海洋与气候学视域下中北太平洋过渡区研究现状、启示与对策

齐庆华 靖春生

摘要：中北太平洋过渡区是高低纬海洋西边界强化动力系统的接续区和交汇区，是大尺度和中小尺度海洋过程的突出集中区，是研究海洋和海气系统多尺度过程与海洋气候和环境生态效应的关键区。文章从海洋学和气候学角度简述中北太平洋过渡区相关海域有关科学研究成果，并就相关科学问题研究现状和不足提出启发性研究对策和建议。结果表明，中北太平洋过渡区对认识全球变暖背景下海洋与气候变化的临界条件、临界状态、跨界触发、通道机制等研究具有重要参考价值，建议通过国际合作主导引领相关地区海洋自主或联合调查，系统构建气候变化观测体系，发展多尺度过程互馈机制和可预测性研究，创建仿生仿真多功能耦合模型，突破致害致灾风险预评估与区划技术关键，为深化海洋与气候变化认识，防灾减灾研究，海洋区域治理和海洋环境与生态安全保障提供坚实的科技支撑。

关键词：北太平洋环流系统;中高纬相互作用;中尺度海气相互作用;气候临界;海洋气候安全治理

中图分类号：P7 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2023）05-0017-10

0 引言

中北太平洋过渡区纵跨副热带和亚北极海区，续接高低纬大尺度海洋西边界强化动力系统（如，亲潮和黑潮）[1]，作为显著非线性动力不稳定区和冷暖水体交汇区，它是研究海洋锋面、水团、涡旋和湍流混合等中小尺度过程特有的重点海域[2-5]（图1）。同时，中北太平洋过渡区链接低纬度和高纬度海区相互作用（如，西风异常、瞬变涡与波动及E-P通量辐散异常等）[6-8]，是研究大尺度海气环流变异（如，北太平洋副热带环流、大气河等）[9-10]、中尺度海气相互作用（主要体现海洋作用于大气，如季节内振荡）[11-12]及最强年际信号（ENSO）[13]和太平洋年代际振荡（PDO）[14]等高影响海洋气候变率与可预测性的典型区域。该海域是北极冰融[15]、污染和辐射等物质汇集输运（如，太平洋垃圾涡旋、污染物和核放射性物质输运等）[16-17]、风暴轴迁移[18]、泛北太平洋地区极端温度[19]等环境气候异常和灾害发生的关键引发区和热动力机制源区，严重影响北太平洋海洋物质能量平衡、声环境、生物地球化学过程和极地系统的快速变化[20-24]，对区域海洋与全球气候变化、防灾减灾研究以及国家和地区气候环境和生态安全保障具有重要的科学与实践意义。

1 数据与方法

由于数据的限制，目前围绕中北太平洋过渡区开展的研究工作较少，且研究成果缺乏系统性。本文主要基于国内外中北太平洋过渡区，特别是相关海域开展的观测调查、研究工作和现有文献资料，从海洋学和气候学角度梳理，简述中北太平洋过渡区相关科学成果，并就研究现状、主要科学问题和研究启示，提出有关启发性对策建议，以期为深化海洋与气候环境变化的系统性认识和可预测性研究，以及海洋开发与管理、海洋环境生态保护、防灾减灾与海洋气候治理提供必要的科学参考和科技支撑。

2 中北太平洋过渡区海洋学研究现状与启示

2.1 海洋多尺度动力过程研究

从海洋动力学角度而言，中北太平洋过渡区突出呈现小尺度湍流到大尺度环流的完整动力学体系，具有较为系统的海洋动力尺度临界条件，能提供能量串级信息通道，是海洋多尺度过程演化和机制研究的理想区。

研究表明，双扩散是中北太平洋中层水形成的重要因子[25]。受西风带影响，中北太平洋过渡区主要属于风速和有效波高重现期的大值和极值区[26]。

海浪的破碎、搅拌混合以及波致应力等对海洋动力过程具有重要的影响和作用[27]，模式研究表明，在考虑海浪破碎、波致与搅拌混合等作用后，对北太平洋SST的模拟有较明显改善[28-29]。有关北太平洋海域中尺度涡的典型特征分析表明，中北太平洋海区是海洋中尺度涡的集中区，其中反气旋涡多产生于35°N 以北海区，以南海区则以气旋涡为主[30]。

