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物理海洋學是由海洋觀測、理論分析和數值模擬共同推動的科學。得益于海洋觀測和數值模擬能力的提高，2016年物理海洋學取得了一系列重要進展。
簡述了2016 年大西洋經向翻轉環流變異
西邊界流與中尺度渦相互作用
溫躍層湍流混合等重要研究成果
回顧了中國在熱帶西太平洋及鄰近海域海洋觀測網的建成
新型Argo 浮標投入使用等海洋學熱點事件
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2015—2016年發生了近20年來全球最強烈的厄爾尼諾現象、創記錄的全球表面最高溫度、最小的北冰洋海冰面積和最快的南極洲冰蓋消融速度等一系列極端海洋和氣候事件。這些現象和過程被遍布于各大洋的觀測體系完整地記錄了下來。
觀測能力的提高，使人們在實時掌握這些影響人類命運的、大尺度的地球-海洋-大氣現象的同時，對預測其變化趨勢的能力有所提高。
2016?年，由于氣候數值模擬能力大幅提高，人們可以將海洋-大氣系統置于統一的模型，并在百千米的尺度（中尺度）上研究海洋-大氣相互作用。
海洋觀測體系的發展和數值模擬技術的進步在2016年物理海洋學的研究中起到了至關重要的作用。
本文從大西洋經向翻轉環流變異、西邊界流與中尺度渦相互作用、溫躍層湍流及其影響，以及中國海洋觀測網建成和新型Argo?觀測浮標啟用等幾個方面，盤點2016年物理海洋學研究取得的突出進展及發生的重大事件，展望新的觀測體系和方法在推動學科發展中的作用。
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北極海冰消融，《后天》情形會否出現？
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熱鹽環流是依靠海水的溫度和鹽度差異而驅動的全球洋流循環系統，該系統在大西洋表現得最為明顯。赤道溫暖的海水隨著上層的大西洋灣流向北移動，在途中釋放出熱量并不斷的蒸發，在使自身變得又冷又咸的同時，溫暖和滋潤著北美和歐洲大陸。在到達北大西洋高緯度時，因海水密度增大而沉入深海，并以底層西邊界流的形式向南流去，之后匯入南極繞極流，最終流向太平洋和印度洋并在那里上翻至上層海洋，完成整個環流（圖1）。這個環流被稱為“大西洋經向翻轉環流”。熱鹽環流將低緯度地區多余的熱量輸送到高緯度地區，維持著全球氣候系統的能量平衡。一旦熱鹽環流停止，全球熱量平衡就會被打破，赤道地區和南北半球將陷入一系列極端天氣的環境之中。2004年一部災難電影《后天》即講述了這種災難：全球變暖使北極的冰川和海冰融化，過多的淡水注入北冰洋使得海水密度減弱而終止下沉，進而導致熱鹽環流停止。接著，北美洲和歐洲急劇降溫，地球陷入如冰河期一般的嚴寒中。影片描繪的情節真的可能發生嗎？在當前全球變暖的大背景下，這一問題越發引起科學家的興趣和關注。尤其是近10年來的觀測數據顯示，北大西洋的熱鹽環流一直在減弱，人們不禁擔心，在不久的將來熱鹽環流會停止嗎？“后天”真會到來嗎？
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圖1 ?熱鹽環流示意（圖片來源：Climate Science Investigation，NASA）
熱鹽環流是否停止，首先要證實北冰洋區域，尤其是拉布拉多海的海水是否在變淡。2016年，研究人員考察了格陵蘭島冰層融水的影響，在熱鹽環流領域取得了重要的進展。
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Yang?等使用GRACE?衛星數據，估算了格陵蘭島的淡水通量，證實了格陵蘭島冰層的加速消融（圖2（a）），通過估算注入北冰洋北部的格陵蘭冰川融水、加拿大北極群島冰川融水和北冰洋海冰融水的總和（圖2（b））獲得了一個重要發現，即注入北冰洋北部的淡水在過去的20年中急劇增加，且這一增加對應著1995?年以后拉布拉多海（Labrator Sea）密度急劇下降的現象。研究認為，這可能是導致近10年來熱鹽環流減弱的原因。
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圖2 1995—2015 年格林蘭島冰層變化（a）及北冰洋北部淡水來源及其分布（b）（圖片來源：《Nature Communications》）
