2018年度创新群体重要科研进展
一、概况
1. 科研工作与成果
（一）概述实验室年度承担课题情况，当年到位经费情况等。
海洋环流动力学研究方向
1. 太平洋西边界流对印尼贯穿流变异的影响
通过印尼海马鲁古海峡的连续4年的潜标观测，发现马鲁古海上层环流平均输运向北流向太平洋，澄清了过去对马鲁古海上层环流的模糊认识。并首次估算了输运平均值，约为1.0 Sv。观测显示，2014年春夏季，印尼贯穿流突然向南增强，流量总变化达14 Sv，其中年际变化有3.5 Sv，与风强迫的变化响应不同，这些变异主要是由太平洋西边流——棉兰老流路径发生跃迁引起的，并且该变异可能对2014年的厄尔尼诺的发生、发展过程起了重要的抑制作用。基于以上观测发现，罗斯贝波与西边界流相互作用能够引起印尼贯穿流的变化，进一步为Rossby波在太平洋西边界的非线性反射提供了坚实的证据。这些结果为太平洋西边界流的非线性动力学研究奠定了坚实的理论和观测基础。该成果发表在Journal of Physical Oceanography上。
2. 估算了不同温室气体排放背景下东海冬季的跨陆架碳输运通量
基于马普耦合模式，结合现场水文观测资料，估算了东海冬季跨陆架环流的流量及其向深海大洋的碳输送量。由于黄东海冬季的跨陆架环流强度远大于其他季节，且进入黑潮次表层，因此，黄东海跨陆架埋碳过程主要发生在冬季。分析结果表明，黄东海存在明显的跨陆架输运，其中跨越台湾岛至济州岛一线陆架边缘向外海的年平均水体输送量为3.92Sv（1Sv=106m3 s-1），净输送量为向外海0.82Sv，与台湾海峡和济州海峡流量之差相当。冬季，跨陆架向外海的溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）的净输运量分别为98百万吨、12百万吨和0.1百万吨（图1）。在全球温室气体减排（RCP4.5）和持续增加（RCP8.5）背景下，该跨陆架输运有不断增强的趋势，其中冬季跨越台湾岛至济州岛一线陆架边缘向外海的流量从2006年到2099年分别增加了0.54Sv和0.65Sv，增幅分别达15.3%和19.6%。受其影响，冬季跨陆架向外海的DIC，DOC和POC的输运量增加幅度在15.4~25.2%之间（图2）。该研究首次评估了全球变暖背景下的东海冬季跨陆架碳输运量，揭示了跨陆架输运在中国近海碳循环中的重要作用。该成果发表在Science China Earth Sciences。
3. 西边界反射对赤道印度洋季节环流的影响
使用海洋模式进行西边界反射阻断试验，揭示了西边界反射对赤道印度洋季节环流的影响。研究表明，当西边界反射受到抑制时，赤道中东印度洋纬向流及动力高度的振幅减小，暗示了西边界反射对赤道印度洋环流的正反馈作用。图1对比了有无西边界反射情况下第二斜压模赤道开尔文波和罗斯贝波系数的季节分布。赤道波分析结果显示，西边界反射主要影响第二斜压模下纬向流及动力高度的半年循环。并且它对纬向流和动力高度的影响呈现较强的不对称性。西边界反射引起的动力高度变化显示，无论是第一斜压模还是第二斜压模开尔文波对半年循环的贡献要大于罗斯贝波，而水平流变化显示，第一经向模罗斯贝波的贡献要大于开尔文波。这些结果都揭示了西边界反射对赤道印度洋季节环流的重要作用。该成果发表在Journal of Oceanography上。
海气耦合气候动力学及可预报性研究方向
1. 全球变暖背景下IOD-ENSO前兆关系的海洋通道机制
印度洋偶极子（IOD）引起的印尼贯穿流（ITF）输运的年际异常在赤道西太平洋引起次表层海温异常，并随后向东传播到赤道东太平洋，进而参与海气耦合过程，对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的发生和发展造成影响。IOD领先ENSO一年的这一前兆关系主要受ITF年际变化的控制，这一过程也被称作“海洋通道机制”。使用高分辨率大洋环流模式资料和观测资料，通过滞后相关分析诊断了海洋通道机制。结果显示，东南热带印度洋秋季和印太海盆下一个冬、春、夏、秋季海面高度异常和次表层温度异常始终存在从西太平洋到东太平洋的显著的相关关系。相反，海面风场的显著滞后相关只存在于下一个冬季，之后的滞后相关在太平洋均不显著。模拟与观测结果大体一致。这一对比结果表明，IOD和ENSO的领先一年前兆关系的动力机制主要是与ITF年际变化有关的海洋通道机制，而非通过大气桥联系。