印度洋熱力分異與洋際協同對中國氣候的影響及關鍵災害風險初探

齊慶華

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;2.福建省海洋物理與地質過程重點實驗室 廈門 361005)

0 引言

印度洋地處亞印太交匯區,是泛第三極(Panthird Pole)地區西太平洋-印度洋-青藏高原系統的重要一員[1-2]。印度洋西南和東南分別與大西洋和太平洋相連,東印度洋還通過印度尼西亞貫穿流連通西太平洋。東印度洋-西太平洋暖池是全球表層海溫最高以及熱含量和水汽最集中的區域[3-4],印度洋熱力異常是影響高原熱源和暖濕環境、亞洲季風變異及全球氣候變化的重要因素[5-6],在維持全球海洋熱量與水分平衡中發揮重要作用[7]。受非洲和亞洲大陸影響,印度洋10°S以北大范圍洋區的季風活動最為活躍,該海域處于Hadley 環流和Walker環流的上升支[8],影響強對流產生和熱帶氣旋暴發[9-11]。印度洋是東亞夏季風環流和大氣季節內振蕩的重要發源地,同時是我國季風降水的重要水汽源區,其變化對東亞季風氣候和我國環境具有重要影響和調制作用[12-14]。印度洋引發的海氣系統季節內振蕩過程[15]可協同導致天氣和氣候異常,造成我國出現旱澇、高溫、冷害和霧霾等極端性氣候和環境災害風險[16-20]。當前我國正全面推進“一帶一路”建設,印度洋扼亞洲、大洋洲、非洲和歐洲的海洋交通要道,是“21世紀海上絲綢之路”的必經之地和“一帶一路”倡議順利推進的關鍵海域[21]。因此,對印度洋熱力分異特征規律、海氣相互作用和洋際協同效應及氣候與生態災害影響風險進行分析和探討,可為提高我國季風氣候和海洋環境變化研究及精準預測水平提供必要的科學依據,對“21世紀海上絲綢之路”的氣候與海洋環境安全保障以及我國防災減災研究具有重要的科學與實踐意義。

1 數據與方法

海溫作為海洋環境的基本要素,是表征海洋氣候變化的重要指標和影響天氣氣候和環境生態的關鍵因子,體現海洋上層熱狀況和局地及跨海域三維立體水交換特征,反映與低層大氣的相互作用過程,并通過海洋通道與大氣橋或海氣遙相關[22],鏈接全球海洋協同作用以及海、陸、氣、冰等多圈層耦合,呈現海洋在氣候系統中的重要地位,其變化會產生顯著的氣候環境效應以及氣候和生態災害風險。熱含量是表示海洋熱力狀況垂向累積的綜合指標,反映海洋熱力結構和總體配置,決定海洋潛熱和水汽通量及其向陸地的輸送。從能量學角度而言,海洋熱含量與季風變化的耦合作用是調節全球海洋與氣候變化的內在本質。此外,混合層厚度、海面高度、躍層深度及相應次表層海溫(或不同層面溫差)等均表示中上層海洋熱狀況。

本研究中的印度洋海洋熱力狀況主要以海溫(或梯度)和熱含量(垂向累積)作為表征指標。隨著海洋觀測資料的不斷豐富,人們對海洋的認識逐漸從表層向深層、從局地區域向全域高維系統發展。海洋與氣候要素場的空間分異經時空分解(EOF、SVD 等方法)[23]可得到主模態特征,由于聚焦區域和關注視角的不同,會存在不同特征的時空模態,但就分異分解方法本身而言,包括全域一致型、偶極子型和三極子型等空間型態,且各自具有主導變率。通常人們關注要素場的主導模態和優勢模態,但其他變異模態不能忽略,尤其是在具有實際物理意義和存在模態轉換的情形下,以便系統和全面地認識要素場的時空分異特征規律。

