近日，中科院海洋所張榮華研究組在印太跨洋盆和氣候-海洋生物地球化學(xué)過程間相互作用研究等方面取得新進(jìn)展，最新研究結(jié)果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Environmental Research Letters和Climate Dynamics上。
衛(wèi)星觀測顯示，在1998年和2010年由厄爾尼諾（El Ni？o）向拉尼娜（La Ni？a）的位相轉(zhuǎn)換期間，赤道東太平洋的海表葉綠素急劇增加，超過其年際變率振幅的三倍以上。目前，造成這種超級浮游植物爆發(fā)的原因尚不清楚。熱帶太平洋是海氣相互作用極為顯著且初級生產(chǎn)力很高的海區(qū)，對全球氣候和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)及其變異具有舉足輕重的影響。其中海洋-大氣之間相互作用產(chǎn)生了厄爾尼諾和南方濤動現(xiàn)象（ENSO），顯著影響熱帶太平洋生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)和碳循環(huán)等。然而，熱帶氣候-海洋生物地球化學(xué)過程間相互作用的研究還非常有限。例如，模式對熱帶太平洋葉綠素平均態(tài)及ENSO的表征和模擬仍然存在著極大的不確定性和模式間的差異性?；诖?，張榮華研究員課題組一直致力于熱帶太平洋海洋生物引發(fā)的加熱效應(yīng)對氣候的反饋等研究工作，旨在認(rèn)識氣候-海洋生物過程間相互作用機(jī)理，提高多圈層相互作用認(rèn)知水平和模式模擬能力。
課題組利用多源觀測數(shù)據(jù)、CMIP6氣候模式模擬結(jié)果和海洋生物地球化學(xué)耦合模擬試驗，發(fā)現(xiàn)印度洋變暖在遠(yuǎn)程觸發(fā)1998年和2010年赤道東太平洋的超級浮游植物爆發(fā)中扮演著重要作用。具體地，在El Ni？o發(fā)展年的冬季，印度洋變暖在印太海洋性大陸和熱帶西太平洋邊緣產(chǎn)生東風(fēng)異常，激發(fā)了沿赤道向東傳播的上升Kelvin波，于次年春季在東太平洋中抬升營養(yǎng)鹽躍層；同時，東太平洋上層季節(jié)性增暖和季節(jié)混合層開始加深，導(dǎo)致富含大量營養(yǎng)鹽的次表層冷水更易卷夾進(jìn)入混合層。另外，在El Ni？o發(fā)生年，熱帶太平洋氣候和海洋生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生顯著的年際異常，如伴隨著浮游動物攝食壓力減弱等。這樣，印度洋增暖引發(fā)的跨洋盆的遠(yuǎn)程效應(yīng)和赤道中東太平洋局地氣候和海洋生物地球化學(xué)過程間協(xié)同作用促進(jìn)了東太平洋浮游植物的爆發(fā)增長。
上層海洋浮游植物色素（如葉綠素a）吸收進(jìn)入海表的太陽輻射，并對上層海洋產(chǎn)生顯著的加熱效應(yīng)（葉綠素效應(yīng)）。然而，海洋葉綠素引起的加熱對熱帶太平洋氣候平均狀態(tài)和ENSO的影響還沒有得到很好的理解。課題組自主發(fā)展了大氣、海洋物理和生物地球化學(xué)的混合型耦合模式（HCM），并進(jìn)一步考究大氣與海洋間的耦合強(qiáng)度（引入可調(diào)參數(shù) 來定量化表征）對海表溫度模擬的影響。模擬結(jié)果表明，葉綠素對海表溫度平均態(tài)的影響程度和方向與耦合強(qiáng)度 有關(guān)。在弱耦合時（0≤ <1.01），葉綠素效應(yīng)導(dǎo)致赤道東太平洋海表溫度變低，而在強(qiáng)耦合時（ ≥1.01）則使得SST增暖。在弱耦合情況下，間接動力冷卻過程（海洋環(huán)流的調(diào)整、垂向混合和上升流的增強(qiáng)）主導(dǎo)海表溫度的變冷效應(yīng)。在強(qiáng)耦合的情況下，熱帶南太平洋葉綠素引起的持續(xù)增溫誘導(dǎo)跨越赤道偏北風(fēng)，并在赤道東太平洋轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓Ｎ黠L(fēng)，從而減少蒸發(fā)冷卻，減弱了間接動力冷卻效應(yīng)，最終導(dǎo)致赤道東太平洋維持海表溫度增溫。這些研究闡述了熱帶太平洋海洋-大氣和氣候-海洋生物相互作用的新機(jī)制。
印度洋增暖所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)潛在觸發(fā)赤道東太平洋浮游植物爆發(fā)示意圖，其中東太平洋局地過程協(xié)同作用包括季節(jié)性變化（混合層加深和海表增暖）和年際尺度浮游動物低攝食壓力
該研究由張榮華研究員、田豐博士和北京師范大學(xué)王秀君教授共同完成。研究獲得了中科院海洋大科學(xué)研究中心、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室、中科院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、青島市博士后應(yīng)用研究項目的資助。
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Tian F, Zhang R-H* and Wang X 2021 Indian Ocean warming as a potential trigger for super phytoplankton blooms in the eastern equatorial Pacific from El Ni？o to La Ni？a transitions Environ. Res. Lett. 0–20 Online: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abf76f
Tian F, Zhang R-H* and Wang X 2021 Coupling ocean–atmosphere intensity determines ocean chlorophyll-induced SST change in the tropical Pacific Clim. Dyn. Online: https://doi.org/10.1007/s00382-021-05666-3