本研究还利用一个理想线性连续层化模式，首次估算了印度洋年际开尔文波从赤道印度洋向太平洋传播的穿透率。实验结果表明，印度洋年际开尔文波可以通过望加锡海峡和东印尼海到达西太平洋，总穿透率约为10%-15%。实验证实了印度洋海洋异常信号可以通过开尔文波传播到太平洋，并影响下一年的太平洋ENSO，这也是海洋通道动力机制的本质过程。 研究还通过分析CMIP5项目的数模资料，研究了IOD和ENSO一年前兆关系的年代际和多年代际变化。发现了在全球变暖背景下，过去一个世纪IOD和ENSO的前兆关系处于增强趋势，且这一趋势和ITF输运的减弱趋势有关。因此，和ITF输运变化有关的海洋通道机制在IOD领先ENSO一年的前兆关系中有重要贡献。该成果发表在Journal of Oceanology and Limnology上。
ENSO是热带太平洋海气系统最主要的年际气候模态,它的发生对全球气候有重要的影响,一直以来都是学者们关注和研究的热点。但ENSO的爆发机制仍是一个没有解决的问题。观测显示主要的厄尔尼诺事件发生之前都存在显著的季节内西风爆发，这使得人们认为季节内变化对激发厄尔尼诺事件有重要的作用。赵霞等人（2018）利用逐日风场强迫的LICOM海洋环流模式研究了赤道太平洋季节内风场调制的年际变化及动力过程。结果表明，在冷舌区域季节内风场调制的年际SSTA和SLA比总的年际SSTA和SLA弱得多，这是因为季节内风场调制的赤道Kelvin波和Rossby波比整个年际变化弱得多。进一步，季节内风场调制的年际Kelvin波远小于西边界反射的Kelvin波和年际风场强迫的Kelvin波，这表明在ENSO动力学中后两者比季节内风场的作用更为重要。这项研究结果表明，季节内风场产生的海洋非线性调制在厄尔尼诺的发生和循环过程中不太可能起重要作用. 该成果发表在Climate Dynamics上。
3. 热带北太平洋上层经向地转输运年代际变异及其对PDO可预报性
研究表明，太平洋年代际震荡（PDO）源于海洋和大气多个物理过程的相互作用，其中北太平洋环流变异在其中起着重要的作用。在年代际时间尺度上，海洋环流的动力机制由表层艾克曼抽吸产生的海洋经向运动决定。所以，海洋的经向输运年代际变异对热带太平洋年代际变异起着举足轻重的作用。传统上，我们对海洋平均经向输运的认识主要是基于Sverdrup理论，这一理论建立在线性动力学基础上。对海洋经向输运及其变异的成功模拟是现代气候系统模式进行年代际气候预测及研究的关键，而目前气候模式中海洋大多是粗分辨率（纬向分辨率>1度），因此它们对海洋环流的模拟本质上是与Sverdrup理论吻合的。因此，了解实际海洋中海洋经向输运的年代际变异特征及其规律，评估Sverdrup理论在刻画北太平洋经向输运的年代际变异的代表性，对气候年代际变异研究及其预测具有重要意义。本研究主要通过分析62年历史水文资料，揭示热带太平洋经向地转输运（MGT）的年代际变异特征，发现MGT在超前PDO指数1-3年具有显著相关（图1），表明其对北太平洋年代际变异具有可预报性。热带太平洋增强（减弱）的经向输运有利于产生PDO正（负）位相，表明热带充放电机制是导致热带太平洋经向输运对PDO有可预报性的主要机制。而热带北太平洋Sverdrup输运对PDO不具有可预报性，目前主要的气候模式（如CMIP5）及高分辨率海洋模式OFES因其动力机制主要受Sverdrup理论控制也未能模拟出MGT对PDO的可预报性。因此，热带北太平洋非线性过程的模拟是气候模式成功模拟年代际变异的关键。该成果发表在Journal of Climate上。
二、重大研究成果
1. 印尼海潜标阵列维护与升级
建成了有史以来最大规模的印尼海潜标阵列观测，2018年开展并完成了印尼海内海海洋调查，航次期间在马鲁古海、利法马托拉海峡、哈马黑拉海以及塔劳群岛附近成功回收并布放9套潜标。占据了关键海峡，为研究2017年弱暖厄尔尼诺时间期间印尼贯穿流变异提供了宝贵的实测数据。为开展国家自然科学基金委创新研究群体项目 “西太平洋海洋环流动力过程”研究工作的开展，打下了良好基础。
应印度尼西亚Sam Ratulangi大学邀请，中国科学院海洋研究所所、中国科学院沈阳自动化研究与Sam Ratulangi大学三方合作，成功将沈阳自动化所自主研发的“海翼1000”水下滑翔机部署在马鲁古海峡，执行印度尼西亚太平洋入口处海洋环流的观测任务。