2 印度洋海洋熱力分異主模態與熱收支相關機制

本研究從印度洋本身和洋際協同的角度,簡述印度洋熱力異常的局地和非局地模態分型,分析和探討主導模態(優勢模態)、梯度模態和聯合模態等時空模態的特征規律和相關機制。熱帶印度洋的主導模態主要包括印度洋偶極子型(IOD)和海盆一致型(IOB)。IOD 是印度洋最強的年際氣候模態,Saji等[24]首先提出熱帶印度洋偶極型海溫異常模態,其在約100 m 的次表層變幅最大[25];強度和位置等的偏度以及季節循環使得IOD 的類型多樣,并具有季節鎖相特征[24,26]。IOB 是熱帶印度洋海溫異常的另一個典型模態,熱帶印度洋的一致變化可引起大氣對流層的Kelvin波東傳,以維持菲律賓異常反氣旋,進而影響亞洲夏季風[27]。

印度洋與太平洋熱力異常變化的獨立性和相關性并存[28-29]。就相關性而言,熱帶印度洋的IOD事件與厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)的多樣性暖事件顯著相關,且關聯機制各異[30];熱帶印度洋的IOB事件也在一定程度上被視為對厄爾尼諾(El Ni?o)事件的滯后響應[31];同時,熱帶印度洋的IOD事件可通過熱動力過程觸發ENSO 事件[32]。除風應力和海面熱通量外[33-34],表層與次表層的異常海洋動力過程與風-溫躍層-SST 反饋(WTS)[35-36]尤其是海洋波動對熱帶印度洋年際尺度的海表溫度變化作用顯著[37],同時其多年代際氣候變率受北大西洋濤動的調控[38]。

熱帶印度洋IOD 和IOB 模態之間互為關聯。有觀點指出,IOD 并非緯向海溫差異的反位相振蕩,而是疊加于IOB背景上的溫度梯度擾動[39]。對印度洋緯向海溫梯度進行時空分析可得到印度洋海溫梯度模,海溫梯度模不僅體現印度洋緯向海溫差異的特征,影響我國的季風活動和降水分布,而且與印太海溫梯度疊加,極大地影響西北太平洋登陸我國的臺風[40-42]以及周邊地區的氣候異常[43]。印度尼西亞貫穿流和大氣Walker環流是關聯印度洋和太平洋海溫異常的重要樞紐通道[44],將熱帶印太海域作為整體進行時空分析,進一步得到熱帶印太海域最重要的海溫異常聯合(綜合)模態。該模態呈緯向三極子分布[45],同時體現于表層和次表層并互為聯系[46]。有研究表明,印度洋-太平洋聯合模態由海溫梯度與Walker環流之間的正反饋作用維持[47],并對季節內振蕩產生重要的調控作用[48]。

在南印度洋副熱帶海區,顯著的印度洋海盆尺度的海溫異常分布型以西南-東北反向偶極子為主要特征,其是南印度洋副熱帶海區的年際變率主導模態,可觸發熱帶印度洋的IOD 事件[49],對ENSO 事件的位相轉換有重要作用[50-51],而且通過影響西太平洋副熱帶高壓調控我國長江中游和華南地區的夏季降水[52-54]。此外,印度洋海溫異常還存在中部型[55]和三級子型[56]等模態以及氣候變化驅動的赤道模態[57]等,本研究不作贅述。

熱帶印度洋上層(700 m)的熱含量與海表溫異常具有相似的分型[58],由于缺乏深層數據[59],相關認識較為不足。印度洋的熱量收支及變化機制分析表明,風和熱通量強迫影響整個海盆的熱含量。印度洋貫穿流主要影響南印度洋的熱含量[60];北印度洋熱含量的變化主要由經向熱輸送引起,其中邊界流和經向翻轉環流起主導作用,而渦動項的貢獻較小[60-61]。基于熱通量方程的分析表明,東北印度洋上層海洋熱含量的季節變化是海氣相互作用的結果,由動力過程(海洋上層100 m 以內)和海表凈熱通量共同控制[62]。

