海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用研究
——一個應用于厄爾尼諾模擬的成功范例*

張榮華 王 凡1 中國科學院海洋研究所 青島 2660712 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室 青島 266237

海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用研究
——一個應用于厄爾尼諾模擬的成功范例*

張榮華1,2王 凡1,2
1 中國科學院海洋研究所 青島 266071
2 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室 青島 266237

海洋中存在各種對氣候和環境有顯著影響的多尺度自然現象，如熱帶不穩定波和厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）等，它們是海洋中不同時間和空間尺度過程及其與地球系統中其他圈層之間相互作用的綜合產物，表現出復雜性、多樣性、多變性和相互作用等特點。對海洋的研究要作為一個系統來展開，以考慮多尺度和多圈層過程間的相互作用和反饋；要采用不同方法相結合的綜合手段（包括觀測、理論和模式等）；在認知和表征現象和過程的基礎上，進一步構建模式，從而模擬、預測和預估海洋相關現象及其對氣候和環境變化的影響。作為地球系統中最強的年際變化信號，ENSO現象是研究年際時間尺度海氣相互作用和氣候預估的核心內容，本文以 ENSO 為例，來闡明海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用對 ENSO 的調制影響（如海洋生物引發的加熱效應和熱帶不穩定波等的反饋作用）。

海洋多尺度和多圈層過程，海洋觀測，海洋模擬，厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.12.004

海洋約占地球表面積的 3/4，是地球圈層的關鍵組成部分。由于其巨大的水體和熱容量，以及海水熱慣性和緩慢的流動性，海洋對全球熱收支、水循環和碳循環等起重要貢獻，在各種時間尺度氣候變化（年際、年代際和長期變化趨勢等）中起著至關重要的作用。特別是，海洋是氣候系統具有長期記憶的載體，是氣候可預報性的根源所在。海洋科學是多學科交叉的學科，用來描述海水特性及其運動規律，認知海洋時空演變規律等。深入研究海洋與氣候和環境相關的多尺度過程以及與各圈層（如生物圈、大氣圈等）相互作用等是當今海洋與氣候科學領域的重大國際前沿課題，也是預測和應對氣候與環境變化的基礎和重點所在。

由于海洋多尺度和多圈層過程間相互作用的復雜性和非線性，海洋過程不是局部的而是系統性的，不是孤立的而是相互聯系的；所以海洋科學不但要研究海洋本身，又要考量與其他圈層間的相互作用，即應把海洋當作系統來研究。在研究方法上，需要觀測、理論、模式和模擬等的結合，在認知和定量表征的基礎上，建立數值模式并預測、預估其未來變化。

厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）是海洋起主導作用而產生的年際氣候變化現象。本文將通過闡述海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用對ENSO的調制影響，總結海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用這一領域的發展現狀和未來發展趨勢。

1 海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用

海洋的變化可分為自然變率和外界強迫引起的變化，其中自然變率是地球自然氣候系統內部海洋、陸地、海冰、大氣等多圈層間交換過程及相互作用而形成的；海洋變化外界因子包括人類活動的強迫（如溫室氣體增加、人為氣溶膠增多以及大尺度土地利用/覆蓋變化等）所產生的全球和區域效應（如海平面上升和海水酸化等）。海洋中存在各種對氣候與環境有顯著影響的多尺度自然現象，并在不同時間尺度氣候模態形成和變化中起重要作用，海洋變異可導致年際、年代際或更長時間尺度的區域和全球持續性氣候變化（包括海洋物理、生物及化學等）。

例如：熱帶太平洋海洋—大氣相互作用所產生的ENSO[1,2]，是最強的年際氣候變化模態，涉及到熱帶上層海洋動力學；更長時間尺度的年代際氣候變化模態（如大西洋翻轉環流等）是全球尺度的，并且涉及到深層海洋（如受到海洋溫鹽環流的影響），是造成全球許多地區氣候年代際變異的重要原因，如太平洋海洋年代際過程被認為是造成 21 世紀以來全球變暖趨緩或停滯（hiatus）的重要原因。