由于格陵蘭島覆蓋區域巨大，冰川融水來自島的四周，因此闡明不同區域、范圍和強度的淡水對大西洋經向環流的影響就顯得十分必要。Luo等利用高分辨率的海洋環流模式，發現了格陵蘭島東南部的冰川融水有50%~60%被向西輸送到了拉布拉多海北部，并在那里導致了海水的鹽度和密度的變異。與之相反，格陵蘭島西南部的冰川融水，卻僅有1%~15%被輸送到了到拉布拉多海北部。研究還發現，如果在模式中人為增加2倍淡水輸入，在拉布拉多海內部的鹽度和密度變化幅度將會超過2倍，且能持續到有利于深層水生成的冬季。這意味著，如果氣候持續變暖而導致格陵蘭島冰川融水量加大，那么拉布拉多海則會急劇變淡并且形成穩定層結，這將阻礙深層水的生成和熱鹽環流的流動。
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盡管如此，一些科學家認為大可不必擔心熱鹽環流的終止。有的海洋模擬結果顯示，在1990年之前，大西洋經向翻轉環流經常出現交替性的增強和減弱，因此不能確定過去10多年來大西洋經向翻轉環流的減弱是一個持續的現象，亦或是其年代際周期性振蕩的一部分。為解決這個問題，2016?年Jackson等利用全球海洋數據同化系統，成功將1995—2015?年間所發生的海洋現象準確地置于更長的時間背景下，證明了這10年來的大西洋經向翻轉環流的減弱是緊隨著上一次大西洋經向翻轉環流增強而發生的，且增強和減弱幾乎具有相同的????周期。因此，近10年來大西洋經向翻轉環流的減弱很可能是對其上一次增強的修正和復原（圖3）。
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圖3 1995—2015 年大西洋經向翻轉環流強度年際變化特征（圖片來源：《Nature Geoscience》）
因此，依據現有的觀測尚不能斷言大西洋經向翻轉環流會持續減弱甚至終止。在保持持續監測的同時，一方面需要開發新的技術以考察貯存在冰蓋、深海沉積等的大西洋經向翻轉環流信號，另一方面應增強數值氣候模擬的能力，考察其是否存在年代際及更長時間尺度的周期性變異。
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中尺度渦調制能量傳遞，大洋環流形態被改變
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中尺度渦是海洋中水平尺度為幾百千米的渦旋運動，與大洋環流那種可跨越整個洋盆的大尺度海洋運動相比，中尺度渦短暫而強烈。它的“旋轉速度”可達每秒數米，比大洋典型洋流的流速高出10倍，而生命周期卻只有短暫的幾十天。中尺度渦（斜壓或正壓）從不穩定的大尺度環流中產生并獲取能量而不斷成長，又能在海底摩擦及與內波的相互作用等過程中將能量串級到次中尺度和小尺度運動中，因此在能量傳遞過程中起著承上啟下的作用。但是，在地球自轉和海水密度層化的約束下，中尺度渦旋近似處于穩定的地轉平衡狀態，因此又可與大尺度環流相互作用，實現能量的反向串級。
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經典的大洋環流理論假設大洋環流是由大尺度風場驅動的。對于在百千米尺度上，風場如何具體地影響海洋、兩者如何相互影響，以及它們對于大尺度海洋環流影響的問題都沒有系統性的答案。由于中尺度渦在大洋中分布極為廣泛，而且大量地集中于全球主要洋流的鋒面區域，若存在中尺度的海-氣相互作用，無論對于海洋還是大氣，其熱動力影響都是巨大的。2016年，物理海洋學在該領域取得了許多突破性進展，主要表現在以下方面。
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1）闡釋了大尺度風場和中尺度渦的相互作用。Byrne等利用高分辨率海洋大氣耦合模式證明，中尺度渦能夠通過熱力學過程從風場中獲取能量。由于與周圍海洋相比，中尺度渦自身溫度具有顯著的偏冷（對應的是氣旋式渦旋）或偏暖中心（對應的是反氣旋式渦旋），在風場由北往南逐漸增強的條件下，該偏差會在海面上形成氣旋或反氣旋的風場異常，后者能進一步增強海洋中尺度渦旋，形成相互正反饋機制（圖4）。在這個機制下，中尺度渦自身成為了能量從大氣輸入海洋的通道。在南大洋，這一通道輸入的能量占了中尺度渦總機械能的10%。值得注意的是，在南大洋極地鋒面以北區域，上述大氣和海洋結構非常普遍，意味著這種能量傳輸機制顯得尤為重要。
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圖4 存在水平梯度的大尺度風場與中尺度渦相互作用而增加中尺度渦的能量示意（圖片來源：《Nature Communications》）
