海洋與氣候學視域下中北太平洋過渡區研究現狀、啟示與對策

齊慶華 靖春生

摘要：中北太平洋過渡區是高低緯海洋西邊界強化動力系統的接續區和交匯區，是大尺度和中小尺度海洋過程的突出集中區，是研究海洋和海氣系統多尺度過程與海洋氣候和環境生態效應的關鍵區。文章從海洋學和氣候學角度簡述中北太平洋過渡區相關海域有關科學研究成果，并就相關科學問題研究現狀和不足提出啟發性研究對策和建議。結果表明，中北太平洋過渡區對認識全球變暖背景下海洋與氣候變化的臨界條件、臨界狀態、跨界觸發、通道機制等研究具有重要參考價值，建議通過國際合作主導引領相關地區海洋自主或聯合調查，系統構建氣候變化觀測體系，發展多尺度過程互饋機制和可預測性研究，創建仿生仿真多功能耦合模型，突破致害致災風險預評估與區劃技術關鍵，為深化海洋與氣候變化認識，防災減災研究，海洋區域治理和海洋環境與生態安全保障提供堅實的科技支撐。

關鍵詞：北太平洋環流系統;中高緯相互作用;中尺度海氣相互作用;氣候臨界;海洋氣候安全治理

中圖分類號：P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）05-0017-10

0 引言

中北太平洋過渡區縱跨副熱帶和亞北極海區，續接高低緯大尺度海洋西邊界強化動力系統（如，親潮和黑潮）[1]，作為顯著非線性動力不穩定區和冷暖水體交匯區，它是研究海洋鋒面、水團、渦旋和湍流混合等中小尺度過程特有的重點海域[2-5]（圖1）。同時，中北太平洋過渡區鏈接低緯度和高緯度海區相互作用（如，西風異常、瞬變渦與波動及E-P通量輻散異常等）[6-8]，是研究大尺度海氣環流變異（如，北太平洋副熱帶環流、大氣河等）[9-10]、中尺度海氣相互作用（主要體現海洋作用于大氣，如季節內振蕩）[11-12]及最強年際信號（ENSO）[13]和太平洋年代際振蕩（PDO）[14]等高影響海洋氣候變率與可預測性的典型區域。該海域是北極冰融[15]、污染和輻射等物質匯集輸運（如，太平洋垃圾渦旋、污染物和核放射性物質輸運等）[16-17]、風暴軸遷移[18]、泛北太平洋地區極端溫度[19]等環境氣候異常和災害發生的關鍵引發區和熱動力機制源區，嚴重影響北太平洋海洋物質能量平衡、聲環境、生物地球化學過程和極地系統的快速變化[20-24]，對區域海洋與全球氣候變化、防災減災研究以及國家和地區氣候環境和生態安全保障具有重要的科學與實踐意義。

1 數據與方法

由于數據的限制，目前圍繞中北太平洋過渡區開展的研究工作較少，且研究成果缺乏系統性。本文主要基于國內外中北太平洋過渡區，特別是相關海域開展的觀測調查、研究工作和現有文獻資料，從海洋學和氣候學角度梳理，簡述中北太平洋過渡區相關科學成果，并就研究現狀、主要科學問題和研究啟示，提出有關啟發性對策建議，以期為深化海洋與氣候環境變化的系統性認識和可預測性研究，以及海洋開發與管理、海洋環境生態保護、防災減災與海洋氣候治理提供必要的科學參考和科技支撐。

2 中北太平洋過渡區海洋學研究現狀與啟示

2.1 海洋多尺度動力過程研究

從海洋動力學角度而言，中北太平洋過渡區突出呈現小尺度湍流到大尺度環流的完整動力學體系，具有較為系統的海洋動力尺度臨界條件，能提供能量串級信息通道，是海洋多尺度過程演化和機制研究的理想區。

