院士论坛▏吴立新等：物理海洋观测研究的进展与挑战
作为海洋科学的基础学科，物理海洋学关注的是海洋中动量、能量与物质输运过程及其变化规律，其基本研究对象是海水的运动。海洋中存在着不同时间和空间尺度的运动（图1），如小尺度的海浪、中尺度的涡旋以及大尺度的海洋环流等，这些对海洋中物质和能量的输送都起着重要作用，并有效地支撑着海洋的生命系统。
图1 海洋在不同空间—时间尺度上运动的示意图
物理海洋学又是一门以观测为基础的学科，在其发展史上任何一次实质性的突破都离不开海洋观测与探测技术的革新：卫星高度计的问世让科学家认识到海洋是“不平静”的，全球存在着大量的中尺度涡旋；浮标观测技术的成熟及热带海洋与全球大气研究(Tropical Ocean Global Atmosphere，TOGA)计划的实施为揭示ENSO(E1 Nifio Southern Oscillation)现象形成的海洋一大气动力学过程及机理，特别是ENS0事件的预测奠定了历史性的基础；ARGO(Array for Realtime Gestrophic Oceanography)计划的全面实施使我们对全球海洋进行实时观测有了可能，有效促进了海洋水团特征变化、海水流动以及混合等研究的发展。
本文从当今物理海洋学所面临的若干前沿科学问题出发，重点探讨物理海洋观测研究所面临的任务与挑战，包括在大洋边界流系统、海洋湍流及跨等密度面混合以及海洋热含量和淡水平衡等方面的观测研究。
一、大洋边界流系统
大洋边界流系统在全球气候系统中起着非常重要的作用。在大洋西侧由于地转效应造成的能量汇聚形成了强的西边界流。在副热带海洋，西边界流把低纬度的暖水带到相对较冷的中高纬度海区，对全球海洋热量输送起着非常重要的作用。在副极地地区，西边界流主要承担浮力的输送，它将层化较弱的高纬度水体带到中纬度地区。在大洋东侧还存在着东边界流，这些海区一般存在着上升流系统，是表层海洋与次表层海洋生物地球化学交换活跃的海区，因此东边界流系统主要承担海洋生物地球化学物质的输运。在热带海区，存在着低纬度西边界流，低纬度西边界流包含着表层流和次表层潜流，在热带和副热带的能量与物质交换中发挥着重要作用。在大西洋以及南大洋还存在着深层西边界流，是全球经向翻转环流的关键组成部分，控制着深层海洋物质的输送和分布。因此，揭示这些边界流的多时空尺度变异特征、规律和机制并预测其未来变化是当前物理海洋所面临的重要挑战之一。
⒈大洋副热带西边界流系统
大洋副热带西边界流系统，包括北太平洋的黑潮、北大西洋的湾流、南太平洋的东澳大利亚流、南大西洋的巴西海流以及南印度洋的厄加勒斯海流。从海一气交换的角度来看，副热带西边界流海区是冬季海洋给大气加热的关键海区，也是海洋碳循环的主要汇区。从气候预测角度来讲，副热带西边界流区是模态水形成区，储存着大气变化的信息，并能够持续到年代际甚至更长的时间尺度，因此西边界流区的模态水是气候系统变异重要的信息存储器。而确定这些西边界流的质量、热量和淡水输送的气候平均态和季节循环，揭示其年际到年代际时间尺度变化的关键海洋—大气过程以及遥相关过程，评估气候模式对这些过程的模拟能力，对于提高气候变异的预测能力具有重要的意义。
西边界流具有尺度小、流速快、垂直方向深等特点，同时流动的不稳定性以及受地形、海岸线的影响产生多尺度的湍流运动，而常用的观测手段包括卫星高度计以及Argo浮标观测难以分辨这些尺度的运动。到目前为止，对西边界流持续的观测只局限于黑潮在PN 断面以及湾流在佛罗里达海峡处的观测，这些观测采用传统的走航或水下电缆观测方法，到目前为止持续时间也只有30年左右。因此，目前的观测数据几乎难以支撑西边界流年际时间尺度以上变化的相关研究。
