台风引起的风暴增水严重影响沿海地区的生产生活, 是造成经济损失最严重的海洋灾害之一。深圳市位于中国南海北部沿岸, 是易受风暴潮灾害影响的区域, 对深圳近海海域风暴潮开展研究不仅能够提升对风暴潮物理机制的认识, 同时对沿海城市有效防灾减灾预警有重要意义。在风暴潮模拟研究过程中, 台风气象场是风暴潮模拟准确与否的关键因素。本文针对深圳近海区域海洋环境, 以海流模型FVCOM (finite volume community ocean model)和海浪模型SWAN (simulation wave nearshore)为基础, 建立了区域风暴潮-波浪耦合模型, 分别用再分析气象数据(European center for medium weather forecasting, ECMWF)、理想台风模型(Holland)及大气模型台风模拟结果(weather research and forecast, WRF)作为驱动场条件, 对台风“山竹”期间的风暴潮过程进行模拟。结果表明: 分辨率较低的ECMWF再分析气象数据难以准确体现台风水平结构, 从而导致模拟误差; Holland气象场在整体上能够对台风“山竹”进行准确模拟, 但无法再现台风在近岸区域的结构形变, 从而导致在蛇口及附近(深圳湾, 珠江口内侧)区域的风暴潮模拟水位偏高; WRF对风速、气压、水位、波浪都有较好的模拟效果, 且WRF很好的改善了Holland在靠近台风登陆点的区域风暴潮水位偏高的问题, 对珠江口、深圳湾区域定量改进约20%~30%。在未来的风暴潮预报中, 如果采用类似于Holland这样的理想台风场, 需注意上述区域的模拟结果。此外, Holland理想台风场和WRF模型结果驱动下的波浪场模拟效果都较好。

文章基于混合坐标海洋模式(hybrid coordinate ocean model, HYCOM)等多套再分析资料, 研究了气候态斯里兰卡穹顶(Sri Lanka Dome, SLD)的演变过程及其能量学特征。研究显示, SLD有两次从发展、成熟至减弱的过程, 相伴随的是其涡动能(eddy kinetic energy, EKE)也出现两次峰值。在第一次发展阶段(5月23日—6月10日), SLD在斯里兰卡的东南部开始发展, 并逐渐移向东部, 伴随着面积和强度逐渐增大。在此过程中, 风应力持续输入EKE, 海洋不稳定过程使得平均流能量转化为EKE和涡势能(eddy available potential energy, EPE), 以及西南季风流(southwest monsoon current, SMC)的平流作用, 均使得SLD迅速加强。在成熟阶段(6月11—22日), SLD位于斯里兰卡东部, 风应力做功和涡流相互作用的增强使得SLD区域内的EKE和EPE达到第一个峰值。在减弱阶段(6月23日—7月20日), SLD向西北移动, 由于平流项引起EKE和EPE的耗散, 加上风应力做功和斜压不稳定显著减小, 使得SLD区域的EKE和EPE衰减, 强度显著减小。而在稳定阶段(7月21日—8月14日), SLD移至斯里兰卡东北部, 风应力做功, 压强做功和涡流相互作用较弱, 使得SLD的强度始终维持一个较弱的水平。在第二次发展阶段(8月15—25日), SLD北移, 伴随着风应力做功和压强做功的增强, 其强度增大。在消亡阶段(8月26日—9月5日), 海洋不稳定过程使得EKE和EPE转化为平均流能量, 导致SLD逐渐消亡。因此, 风应力做功、涡流相互作用、压强做功以及源自SMC的平流作用是控制SLD演变的主要因子。