研究表明，雙擴散是中北太平洋中層水形成的重要因子[25]。受西風帶影響，中北太平洋過渡區主要屬于風速和有效波高重現期的大值和極值區[26]。

海浪的破碎、攪拌混合以及波致應力等對海洋動力過程具有重要的影響和作用[27]，模式研究表明，在考慮海浪破碎、波致與攪拌混合等作用后，對北太平洋SST的模擬有較明顯改善[28-29]。有關北太平洋海域中尺度渦的典型特征分析表明，中北太平洋海區是海洋中尺度渦的集中區，其中反氣旋渦多產生于35°N 以北海區，以南海區則以氣旋渦為主[30]。

中尺度渦和風場的高頻變化可誘發海洋和大氣季節內振蕩，進而發展演化為海洋與氣候異常[31-33]。

中北太平洋過渡區是聯系副熱帶與亞極地環流的樞紐區，海洋環流系統歸屬于風生環流，且以季節以上尺度低頻變異為典型特征。海洋環流的變化調控北太平洋整體能量輸送與平衡，影響北太平洋大氣環流和全球氣候變化[9]。作為海洋內部大尺度波動，Rossby波在維持中北太平洋地區環流、能量傳播等海洋動力過程調整與能量輸運中發揮著關鍵作用[34]。體現海洋深層次流動的大洋熱鹽環流，控制著約90%的大洋水體，是全球氣候系統的重要調控因子，其異常變化會引發嚴重的氣候突變[35]。

不同于北大西洋活躍的深層水，北太平洋僅能形成中層水[36]，親潮水次表層入侵對中層水的形成具有重要作用[37]，而近慣性內波可導致跨密度混合，進而影響中北太平洋大尺度經向翻轉熱鹽環流的形成與發展[38-39]。中北太平洋過渡區是北太平洋副熱帶中部模態水（NPCMW）的主要分布區[25，40]，模態水潛沉與浮露是北太平洋副熱帶和熱帶相互作用的關鍵熱動力學途徑[41]。同時，海洋鋒面是中北太平洋過渡區形成的重要特征[42]，研究表明，中北太平洋鋒區是影響上空（邊界層以至整個對流層）大氣的顯著區，對中北太平洋天氣尺度瞬變擾動（波或渦旋）、大氣風暴軸、西風急流均有重要影響[43]。

目前，中北太平洋過渡區多尺度海洋動力過程的針對性分析探究十分薄弱，研究成果主要集中于北太平洋大范圍地區海洋多尺度動力過程研究，這為中北太平洋過渡區的海洋學認識提供了扎實研究基礎。而有關中北太平洋過渡區海洋多尺度（特別是中尺度和亞中尺度）動力過程、能量串級與災害風險等跨尺度和跨學科研究是海洋動力學未來重要的研究方向，必將成為區域海洋學研究的創新策源重點區。

2.2 生物地球化學過程影響與生態環境效應

中北太平洋海洋鋒區是海洋的高生產力區域[42]。對中北太平洋過渡區水團的分析表明，幼魚的分布受到水團特性的調控[44]，相關科學問題對大洋漁業的開發具有重要研究意義[45]。由于波浪使得氣體傳輸速率加大，中北太平洋地區海洋對大氣CO2 的吸收明顯增加[46]。尤其是中北太平洋過渡區處于自生源、生源、陸源和火山源等物質能量進入大洋循環的動力關鍵區。有關日本福島核電站泄漏在海洋中的傳輸及擴散的數值模擬結果表明，核廢料濃度以及演變主要受洋流系統的影響[47]。

此外，北太平洋是塑料垃圾和微塑料污染的重災區[48]，有害物質通過動力輸運會對海洋生態環境造成嚴重影響，并可導致高危險性的生態災害，其中，中北太平洋過渡區是重要的路徑傳輸區和輸送調控區[49]。

總體而言，作為高低緯西邊界強流的接續區，由于動力不穩定性以及冷暖水的交匯，中北太平洋在西風帶的影響下，聚集了小尺度海洋波浪、中尺度海洋渦旋以及大尺度海洋環流等多尺度海洋動力過程，對北太平洋海盆水團特征、流動與混合及其對物質和能量的輸送起著關鍵作用，對維持和調控海洋生物生態系統的演化具有重要的海洋學意義。然而，由于對海洋動力過程認識的不足，有關中北太平洋過渡區生物地球化學循環和驅動機制的研究還十分缺乏，對整個北太平洋地區區域海洋生態環境研究進展和災害風險防治與管理產生不容忽視的影響。同時，作為海洋的主要失熱區，中北太平洋通過強烈的海氣相互作用，嚴重影響區域和全球氣候環境調整與變遷。

