近日，中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心和海洋与大气学院郑小童教授团队联合国外学者在热带海洋-大气相互作用与气候变化研究领域取得重要进展，提出风驱动的海洋环流变化对热带太平洋变暖空间结构具有重要贡献的新观点。研究成果以“Historical changes in wind-driven ocean circulation drive pattern of Pacific warming”（风驱海洋环流的历史变化太平洋变暖形态的驱动作用）为题，发表于国际权威学术期刊Nature Communications。
热带太平洋作为全球气候系统中的重要海区，其海表面温度（SST）变化对区域和全球气候有重要的调控作用。研究表明，绝大多数气候模型一致地模拟出赤道东太平洋（EP）SST变暖，呈现出一种类似厄尔尼诺增暖型，而观测到的SST趋势显示出赤道中太平洋（CP）冷却，有时被称为类拉尼娜增暖型。特别是，自1958年以来的最新热带太平洋SST趋势展示出的空间结构比典型的类厄尔尼诺或拉尼娜形态更为复杂，赤道热带太平洋变暖模态存在暖-冷-暖的三级子结构（图1 a），这种变暖空间分布的形成机制仍不清楚。
本项研究结合观测数据以及CMIP6气候模型数据，并利用CESM2模型开展对全耦合（Fully Coupled Model; FC）以及风应力机械耦合模式数值试验（Mechanically Decoupled Model; MD）的分析，以分离出风驱动的海洋环流变化在塑造历史时期太平洋海温变暖模态中发挥的作用。研究表明，自1958年以来观测到的热带太平洋复杂的变暖结构是多种物理过程的结果（图1）。历史辐射强迫可以引起副热带东北太平洋变暖，并向赤道西太平洋延伸，而不会引起风驱动的海洋环流变化。相比之下，风驱动的海洋环流的变化将导致赤道东太平洋变暖。通过海洋混合层收支诊断分析（图2），赤道东太平洋的增暖主要是由风驱动的海洋环流的海洋动力过程所主导的（图2 c），而大气调整过程则较弱（图2 a）。通过将海洋动力过程进一步分解，研究发现东太平洋变暖是由异常的跨赤道风驱动的，其主要机制为赤道以北约5°N处的西风异常所导致的向南的埃克曼输运，并通过平均纬向环流和经向环流进一步将暖信号向极地和西太平洋方向扩散，而非海洋垂直平流调整。这一结果凸显了历史时期热带太平洋增暖空间型中风驱动的海洋水平环流变化的作用被忽视。
该研究的发现不仅为理解历史时期热带太平洋增暖空间型提供了新的动力机制解释，也对预测未来气候变化提供了重要参考。同时，它也强调了现有气候模型在捕捉赤道中太平洋冷却信号方面的不足（图1 a-c），指出了改进赤道海洋过程和海洋热力结构模拟的迫切需求。
研究成果第一作者为中国海洋大学海洋与大气学院在读博士研究生付烁，通讯作者为学院郑小童教授和美国杜克大学胡世能助理教授，联合美国北卡罗来纳州立大学、阿拉斯加大学和杜克大学的学者共同完成。该工作的发表体现出学校在热带海洋-大气相互作用与气候变化研究领域的国际影响力。
图1. （a）1958-2014年观测的海表温度趋势平均值，（b）CMIP6多模型平均值（CMIP6-MMM），（c）全耦合集合平均值（FC），（d）风应力机械解耦集合平均值（MD），（e） FC与MD之间的海表温度趋势差异和海洋风应力。
图2. （a）海洋混合层热收支诊断方程中每个组成部分对FC-MD SST趋势的贡献。（b）所有组分总和的SST空间模式（）以及与FC-MD SST趋势（图1 e）的空间相关系r。（c）海洋动力过程对SST趋势（）贡献的空间模式。打点表示在95%置信水平上的显著性。
发表文章列表：
Fu, S., Hu, S., Zheng, X.-T., McMonigal, K., Larson, S., & Tian, Y. (2024) Historical changes in wind-driven ocean circulation drive pattern of Pacific warming. Nature. Communications, 15:1562.
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45677-2