本文利用HadISST的月平均海温数据以及ORAS3再分析数据, 研究了PDO(Pacific Decadal Oscillation)不同位相对ENSO(El Niño and South Oscillation)非对称的年代际调整。对PDO不同位相的海表温度异常(SSTA, sea surface temperature anomaly)的偏度分析发现, PDO正位相期间东太平洋的ENSO非对称明显强于PDO负位相期间。同时, 通过对次表层(50~150m)海洋热量收支计算发现, 东太平洋次表层非线性动力加热项(NDH, nonlinear dynamical heating) 在PDO不同位相下也有明显的变化, PDO正位相期间东太平洋的次表层NDH明显强于PDO负位相期间, NDH的差异主要是由其纬向分量NDHx的差异引起的。东太平洋更强的次表层NDHx使PDO正位相期间El Niño事件和La Niña事件次表层温度异常(SubTA, subsurface temperature anomaly)的差距更大, 从而引起SSTA的非对称, 导致PDO正位相期间东太平洋的ENSO非对称比PDO负位相期间强。

海-气界面的物质和能量交换是导致全球气候和生态环境变化的重要原因。作为我国和西北太平洋最大的陆架边缘海, 南海的大气沉降在其外源输入中占有重要地位。随着南海周边国家经济社会的持续快速发展, 人为源污染物通过大气沉降向海洋的输送日益增强, 势必会对南海生态环境产生不可忽视的影响。基于近30年来南海生源要素、微痕量元素以及新污染物微塑料大气沉降的研究报道, 本文系统总结归纳了南海大气干湿沉降物浓度、干湿沉降通量及其影响因素, 并对其生态环境效应进行了分析。结果表明: (1)南海大气颗粒物浓度相较我国东部近海要低, 且基本没有酸雨的沉降, 但受东南亚生物质燃烧和我国化石燃料燃烧排放影响, 南海大气碳质气溶胶浓度和沉降量处于较高水平; (2)南海大气干湿沉降营养盐中均以氮占绝对主导地位, 且各形态氮的比例在不同海域存在较大差异, 沉降物的营养盐结构严重失衡; (3)气溶胶中人为源金属元素的溶解度较高, 多数成分以湿沉降为主, 大气微塑料多以纤维形态存在, 气象条件(降水量、风速等)、源排放强度是控制大气成分浓度和沉降通量的主要因素; (4)大气氮沉降约占南海表层氮输入总量的20%, 大气氮的输入会加重海域的低氧和酸化, 且营养物质沉降对浮游植物的爆发性增殖有重要作用, 大气沉降会对南海这一寡营养生态系统产生多重复杂影响, 这与海域水文条件、初始营养状况、浮游植物类群以及大气成分和沉降特征等密切相关。今后应注重在研究的深度和广度上持续发力, 聚焦各类大气成分尤其是有机态氮磷和新污染物干湿沉降的精准化常态化监测, 从多学科交叉角度深入探明生源要素和微痕量元素大气沉降与南海生态系统之间的影响与反馈机制。大气沉降是南海生物地球化学循环的重要一环, 对南海生态环境的影响是一把“双刃剑”。随着未来南海陆源物质大气沉降作用的持续增强, 这一影响必将更趋复杂和深远。

河流入海水沙变化是河口三角洲演变研究的重要内容。在全球气候变暖引起的极端天气频率和强度增加的背景下, 研究极端天气影响下的河流入海水沙通量变化对于理解河口三角洲海岸环境演变具有重要的科学意义。本文以山溪型中小入海河流——南流江为例, 基于1966—2020年的水沙、洪水实测数据, 采用变差系数和数理统计等方法分析极端天气影响下的南流江入海水沙变化规律。研究结果表明: 1) 热带气旋过境期间多年日平均流量为7.72×10²m³·s^-1, 是正常天气下(1.63×10²m³·s^-1)的4.73倍; 热带气旋过境日均输沙量的多年平均值为2.55×10⁴t, 是正常天气下(0.19×10⁴t)的13.42倍。热带气旋期间, 入海水沙量大, 具有“丰水多沙”的特点。2) 洪水期间的多年日平均流量和输沙量分别为8.53×10²m³·s^-1和3.07×10⁴t, 分别是正常天气下日平均流量(1.56×10²m³·s^-1)和输沙量(0.17×10⁴t)的5.46倍和18.18倍。洪水期间, 来沙量越大, 入海泥沙通量越大, 呈现“多来多输送”的典型特征。3) 极端天气对南流江入海水沙通量具有重要的贡献作用, 热带气旋对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为6.78%和19.31%, 而洪水对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为14.33%和36.21%。