百年時間尺度的氣候變化主要取決于人類活動，特別是 CO2增溫的影響——研究表明人類活動使得CO2增加，從而在長期趨勢上顯著改變著全球氣候和環境狀態。當然，氣候系統的自然變率和人為引起的變化是相互作用的，所觀測到的氣候變化是多尺度過程的綜合產物。認知其復雜的相互作用需要對氣候動力學，特別是全球尺度海洋環流動力學有深刻的認識和理解，需要發展新的理論來闡明不同時間尺度過程間相互作用和影響。

海洋在氣候變化中的作用反映其多尺度和多圈層過程及其相互作用的特點，一個典型的例子是 ENSO。ENSO 是熱帶太平洋海氣耦合作用的產物，起源于海表大氣風場、海表溫度場和海洋溫躍層間的相互作用，即所謂的溫躍層反饋機制（thermocline feedback）。除了這一主導因子以外，熱帶太平洋中多尺度和多圈層過程可調制 ENSO，如海洋生物加熱（Ocean Biology-induced Heating，OBH）、熱帶不穩定波（Tropical Instability Waves，TIWs）、海氣界面間的淡水通量（Freshwater Flux，FWF）、熱帶氣旋（Tropical Cyclones，TCs）等強迫和反饋過程，這些過程一方面受ENSO的直接影響，另一方面其所產生的變化又可對ENSO特性產生調制作用（即反饋）；并且這些不同尺度和不同圈層過程之間又相互作用，對 ENSO 所產生的綜合影響導致了 ENSO 的多樣性、可變性和復雜性，更導致其預報的不確定性，因此需要觀測、理論和模式相結合的綜合手段來系統研究。

2 海洋觀測資料的獲取和應用

海洋觀測的目的是為了獲取海洋要素場的資料（包括物理、化學、生物過程或現象等），揭示其時、空分布特征和變化規律，為海洋科學研究、海洋資源開發和海洋災害預報等提供基本狀態變量信息和科學依據。海洋觀測的手段和形式已經從早期的沿岸站或島嶼站觀測、?。摚擞^測、船舶走航調查等單一形式的觀測或監測逐漸發展成陸地、海基和空基相結合（如現場或遙感觀測資料）的多樣化、系統化和立體化觀測系統或網絡。特別可開展有針對性地圍繞海洋現象和過程進行系統、深入的強化海洋觀測（包括新的測量儀器的開發和使用、優化的觀測方案或觀測網絡的設計、新的資料分析方法的探索等）。在海洋技術的推動下，現代觀測技術已提供了廣泛的海洋多源資料，積累了更精細化和更長時期的海洋觀測資料（如基于觀測描述的海洋過程的時空尺度在不斷地拓展；已發展到目前的中尺度過程長期觀測、次中尺度過程觀測以及海洋內部或海氣界面間的微尺度過程觀測等）。在多學科交叉研究需求的推動下，跨學科的海洋多要素的同步觀測資料也在不斷積累[3]，提供了海洋全方位、高時空分辨率的觀測資料，特別是近些年來 Argo（全球海洋觀測計劃）已為人類提供了海洋次表層觀測資料等，可供各種應用需求。

海洋觀測資料已有廣泛的應用，除描述海洋要素場四維時空演變特征外，已用于構建和驗證海洋中多尺度和多圈層過程參數化方法的有效性，以及檢驗模式模擬和預報的準確性等。例如，在對海洋系統性觀測分析的基礎上，通過認知海洋的物理過程及機制，改進海洋環境預報模式整體性表征，以提升海洋環境模擬和預報的技巧；通過同化海洋觀測資料，可以改進或優化海洋數值預報系統中的海洋初始狀態，以克服目前對海洋物理過程認識的不足以及其他不確定性因素對環境預報精度的可能影響。

目前海洋觀測已經取得了長足進步，但海洋觀測資料的獲取非常昂貴和費時、費力，相對于廣闊浩瀚的海洋來說，海洋觀測資料的時空分布仍極不均勻。海洋觀測條件的困難性，導致了對海洋過程理解的局限性和嚴重不足，因此需要采用觀測與模式相結合的研究手段。