3 中北太平洋過渡區氣候學研究現狀與啟示

3.1 中尺度海氣相互作用研究

中緯度海洋鋒和中尺度渦等海洋中尺度系統的海洋與大氣作用關系主要體現為海洋強迫大氣[50]，這里稱為中尺度海氣相互作用[51]，對海洋與氣候變化及其可預測性研究具有重要意義[52]。分析表明，海洋鋒區和中尺度海洋渦旋區海溫異常與上空風場呈明顯正相關關系，且在強鋒區和日尺度的變化上，附帶海洋波動和瞬態渦旋的產生，使得兩者相關更為顯著[53-54]。中尺度海洋系統強迫可改變界面熱通量和大氣邊界層不穩定性，增加動量通量，增強垂向混合，其影響可延伸至對流層，使得大氣斜壓性增強，影響天氣尺度氣旋移動路徑[55-58]，同時中尺度暖性系統（中尺度暖渦）可進一步增強臺風強度。而在較長時間尺度上，中尺度海洋鋒和中尺度渦旋通過海平面氣壓調整引起上空大氣的遲滯響應[59]。可見，中尺度海氣相互作用機制發生作用與中尺度海洋系統尺度、大氣穩定性和調整時間、風場背景等密切相關。尤其是中北太平洋是天氣尺度擾動活躍的區域，中尺度海洋系統造成低層大氣斜壓性增強，誘發大氣瞬變渦旋活動，通過渦度強迫等造成風暴軸和西風急流異常，影響中北太平洋海洋水汽、熱量與西風異常信號向周邊大陸、低緯度海區和高緯度極地區域的輸送和傳播[60-62]，影響區域和全球海洋氣候與環境生態。中尺度海氣相互作用對氣候模式的研發具有重要作用。中北太平洋過渡區是中尺度相互作用的典型區和關鍵區，由于長期連續實測系統和平臺的缺乏，對中北太平洋中尺度海氣相互作用的觀測和研究尚有待系統深入。

3.2 高低緯度相互作用鏈接與氣候環境效應

北太平洋海氣耦合作用系統的年際（ENSO）和年代際變率[太平洋年代際振蕩（PDO）和北太平洋渦旋振蕩（NPGO）]是氣候系統變化的最強信號，核心區分別位于熱帶赤道太平洋和中緯度北太平洋海區[63]。北太平洋PDO 和NPGO 分別對應于不同的大氣強迫模態，PDO 主要受阿留申低壓異常的強迫，而NPGO 則主要受大氣中北太平洋濤動（NPO）強迫[64-65]。大洋環流動力變化則是形成PDO、NPGO 的重要媒介[66]。未來氣候情景預估結果顯示，全球穩定增暖的情境下PDO 和NPGO 強度均比歷史時期弱，且主周期縮短，可能與全球增暖海洋層結增強導致的Rossby波變快有關[67]。

就海洋內部而言，中北太平洋過渡區年代際變化主模態涉及北太平洋模態（NPM）和東北太平洋模態（ENPM）[63，68]。此外，北太平洋年際和年代際變率并非相互獨立。研究表明，北太平洋年代際變化不僅源于中北太平洋[69]，依賴于局地的中緯度海氣耦合過程，體現中緯度海氣相互作用的本征模態[70]，而且可以通過大氣橋和海洋橋的快慢過程形成自適應年代際振蕩[71]。中北太平洋在北太平洋年代際氣候調整及其熱動力過程中起重要的作用。

