接确定影响我国气候变异的关键海洋、大气过程，综合评估和确定暖池通过上述渠道影响我国气候变异的程度和敏感区。 利用CNOP等理论与数值方法，结合海气耦合模式，分析获得El Niño Modoki事件的最优前期征兆和导致最大预报误差的初始误差，对比研究两类El Niño事件的可预报性。（4）海洋模式与海气耦合模式改进以热带太平洋，特别是重点调查研究区域为试验海区，以HYCOM海洋环流模式为工具，评估本项目所构建的混合参数化方案，分析其优缺点，提供进一步完善的依据和思路。以中等复杂程度海气耦合模式为基础，结合统计、诊断分析结果，研究和发展盐度分量模块、改进模式的热力学耦合机制，提高两类El Niño事件的模拟能力。结合集合卡曼滤波同化方法，研究和发展耦合同化方案，考察CNOP等初始集合样本产生的不同方案，同化多种海洋大气观测资料，提高模式的ENSO预报技巧。 2、创新点与特色（1）调查设计与观测手段创新目前暖池区赤道两侧5°以内，仅在赤道上的TAO浮标加装了ADCP等测流设备，尚无针对NECC和热带-副热带之间次表层经向交换过程的海流长期直接观测。基于数值模式敏感性试验结果，确定以NECC为中心的目标观测区，开展以锚碇浮标为主要平台的长时间连续观测，将获得5°以内海流的直接观测资料，捕捉赤道流的季节内、季节和年际变化规律，获取次表层交换过程的直接观测证据；利用CPIES阵列观测，结合卫星高度计大面积同步测量，获取能够反演暖池热结构和热含量变异规律