3 海洋綜合模式的發展和改進

在認知和表征過程的基礎上，構建基于物理規律的數值模式和模擬是研究海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用強有力的工具，已在過去半個多世紀中取得了巨大進展，模式和模擬為我們提供了一個全面深刻認識海洋多尺度和多圈層過程、機制、演變規律以及未來變化的機會。例如，模式經歷了從早期以海洋-大氣耦合模式為基礎，之后考慮更多地球系統分量（如海冰）耦合的氣候系統模式，再到進一步考慮生物地球化學過程的地球系統模式的發展進程。同時，模式發展已充分利用觀測資料作進一步的改進和完善，模式也為觀測資料的應用提供了核心平臺。例如，通過結合模式和資料所開展的資料同化可確定最優海洋狀態和參數值等；特別是，包括海洋在內的地球系統模式是天氣-氣候-環境一體化和進行無縫隙模擬和預報的應用工具，不僅可再現過去全球氣候演變，還可以預估未來氣候變化。因此，基于多尺度和多圈層耦合的綜合性模式的發展和改進具有重要的科學意義和戰略意義。

由于海洋觀測資料的匱乏及多尺度和多圈層等特點，所發展的綜合模式極其復雜和龐大的計算量等，因此海洋觀測設計本身要科學、優化；觀測資料利用要合理、有效；觀測資料與模式的融合要協調、一致；要有效利用觀測資料構建模式未能分辨出的多尺度和多圈層過程（即參數化）等。這些方法和理念已被廣泛用于海氣相互作用和 ENSO 等研究中。ENSO 是熱帶太平洋中海洋—大氣物理過程為主要驅動而產生的，對海洋中多尺度和多圈層過程產生重大影響，如引發海洋生態系統的異常等；所引發的海洋生態響應進一步對物理過程產生反饋，從而產生海洋物理和生物間的相互作用。目前，氣候模式中未能合理表征海洋生物過程及其反饋影響，需要利用觀測資料來發展參數化方案以表征海洋生物加熱效應對 ENSO 的影響。

4 海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用對 ENSO的調制影響

ENSO 是地球系統中最顯著的年際氣候變率信號，它發生在熱帶太平洋，通過大氣遙相關過程對全球天氣、氣候產生重大影響。幾十年來對 ENSO 廣泛而深入的研究已取得了巨大進展，現已開展提前半年至一年的實時預報（詳情請參見美國哥倫比亞大學國際氣候研究所網站 http∶//iri.columbia.edu/climate/ENSO/currentinfo/ update.html）。中科院海洋所（IOCAS）所發展和改進的中等復雜程度海氣耦合模式（IOCAS ICM）每月為國際學術界提供 ENSO 實時預報結果（圖 1）[4,5]。但由于 ENSO 時空演變表現出極大的可變性和多樣性，目前對 ENSO 研究仍面臨許多難題，對其變異機理還不清楚，對具有重大影響的熱帶太平洋地區海表溫度（SST）模擬誤差仍很大，因此 ENSO 實時預報存在很大的不確定性和模式間的差異性等，還不能滿足防災減災的實際需求。尤其是 20 世紀 90 年代以來，不同類型厄爾尼諾（El Ni?o）事件的頻繁發生使得 ENSO 時空演變過程變得更加復雜多變，其實時預報水平也面臨更大的挑戰。研究 ENSO 的形成機理，及時準確地預報 ENSO 事件的發生、發展和轉變過程是氣候動力學的關鍵性課題和探索年際尺度氣候預報最有希望的途徑之一，是目前科學界、政府部門和社會公眾關注的熱點，不僅具有重要的科學意義，而且具有潛在的巨大經濟和社會價值。