總體而言,目前對印度洋熱力分型已有較多分析,并取得系列研究成果,然而對氣候變化下分型之間的關聯、轉換和模態演化[63],以及調控局地熱力異常與相關海氣擾動振蕩激發、傳播和不同影響的分析較為缺乏,對熱力狀況與分異的氣候環境影響、作用通道和調控機制的研究明顯不足,同時對季節變化引起的預報障礙等可預報性仍待深刻剖析。因此,可借對上述科學問題的研究,為區域氣候模擬和預測研究提供重要的科學依據。

3 印度洋熱力分異與中小尺度過程的關聯

從大尺度洋流,到中尺度渦旋、海洋鋒面、潮汐和內波,以至小尺度湍流等動力學體系,均與海洋熱力狀況密切關聯。目前對于大尺度海洋過程已有很好的認識進展,而對中小尺度海洋過程的理解成為提升海洋與氣候變化全過程精準預測預報的關鍵。考慮到大氣季節內振蕩對數值天氣和短期氣候預報的重要意義,本研究僅圍繞相關的中小尺度海洋過程以及大氣與海洋季節內振蕩,簡要探討其與印度洋熱力分異的關聯性。

有研究顯示,海浪水體輸運的大尺度效應顯著調控大洋熱量配置,并對IOD 模態的發生和發展具有重要作用[64]。IOD 負位相期間,受西南風的影響,海洋的不穩定過程使得能量由平均流能量向渦旋場轉化[65],如印度洋赤道潛流的剪切不穩定能誘導次表層的中尺度渦旋。印度洋的海洋中尺度渦旋主要分布于北印度洋的阿拉伯海、孟加拉灣西部海域以及南印度洋的澳大利亞與非洲連線海域,中尺度渦旋對相關海域海洋熱狀況的改變具有重要作用[66]。有研究表明,不同類型的IOD 事件通過改變西南季風的強弱變化,對上升流產生不同程度的影響[67];受到IOD 事件的調控,西南印度洋和東印度上升流的強度表現出顯著的年際變化特征[68]。海洋鋒面處于溫度梯度最大處,較強鋒面主要位于南印度洋西風帶區域以及季風盛行期的東印度洋。從梯度模態的角度看,其兩側的冷暖水可通過調節海氣界面熱通量而影響低層大氣環流[69]。海洋障礙層可強化層結,阻礙海洋混合層的存儲熱量向下與溫躍層以深水體的熱交換,進而影響海面溫度變化,并反饋和調控IOD 事件的發生和發展[70-71]。有研究發現,北印度洋東部海洋障礙層的形成主要由等溫層的深度變化引起,溫躍層在赤道波的作用下也會影響海洋障礙層的變化[72]。IOD 事件期間,孟加拉灣的海洋障礙層變化顯著,與等溫層改變密切相關[73]。同時,IOD 事件對混合層的年際變率具有調制作用[74]。

作為大氣中最顯著的振蕩現象,大氣季節內振蕩(統稱ISO)是鏈接天氣活動和氣候變化(如ENSO)及其預測預報的重要環節與關鍵[75],現有研究圍繞大氣季節內振蕩的激發傳播機制、行星尺度選擇和多尺度相互作用開展[76]。大氣季節內振蕩通過影響動量、浮力強迫和海氣熱通量引起上層海洋發生變異,調控印度洋IOD 的發展和演化[77-78]。有研究顯示,熱帶印度洋是全球大氣季節內振蕩活動最活躍的地區之一[79]。受大氣季節內振蕩的強迫影響,熱帶印度洋的海表溫度變幅可達3℃[80],而海表溫度也是反饋和激發大氣季節內振蕩的重要因子[81-83],其中具有能量頻散特性的波動-積云對流加熱反饋是重要機制[84]。秋季季風轉換導致的Rossby波西傳會引發熱帶東南印度洋的暖海溫異常,進而加強東傳的大氣季節內振蕩深對流。有研究發現,IOD 事件顯著影響大氣季節內振蕩的強度,并明顯區別于ENSO 的作用[85]。大氣季節內振蕩與亞洲季風的活躍、中斷、推進和撤退均密切相關[86],亞洲季風起始于孟加拉灣西南季風[87],有分析表明其具有典型的季節內振蕩特征[88]。大氣季節內振蕩的持續性活躍在引發季風風場異常的同時,主要影響水汽的輸送[86],最終導致我國發生極端的高溫熱浪、低溫冷害和旱澇災害[17,89-90]。同時,受大氣熱力和低層風場強迫以及海洋次表層過程[91]的影響,中印度洋的海洋季節內振蕩同樣顯著,有分析發現在中印度洋模態中可捕捉到北半球夏季向北的季節內信號[55]。目前對大氣季節內振蕩的結構和傳播特征及其對天氣氣候的影響已有較好的認識,但仍缺乏對其生成、維持和傳播等動力學機制的闡釋,從而影響對其預測能力的提升。而因數據的限制,針對海洋季節內振蕩及海氣相互作用的分析很少,相關研究亟待加強,以便有效提升海氣耦合模式對季風降水的模擬能力。