图2 1900～2008年全球海表面温度变化趋势
针对西边界流长期变化的问题，利用过去l00多年的海表温度资料，发现在所有副热带西边界流海区都有很强的增暖趋势，其趋势大约是全球平均增暖趋势的2～3倍，形成海洋“热斑”（图2）。为什么在过去100年这些海区存在一致的快速增暖现象?很大的可能性是由于温室气体的增加导致全球副热带西边界流加速，变强的西边界流将更多的低纬度暖水带到中高纬度海区，进而导致这些地区的增暖。虽然增暖现象是确定的，但是这些地区的增暖是否一定暗示着过去l00年全球副热带西边界流在加速?这方面仍存在一定的不确定性。全球增暖使得陆地增温比海洋快，而这些海区处在中纬度西风带，大气环流的平流效应可能也会加快这些海区的增温。西边界流的快速增温不仅影响到中纬度风暴、西风急流等，而且对海洋生态系统以及海底天然气水合物的稳定性有着重要的影响，正确回答这些副热带西边界流对全球变暖的响应，在很大程度上依赖于对西边界流的长期观测。
⒉西边界流与边缘海交换
以上的讨论是有关西边界流本身的一些问题，如西边界流在不同尺度上的变异。西边界流位居大洋西侧，与近海存在着密切的能量和物质交换，如以黑潮为中心的西太平洋与中国近海构成了全球海洋最为复杂的大洋—边缘海相互作用系统。从物理海洋角度来讲，这里大洋与近海相互作用、河口与近海相互作用、季风—海洋相互作用、台风一海洋相互作用、黑潮锋面与大气相互作用等过程交织在一起，同时该海区又与全球气候紧密联系在一起。因此预测该海区的海洋环境变异是物理海洋学当前面临的又一大难题。构建该海区的海洋观测系统是预测的前提和基础。
以黑潮入侵南海为例，由于黑潮入侵对南海北部的动力环境有着重要的调控作用，国内外科学家针对这一问题开展了大量的研究，其中也包括潜标的观测研究。目前针对这个问题存在许多不同的观点，至今尚未形成一致结论。最近利用海洋再分析资料，发现过去的30年黑潮进入到南海的程度越来越小。一种较为简单的解释就是过去30年，吕宋海峡处的黑潮流量加强，由于惯性作用黑潮更容易跨越吕宋海峡。尽管模式和再分析资料提供了一些证据，然而到目前为止还没有直接的海流观测以验证过去30年黑潮是否在加强，以及进入南海的程度是否在减弱。如果在吕宋海峡布设潜标阵列进行长时间的观测，这一问题就有可能得到完美的解答。
除了表层环流系统，中国科学家在南海构建了由数十套深海潜标组成的“南海深海潜标观测网”，覆盖了南海北部深海盆及吕宋海峡等海域，取得了持续3年以上的观测数据，为确定南海深海环流空间结构和演变规律，揭示南海深层环流调控机制奠定了重要的基础。通过最新的观测分析，初步确定了从吕宋海峡进入南海的深水路径，发现在吕宋海峡深层存在着30天左右的震荡。深海的这种高频振荡在一定程度上对我们关于海一气相互作用的概念是一种挑战。在这样的时间尺度上，传统上只需考虑上层海洋的作用，只有在年际或年代际以上的时间尺度才会考虑深部海洋的影响。这种观测的发现暗示着深部海洋也可能对上层海洋的短期变率产生影响。
⒊低纬度西边界流系统与太平洋—印度洋的交换
自东向西的北赤道流和南赤道流遇到西边界，分叉为向极地的副热带西边界流和向赤道的低纬度西边界流。在热带太平洋，这些低纬度西边界流不仅包括上层的棉兰老流和新几内亚沿岸流，还包括棉兰老潜流和新几内亚沿岸潜流。这些边界流是副热带—热带上层海洋经向环流圈的重要组成部分，承担着热带与副热带之间的交换，对西太平洋暖池的质量、热量以及赤道温跃层变异起着重要的调控作用，从而影响到ENS0以及太平洋的年代际变异。