圖1 海氣耦合模式以2015年8月作為初始條件實時預報得到的2015—2016年間熱帶太平洋海表溫度隨時間的分布

為全面認清 ENSO 的多樣性和多變性，國際上開展了觀測、理論和數值模擬等多方面的綜合研究。如由世界氣候研究計劃（WCRP）提出并于 1985 年實施的為期 10 年的研究熱帶海洋和全球大氣環流（TOGA）關系的國際合作計劃，掀起了研究 ENSO 形成機制和海氣相互作用動力學的新高潮，特別在觀測方面揭示出 ENSO 的可變性現象及可能機制、多時間尺度過程（如年循環、準兩年振蕩和低頻變率等）相互作用及其對 ENSO 影響等新課題。自 20 世紀 80 年代中后期以后，廣泛開展基于海洋-大氣耦合模式的模擬研究，特別借助于簡化海氣耦合模式分析不穩定海氣相互作用機理、ENSO 起源機制和循環過程等，并開始對 ENSO 進行基于海氣耦合動力模式的預報試驗，如在 1986 年首次用動力模式對 1986—1987 年的 El Ni?o 事件進行預報試驗，并獲得令人鼓舞的初步成功，為以后采用動力模式進行實時 ENSO 預報奠定了基礎。目前已形成了較為成熟的 ENSO 循環理論，已發展了不同類型的海氣耦合模式，如中等復雜程度耦合模式（Intermediate Coupled Model， ICM）、混合型耦合模式、環流型耦合模式等，并用于 ENSO 可預報性研究和實時預報等。隨著對 ENSO 研究的深入，又不斷出現了更多相關新課題，如 ENSO 不規則性、兩類 El Ni?o 事件、ENSO 冷/暖位相的不對稱、ENSO 年代際變化、多時間尺度和跨區域海氣過程對 ENSO 的調制影響以及不同氣候模態與 ENSO 模態相互作用和全球變暖背景下 ENSO 的響應等研究領域。自 20 世紀 90 年代以來，年代際氣候變異規律和成因已成為國際氣候學研究的挑戰性問題，被 WCRP 的“氣候變率與可預報性研究計劃（CLIVAR）”列為核心內容。

顯然，ENSO 過程涉及不同時間尺度相互作用、多源強迫和反饋過程的相互制約作用、跨區域海氣過程和大氣隨機過程的影響等。例如，ENSO 起源于熱帶太平洋，除了溫躍層反饋機制以外，熱帶太平洋中還存在其他多尺度和多圈層過程（圖2）。除這些具體過程以外，不同時間尺度過程（如年循環、季節內振蕩、準兩年振蕩和低頻變率等）間相互作用可對 ENSO 有調制作用，使 ENSO 時空演變具有更復雜的可變性和多樣性。例如，在全球變暖背景下，大尺度海洋-大氣平均氣候場發生改變，進入 21 世紀以來，熱帶太平洋的背景態出現了顯著的年代際變化，具體表現為：熱帶太平洋信風持續加強、西太平洋地區中層海水溫度升高、赤道東太平洋冷水上翻加強和熱帶東太平洋海表溫度下降等。這些背景場的變化也可改變 ENSO 的自然屬性，導致出現不同類型的 El Ni?o 事件，加劇了 ENSO 循環中兩個位相的不對稱性等。如 21 世紀初至 2014 年間，拉尼娜（La Ni?a）事件可持續多年，而在赤道東太平洋 El Ni?o 現象很難出現，代之以 El Ni?o 事件主要出現在赤道中太平洋；而在 20 世紀 80—90 年代，則是相反情況[6]。另一方面，這些背景場的改變對全球變暖產生調制作用（例如全球平均溫度的上升趨勢減緩），如已有一些研究表明太平洋海氣耦合系統對全球變暖有調制作用；年際尺度上 ENSO 的不對稱性發展及其累積效應可導致赤道中太平洋 SST 年代際變化，可對全球增暖產生調制影響，但仍然存在眾多未解的科學問題（包括 ENSO 年代際變異和年代際氣候變化與全球增暖間的相互影響等）。

圖2 ENSO相關過程示意圖

ENSO 現象的復雜性、多樣性和多變性等問題都與海洋多尺度和多圈層過程及其相互作用密切相聯系的，ENSO 已被視作一個系統來研究（包括觀測、理論和數值模式等多方面的綜合研究）。在認知、表征和模擬的基礎上，利用海洋觀測所提供的初始條件進行實時預報。下面就 ENSO 受海洋中多尺度和多圈層過程的調制影響的有關研究做一些具體分析。