本文基于观测数据和模式产品, 探讨了南海西边界流(South China Sea western boundary current, SCSwbc)区域海洋涡旋的统计特征、涡致热输运并重点探讨了两类冬季环流形态及其风场分布对它们的影响。结果表明研究区域的涡旋气候态上存在旋转速度很强, 半径较大, 振幅略高于平均值的涡旋统计特征, 其中气旋式涡旋(cyclonic eddy, CE)的占比约为56.8%。并且涡旋的生成和消亡主要发生在冬/春季, 而涡旋的振幅、半径和旋转速度在夏/秋季发展到顶峰。年际时间尺度上, 年平均经向风应力与反气旋式涡旋(anticyclonic eddy, AE)的振幅、半径、旋转速度和消亡均有较好的相关性, 但与CE特征的相关性并不好。“O” 型冬季环流模态下, 风场和南海西边界流显著减弱, 冬季环流在越南沿岸发生向东分支。涡旋在“O”模态下吸收平均流能量迅速发展, 在越南沿岸东部地区产生了强的涡致热输运(eddy-induced heat transport, EHT)。同时, 涡旋内部旋转速度减小且反气旋式涡旋个数减少; “U” 型冬季环流模态下, 情况则相反。

吕宋海峡是连接南海与西太平洋的唯一深水通道, 也是调节南海环流及其热力特征的关键海洋通道。在大尺度西边界流、中尺度涡、热带气旋等众多因子的共同影响下, 吕宋海峡输运表现出显著的多时间尺度变率特征, 其中热带气旋是影响该海域强烈且频繁的天气过程之一, 解析吕宋海峡输运与热带气旋之间的动力联系也是近年来南海海洋研究的热点之一。本文主要从吕宋海峡附近热带气旋活动特征及其对黑潮、吕宋海峡附近环流结构、吕宋海峡输运的影响等方面回顾最新的研究进展。最后, 本文认为接下来应当在热带气旋调制吕宋海峡输运的机制, 以及对吕宋海峡输运年际变化的贡献等方面加强研究。

在北半球的春季, 热带三大洋的海洋-大气系统年际变化会对同期太平洋厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern oscillation, ENSO)产生响应, 同时也能通过区域海洋-大气耦合过程影响ENSO的发展。基于国际公开使用的海表温度资料和降水资料, 通过联合正交经验分解方法分析, 可以发现全球大洋春季存在两种显著的海气耦合模态。第一模态表现为: 在热带中东太平洋, 海表温度增暖、降水增多; 在热带大西洋和热带印度洋, 降水呈现经向偶极型分布以及跨赤道的海表温度梯度异常; 即伴随ENSO在春季消亡期的空间型态, 大西洋出现经向模态, 印度洋出现反对称模态。第二模态表现为: 太平洋经向海表温度和降水模态, 即太平洋经向模态。回归分析结果表明, ENSO盛期的大气环流调整引起了热带大西洋和印度洋降水辐合带异常, 并通过海面风场异常激发海盆内部的海洋-大气反馈, 引起春季经向模态。进一步研究发现, 冬、春季大西洋和印度洋热带辐合带分别位于赤道以北和以南, 导致两个海盆经向模态的降水异常相对赤道呈反对称分布。在春季, 太平洋经向模态的暖中心延伸到赤道上, 引起西风异常, 为后续El Niño的发展提供了有利条件。文章揭示了太平洋ENSO与春季热带三大洋经向模态之间的关系, 这有助于更好地理解热带气候模态的季节性“足迹”的发展过程。

