熱帶不穩定波（Tropical Instability Waves, TIWs）是熱帶太平洋最顯著(zhù)的季節內海洋動(dòng)力變率之一，由赤道流系的剪切不穩定產(chǎn)生，表現為赤道東太平洋海表流場(chǎng)和海表溫度（圖1a）的月周期擾動(dòng)。TIWs能通過(guò)非線(xiàn)性效應影響海洋生態(tài)環(huán)境和氣候長(cháng)期變化，例如：TIWs海流擾動(dòng)將赤道上涌的冷海水與赤道外暖海水經(jīng)向攪拌混合，影響赤道冷舌區營(yíng)養鹽富集度和熱量收支平衡，進(jìn)而通過(guò)初級生產(chǎn)力和海表溫度分別影響生態(tài)和氣候系統。自20世紀90年代以來(lái)，熱帶太平洋經(jīng)歷了類(lèi)似拉尼娜現象的平均狀態(tài)變化（熱帶東太平洋變冷），影響太平洋乃至全球的氣候和天氣變化（如西太臺風(fēng)、ENSO年代際變化等）。然而，由于赤道海流缺乏觀(guān)測，TIWs等赤道動(dòng)力過(guò)程的長(cháng)期演變規律仍不清楚，限制了我們對熱帶太平洋氣候長(cháng)期變化的理解與預估。
自1993年，衛星高度計持續提供海表高度觀(guān)測、多顆衛星高度計觀(guān)測融合得到全球日平均格點(diǎn)化產(chǎn)品（AVISO），海洋學(xué)家們通常使用海表高度地轉平衡診斷海表流場(chǎng)，但該方法對近赤道區域無(wú)能為力。為解決海流數據問(wèn)題，研究團隊自主提出了海表高度計算非平衡態(tài)海表流場(chǎng)的動(dòng)量診斷方程，首次診斷出近赤道非平衡態(tài)流場(chǎng)近30年（1993-2021）日平均數據。基于該數據，研究發(fā)現TIWs在此期間持續增強，其海流渦動(dòng)能（eddy kinetic energy, EKE）每十年增長(cháng)12%（圖1b粗紅線(xiàn)）。研究同時(shí)利用其他3套獨立數據進(jìn)行了對比驗證：衛星觀(guān)測海表溫度（1982-2021，品紅線(xiàn)）、熱帶海洋錨定浮標觀(guān)測的海流數據（1980s-2020，黑線(xiàn)）以及1/10?渦分辨率全球大洋環(huán)流模式數據（OFES2，1958-2021，藍線(xiàn)），結論與高度計診斷結果一致。
圖1.太平洋熱帶不穩定波（TIWs）現象及其強度長(cháng)期變化序列。a.日平均衛星海表溫度；b. TIWs強度多年代際序列（紅色：衛星高度計；黑色：浮標單點(diǎn)觀(guān)測；品紅：衛星海表溫度方差；藍色：OFES2模擬，灰色陰影是模式集合）。細線(xiàn)：年平均，粗線(xiàn)：9年滑動(dòng)平均，已去除1993-2021年氣候態(tài)平均。
對大尺度海洋環(huán)流和海溫風(fēng)場(chǎng)的趨勢分析表明，TIWs增強的動(dòng)力機制是熱帶東太平洋氣候近30年赤道南北不對稱(chēng)變化：即赤道以北增暖更快（圖2a），伴隨跨赤道南風(fēng)增強、赤道海流加速（圖2c），使海流剪切加強、導致TIWs增強。伴隨TIWs增強，研究團隊發(fā)現TIWs的經(jīng)向攪拌效應加強，進(jìn)而使冷舌區的非線(xiàn)性加熱效應每十年增加23%。這一項的變化在海洋長(cháng)期熱收支平衡中不可忽視，可能是近期熱帶東太平洋氣候態(tài)變冷的負反饋?lái)椀膩?lái)源。這說(shuō)明TIWs在響應氣候變化的同時(shí)，也影響著(zhù)熱帶太平洋的海溫變化。然而，目前大部分氣候模式由于分辨率較粗（1°×1°）無(wú)法分辨TIWs過(guò)程、無(wú)法反映TIWs對冷舌的非線(xiàn)性加熱效應，這可能造成一定的模擬偏差（比如冷舌區的冷偏差）。因此，在未來(lái)氣候模擬和預估時(shí)，需要考慮TIWs這一反饋作用（比如通過(guò)參數化或者提高模式分辨率）。
圖2. 近30年熱帶太平洋海溫、風(fēng)場(chǎng)和海表環(huán)流的變化趨勢。a. 海表溫度和海面風(fēng)場(chǎng)趨勢；b. 東太跨赤道海溫不對稱(chēng)變化（北側減南側）；c. 海表高度和海表流場(chǎng)趨勢；d. 南赤道流（SEC，0°-4°N平均）流速長(cháng)期變化。b/d為9年滑動(dòng)平均，已去除1993-2021年氣候態(tài)平均。
該研究揭示了太平洋TIWs對歷史氣候變化的顯著(zhù)響應，表明TIWs深度參與并影響氣候變化，這一結果為研究海洋多尺度動(dòng)力過(guò)程響應和影響氣候變化提供參考，為建設海洋多尺度監測網(wǎng)絡(luò )及預報平臺提供重要科學(xué)依據。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金(42090042,42106024)、中科院國際合作項目(133244KYSB20190031,183311KYSB20200015)、LTO自主研究項目（LTOZZ2203）及南海所自主部署項目（SCSIO202201）等項目的聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息:
Wang, M., Xie, S. P., Sasaki, H., Nonaka, M., & Du, Y. (2024). Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades. Nature Climate Change, 14(2), 163-170.
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https://www.nature.com/articles/s41558-023-01915-x