4.1 海洋多尺度過程對 ENSO 的調制影響——一個熱帶不穩定波的例子

熱帶東太平洋地區一個重要的海洋-大氣過程是熱帶不穩定波（TIWs），高分辨率衛星觀測資料表明，沿熱帶東太平洋冷舌區 3oN 附近存在一條明顯的海表面溫度鋒，該溫度鋒把近赤道上涌冷水區與其北側暖水區隔開。由于赤道主要洋流經向切變的不穩定性和海洋溫度鋒的斜壓不穩定性等原因，導致了熱帶東太平洋冷舌區海表面溫度鋒產生擾動并以波動形式向西傳播，這種波動稱為 TIWs。雖然 TIWs 是一種中小尺度現象，但可對年際氣候變化（如 ENSO）有重要影響，這反映了多尺度過程間的相互作用。例如，這種起源于海洋內部過程的中尺度現象，可以通過水平輸送及海洋上層的垂直混合作用等，對熱帶東太平洋的熱量和動量平衡產生重要影響，進而影響熱帶地區氣候平均態及其季節和年際變化。例如，一些研究指出，TIWs 垂直混合產生的向赤道地區的經向熱輸送是赤道東太平洋海洋混合層熱量平衡項中的一級項，甚至可以超過海表熱通量量值。衛星觀測資料分析表明，赤道東太平洋冷舌區 TIWs 引起的 SST 擾動可以引起海表風場、云和降水等系統性響應，如熱帶東太平洋 TIWs 引起的 SST 擾動可達 2oC—3oC，與之相伴隨的海表風速變化可達氣候平均值的20%—30%，風應力渦度和散度變化可達其氣候平均值[7]。因此，TIWs 對赤道東太平洋冷舌區氣候平均態、季節變化和大尺度年際變率等可產生重要影響。

近年來，由于衛星觀測資料可提供高分辨率的海洋-大氣觀測數據，使得對 TIWs 的研究得到了長足發展。但目前氣候模式還不能表征 TIWs 這樣的中小尺度過程，特別是 TIWs 所引發的風場作用在目前大尺度海氣耦合模式中都未能很好地表征。在以前的工作中[7]，利用衛星觀測資料構建了一個計算 TIWs 風場的經驗模式，并應用于海洋和海氣耦合模式中；模擬結果發現，TIWs 產生的低層大氣風場對熱帶東太平洋海溫的氣候平均態和年際變率均有可觀的影響（尤其是對 La Ni?a 事件），說明 TIWs 這樣的中、小尺度過程也可對大尺度過程（如ENSO）產生反饋作用（圖 3）。但目前對 TIWs 所引發的風場強迫和反饋作用的分析和模擬實驗是相當初步的，對 ENSO 預報的影響還未有人研究過，需進一步詳細研究 TIWs 在海氣耦合模式中的作用和對 ENSO 的反饋過程，評估 TIWs 對大尺度 ENSO 現象、過程和預報的影響。

4.2 海洋多圈層過程對 ENSO 的調制影響——一個海洋生物引發的加熱效應的例子

ENSO 主要由物理過程所控制，但也受一些多圈層過程的調制影響，這里給出一個海洋多圈層過程對 ENSO 調制影響的例子。

圖3 模擬得到的海表溫度（SST）異常沿赤道的緯圈-時間分布

近年來的研究表明，熱帶太平洋海洋生物與物理存在相互作用，進而可影響 ENSO 的特性。一方面，ENSO 相關的物理過程控制熱帶太平洋的海洋生物狀況；另一方面，上層海洋浮游生物量的存在和變化，反過來調制太陽輻射在上層海洋的垂直穿透，從而導致海洋生物所引發的加熱和對海洋物理過程產生反饋影響，從而形成海洋生物-物理及氣候間相互作用。例如，海洋生物加熱效應對物理過程的影響可用太陽輻射在上層海洋的垂直穿透度來描述，可簡單地引入穿透深度變量（Hp）來表征，并作為氣候系統中海洋物理和海洋生態系統的主要關聯變量。在熱帶太平洋海盆尺度上，Hp表現出與 ENSO 循環緊密相關的年際變率，對太陽輻射在上層海洋的傳輸有調節作用，并在海洋混合層熱收支中起著重要影響，如發現熱帶太平洋中海洋生物加熱的年際變率可對 ENSO 起負反饋作用。因此在診斷和模擬研究中，需要充分考慮海洋生物加熱所導致的對氣候的反饋作用，但當前熱帶太平洋海盆尺度模式和全球海氣耦合模式中對海洋生物加熱效應的表征及海洋生物-氣候相互作用方面仍存在著極大的不確定性，特別是目前集海洋物理、生物和化學分量于一體的綜合模式在真實模擬ENSO 所引發的 Hp年際異常方面仍有相當的困難；目前描述海洋生物和化學狀態的資料非常缺少。