4 印度洋熱力強迫與海氣相互作用對我國氣候的影響

海洋尤其是熱帶海洋在全球能量收支中占有重要的地位,其吸收最多的太陽輻射,通過海氣相互作用驅動局地大氣運動,且低緯度海洋熱狀況的改變可經海氣相互作用調控熱帶大氣各尺度的擾動振蕩、遙相關型或遙相關波列激發以及急流波導能量傳播,進一步導致中高緯度的大氣環流變化,造成天氣和氣候異常[92]。亞洲夏季風的熱源主要位于印度洋,其中以孟加拉灣北部的熱源強度最大、持續時間最長[93]。亞洲夏季風首先暴發于印度洋的孟加拉灣海區,海表溫度的變化對其發生與演變起重要作用[94-95],并受到太平洋ENSO 相關海氣系統的協同影響[96]。作為亞洲夏季風的子系統,東亞夏季風是影響我國環境的重要氣候因子,其始于南海夏季風,有研究表明孟加拉灣的高海溫通過誘導大氣季節內振蕩對夏季風的暴發產生重要影響[97],其中印度洋緯向海溫梯度異常和一致性模態的調控作用顯著[98-100]。印度洋海溫異常通過感熱和潛熱的2級熱力效應造成西太平洋副熱帶高壓異常[101],同時海洋異常緯向模態可觸發東亞季風的極端變化[102],調控東亞西風急流南北擺動,最終影響東亞季風和下游氣候[103]。

值得關注的是,印度洋熱力分異可通過強迫季風環流異常從而調控夏季風氣流對水分和能量的長程輸運,最終影響我國雨帶的分布分型以及氣溫、濕度等極端天氣氣候的發生。有分析表明,正(負)相位趨于形成東西緯向(南北經向)型降水分布[104]。印度洋異常海溫IOD 模態的相位控制我國主雨帶的持續維持,可造成超常或極端的災害性事件。數值模擬研究也表明,東冷西暖的印度洋海溫結構使我國西南到華南地區的降水明顯增加,易造成我國大陸緯向的帶狀旱澇分布[105]。而IOB模態的升溫趨勢會減弱夏季風環流,并使我國雨帶南移[106],顯著影響我國江淮流域的汛期降水[107]。在南半球環狀模的影響下,南印度洋中高緯度海域的海溫異常可誘發東亞夏季風的變化,從而引起我國長江中下游地區的降水異常[108]。此外,印度洋海溫可通過調節我國華北地區的水汽輸送從而影響當地降水的多寡[109],且熱帶印度洋的早春海表溫度對我國東北地區初夏降水的影響呈年代際增強特征[110],印度洋的海溫變化還是影響我國東北地區極端低溫天氣的重要因子[111]。尤其指出的是,受氣候變暖的強迫,海洋的顯著升溫通過印度洋的電容器效應對我國長江流域的極端降水和華南地區夏季的極端高溫有重要影響[112-114]。在全球變暖的背景下,極端降水和極端高溫事件與氣候模態相關的海氣相互作用和海洋動力過程密切相關,應加強對其的認識,以提升我國對海洋與氣候極端事件的預測能力[115]。

