海洋亚中尺度涡旋的气候效应研究取得最新进展

2022年2月10日，国际地学领域学术期刊Nature Geoscience（《自然·地球科学》）在线发表了题为“El Niño/Southern Oscillation Inhibited by Submesoscale Ocean Eddies”（《亚中尺度涡旋抑制厄尔尼诺-南方涛动发展》）的最新研究成果。该成果由中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心（以下简称“深海前沿中心”）/物理海洋教育部重点实验室科研博士后王胜鹏为第一作者，“筑峰人才工程”第三层次教授荆钊为通讯作者，联合本单位科研团队及国内外权威专家合作完成，成果首次揭示了赤道太平洋亚中尺度涡旋对ENSO发展所起的重要抑制作用，并给出了明确的动力学解释。

发生于赤道太平洋上的厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）现象，是地球气候系统在年际尺度上最显著的信号，对赤道太平洋乃至全球许多区域的天气和气候、农业以及生态系统都会产生重大影响，并进一步引发一系列的社会和经济问题。传统的ENSO动力学基于大尺度海气相互作用理论建立，然而，在此理论之上所发展的低分辨率气候模式对ENSO的模拟和预测存在诸多问题。特别是，其振幅在最新一代（CMIP6）的低分辨率气候模式中总体呈现出较观测值偏大的趋势，然而其背后的原因仍不清楚，是一个亟待解决的关键科学问题。

赤道太平洋海域包含着多种尺度的运动，除了早已被熟知的赤道中尺度动力过程（即热带不稳定波）、小尺度内波和微尺度湍流，近些年随着观测和数值模拟能力的提升，学界发现赤道太平洋上还存在着活跃的亚中尺度动力过程（图1）。本研究基于中国海洋大学深海前沿中心参与研制的高分辨率（海洋10km、大气25km）地球系统模式模拟结果，首次揭示了赤道太平洋亚中尺度涡旋对ENSO发展所起的重要抑制作用，并给出了明确的动力学解释。研究结果表明（图2）：在厄尔尼诺期间，太平洋“冷舌”边缘处的锋面减弱，抑制了锋生和混合层不稳定过程，从而导致亚中尺度涡旋引起的由次表层向表层输送的热量减少，进而阻碍了“冷舌”区域SST的升高；而在拉尼娜期间，则正相反。研究团队进一步评估了CMIP6计划中不同分辨率气候模式对ENSO振幅的模拟性能（图3）。结果表明，随着海洋模式分辨率从100km提升到10km，ENSO振幅呈现出明显减弱的趋势，这进一步证实了亚中尺度涡旋对ENSO发展的重要抑制作用。

本项研究工作在国际上首次阐明了亚中尺度涡旋对于大尺度气候模态——ENSO的重要调控作用，对于丰富ENSO理论框架、消除气候模式对ENSO振幅的模拟偏差具有重要指导意义。同时，该工作也指出了发展高分辨率地球系统模式、准确模拟海洋中小尺度动力过程及其气候效应，是提升对未来海洋和气候系统变化预测能力的关键。

图1 ：（上图）观测和（下图）高分辨率地球系统模式模拟的赤道太平洋海表面温度梯度。

图2：热带太平洋亚中尺度涡旋对ENSO发展的抑制作用。上图和下图分别代表厄尔尼诺和拉尼娜发展期间不同过程对尼诺3.4区域海表温度变化的贡献。从左至右依次为海表温度倾向项，大尺度环流热输送，微尺度湍流混合，海气热通量，中尺度、亚中尺度涡旋垂向热输送以及中尺度、亚中尺度涡旋水平热输送。 

图3：（左图）CMIP6中不同海洋分辨率地球系统模式对ENSO振幅的模拟情况；（右图）四个海洋高分辨率（10km）地球系统模式对ENSO振幅的模拟情况。

2022-NG-ENSO Inhibited by Submesoscale Ocean Eddies.pdf