热带西太平洋地形、环流和涡旋共同调控下的暖池形态年代际演变过程

Western Pacific warm pool (WPWP) exerts remarkable impacts on the global heat, moisture and momentum redistributions, especially the East Asian climate variability. This proposal focuses on the decadal variability of WPWP in the past 30 years. With the synergy of multi-sensor remote sensing data and in-situ observations, we will use deeper ocean remote sensing technology to reconstruct high-resolution subsurface and deeper ocean temperature in the recent ~30 years, and thus illustrate the spatiotemporal variability of WPWP in detail. Then we will utilize a high-resolution numerical model and the dynamic diagnoses to investigate the circulation and eddy features with the modulation of the trench-arc-basin system, in particular the archipelagoes around the Indonesian Sea and Philippine Sea. An emphasis will be on the dynamics related to the interactions among circulation, eddy and topography. Furthermore, this study will try to quantify the respective contributions of air-sea flux, ocean circulation and eddy-induced transport to the decadal WPWP changes. The possible linkages between WPWP variability and some typical climate indices will also be assessed and dynamically explained. This application will be helpful to answer a key scientific question proposed in this major research plan (the impacts of complex topography on the ocean dynamics and climate system), better understand the mechanisms of WPWP changes and provide dynamic background and theoretical support for improving our ability on the Pacific climate prediction and East Asian monsoon forecasting.

西太平洋暖池对于全球热量、水汽和动量的再分配，特别是东亚气候变化，具有重要影响。本项目关注西太暖池近三十年来的年代际变化,拟结合遥感和历史现场观测资料，应用基于深度学习的中深层海洋遥感反演方法，得到近30年来的高精度次表层海温，准确刻画西太暖池的时空演变特征。在此基础上，采用高分辨率数值模式和动力诊断方法，研究在沟-弧-盆体系，特别是印度尼西亚海和菲律宾海群岛地形的调控下，热带西太平洋的环流调整和中尺度涡变化特征，阐明环流-涡旋-地形之间相互作用的动力过程。进而定量评估海气界面通量、海洋环流和涡致输运等过程对西太暖池年代际变化的各自贡献，并定性分析暖池变异与典型气候变率之间的动力关联。该研究有助于回答重大研究计划提出的关键科学问题（西太平洋复杂地形对海洋动力过程和气候系统的影响)，更好地认识西太暖池的演变机理，为提高太平洋气候变率和东亚季风的预测能力提供有价值的动力学信息和理论支持。

相较于上层海洋，西太平洋次表层以下海域的现场观测相对不足，这在一定程度上限制了对该海区动力和热力过程的研究。本项目聚焦于西太平洋暖池形态的年代际变化，创新性地将物理海洋学方法与人工智能技术相结合来开展表层以下的海温反演，并采用深度学习领域的后报技术，构建了1993-2020年海洋上层2000米的温度数据集。这个新数据产品较好地刻画了西太平洋海区的海温变化，为研究中深层海洋热含量变化提供了有价值的数据。同时，本数据集还被国内外的若干重要决策报告所引用，体现了一定的国内和国际影响力。在西太重大研究计划的支持下，本项目还发展了印太海区高分辨率的区域数值模型，较好地再现了西太环流和暖池的年际-年代际变化特征。通过对观测资料和模式结果的综合分析，项目进一步刻画了太平洋的风场、海平面和温盐场的耦合变率，阐明了厄尔尼诺-南方套动（ENSO）、年代际太平洋振荡（IPO）、大西洋多年代际振荡（AMO）等关键气候模态所起的调控作用，并刻画了温度和盐度在不同区域的不同影响。就暖池形态的变化而言，我们的研究表明：暖池的东边界的移动主要受到IPO的影响，而南边界和北边界更多地受到AMO模态的调控，北大西洋的海温变率信号通过跨洋盆的纬向风-蒸发-SST正反馈机制影响了西太平洋的风场和环流。其中，暖池北边界的年代际扩张和收缩主要与潜热通量变化密切相关，而南边界的变化更多地受到海洋环流热输送的影响。此外，研究团队还分析了印-太海气耦合系统驱动下的浅层经向翻转环流的低频演变特征，阐明了影响其表层和次表层分支年代际变化的各自动力过程。项目执行期间，累计资助发表论文23篇，其中，本项目为前三标注的论文13篇。这些成果为西太平洋地球系统多圈层相互作用重大研究计划提供了有效的数据支持、可靠的数值模型平台和有价值的学术认知。