目前对这些低纬度西边界流的直接观测研究非常有限，大部分是利用CTD温盐断面观测间接计算得到的或是单个航次的ADCP测量所得，由于这些流具有很强的时空变异，因此不同的观测研究得到的流量变化范围很大。即便是对低纬度西边界流的季节变化特征，目前的观测认识仍然很有限。由我国海洋学家主导发起的“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)国际合作计划，将低纬度西边界流作为重要的观测研究内容（图3），并已在菲律宾棉兰岛东侧成功布放一套6000多米深的潜标，持续时间已超过2年。在180N吕宋岛以东布放的潜标对吕宋潜流进行了近1年的长期观测，首次揭示了吕宋潜流的流速及其季节内变化的主要特征。这些将对认识低纬度西边界流结构及季节和年际变化起到重要的支撑作用。
OUC：中国海洋大学；SIO：国家海洋局第二海洋研究所；SCSIO：中国科学院南海海洋研究所；IOCAS：中国科学院海洋研究所；KORDI：韩国海洋研究与发展研究所；U．Philippines：菲律宾大学；JAMSTEC：日本海洋科学与技术中心；LDEO：美国哥伦比亚大学拉蒙特—多尔蒂地学研究所；UW：美国华盛顿大学；PMEL：美国海洋与大气局太平洋海洋环境实验室。
图3 NPOCE 观测计划示意图
与低纬度西边界流和暖池密切相关的是印尼贯穿流(ITF)，它承担着印—太暖池间的热量和淡水输送，是连接热带太平洋和印度洋气候变化信息的重要通 40 36689 40 14748 0 0 8087 0 0:00:04 0:00:01 0:00:03 8085道之一。ITF受海盆尺度的风应力控制，并受ENS0、印度洋偶极子(IOD)以及季风等影响，具有明显的季节一年际和季节内变化特征。自20世纪60年代到现在，不同的观测研究得到的ITF流量变化范围很大。基于ITF的重要性，国际上建立了INSTANT合作研究计划，目的是为了提高对ITF季节平均的认识(如Springtall等)。该计划通过在印度尼西亚海区的不同海峡布放潜标来监测ITF流量的变化。然而，印度尼西亚海并不是被动地输送介质，热带太平洋的入流在印度尼西亚海区受到局地潮致混合以及风和浮力通量的强迫作用，温盐特征能够发生很大的改变，亦会导致印—太海盆之间热量和淡水通量的变化。目前国际上提出一个较为庞大的针对印—太交换的观测计划（图4）。
图4 最新ITF观测系统示意图
⒋深层西边界流与大西洋经向翻转环流
大西洋与太平洋不同，其热量输送在整个南大西洋也以北向为主导，因此在全球能量平衡中起着重要的作用。这种区别主要来源于大西洋经向翻转环流(AMOC)。拉布拉多海、北欧海和南极附近，由于冷却以及海冰的形成，表层海水密度增加而下沉，并且向赤道方向流动。这种局部深层水的形成与全球跨等密度混合相平衡，使得深层水在南大洋上翻到表层。
作为AMOC的重要组成部分，南向的深层西边界流(DWBC)对北向的热输送有着重要的调控作用，可以说DWBC是深海最强的气候信号之一。然而目前对于DWBC的直接流速观测只有4个断面且集中在大西洋，分别位于纽芬兰岛东南的大西洋浅滩(42°N)、美国马塞诸塞州的鳕鱼角(39°N)、巴哈马群岛(26.5°N)和小安德列斯群岛(16°N)。海盆尺度的AMOC质量及热量输送观测比较有代表性的是美国和欧洲国家联合实施的26.5°N断面观测。该断面分2部分，在巴哈马西侧的湾流主要依赖水下电缆观测，在巴哈马以东的观测包含表层的卫星观测和中层海洋的潜标观测。该观测断面的成功实施表明AMOC的强度和结构可以通过精心设计的海盆尺度观测阵列来进行持续观测。目前国际上正在考虑将大西洋断面观测拓展到47°N，16°N和32°S这几个断面（图5）。