與此同時，衛星觀測提供了前所未有的海盆尺度上海洋水色（ocean color）數據，為描述海洋生態過程和海洋生物-氣候相互作用等成為可能，如已利用衛星觀測資料導出一個可表征熱帶太平洋 Hp年際變率的經驗模式，并將其嵌入到一個海洋-大氣耦合模式中以表征海洋生物引發的加熱效應和海洋生物-氣候相互作用[8]，結果表明海洋生物加熱效應對 ENSO 有很大的調制影響（圖 4）。但需結合現有的資料和模擬數據對海洋生態過程與 ENSO 之間的關系進行更深入研究，特別是評估多圈層過程（包括海洋生態引發的加熱效應等）及相互作用對 ENSO 預報的影響等。本節也給出如何利用衛星資料表征這一反饋過程以改進海氣耦合模式對 ENSO 模擬的例子。

5 結語

由于海洋與相關的全球氣候和環境變化關系到整個人類社會的前途與命運，海洋科學研究的重要性和迫切性上升到了前所未有的高度。海洋研究涉及多尺度過程及與地球系統其他圈層之間相互作用（如海氣界面、海陸界面和海底界面等），表現出復雜性、多樣性和多變性等，目前，海洋的研究存在極大的挑戰和困難。對海洋的研究應從地球系統的視角，開展海洋與其他圈層（如大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等）相互作用的前沿綜合性研究；應采用觀測和模式相結合的綜合手段；促進多學科交叉觀測和模擬系統的建立、改進和完善，開展未來海洋和氣候及環境變化的預測和預估研究，為“海洋強國”和“21 世紀海上絲綢之路”的國家戰略提供重要科技支撐。

ENSO 是熱帶太平洋海氣相互作用最為重要的產物，是地球系統中最可預報的年際變化信號。研究 ENSO 的形成機理，及時準確地預報 ENSO 事件的發生發展和演變，具有巨大的經濟價值。因此，ENSO 及其熱帶海洋-大氣相互作用研究是當今氣候動力學前沿課題。目前對 ENSO 的研究已經取得了巨大成果，但仍不能對其發生、發展的全過程進行準確、實時的預測；目前對引發 ENSO 事件的主要海氣過程（即斜溫層反饋機制）已有充分的認知和模擬能力，但對熱帶太平洋中存在的多尺度和多圈層過程及其相互作用對 ENSO 調制作用的理解還很有限，當前模式還不能或未能很好地表征這些過程。作為例子，這里給出海洋生物加熱過程和 TIWs 在調制 ENSO 中的作用，以說明 ENSO 受海洋多尺度和多圈層過程調制影響而表現出的多樣性和多變性。

圖4 模擬得到的海表溫度（SST）異常沿赤道的緯圈-時間分布（a）沒有考慮海洋生物加熱年際變化引發的氣候反饋效應；（b）考慮海洋生物加熱年際變化引發的氣候反饋效應。SST的等值線間隔為0.5oC

針對目前我國在走向深海大洋中所急需要解決的重大科學問題（如 ENSO 調制機理和 ENSO 實時預報等），應集中開展以地球系統耦合模式為工具，以數值模擬為主要手段，以 ENSO 為聚焦點，積極開展西太平洋海洋觀測網的建立和完善，實時監測 ENSO 現象和過程；同時，開展海洋多尺度和多圈層過程相互作用研究（如發展和改進包括海洋和大氣等在內的多圈層耦合模式）；結合海洋資料同化技術，以改進 ENSO 事件實時預報和短期氣候預測。

1 李崇銀. 氣候動力學引論. 北京∶ 氣象出版社, 1995.