2）提出了中尺度渦-大氣相互作用對風生大尺度環流的調控作用。經典風生環流理論的基本框架是風生的表層Ekman流和Ekman抽吸引起下層地轉運動。風生運動和海洋內部過程能很好地解釋西邊界流及其變異機制。在風生環流理論范疇內，風場都是大尺度的，并沒有考慮中尺度的海氣相互作用對于環流的影響?；谏鲜隼碚摰臍夂蚰Ｊ狡毡榇嬖谀M偏差，即模擬的西邊界流鋒面系統性地偏弱，且西邊界流在中緯度的位置不準確。即使將模式的分辨率提高到能夠模擬中尺度渦的水平以后，這一問題依然存在。
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2016年，Ma等研究認為，中尺度渦和大氣相互作用及其對大洋產生反饋的缺失，是導致氣候模式產生模擬偏差的根源。在黑潮及其延伸體區域，如果人為削弱高分辨率氣候模式中中尺度渦和大氣的相互作用，會導致黑潮流速減弱20%~40%，且使得黑潮流軸變得更加蜿蜒曲折，位置也將出現偏移。其中，黑潮強度的減弱是因為，正常情況下超過70%的渦旋勢能通過海氣界面的中尺度熱力耦合過程耗散掉，而當中尺度渦和大氣的耦合被數值模式錯誤地減弱后，勢能的耗散會相應地顯著減弱，而為了維持中尺度渦的勢能收支平衡，勢能的產生也要相應的減少。這就使得中尺度渦從平均流吸收能量減少，從而必須維持一個平均流速較小的黑潮（圖5）。同時，抑制中尺度渦和大氣的相互作用，將會導致渦動能的增加，從而引起黑潮延伸體的蜿蜒度增加以及寬度變大。這一發現對于改進氣候模式中全球海洋西邊界流的模擬精度具有重要意義。
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圖5 海洋中尺度渦與大氣相互作用從而影響黑潮延伸體強度示意（圖片來源：《Nature》
3）發現了中尺度渦致混合可抵消全球變暖和風場移動對大洋環流的影響。氣候模式顯示，全球風系持續地增強并向極地擴展，西邊界流增溫速率與海氣熱通量增加速率加快。根據線性動力學理論，西邊界流將隨之加強并北移。然而，Beal等通過分析印度洋一特定斷面上的海流觀測數據（圖6）發現，印度洋的西邊界流安古拉斯流從1990年以來其強度并沒有增加。有意思的是，安古拉斯流變得更寬了，而且更加蜿蜒曲折，相應伴隨的渦動能也更大了（圖7）。這些結果表明，氣候變化對應著邊界流區的渦動能增加，卻沒有對應著平均流的增加。
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圖6 安古拉斯流示意及跨安古拉斯流全水深海流觀測站點位置（圖片來源：《Nature》）
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圖7 跨安古拉斯流的單位長度流量和動能變化趨勢分布（ 圖片來源：《Nature》）
Munk邊界層理論可以較好地解釋增強的渦動能與變寬的西邊界流這一現象。而依據Ma的研究結果，抑制中尺度渦和大氣的相互作用也會導致渦動能的增加、黑潮延伸體的蜿蜒度增加及變寬。這一方面說明了中尺度渦在調制大洋環流方面的作用，另一方面也說明了這種調制過程的復雜性。
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“湍流”充斥海洋躍層，影響厄爾尼諾和氣候預報
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湍流是發生在海洋中的較小尺度的運動，其特征尺度為1 m，多由內波通過剪切不穩定或對流不穩定等過程發生破碎而生成。湍流能造成水體的跨等密度面混合與能量耗散，是中小尺度過程的能量完成最終耗散的媒介，在能量級串中也起著重要的作用，因此一般將湍流過程和混合相提并論。溫躍層是水下50~200 m左右的特定水層，從溫躍層頂到層底，溫度急劇下降，密度急劇增加，似有躍變，因此稱為“躍層”。在溫躍層內，溫度和密度的層結增強了海水的穩定性，使得溫躍層成為上層暖水和下層冷水的分界面。若能打破溫躍層而使得海洋表層的熱量向下傳輸，則通過海-氣相互作用而誘導的熱動力過程將對氣候形態造成極大影響。迄今為止，還沒有系統性、長時間跨度的對溫躍層內混合過程的直接觀測，因而也無法揭示其變異機理。對溫躍層內混合過程表征的不準確性被認為是導致當前海洋環流模式、海洋-大氣耦合模式及地球系統模式出現模擬偏差的重要因素之一。
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2016年，Liu等通過分析熱帶太平洋冷舌區所有的Argo浮標觀測數據和持續10余年的熱帶大氣海洋觀測陣列（TAO）的高分辨率觀測數據，確認了在赤道太平洋冷舌區的溫躍層的上半部分普遍存在著較強的混合現象，發現了在溫躍層的下半部分（也是赤道潛流的下半部分）也存在著強烈的混合過程，而且這些混合過程在熱帶不穩定波（TIW）發生期間和在拉尼娜（LaNi?a）氣候狀態下發生不穩定的頻率更大，發生的層次更深（圖8）。因為湍流過程能夠改變躍層的結構和強度，而后者又能夠決定厄爾尼諾的強弱及其發展過程，這一發現對于厄爾尼諾的發生和變異機理研究及模擬預測具有重要的意義。