图5 当前针对AMOC的主要观测计划
大西洋与北冰洋通过格陵兰—苏格兰海脊的交换不仅对北冰洋有重要影响，而且对AMOC的深水形成有着重要贡献。暖而咸的大西洋海水通过格陵兰—苏格兰海脊进入北冰洋，变成密度较重的溢流通过海脊深部通道，与此同时溢流携带大量海水通过丹麦海峡和法罗海峡进入副极地北大西洋，该溢流约占AMOC水源的2/3。目前，对丹麦海峡和法罗海峡溢流的潜标观测已经持续十几年，这对监测 AMOC的变异起到至关重要的作用。
相对于北大西洋DWBC而言，南极底层水(AABW)的长期直接观测非常有限。已有的观测主要集中在一些阻塞点上，包括南大西洋的维玛水道、赤道大西洋的罗曼什断裂带、萨摩亚深海水道、位于南太平洋的新西兰以东海域、威克岛通道、马斯克林海盆以及印度洋的珀斯盆地南部。通过对南印度洋凯尔盖朗海底高原东侧的DWBC的观测，科学家发现深层海流的速度可超过20cm/s，AABW的流量可达12Sv，表明这些DWBC是全球深层环流的重要组成部分。
无论是风驱动的上层西边界流还是与经向翻转环流的DWBC，目前的观测很难支撑起气候长期变化预测的需求。对有些西边界流的季节循环，如低纬度西边界流的认识仍旧不清楚，更谈不上对其年际到年代际变化的认识。基于西边界流的重要性，2009年在威尼斯举办的世界海洋观测大会提出了一个全球西边界流的观测网络（图6）。其中最重要的共识是发展水下滑翔机(Glider)。水下滑翔机相对而言具有低耗费、精确的定位和导航系统、高分辨率空间采样(小于3km)等特点，可以用来监测边界流的质量、热量、淡水输送并能描绘边界流的结构。目前水下滑翔机的最大工作深度在2000m以内，因此只能采集到边界流的上层部分。
图6 全球边界流观测网概念图
基于边界流的复杂性，单一的观测方法实际上很难满足需求，因此常常需要将几种观测方法结合起来，如卫星、滑翔机、潜标阵列、PIES阵列等。如何结合起来依赖于多种因素，包括观测的时间尺度、观测深度、垂向结构的复杂性、流的强度和观测变量等。
二、海洋湍流跨等密度面混合
湍流跨等密度面混合控制着海洋中能量与物质的输送，然而目前对其认识却非常有限，大多数气候模式对于湍流混合仍采用简单的参数化方案，因此制约着模式对海洋在现在和未来气候系统变化的模拟能力。海洋湍流混合观测研究面临着巨大的挑战：第一，受限于观测手段和观测难度，有关海洋混合的观测研究主要是通过船测，只能粗略给出大概的空间分布却无法对湍流混合时空变化给出清晰的描述。第二，对深海湍流混合的驱动机制目前尚无完善的理论。理论上，驱动大洋经向翻转环流所需要的扩散率约为10-4m2/s量级，而实际观测到的扩散率为10-5m2/s量级。产生这种量级上差距的解释有几种，包括粗糙海底地形处的强化混合以及南大洋风驱动力的作用等。一般认为风和潮汐是海洋湍流混合的主要驱动力，而观测与模式研究对于风能否驱动深层海洋混合得到的结果不一致。第三，模式里如何将湍流混合过程合理地进行参数化，这本身就是一个很大的挑战。目前的大多数气候模式采用一种简单的基于Richardson数的扩散率和水平均匀的背景扩散率分布的组合方案。由于目前的气候模式并不能分辨内波破碎的垂向尺度，因此基于 Richardson数的参数化并不能表达开阔大洋跨等密度面混合的能量来源。