中尺度涡和风场的高频变化可诱发海洋和大气季节内振荡，进而发展演化为海洋与气候异常[31-33]。

中北太平洋过渡区是联系副热带与亚极地环流的枢纽区，海洋环流系统归属于风生环流，且以季节以上尺度低频变异为典型特征。海洋环流的变化调控北太平洋整体能量输送与平衡，影响北太平洋大气环流和全球气候变化[9]。作为海洋内部大尺度波动，Rossby波在维持中北太平洋地区环流、能量传播等海洋动力过程调整与能量输运中发挥着关键作用[34]。体现海洋深层次流动的大洋热盐环流，控制着约90%的大洋水体，是全球气候系统的重要调控因子，其异常变化会引发严重的气候突变[35]。

不同于北大西洋活跃的深层水，北太平洋仅能形成中层水[36]，亲潮水次表层入侵对中层水的形成具有重要作用[37]，而近惯性内波可导致跨密度混合，进而影响中北太平洋大尺度经向翻转热盐环流的形成与发展[38-39]。中北太平洋过渡区是北太平洋副热带中部模态水（NPCMW）的主要分布区[25，40]，模态水潜沉与浮露是北太平洋副热带和热带相互作用的关键热动力学途径[41]。同时，海洋锋面是中北太平洋过渡区形成的重要特征[42]，研究表明，中北太平洋锋区是影响上空（边界层以至整个对流层）大气的显著区，对中北太平洋天气尺度瞬变擾动（波或涡旋）、大气风暴轴、西风急流均有重要影响[43]。

目前，中北太平洋过渡区多尺度海洋动力过程的针对性分析探究十分薄弱，研究成果主要集中于北太平洋大范围地区海洋多尺度动力过程研究，这为中北太平洋过渡区的海洋学认识提供了扎实研究基础。而有关中北太平洋过渡区海洋多尺度（特别是中尺度和亚中尺度）动力过程、能量串级与灾害风险等跨尺度和跨学科研究是海洋动力学未来重要的研究方向，必将成为区域海洋学研究的创新策源重点区。

2.2 生物地球化学过程影响与生态环境效应

中北太平洋海洋锋区是海洋的高生产力区域[42]。对中北太平洋过渡区水团的分析表明，幼鱼的分布受到水团特性的调控[44]，相关科学问题对大洋渔业的开发具有重要研究意义[45]。由于波浪使得气体传输速率加大，中北太平洋地区海洋对大气CO2 的吸收明显增加[46]。尤其是中北太平洋过渡区处于自生源、生源、陆源和火山源等物质能量进入大洋循环的动力关键区。有关日本福岛核电站泄漏在海洋中的传输及扩散的数值模拟结果表明，核废料浓度以及演变主要受洋流系统的影响[47]。

此外，北太平洋是塑料垃圾和微塑料污染的重灾区[48]，有害物质通过动力输运会对海洋生态环境造成严重影响，并可导致高危险性的生态灾害，其中，中北太平洋过渡区是重要的路径传输区和输送调控区[49]。

总体而言，作为高低纬西边界强流的接续区，由于动力不稳定性以及冷暖水的交汇，中北太平洋在西风带的影响下，聚集了小尺度海洋波浪、中尺度海洋涡旋以及大尺度海洋环流等多尺度海洋动力过程，对北太平洋海盆水团特征、流动与混合及其对物质和能量的输送起着关键作用，对维持和调控海洋生物生态系统的演化具有重要的海洋学意义。然而，由于对海洋动力过程认识的不足，有关中北太平洋过渡区生物地球化学循环和驱动机制的研究还十分缺乏，对整个北太平洋地区区域海洋生态环境研究进展和灾害风险防治与管理产生不容忽视的影响。同时，作为海洋的主要失热区，中北太平洋通过强烈的海气相互作用，严重影响区域和全球气候环境调整与变迁。