可見,印度洋熱力分異主要調控我國華南和西南地區的季風性降水以及長江中下游地區的汛期降水,同時協同引發我國的旱澇和高溫、冷害等極端災害[1,116-117]。然而在全球變暖的背景下,以及在以印度洋熱力分異為主導、多因子協同疊加的情形下,印度洋熱力異常將對我國氣候產生復雜影響[118]。

5 印度洋熱力分異多源脅迫的協同效應與關鍵災害風險

印度洋熱力多源(區際、洋際和域際)因子的互作脅迫與疊加協同效應(包括放大和相消,這里更多關注放大作用)通過海洋通道和大氣橋等遙相關機制(緣起與中繼)導致我國極端天氣和氣候災害與風險的發生。海洋熱力狀況是大氣運動與季風系統的原始驅動力,有分析表明熱帶印度洋緯向大氣環流異常與東西熱力差異的強迫有關,同時受到印太海洋整體熱力異常的協同影響[119]。20 世紀90年代末,氣象學家開始關注洋際海氣相互作用和耦合關系[28],有關太平洋和印度洋相互聯系的物理機制從海洋通道、海氣相互作用過程和大氣遙相關等方面給出相關闡釋。有分析表明,赤道印度洋緯向垂直環流相繼受到前期和同期赤道東印度洋海溫和太平洋厄爾尼諾型海溫信號的影響[120];熱帶太平洋的熱力年際異常信號通過大氣Walker環流和局地海氣相互作用的緯向大氣橋[121]相聯系,并由印度洋季風環流與太平洋Walker環流的齒輪式耦合作用引發[28];此外,熱帶西太平洋通過貫穿流導致熱帶東印度洋的年際尺度熱力調整[122]。有研究發現,西印度洋的熱含量受到北大西洋濤動(NAO)和北極濤動(AO)的共同調控[123],同時該海域的海溫通過影響Walker環流和信風觸發大西洋厄爾尼諾事件[124]。

印度洋熱力異常的協同作用與影響我國氣候的重要天氣氣候系統(如ENSO、季風環流、副熱帶高壓及菲律賓海異常反氣旋)密切相關。有模式分析表明,熱帶印度洋的海溫變化通過風應力的橋梁作用調制熱帶太平洋海氣系統的正負反饋機制,促使ENSO 暖冷位相的轉變[125],且其年代際變率更為明顯[126]。印度洋海溫從偶極到單極的變化對應ENSO 暖事件的發展與消亡[127],而印度洋IOD 模態的空間特征和強度變化可能是20世紀90年代初印度洋增暖對厄爾尼諾衰減貢獻減弱的重要原因[128]。熱帶印度洋IOD 與ENSO 對我國降水具有獨立且不同的季節影響[129],同時IOD 與ENSO的獨立和聯合作用對我國秋季降水的影響存在明顯差異[130-131],且其聯合疊加影響可同時存在協同放大或相消效應[132]。有研究發現,熱帶印度洋秋季海溫異常的全區一致型和偶極子型對后期東亞冬、夏季風的強度變化具有重要作用,且印度洋和太平洋協同振蕩型可通過東亞冬季風影響我國冬季氣候[133],而ENSO 可調制印度洋熱力異常與東亞季風關聯的顯著程度[134]。此外,有分析表明,我國長江中下游及江南地區的極端降水風險主要受熱帶印太海溫年際和年代際異常與中高緯度歐亞大陸上空緯向遙相關波列的協同調控[135]。西太平洋副熱帶高壓是影響我國東部旱澇災害和高溫天氣的重要氣候系統[136-137],印度洋-南海暖池與赤道東太平洋的海表溫度異常對西太平洋副熱帶高壓具有協同影響[138]。作為熱帶海洋對東亞夏季風和西太平洋副熱帶高壓作用的紐帶,菲律賓海異常反氣旋環流與局地海氣相互作用、ENSO 事件和熱帶內外相互作用關聯密切,并成為影響我國東部地區降水的關鍵因素之一[139-140]。有分析顯示,熱帶西南印度洋夏季海表溫度升高造成北印度洋的東北風異常,通過風-蒸發-海溫(WES)機制使得北印度洋海表溫度升高,同時北印度洋的東北風異常向東延伸引發西北太平洋冷海溫異常,并共同維持西北太平洋菲律賓海的反氣旋式大氣環流異常,進而導致我國長江中下游地區出現極端降水。需要指出的是,西南印度洋溫躍層呈“dome”結構,海溫變化的溫躍層反饋機制(WTS)顯著[36],而夏季熱帶西南印度洋的海溫異常變暖與印度洋IOD 緊密相關[141]。此外,熱帶氣旋是影響我國降水的重要因子,其中熱帶中太平洋增暖與印度洋變冷是夏季西北太平洋熱帶氣旋趨多的主要因素,且北大西洋負三極型海溫異常的協同作用會促使熱帶氣旋的進一步增多[142]。