本文利用2010—2019年东印度洋海洋学综合科学考察基金委共享航次数据、Argo(array for real-time geostrophic oceanography)和简单海洋再分析数据(simple ocean data assimilation, SODA), 研究了赤道东印度洋次表层高盐水(subsurface high salinity water, SHSW)的年际变化, 并探讨了其形成机制。仅限于春季的观测资料显示, 来自阿拉伯海的高盐水位于东印度洋赤道断面次表层70~130m深度处, 且具有显著的年际变化。基于月平均SODA资料的研究结果表明, 不同时期SHSW盐度异常的变化趋势存在显著差异, 2010—2015年趋势比较稳定, 而2016—2019年则呈现出显著的上升趋势。通过对SHSW的回归分析表明, 风场和次表层纬向流是控制该高盐水年际变化的主要因子。进一步的分析表明, 赤道印度洋的东风异常导致水体向西堆积, 产生东向压强梯度力, 进而激发出次表层异常东向流, 最终引起SHSW盐度异常升高。此动力关联在印度洋偶极子事件中尤为显著, 这进一步反映了赤道东印度洋SHSW的年际变化受到印度洋偶极子的调制。

针对热带气旋灾害的复杂性和不确定性, 文章基于贝叶斯网络和地理信息系统(geographic information system, GIS)提出了一种新的热带气旋灾害风险评估模型。该模型能够从客观历史数据中自动挖掘灾害影响因素间的因果关系, 并以概率形式进行表达和推理, 从而对不确定灾害风险进行评估预测。基于1980—2016年中国东南沿海三省(广东、福建、浙江)的热带气旋灾害历史数据进行风险评估实验, 选取致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性3个方面共计12个评估指标作为模型输入, 直接经济损失量化为灾害风险等级作为模型输出, 构建基于贝叶斯网络的风险评估模型。然后利用2017—2021年热带气旋灾害数据进行模型检验, 评估预测的准确率为80.75%。模型预测的极低、低、中、高和极高风险的相对误差分别为27.72%、8.45%、18.58%、16.52%和19.12%, 风险预测值的区划结果在空间形态上与实际灾害损失分布高度一致。此外, 还将评估模型构建方法应用于“莫兰蒂”台风灾害个例的风险评估。结果表明, 模型评估出的灾害高风险和极高风险区域与实际灾情报告基本一致。由此可见, 本研究建立的热带气旋灾害风险评估模型具有较高的准确率和可信度, 为热带气旋灾害风险评估提供了一种新的方法途径和技术支撑。

钙化海藻作为一类重要的钙化生物, 不仅能构建稳固礁体, 而且部分藻株能诱导珊瑚幼虫附着变态, 在珊瑚礁生态系统中具有极其重要的生态功能。但是, 面对未来海水酸化与升温的共同作用, 珊瑚藻生理过程会发生怎样的变化, 目前尚不清楚。本文选取了广泛分布于珊瑚礁生态系统中的一种钙化海藻——孔石藻(Porolithon cf. onkodes)为研究对象, 采用3个CO₂分压(pCO₂: 400µatm、1200µatm、1800µatm)和温度(27℃、30℃、32℃)对其培养1个月, 通过监测藻体生长和钙化等参数的变化情况, 探究海水酸化与升温对活体与死亡的孔石藻的影响。研究结果表明, 当温度从27℃升高到30℃时, 活体孔石藻生长钙化没有受到显著影响; 但当温度提高到32℃时, 藻体生长钙化显著下降, 甚至出现溶解现象, 净钙化速率从206.99nmol·cm^-2·h⁻¹ (pCO₂: 400µatm; 温度: 27℃)降至-42.22nmol·cm^-2·h⁻¹ (pCO₂: 1200µatm; 温度 32℃)。类似地, pCO₂增加也会显著抑制活体孔石藻的生长钙化, 而且该抑制作用随着CO₂分压增加而增强。此外, 升温与酸化对藻体叶绿素a含量和净钙化速率均具有交互作用。与活体孔石藻相比, 死亡的藻体骨骼更易受到高温与酸化影响, 当温度升高至30℃或pCO₂提高至1200µatm时, 死亡藻体骨骼净溶解速率均显著增加, 而且高温与酸化的交互作用加速了骨骼溶解速率。研究结果表明了酸化与升温不仅会影响活体孔石藻的生长钙化速率, 而且会加速礁体主要组分(藻体碳酸钙骨骼)的溶解速率, 进而影响到珊瑚礁生态系统。本文研究结果对预测未来气候变化对珊瑚礁生态系统的影响、制定珊瑚礁生态系统保护与修复策略均具有重要的理论价值和生态意义。