近20多年来的观测研究发现海洋中的湍流混合呈现出明显的时间与空间的不均匀性。观测发现在海底陡峭的地方混合较强，海底比较平坦的时候混合较弱，表明混合率存在很大的空间不均匀性。然而目前的最大问题是无法对全球海洋混合率进行直接观测或通过Thorpe尺度法以及细尺度参数化法进行计算。
Argo浮标观测是海洋观测史上一次革命性的进展，特别是铱星通讯Argo，其垂向采样分辨率达2m，为提高对海洋中的细尺度过程的观测提供了前所未有的机会。相对其他海域来说，铱星通讯Argo在南大洋布放较多。利用这些浮标，采用细尺度参数化方法，首次较完整地给出了南大洋混合的空间分布。发现南大洋的混合存在明显的空间分布不均匀性，在地形平坦处，扩散率约为10-5m2/s量级，与中纬度大洋内区的观测结果同量级，而在地形粗糙的地方，混合明显加强，扩散率约为l0-4m2/s量级或更大(图7）。
图7 (a)南大洋地形粗糙度与(b)跨等密度面混合率
通过估计能量收支，发现这些增强的混合是由南极绕极流(ACC)而不是正压潮与底地形的相互作用引起的。在地形平坦的地方，湍流混合存在明显的季节变化，这种季节变化信号可以一直向下延伸到1500m处。通过计算风生近惯性能量，发现该处的混合主要是由风生近惯性能量所维持，而相应混合的季节变化则是由风生近惯性能量的季节变化所引起的。另一方面，在地形粗糙的地方，湍流混合则不存在明显的季节变化，这主要是由于为该处混合提供能量的ACC不存在明显的季节变化。Whalen等在此工作基础上拓展到利用Argo浮标来刻画全球海洋混合在季节时间尺度上的变异。
为什么在南极绕极流区风能量能达到如此之深？一个可能的机制就是涡旋的作用，该海区是全球涡旋活动最强的海区之一。为进一步验证这一猜想，通过在西北太平洋海区开展的观测研究，发现在黑潮区混合的季节性同样可以体现在2000m的深处，而在低纬度海区以及中太平洋深层混合的季节信号并不明显。
Argo浮标虽然为描述全球海洋混合的时空变异带来了希望，但目前的Argo浮标观测仍需要进一步改进与完善。首先是垂向分辨率的提高，高分辨率采样不仅可以更精确地计算内波形变，而且在某些环境下可直接观测到湍流翻转。第二，Argo浮标目前只能到达2000m，目前的观测发现在粗糙地形附近混合会加强，因此要获取深层海洋的混合时空变异需将Argo浮标的采样拓展到全水深。第三，在 Argo浮标上增加速度测量。目前新一代EM—APEX浮标观测平台增加了观测水平流速的功能，不考虑增加浮标的成本，这样可以更好地应用到捕获内波产生的过程以及耗散尺度的研究中。
水平混合方面，由于海洋环流模式都在向高分辨率方向发展，因此不可避免地存在涡旋过多的问题，主要原因是模式里涡旋耗散过程未能得到正确地刻画。涡旋耗散主要有2个途径，一个是在海洋的上层形成一种叫亚中尺度涡(submesoscale eddy)，即涡丝(filaments)和锋面(fronts)，这些结构形成后可以耗散部分能量，另外主要是在海洋底层的能量耗散。海洋底层耗散研究起来难度较小，使用经典的边界层理论就能解释。而在上层海洋，目前还不清楚涡丝和锋面如何耗散能量。新一代高度计卫星利用延迟—多普勒处理技术，将会对亚中尺度涡特别是涡丝和锋面这一部分如何耗散能量取得新的认识和突破。
三、海洋热含量和淡水平衡