對印度洋跨洋盆相互作用的深入認識是提升季節至年代際氣候預測準確性的重要環節。鑒于系統與系統間的互作互饋機制異常復雜,并考慮到海氣系統具有顯著的非線性動力行為體現[143],可基于信息熵理論,通過構建傳遞熵和互信息熵等信息傳輸特征量加以分析。針對印度洋作為信息源的信息傳輸的全球特征研究表明,其大氣信息匯主要分布于中緯度地區,且與太平洋和印度洋存在信息通道[144-145]。針對三大洋協同性及影響的分析表明,三大洋的交互作用可協同影響我國南部地區季節內降水、頻次和強度的分布格局與演化,并引發極端天氣氣候事件[146-148]。有研究發現,ENSO 事件期間的熱帶印度洋和太平洋存在明顯的三維“齒輪式”耦合特征,同時印度洋與大西洋耦合助推極端厄爾尼諾事件的暴發[149]。可見,充分考慮印度洋的洋際協同作用可有效提高對極端厄爾尼諾事件的預測水平[150]。

總而言之,印度洋熱力分異可由局地或遠地作用(如ENSO)機制觸發[151],大氣動力異常由WES和WTS (Bjerknes正反饋)等反饋機制以及大氣與海洋波動過程(如Kelvin波和Rossby波)影響印度洋熱力分異分型和氣候演化,并通過海氣相互作用、季風影響以及與其他大洋的協同作用等對我國產生顯著和不同的氣候效應,尤其對我國極端氣候事件的發生具有極大的影響。但相關影響機制,尤其是針對氣候變化下全球與區域性氣候變率、中高緯度環流系統以及各大洋之間的協同調制作用對我國極端氣候事件的影響和危險性等科學問題,亟須開展深入的研究。

圍繞上述主要科學問題,本研究簡要概述印度洋熱力分異及多源強迫協同作用下我國氣候和環境的關鍵風險。印度洋熱源異常是我國重要的氣候、環境和海洋影響中心:一方面,通過影響大氣季節內振蕩等過程引起東亞中高緯度地區的環流變化,造成夏季風和西太平洋副熱帶高壓異常,同時調控熱帶氣旋暴發和強臺風生成,進而影響我國東部地區季風雨帶和氣溫的配置與強度[102,152-153];另一方面,激發熱帶內外低頻遙相關波列形成,影響我國旱澇、高溫與冷害等災害的極端特性和分布格局[154]。尤其是在全球變暖的背景下,熱帶印度洋熱力異常和相應的大氣季節內振蕩對流活動異常均發生改變[155],印度洋熱力分異模態與全球和區域氣候變率(如太平洋ENSO 事件)以及與其他大洋協同疊加作用,對我國東部地區氣候尤其是極端氣候產生復雜而嚴重的影響[37,148,156-158]。同時,印度洋熱力分異模態可通過影響異常反氣旋的建立,致使我國南海發生極端高溫現象[159],對海洋環境和珊瑚礁等生態系統造成災害性影響。因此,針對我國海洋與氣候變化的研究須考慮印度洋熱力模態的綜合影響,這對于提高東亞極端氣候和環境的可預報性與災害風險防控的精準性至關重要。