3 中北太平洋过渡区气候学研究现状与启示

3.1 中尺度海气相互作用研究

中緯度海洋锋和中尺度涡等海洋中尺度系统的海洋与大气作用关系主要体现为海洋强迫大气[50]，这里称为中尺度海气相互作用[51]，对海洋与气候变化及其可预测性研究具有重要意义[52]。分析表明，海洋锋区和中尺度海洋涡旋区海温异常与上空风场呈明显正相关关系，且在强锋区和日尺度的变化上，附带海洋波动和瞬态涡旋的产生，使得两者相关更为显著[53-54]。中尺度海洋系统强迫可改变界面热通量和大气边界层不稳定性，增加动量通量，增强垂向混合，其影响可延伸至对流层，使得大气斜压性增强，影响天气尺度气旋移动路径[55-58]，同时中尺度暖性系统（中尺度暖涡）可进一步增强台风强度。而在较长时间尺度上，中尺度海洋锋和中尺度涡旋通过海平面气压调整引起上空大气的迟滞响应[59]。可见，中尺度海气相互作用机制发生作用与中尺度海洋系统尺度、大气稳定性和调整时间、风场背景等密切相关。尤其是中北太平洋是天气尺度扰动活跃的区域，中尺度海洋系统造成低层大气斜压性增强，诱发大气瞬变涡旋活动，通过涡度强迫等造成风暴轴和西风急流异常，影响中北太平洋海洋水汽、热量与西风异常信号向周边大陆、低纬度海区和高纬度极地区域的输送和传播[60-62]，影响区域和全球海洋气候与环境生态。中尺度海气相互作用对气候模式的研发具有重要作用。中北太平洋过渡区是中尺度相互作用的典型区和关键区，由于长期连续实测系统和平台的缺乏，对中北太平洋中尺度海气相互作用的观测和研究尚有待系统深入。

3.2 高低纬度相互作用链接与气候环境效应

北太平洋海气耦合作用系统的年际（ENSO）和年代际变率[太平洋年代际振荡（PDO）和北太平洋涡旋振荡（NPGO）]是气候系统变化的最强信号，核心区分别位于热带赤道太平洋和中纬度北太平洋海区[63]。北太平洋PDO 和NPGO 分别对应于不同的大气强迫模态，PDO 主要受阿留申低压异常的强迫，而NPGO 则主要受大气中北太平洋涛动（NPO）强迫[64-65]。大洋环流动力变化则是形成PDO、NPGO 的重要媒介[66]。未来气候情景预估结果显示，全球稳定增暖的情境下PDO 和NPGO 强度均比历史时期弱，且主周期缩短，可能与全球增暖海洋层结增强导致的Rossby波变快有关[67]。

就海洋内部而言，中北太平洋过渡区年代际变化主模态涉及北太平洋模态（NPM）和东北太平洋模态（ENPM）[63，68]。此外，北太平洋年际和年代际变率并非相互独立。研究表明，北太平洋年代际变化不仅源于中北太平洋[69]，依赖于局地的中纬度海气耦合过程，体现中纬度海气相互作用的本征模态[70]，而且可以通过大气桥和海洋桥的快慢过程形成自适应年代际振荡[71]。中北太平洋在北太平洋年代际气候调整及其热动力过程中起重要的作用。

其中，海气界面湍流热通量交换是海气相互作用的关键过程，湍流热通量可引起局地海温的变化，同时，海洋内部动力作用引发的海温异常对湍流热通量变化起主要作用[72]。北太平洋中纬度阻塞高压是影响局地和区域天气气候的重要大气现象，合成分析表明，受天气尺度瞬变扰动活动作用[73]，阻塞异常增强时，500hPa位势高度异常呈现为典型的太平洋-北美（PNA）遥相关波列，而风暴轴则表现为瞬变涡旋，向东北传播，海表温度异常在中纬度为太平洋年代际振荡（PDO）模态，与其对应，在热带赤道太平洋，海表温模态呈现为LaNina型[74]。北太平洋气候系统的年代际调整对北太平洋大气河的影响起主导作用[75]，且与北极涛动以及台风和飓风的频次密切关联[76-77]，并严重影响海洋生态系统[64，78]。相关机制研究指出，热带地区大气环流对北太平洋年代际模态的响应具有斜压结构特征，而对中高纬度地区的影响呈正压结构特征[79]。目前，基于海气耦合模式，北太平洋年代际变率的空间结构和多时间尺度性虽已能得到模拟[80-81]，但精细化程度仍较低。