其中，海氣界面湍流熱通量交換是海氣相互作用的關鍵過程，湍流熱通量可引起局地海溫的變化，同時，海洋內部動力作用引發的海溫異常對湍流熱通量變化起主要作用[72]。北太平洋中緯度阻塞高壓是影響局地和區域天氣氣候的重要大氣現象，合成分析表明，受天氣尺度瞬變擾動活動作用[73]，阻塞異常增強時，500hPa位勢高度異常呈現為典型的太平洋-北美（PNA）遙相關波列，而風暴軸則表現為瞬變渦旋，向東北傳播，海表溫度異常在中緯度為太平洋年代際振蕩（PDO）模態，與其對應，在熱帶赤道太平洋，海表溫模態呈現為LaNina型[74]。北太平洋氣候系統的年代際調整對北太平洋大氣河的影響起主導作用[75]，且與北極濤動以及臺風和颶風的頻次密切關聯[76-77]，并嚴重影響海洋生態系統[64，78]。相關機制研究指出，熱帶地區大氣環流對北太平洋年代際模態的響應具有斜壓結構特征，而對中高緯度地區的影響呈正壓結構特征[79]。目前，基于海氣耦合模式，北太平洋年代際變率的空間結構和多時間尺度性雖已能得到模擬[80-81]，但精細化程度仍較低。

需指出的是，中北太平洋過渡區不僅影響局地海洋與天氣氣候，通過大氣橋鏈接中低緯度海洋相互作用[82]，還特別調控中高緯度相互作用和極地海洋升溫、融冰、碳吸收和酸化等快速變化[83-85]，并對全球氣候環境變化產生嚴重作用影響[23]。研究顯示，中北太平洋SST 增強，可抑制行星波向平流層的傳播，形成更穩定和持續的北極渦旋，導致較低的臭氧水平[86]。風暴軸是中北太平洋過渡區天氣瞬變擾動最活躍的地區[18]，分析表明，冬季極渦的異常變化可對中北太平洋風暴軸產生影響[87]，而風暴軸活動與冬季影響中國的冷空氣活動頻次密切關聯[88]。中北太平洋海域受副熱帶高壓控制，蒸發大于降水，是全球水汽和能量循環的重要來源，通過調節大氣環流，中北太平洋可觸發水汽和能量循環調整，引發氣候環境系統發生變異。尤其是受西風急流的影響，中北太平洋對中亞大陸沙塵暴和東亞地區氣溶膠的遠程運移和沉降起到了重要作用[89-90]，為該海區提供了95%的鐵元素，并進一步通過海洋地球化學循環主導調控海洋初級生產力[91-92]。

綜上所述，中北太平洋過渡區是副熱帶環流和亞極地環流的動力樞紐，作為動量、浮力通量以及物質和熱量的關鍵輸運區，鏈接低中高緯度海氣系統和相互作用，同時作為年代際振蕩核心區，調整區域、極地和全球氣候系統，是全球氣候臨界狀態的重要表征，是研究氣候系統臨界突變的熱點區域，具有顯著的氣候學意義。當前，圍繞中北太平洋過渡區的海洋氣候耦合體系研究，包括中低緯相互作用、中高緯相互作用、中尺度海氣相互作用等過程、機理和影響相當缺乏，尤其亟須發展以中北太平洋過渡區為中心的海洋與氣候臨界研究。鑒于區域和全球海洋氣候系統復雜的互作互饋動力結構和作用關系，應以中北太平洋過渡區為切入和突破，加強區域海洋氣候觀測，系統深入分析區域和全球氣候環境臨界條件，臨界突變機制，作用通道，可能影響和關鍵風險，為氣候環境變化和預測、防災減災和安全保障提供必要的科學基礎和科技支撐服務。

4 存在不足與對策建議

為深入認識中北太平洋過渡區的海洋與氣候學意義，豐富區域海洋與氣候和環境生態系統的深入研究。本文簡述了該海域和相關區域海洋多尺度動力過程，生物地球化學循環及其海洋環境生態效應，中尺度海氣相互作用和中高緯度相互作用以及氣候效應等相關研究現狀。當前有關中北太平洋地區開展的研究成果相當匱乏，尤其海洋與氣候學視域下，針對中北太平洋過渡區的相關研究還存在相當的不足，簡要總結如下。