6 研究存在的不足與建議

目前圍繞印度洋熱力變異及其氣候環境效應已取得一定的研究成果,但針對基礎性和關鍵性科學問題的研究仍存在很大的不足。

(1)相關科學問題研究的系統深入嚴重依賴觀測技術方法的發展和觀測體系的建立。印度洋海盆尺度的相關觀測始于20世紀60年代[160],之后首次GARP全球實驗印度洋實驗(INDEX)、世界大洋環流實驗(WOCE)、全球聯合海洋通量研究(JGOFS)和ARGO 全球海洋觀測網計劃相繼實施,對印度洋進行較為系統的觀測和研究。隨后氣候變率與可預測性研究計劃(CLIVAR)和全球海洋觀測系統(GOOS)聯合推動建立印度洋海洋觀測系統(Ind OOS),其以亞非澳季風分析和預測浮標網絡為主要組成部分。隨著印度洋多學科海洋調查航次的不斷開展,對印度洋的觀測與研究能力日益提升,我國也將“兩洋一海”(西太平洋、南海、印度洋)作為重要的核心觀測區。然而相比于其他大洋,印度洋現場觀測資料尤其是深層次海洋資料仍十分匱乏。

(2)印度洋熱力異常除通過大氣橋的作用反饋于北極濤動[161]、南北極渦[162]以及協同其他大洋聯合影響我國氣候與環境,還通過海洋通道作用中繼高緯度環狀模態(可理解為大氣不穩定性由活動中心向活動帶的推廣延伸[163])的遙相關影響。當前對相關科學問題的認識主要集中在印度洋熱力分異和洋際等多源協同的大尺度特征,對有關的耦合機理、聯合影響、協同效應及多尺度變化的認識仍相當有限。尤其圍繞以印度洋為核心的各大洋協同作用及其造成的復合型極端或超級災害性事件,有待進一步系統研究多源脅迫和多時空維度的相互作用影響與機理。此外,中小尺度海洋過程使得氣候預測復雜化,已成為提升短期氣候預測能力的關鍵。因此,亟待圍繞海洋熱狀態,重點突出印度洋海洋與大氣季節內振蕩等中小尺度動力過程進行研究,打通印度洋熱力分異演變與洋際協同關鍵動力聯系和能量信息通道,發展大數據處理人工智能或機器學習新方法[164],豐富中小尺度理論以及開展中小尺度建模研發,進而為我國氣候變化預測與災害風險精準化評估奠定基礎。

(3)在全球變暖的背景下,印度洋升溫最為明顯[144,165],極端和早發型IOD 頻發[166-167]。印度洋熱力變異通過增強大氣季節內振蕩的東傳和北傳[168]調節太平洋氣候[169],影響北大西洋氣候變化并強化大西洋經向翻轉環流[144,170],顯著調控南海夏季風暴發[171],進而加大極端天氣和氣候事件的致災危險性[114,172]。目前已從系統的觀點認識到大洋區域子系統(如大洋與近海)、不同界面(如海氣界面)之間存在相互作用、相互影響和相互適應的過程[173],但缺乏對獨立個體和聯合主體的貢獻以及作用通道疊加效應的析構,尚未深刻辨析其相關性和內在關聯本質、主被動關系以及協同和相消作用,無法明確作用貢獻隸屬、影響通道以及聯動與響應反饋機制,由此影響對相關要素變率尤其是氣候變化下印度洋熱力分異模態成因機理和未來演化的準確研判和預測,進而妨礙有關印度洋熱力分異與多源強迫協同作用對我國氣候和環境效應的深刻認知和災害風險的精準防控。