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圖8 赤道東太平洋冷舌區一站點月均的剪切不穩定發生次數隨深度和時間的分布（圖片來源：《Nature Communications》）
上述研究揭示了赤道太平洋冷舌區的溫躍層內的垂向混合現象，但是沒有給出混合率和混合系數的量值。為了更好地模擬海洋運動以及海洋的質量、熱量、碳等的傳輸過程，在海洋數值模型必需盡可能準確地確立垂向混合系數的空間分布。2016年，Jing等發現了風驅動的近慣性內波在溫躍層內的破碎是湍流混合的主要來源，且給出了相應的參數化方案。研究發現，中尺度的風（尺度為百千米）在北太平洋貢獻了超過65%的近慣性能量通量，且在溫躍層內貢獻了55%的湍動能耗散率（圖9）?；谏鲜鼋Y果，Jing等提出的新方案成功取得了溫躍層混合的時空變異特征。這項成果說明了中尺度風導致的海洋內部混合在氣候模式中的缺失（圖9），可能是影響其模擬精度的一個原因，為高分辨率海洋環流模型和氣候模型的改進提供了依據。
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圖9 新的溫躍層混合方案模擬的250~500 m 的湍動能耗散率（圖片來源：《Scientific Reports》）
600?年后再下西洋，中國建成西太平洋海洋觀測網
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《Nature》在2014年發文認為，中國即將建立的熱帶西太平洋科學觀測網（圖10）堪比第二次“鄭和下西洋”，引起了世界海洋科學界的廣泛關注。中國海洋科學觀測網的建設在2016年達到了新的高度。2016?年12?月至2017年1月初，中國科學院海洋研究所完成了對該潛標觀測網的維護與升級，目前在位潛標26套、觀測設備400余套，并自主解決了潛標數據實時傳輸的難題。2016?年10?月，中國科學院海洋研究所完成了對印尼海潛標和壓力逆式回聲儀（PIES）陣列的維護和擴充，在印尼海成體系布放潛標10套、PIES成列1套、觀測設備150余套。2016年8月，中國海洋大學完成了對南海潛標觀測網的維護及擴充，成為世界上最大規模的區域海洋潛標觀測網。另外，中國也在西北太平洋、赤道印度洋等海區布設了潛標觀測系統。這些觀測系統已經產出了眾多先進的成果。
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圖10 中國科學院熱帶西太平洋海洋觀測網示意（圖片來源：《Nature》）
中國的海洋觀測網獲得了世界海洋學界如此大的關注，主要有兩方面的原因。
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一是因為熱帶西太平洋-南海區域是海洋科學研究的關鍵海區，是開展海洋科學研究的天然試驗場。熱帶西太平洋擁有全球海洋中最大的暖水團，是驅動大氣環流系統的主要熱源地之一，在多種時間尺度上對東亞季風、厄爾尼諾/南方濤動（ENSO）等氣候現象的發生和發展具有重要的影響。熱帶西太平洋及其周邊海域海洋環流等多尺度海洋過程復雜多變，數支緯向流和西邊界流在能量輸送和東西太平洋、南北半球水交換過程中起關鍵作用，直接影響和調制該區域海洋-大氣相互作用和海洋多圈層物質能量交換。南海是西太平洋最大的邊緣海，具有豐富的海盆環流、中尺度（亞中尺度）渦、中小尺度內波及微尺度混合等復雜的多尺度海洋動力過程。因此，在該海區進行大規模的觀測研究，可發現多尺度的海洋及海氣過程規律，并解決相互之間的相互作用等科學問題。
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二是可以彌補國際上其他海洋觀測體系中斷帶來的觀測缺失。在熱帶太平洋海區，最重要的海洋觀測網絡是“熱帶大氣海洋觀測網（TAO）”，但是這個觀測體系觀測的層次較淺（溫躍層以上），且其海流觀測在2011年左右已陸續終止。因此，無論是為了數據同化、模式驗證，還是為了直接的大洋動力監測，都需要在世界大洋關鍵海區維持一定數量的連續海流觀測。因此，中國構建的熱帶西太平洋海洋觀測網對TAO具有重要的替代意義。