（1）2019年“全球變化與海氣相互作用”專項于2019年在中北太平洋實施海洋水體綜合調查，填補了我國在該區域自主調查與實時監測的空白，為全球氣候變化、海洋環境預報和防災減災提供了數據支撐。然而，目前針對中北太平洋過渡區的專項調查仍十分缺乏，亟待通過實測數據的獲取，進而為深入系統研究中北太平洋海洋與氣候變化奠定堅實基礎。

（2）由于數據的缺乏，當前對中北太平洋過渡區各種海洋動力過程特征規律及串級和能量信息通道，特別是海洋影響大氣的中尺度過程（如海洋中尺度渦旋，中層水演化等）、渦波流相互作用、中高緯度海氣相互作用，以及扭結齒合區域海洋和全球氣候變化的臨界狀態、跨界條件和動力機制研究相當薄弱，加之中北太平洋是重要的碳源，這極大影響著對區域海洋環境和全球氣候變化的可預測性研究。

（3）圍繞中北太平洋過渡區域的海洋物理環境、化學、生物和生態要素的重要資料、生物多樣性基線、時空分布規律、生物地球化學要素和污染物的溯源分析、輸送通道和路徑及相關強迫動力機制研究還很不足。有關全球變化下中北太平洋過渡區的區域海洋響應、生態動力學規律和模型構建以及海洋生物多樣性和生態系統保護等研究進展緩慢。

（4）中北太平洋過渡區通過海氣相互作用會影響登陸我國的臺風生成和中部型厄爾尼諾的暴發，進而對包括我國在內的周邊地區乃至全球造成嚴重的災害風險，而針對中北太平洋過渡區引發相關海洋災害致害致災閾值分析、風險預估和等級區劃以及風險管理與治理尚待逐步開展。

針對目前中北太平洋過渡區研究現狀，就相關科學問題提出以下啟發性研究對策建議。

（1）加強主導和引領中北太平洋過渡區國際聯合海洋調查，集中于系統構建關注區高分辨率多要素氣候變化精準探測、監測和氣候觀測體系。

協同遙感技術和現場調查等多功能異構觀測平臺，設計開發最優組網方案，研發仿生傳感和原位觀測技術方法，建立相關區域海洋與大氣氣候變化跨尺度、跨界面自適應過程化立體觀測體系和信息系統。

（2）發展中北太平洋過渡區多尺度過程互作互饋與能量信息通道機制及可預測研究，致力于深刻厘清全球變化下區域海洋與氣候變化臨界條件與跨界（尺度）機理。

從復雜系統科學和整體論角度，分析中北太平洋過渡區多尺度海洋動力過程、中尺度海氣耦合、中高緯相互作用以及極地快速變化響應、反饋與調控機制，校驗與改進多圈層氣候耦合預測模型，從區域海洋防災減災與國家海洋安全保障角度，研判海洋氣候與環境生態變化臨界狀態和臨界點觸發，發展安全隸屬度模糊控制新方法。

（3）創新中北太平洋過渡區生源要素地球化學遷移轉化過程研究，豐富于系統性海洋生態動力學理論，推進建構多學科交叉和多圈層耦合的仿生仿真功能模型。

通過多學科數據同化、網格優化和過程參數化先進技術方法，結合機器學習和人工智能，從大生態和大數據角度，深度融合精細化多源數據觀測，闡明海洋動力與海洋環境和生態的脅迫響應及適應機理，關注海洋物質能量平衡，尤其是熱收支、水分和碳循環，開展跨界面、跨圈層的生物地球化學和碳循環核算、動力過程模擬，集成架構區域生態動力多功能尺度全息化模型。

（4）強化致害致災風險預評估與區劃，針對海洋災害、雙碳目標、生態環境問題，突破關鍵技術限制，服務于深化地區和全球海洋氣候環境與生態安全治理。

加強氣候變化下海洋動力、聲場環境、生物生境與生態風險指標和閾值研究，協同攻關多致災因子危險性、生態復合韌性和臨界點診斷關鍵技術，評估和建立區域海洋生態系統健康狀況、生物多樣性、生態功能服務、氣候與災害風險等級區劃（分區分類分級分時）以及預警防控、應急決策和精準調控體系，提高防治處置和修復保護效率，不斷提升對未來海洋健康永續的智慧和智能化管理決策水平。

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