南极绕极流海域温度场时空变化的特征与机制研究

Three-dimensional (3-D) temperature variability in the Antarctic Circumpolar Current (ACC) zone, which is closely related to the ocean and atmospheric circulations, directly affects the regional and global weather and climate changes. Based on various in situ measurements, satellite observations, high-resolution numerical model outputs and reanalysis data, this project is to explore the temporal and spatial variability of 3-D temperature in the ACC zone. Power spectrum analysis, empirical orthogonal function decomposition, wavelet analysis, empirical mode decomposition and other methods will be adopted to help these analyses. Also, we will investigate the impact of external forcing and local thermodynamics on 3-D temperature variability through the data analysis of surface winds, ocean currents and bathymetry, as well as a series of sensitivity experiments with high-resolution MITgcm/FESOM models. Moreover, an updated version of the FESOM coupling model will be then used to explore the connections between 3-D temperature variability of ACC and thermodynamics of regional oceanic and atmospheric system. The aim of this project is to evaluate the influence of 3-D temperature variability of ACC on regional and global climate changes, and to further improve the understandings of the dynamics of Southern Ocean circulations.

南极绕极流海域三维温度场的变化与大洋环流和大气环流密切相关，并直接影响着区域乃至全球的天气和气候变化。本项目将在广泛收集各类现场实测资料、卫星遥感观测资料和高分辨率数值模拟或再分析资料的基础上，综合利用功率谱分析、经验正交函数分解、小波分析、经验模态分解等统计分析方法，研究南极绕极流海域温度场的时空变化特征，进而结合风场、流场和地形等资料，并通过高分辨率的海-气-冰耦合的FESOM模式或MITgcm模式等开展敏感性数值诊断试验，探讨外界强迫和局地热力动力过程对南极绕极流海域三维温度场变化的影响机制，力争在资料分析成果的基础上，采用新版本的FESOM海-气-冰耦合模式系统，探索南极绕极流海域的三维温度场的变化与区域海洋和大气系统的热力动力联系，以期评估南极绕极流海域三维温度场的变化对区域和全球天气和气候变化的影响，为丰富南大洋环流动力学理论作出贡献。

海水温度表征了海洋热状况，是描述海水属性、水团运动的基本要素。南极绕极流海域受太阳辐射和大洋西风带的影响，海洋三维温度场的时空变化具有独特性，然而，受观测资料的限制，对这一海域海洋三维温度场时空变化特征的认识还很不足。本项目以卫星遥感、Argo浮标和数值模式结果为主，结合历史观测资料和有限的锚系浮标资料，围绕海洋三维温度场的时空变化特征这一主题开展了三方面的研究工作：第一，分析了南极绕极流海域海面温度场的季节变化特征，并重点研究了南印度洋绕极流海域海面温度锋面的现象、特征与规律，并从海气通量、次表层海温特征等方面定量揭示了绕极流海域的大风过程与锋面之间的热力和动力联系，这一研究提升了对南大洋天气尺度过程的特征与变化规律的认识，为改善南大洋的海洋环境预报水平提供了理论支撑。第二，项目还紧密结合海洋生态环境变化这一科学界和社会大众共同关心的主题，利用南印度洋海域多个Bio-Argo浮标获取的垂向温度、盐度、叶绿素浓度等海洋水文和生物化学要素数据，较为系统地从太阳辐射、海气通量、海洋表层和次表层温度的变化，解释了南大洋不同季节的上混合层的海洋层化特征及其与海洋营养盐垂向输送和叶绿素浓度变化之间的关系，这一研究对认识南大洋乃至全球大洋的生物地球化学循环以及气候变化背景下的海洋生态系统演变都具有指导意义。第三，依据项目获取的温盐剖面资料和对南大洋锋面、大风等过程的理解，在已有的南海及其邻近海域的三维温盐场动态分析系统的基础上，进一步构建了一套包含南大洋的全球海洋三维温盐实时动态分析系统，并已提交给我国军民业务化部门使用。该系统不仅支撑着某部的日常海洋水下环境保障，而且为该系统建立的垂向温盐关系剖面数据库也已成为国家海洋环境预报中心改进卫星遥感资料同化的主要关系数据库。项目合计在物理海洋学主流期刊发表论文13篇，培养了4名硕士研究生、3名博士研究生和4名博士后，其中1篇硕士学位论文获江苏省优秀学位论文。