海洋热含量及其变率的量化对全球变暖和气候变化的诊断评估具有至关重要的作用。观测表明自20世纪50年代中期开始，全球大洋已明显变暖。模式研究进一步发现该变暖趋势与温室气体的增加一致。海洋热含量的长期变化趋势与许多模式预测有较好的一致性，而在其年代际变化上目前在观测中体现较大，因此对气候模式数据进行采样以匹配实际数据分布，将有利于减小模式与观测之间的差异。另外，历史观测数据有明显的时间依赖性偏差，这将导致在长期观测资料中出现虚假的年代际变化。由于观测资料的匮乏，深海大洋的实际热输运率和全球海洋—大气—陆地热收支的真实状态仍然难以量化，许多全球海洋热含量估算都只限于700m以上。因此，对海洋热含量的精确量化需要对深海大洋尤其是3000m以深的大洋进行更为丰富的观测。
高纬度海区淡水输入的增加可能导致热盐环流的减缓并引起气候的突变已经得到了广泛的关注。上层海洋盐度的变化在全球各个海区都得到了证实，如在副热带海区盐度上升，在高纬度海区由于水循环的加强以及冰融水的增加，表层盐度降低。目前，很多研究都发现在近30年伴随着北大西洋涛动(NAO)转变为正相位，北大西洋深层水逐渐变淡。根据60°N断面数据作出的估计显示在1997～2006年之间中层水/深层水的温度升高了约0.3℃，盐度升高了0.036psu，这个升高的量值与此前长期的变淡程度(约0.03psu)是同量级的。
在南大洋，最近研究指出南极底层水盐度在改变：罗斯海和阿黛利地海域提供了AABW总量的40％，大部分从这2个地区流出的AABW流经澳大利亚—南极海盆，使得这个海域成为监测在印度洋和太平洋生成的AABW变化的一个绝佳位置。近年来海盆深层的温盐关系发生了改变，观测显示底层1000m的海水已经向淡的、轻的底层水转变，其淡化速率和同时期的北大西洋淡化速率相近。然而，这一现象在威德尔海却不明显。在这里，西部的底层水变淡而东部的深层水盐度增加。在北大西洋和南大洋，下沉的密度大的海水对于高纬度淡水平衡做出了响应，并将这一气候变化信号快速传到深层海洋。然而只有几个海域的观测频率可以足够滤掉年际变化对它的影响。因此，为了更好地研究 AMOC及其变化，深层海洋的连续观测成为急需解决的问题。
四、结语
深海大洋在气候系统中起着至关重要的作用，而目前对深海大洋多尺度变异过程的认识非常有限，制约着对未来气候变化的预估能力。加强对深海大洋能量与物质循环过程的观测研究，提高对深海动力环境变异机理的认识已成为物理海洋面临的巨大挑战。
如今在深海研究领域，我国已有一定的基础，应当在已有的基础上以新的角度和思维，放宽眼界，针对前沿科学问题做好以下几点工作：第一，加强对太平洋西边界流及边缘海的长期观测，把握其变异机理，提高对其预测能力，从过去、现在和未来的角度上发展和完善西边界流变异理论；第二，发展小尺度物理海洋过程观测技术，加强对小尺度过程时空变异的观测，提高对中小尺度过程变异以及与大尺度海洋环流相互作用的机理认识，为模式参数化提供重要的理论基础；第三，拓展至2000m以下的深海观测，加强对海洋热含量和海洋淡水平衡的观测研究，量化其变异对于诊断和预估全球变暖和气候变化尤为重要。
【作者简介】吴立新，男，1966出生，安徽桐城人，教授，中国海洋大学副校长，青岛海洋科学与技术国家实验室主任，中国科学院院士，主要从事海洋环流与气候方面的研究。本文来自《地球科学进展》（2013年第5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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