该台“海翼1000”水下滑翔机将在马鲁古海峡执行东西走向约100海里进行往返断面观测，预计将持续观测3个月以上。“海翼”水下滑翔机依靠自身携带的温盐深传感器对印度尼西亚东北海的环流精细结构进行连续观测。此次海上观测任务是中国科学院海洋研究所与Sam Ratulangi大学签订的《印度尼西亚东北海和西太平洋环境变异合作研究运营计划》中实地观测活动的一部分，是我国自主研发水下滑翔机首次走出国门执行国际联合观测任务。
“海翼”水下滑翔机首次国际联合观测应用为我国与东南亚国家就海洋环境调查领域开展互利合作开辟了更加广阔的空间和前景，将在我国 “21世纪海上丝绸之路”建设中发挥重要支撑作用。
三、学术交流
1. 成功举办第三届“西太平洋海洋环流-印尼贯穿流研究国际研讨会”
10月30日-31日，第三届“西太平洋海洋环流-印尼贯穿流研究国际研讨会”在青岛海洋科学与技术试点国家实验室召开。本次会议由国家自然科学基金委创新研究群体项目“西太平洋海洋环流动力过程”召集，中国科学院海洋环流与波动重点实验室和海洋试点国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室共同承办。西边界流和印尼海研究对全球气候变化和近海环境保护有重要意义，此次国际研讨会在分析总结已有的观测结果的同时，对扩大国际合作和更好地设计未来的观测实验方案具有重大意义。
“西太平洋海洋环流动力过程”创新研究群体是2015年获得国家自然科学基金委批准资助的我国西太平洋海洋环流动力学与气候学研究领域的高水平研究团队，在该群体的学术带头人，国家杰青、国家重大科学研究计划首席科学家、中科院“百人计划”研究员袁东亮的带领下，群体再接再厉，不断向国际科学高峰冲刺。第三届“西太平洋海洋环流-印尼贯穿流研究国际研讨会”是在这一背景下召开的一次高端国际科学研讨会。来自美国伍兹霍尔海洋研究所、佛罗里达州立大学、加州大学尔湾分校，英国牛津大学、帝国理工大学、利物浦大学，澳大利亚联邦科学与工业研究组织等国际知名大学和研究机构的海洋学与气候学专家出席了此次盛会，共同探讨西边界流动力学及其在ENSO和全球气候变化中的作用。
四、海上调查情况
（1）2018年中国科学院海洋研究所（IOCAS）与印度尼西亚科学院海洋研究中心(RCO/LIPI)印尼海联合调查
2018年“IOCAS-RCO/LIPI印尼海联合调查航次”从9月5日雅加达开始，至10月4日返回比通结束，共计30天，顺利完成各项观测任务。航次的主要任务是维护由中国科学家主导的在印尼海最大规模的潜标观测网。航次期间在马鲁古海、利法马托拉海峡、哈马黑拉海以及塔劳群岛附近成功回收并布放9套潜标，收放各种观测仪器约200件。此外，共完成53个常规CTD站位，其中包括首次班达海断面的全水深观测。
（2）2018年基金委西太平洋开放共享航次
“科学”号科考船11月5日完成了国家自然科学基金委“2018年西太平洋开放共享航次”项目科考任务顺利返回青岛母港。课题组袁东亮研究员认项目首席，王铮副研任航次首席。此次科考获取了西太平洋水文气象、海洋生物生态、化学和地质沉淀物的相关数据和样品。
本航次共完成70个作业站位，包括45个常规CTD站位以及25个走航站位。主要作业内容包括：所有整度站位进行全水深CTD和LADCP观测，北纬18N断面获取了台风“玉兔”过境后第一手观测资料；成功回收并重新布放两套物理水文-地质沉积物组合潜标；对棉兰老冷涡和哈马黑拉暖涡进行CTD和湍流剖面加密观测；国产海洋仪器（波浪滑翔器、高频漂流浮标）海试成功；大气多要素走航观测、多联网、微塑料水平拖网等。这些观测资料的成功获取有助于加深对该海区环流及气候变异、生物地球化学过程的认识和理解，具有重要的科学意义。
该航次搭载了国内8个单位的25个国家级科研项目，来自中国科学院海洋研究所，中国科学院烟台海岸带研究所，中国科学院生态环境研究中心，厦门大学，中国海洋大学，天津科技大学，河海大学，东莞理工学院的31名科研人员参加了此次科考任务，航次历时31天，行程5600余海里。
（3）与印尼Sam Ratulangi大学合作在马鲁古海峡布放我国自主研发的水下滑翔机
2018年11月29日，中科院海洋所联合中科院沈自所与印尼Sam Ratulangi大学海洋学院在印尼马鲁古海峡成功布放我国自主研发的1000米级水下滑翔机，目前为止一直在正常运行。