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新一代Argo?浮標逐步啟用，深海黑幕即將揭開
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Argo浮標是一種專用海洋測量設備（圖11）。它可以在海洋中自由漂移，自動測量海面到2000 m水深之間的海水溫度、鹽度和深度，并可記錄自身的漂移軌跡，以獲得海水的移動速度和方向。Argo浮標海洋觀測的意義在于它是一個由數千個Argo?浮標組成的、遍布全球海洋的大規模觀測體系。目前，全球共有近4000個Argo浮標在保持工作，每年可提供10余萬條剖面數據；從2000?年至2016?年，Argo?浮標共收集了約150萬條剖面數據，比20世紀獲取的觀測資料總和還要多。不僅如此，Argo?數據還填補了由于季節因素（如冬季惡劣海況）和海區因素（如遙遠的南大洋）造成的船基觀測空白。目前基于Argo數據進行的研究已經覆蓋了物理海洋學幾乎所有的領域，而且開拓了新的研究方法。
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圖11 Argo 浮標典型的工作循環過程（圖片來源：《Nature Climate Change》）
Argo?計劃當初提出的目標是溫度、鹽度和壓力的測量精度分別為0.005℃、0.01 psu?和2.5 dbar（相當于2.5 m），觀測深度2000 m。這些指標在很多方面已不能滿足當前研究的需要。鑒于近年來浮標技術突破，2016年，大批新一代的Argo?逐步通過了驗證，大量科學問題或因而得到解決：（1）新的Argo?傳感器的出現，增加了Argo的觀測內容，溶解氧、硝酸鹽、葉綠素、pH、碳吸收等生物地球化學要素同樣可以通過Argo浮標觀測獲得；（2）觀測精度的提高，浮標上攜帶的溫度、電導率和壓力傳感器比標準Argo?浮標的更加準確，垂直觀測的采樣密度能加大到湍流尺度（10 cm），可以探測深海中溫鹽密度近乎均勻的深海以及直接進行全球大洋的湍流觀測；（3）觀測深度的革命性拓展，研究發現2000 m以下的深海大洋在整個海洋熱含量和熱比容導致的海平面上升方面具有舉足輕重的地位。為了向深海大洋拓展，國際上已開發出用深水型Argo?浮標（可達6000 m，圖12）。目前，使用新技術的幾類的浮標已經通過了海上測試，如歐洲和日本開發的碳-環氧纖維纏繞材料殼體浮標，可觀測水深達4000m；美國開發的玻璃殼體浮標，觀測水深可達6000 m。深海型浮標有望在2020年實現系統觀測，并在Argo觀測網中占到約30%的份額。深海型潛標實現系統性觀測以后，深達上萬米的大洋將不再是漆黑的世界，世人將揭開它古老而神秘的面紗。這無疑是海洋學研究的新的里程碑。
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圖12 ?深海型Argo 浮標工作流程示意（圖片來源：《Nature》）
結論
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回顧了2016年大西洋經向翻轉環流變異機制、西邊界流與中尺度渦相互作用、溫躍層湍流混合、中國海洋觀測網建設以及新型Argo觀測浮標研發等方面的突出進展。如果說厄爾尼諾現象當下正在強烈地影響著人類的生存環境，那么大西洋經向翻轉環流可能在不久的將來影響人類的命運，這兩個重要?！獨膺^程的研究仍然是當前重要的方向。中尺度渦是海洋中能量最集中的運動形式，其對大尺度環流和中小尺度運動的影響不斷地被揭示出來，正成為研究熱點。興奮的是，伴隨著中國海洋觀測能力的提高，中國科學家在中尺度渦的結構、生成和消亡機制，以及對于質量輸運、模態水形成及局地天氣變化等數個研究方向都達到了國際先進水平。另外，對小尺度湍流混合過程的準確表述及對其大尺度效應的合理參數化被認為是提高海洋模擬的重要途徑之一，也將繼續成為物理海洋學研究的熱點方向之一。
觀測是物理海洋學理論進展和數值模型改進的基礎，中國在2017年將繼續加大對海洋觀測的投入，繼續升級相應的觀測儀器和設備，逐步建成包括西太平洋-南海-印度洋在內的“兩洋一?！焙Ｑ笥^測網。
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作者簡介：劉傳玉，中國科學院海洋研究所，研究員，研究方向為海洋數據同化和海洋混合；王凡（通信作者），中國科學院海洋研究所，研究員，研究方向為太平洋低緯度西邊界流、熱帶海洋環流、中國近海環流和海洋中尺度過程等。
注：本文發表在2017年第1期《科技導報》，歡迎關注。本文部分圖片來自互聯網
（編輯?韓丹岫）