利用第五次和第六次国际间耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project, CMIP)中全球气候模式的历史时期和未来增暖情景模拟结果, 结合观测资料, 文章对比评估了23个CMIP6模式和32个CMIP5模式对El Niño多样性的模拟能力, 并预估了东部(eastern Pacific, EP)型和中部(central Pacific, CP)型El Niño对未来全球变暖的响应特征。结果表明, 绝大多数CMIP5/6气候模式能够合理地模拟El Niño的多样性特征, 且CMIP6多模式的模拟性能较CMIP5有明显提升。CMIP6模式不仅减弱了EP型El Niño空间模态模拟的离散性, 而且还显著提高了CP型El Niño空间模态的模拟能力; CMIP5/6多模式基本能够模拟出两类El Niño的季节锁相性特征, 但CP型El Niño衰亡时间较观测明显滞后3个月; 同时CMIP5/6多模式模拟的EP型El Niño强度与观测值较为接近, 但CP型El Niño的振幅却强于观测。在未来全球变暖背景下, CP型El Niño事件的发生频率相对于EP型事件将趋于降低; EP型和CP型El Niño振幅强度随着全球变暖加剧将被增强, 且EP型增强幅度显著强于CP型。

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)包括低频海-气耦合和高频过程, 但 ENSO 动力学中的非线性阻碍了两者对 ENSO 发展贡献的定量分析。最近的一项工作提出了在线低通滤波技术, 通过去除模型中海-气耦合过程中风应力的高频部分, 从而研究低频海-气相互作用对ENSO动力学的影响。本文通过比较使用和不使用在线低通滤波模块的模式, 发现去除高频风力后会延长 ENSO 的周期, 并降低厄尔尼诺现象的多样性, 这证实了高频过程在厄尔尼诺多样性的成因中起着至关重要的作用。

珠江口沿岸风暴潮灾害频发, 且受台风影响显著。本研究对珠江口赤湾站近30 a(1990—2019)的极端增水进行了分析。结果显示: 近年来该区域年平均增水没有显著变化, 但极端风暴增水( 99.9%分位数)强度显著增强(1.62cm·a^-1), 意味着极端风暴潮灾害强度不断变大; 在这30a里, 有20a的年最大增水发生于台风期间(占66.7%), 2018年超强台风“山竹”引起的增水峰值达254cm, 为近30a最大的风暴潮灾害事件; 增水对台风的最大响应距离约为500~800km。在台风影响范围内, 增水强度与台风强度呈近似的线性关系, 与距台风中心距离则呈指数关系。分别利用台风强度的不同指标(台风中心最低气压、最大风速和最大风速半径), 结合观测站距台风中心的距离, 对增水进行拟合, 发现风速与距离组合对风暴增水的刻画效果最好[S_w=3.23e^-0.0036D×(Γ_w-3.90)+4.48, R²=0.78, RMSE=9.69cm]。这些研究结果可提升对珠江口风暴潮灾害的认识, 为台风风暴潮模拟提供验证资料, 并为风暴潮灾害风险评估与应对决策提供参考依据。