基于目前有關印度洋熱力分異與洋際協同及其對我國氣候和環境效應的研究現狀和不足,本研究提出3項啟示性建議。

(1)夯實印度洋海洋觀測基礎,不斷完善關鍵海區的全過程、全要素觀測數據,為海洋熱動力學與海氣相互作用過程、東亞季風變異及氣候模擬與預測等研究提供可靠的基礎數據支撐。需要指出的是,印度洋熱力異常可激發大氣季節內振蕩,并通過大氣波-波的相互作用引起中高緯度大氣環流擾動以及嚴重影響東亞氣候[174]。作為影響我國天氣氣候與旱澇災害的重要大氣環流系統,西太平洋副熱帶高壓的發展和演化受到印度洋熱力強迫下準定長波、高空急流、瞬變渦旋和阻塞等形勢與過程的重要影響[175-178]。由于高分辨率觀測資料的匱乏[152,179],相關科學問題亟須系統深入研究。因此,應針對氣候變化下印度洋熱力變異與季節內振蕩激發傳播、東亞季風暴發、西太平洋副熱帶高壓和西北太平洋低層大氣環流異常(以氣旋和反氣旋為主),尤其是菲律賓海異常反氣旋等科學問題,圍繞洋際交互的海洋與大氣貫穿通道,加強國際合作,主導印度洋尤其是東印度洋海洋綜合調查,系統構建高分辨率和深層次的海洋多要素氣候變化監測和氣候連續觀測體系,改善分散、單一的觀測局面,促進海洋多學科交叉與融合,為印度洋熱力變異對我國海洋氣候和環境生態的效應及其災害風險的相關研究奠定基礎。

(2)發展跨界面(尺度)相互作用的氣候診斷分析技術方法,厘清海洋與氣候系統及系統間不同尺度的互作互饋作用隸屬和通道機制,為我國海洋氣候和環境生態災害的精準預測和風險管理提供科學依據。深刻認識海洋與氣候指標內涵,辨識和建立精準指標體系,提高濾波降噪和因應關系及穩定性[180]的診斷分析與析構方法,提高技術方法的動態性、自適應性以及全息化智能性,尤其著眼于作用隸屬與通道機制(脅迫因子、主導通道、疊加轉換、占優析構),針對海洋與氣候復雜系統多源性、多尺度的復合型特征,發展人工智能、機器學習和數字孿生新方法,為區際、域際和洋際海洋子系統之間以及海、陸、氣、冰等跨圈層不同界面的相互作用、影響和適應,海洋與氣候的臨界狀態、響應反饋、作用通道、影響貢獻和安全風險評估應對等科學研究提供理論和技術支撐。

(3)深刻辨析氣候變化下印度洋熱力變異對我國氣候與環境生態影響的關鍵風險與動態趨勢,發展分類、分級、分時、分區的災害與風險等級動態區劃技術,提高氣候變化與災害風險的精準適度應對效率,避免過度適應。著力探討印度洋熱力分異的氣候模態分型、轉換[63]、載荷[181]、位相鎖定和不對稱性[182]與影響東亞季風變化的關鍵海區海溫異常的關聯性,尤其加強對南海夏季風[183]、副熱帶季風[184]和西風急流變異[107]的驅動機制以及季風雨帶留滯推進的熱動力協同強迫的探討,從而為我國極端降水和重大旱澇的預測以及災害風險的精準防范[185]提供重要的科學參考。基于對印度洋洋際耦合系統互作互饋機制機理的系統分析,闡釋耦合影響、聯合作用和協同放大效應(影響貢獻),構建動態綜合風險區劃技術(等級區劃),為氣候變化下的關鍵風險預估和等級區劃以及災害與風險的高精準防治(管理治理)提供科學依據,進而為我國建設海洋強國和構建海洋命運共同體提供有效的科技支撐。