2 巢紀平. ENSO循環機理和預測研究. 北京∶ 氣象出版社, 2003.

3 王凡, 王嘉寧. 我國熱帶西太平洋科學觀測網初步建成. 中國科學院院刊, 2016, 31(2)∶ 258-262.

4 Zhang R H, Zheng F, Zhu J, et al. A successful real-time forecast of the 2010-11 La Ni?a event. Scientific Reports, 2013, 3∶ 1108.

5 Zhang R H, Gao C. The IOCAS intermediate coupled model (IOCAS ICM) and its real-time predictions of the 2015-16 El Ni?o event. Science Bulletin, 2016, 61∶ 1061.

6 Zhang R H, Rothstein L M, Busalacchi A J. Origin of upper-ocean warming and El Ni?o change on decadal time scalesin the Tropical Pacific Ocean. Nature, 1998, 391∶ 879-883.

7 Zhang R H. Effects of tropical instability wave (TIW)-induced surface wind feedback in the tropical Pacific Ocean. Climate Dynamics, 2014, 42∶ 467-485. 8 Zhang R H, Gao C, Kang X, et al. ENSO modulations due to interannual variability of freshwater forcing and ocean biology-induced heating in the tropical Pacific. Scientific Reports, 2015, 5∶18506.

張榮華 中科院海洋所研究員，國家“千人計劃”特聘專家，山東省“泰山學者”特聘教授，青島海洋科學與技術國家實驗室“鰲山人才”卓越科學家；中科院海洋環流與波動重點實驗室副主任、學術委員會副主任。在國際重要核心刊物上發表眾多具有重要影響力的學術論文（包括 Nature 及其子刊多篇文章）。主要研究方向包括熱帶海氣耦合模式、熱帶海洋-大氣相互作用、厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）數值模擬和預測、年代際海洋氣候變率、海洋反饋過程參數化及其對氣候模擬影響等。E-mail∶ rzhang@qdio.ac.cn

Zhang Ronghua Professor at the Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences (CAS). He received his Ph. D. from the Institute of Atmospheric Physics, CAS in 1989. Then, he worked respectively at the Meteorological Research Institute/Japan Meteorological Agency (Japan), the National Oceanic Data Center (NODC)/NOAA (USA), the University of Rhode Island (USA), the Columbia University (USA), and the University of Maryland (USA). His research interests include coupled ocean-atmosphere interactions and numerical modeling, ENSO prediction and predictability, and data assimilation. E-mail∶ rzhang@qdio.ac.cn

Oceanic Studies on Multi-scale and Multi-sphere Processes and Their Interactions: A Successful Example for El Ni?o Simulation

Zhang Ronghua1,2Wang Fan1,2
（1 Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2 Laboratory for Ocean and Climate Dynamics, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China）

The ocean is one important component of the Earth system. There exist various processes in the ocean which can have significant influences on the climate and environment on the Earth, including the El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) and tropical instability waves (TIWs). These phenomena and signals result from complicated interactions among oceanic processes on multiple scales and among multispheres (such as the atmosphere, hydrosphere, biosphere and so on). Because the ocean exhibits such great diversity and variability on various space-time scales, the ocean should be studied as a system, taking into account interactions and taking different approaches in a coherent way (observation, theories, simulation and prediction etc.). Based on process understanding, models need to be developed as a powerful tool for simulation, prediction and projection. As the strongest interannual signal on the Earth, ENSO exerts significant influences on weather and climate worldwide. Examples are given for the modulating effects on ENSO by feedback processes on multiple time scales and multi-spheres, including ocean biology-induced heating and TIWs.

multi-scale and multi-sphere processes in the ocean, oceanic observations, oceanic simulations, El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)

*資助項目：中科院戰略性先導科技專項（XDA11010 000、XDA11020000），國家自然科學基金項目（41490 644、41475101），青島海洋科學與技術國家實驗室鰲山人才計劃（2015ASTP），山東泰山學者和青島創新領軍人才項目

修改稿收到日期：2016年11月23日