需指出的是，中北太平洋过渡区不仅影响局地海洋与天气气候，通过大气桥链接中低纬度海洋相互作用[82]，还特别调控中高纬度相互作用和极地海洋升温、融冰、碳吸收和酸化等快速变化[83-85]，并对全球气候环境变化产生严重作用影响[23]。研究显示，中北太平洋SST 增强，可抑制行星波向平流层的传播，形成更稳定和持续的北极涡旋，导致较低的臭氧水平[86]。风暴轴是中北太平洋过渡区天气瞬变扰动最活跃的地区[18]，分析表明，冬季极涡的异常变化可对中北太平洋风暴轴产生影响[87]，而风暴轴活动与冬季影响中国的冷空气活动频次密切关联[88]。中北太平洋海域受副热带高压控制，蒸发大于降水，是全球水汽和能量循环的重要来源，通过调节大气环流，中北太平洋可触发水汽和能量循环调整，引发气候环境系统发生变异。尤其是受西风急流的影响，中北太平洋对中亚大陆沙尘暴和东亚地区气溶胶的远程运移和沉降起到了重要作用[89-90]，为该海区提供了95%的铁元素，并进一步通过海洋地球化学循环主导调控海洋初级生产力[91-92]。

综上所述，中北太平洋过渡区是副热带环流和亚极地环流的动力枢纽，作为动量、浮力通量以及物質和热量的关键输运区，链接低中高纬度海气系统和相互作用，同时作为年代际振荡核心区，调整区域、极地和全球气候系统，是全球气候临界状态的重要表征，是研究气候系统临界突变的热点区域，具有显著的气候学意义。当前，围绕中北太平洋过渡区的海洋气候耦合体系研究，包括中低纬相互作用、中高纬相互作用、中尺度海气相互作用等过程、机理和影响相当缺乏，尤其亟须发展以中北太平洋过渡区为中心的海洋与气候临界研究。鉴于区域和全球海洋气候系统复杂的互作互馈动力结构和作用关系，应以中北太平洋过渡区为切入和突破，加强区域海洋气候观测，系统深入分析区域和全球气候环境临界条件，临界突变机制，作用通道，可能影响和关键风险，为气候环境变化和预测、防灾减灾和安全保障提供必要的科学基础和科技支撑服务。

4 存在不足与对策建议

为深入认识中北太平洋过渡区的海洋与气候学意义，丰富区域海洋与气候和环境生态系统的深入研究。本文简述了该海域和相关区域海洋多尺度动力过程，生物地球化学循环及其海洋环境生态效应，中尺度海气相互作用和中高纬度相互作用以及气候效应等相关研究现状。当前有关中北太平洋地区开展的研究成果相当匮乏，尤其海洋与气候学视域下，针对中北太平洋过渡区的相关研究还存在相当的不足，简要总结如下。

（1）2019年“全球变化与海气相互作用”专项于2019年在中北太平洋实施海洋水体综合调查，填补了我国在该区域自主调查与实时监测的空白，为全球气候变化、海洋环境预报和防灾减灾提供了数据支撑。然而，目前针对中北太平洋过渡区的专项调查仍十分缺乏，亟待通过实测数据的获取，进而为深入系统研究中北太平洋海洋与气候变化奠定坚实基础。

（2）由于数据的缺乏，当前对中北太平洋过渡区各种海洋动力过程特征规律及串级和能量信息通道，特别是海洋影响大气的中尺度过程（如海洋中尺度涡旋，中层水演化等）、涡波流相互作用、中高纬度海气相互作用，以及扭结齿合区域海洋和全球气候变化的临界状态、跨界条件和动力机制研究相当薄弱，加之中北太平洋是重要的碳源，这极大影响着对区域海洋环境和全球气候变化的可预测性研究。

（3）围绕中北太平洋过渡区域的海洋物理环境、化学、生物和生态要素的重要资料、生物多样性基线、时空分布规律、生物地球化学要素和污染物的溯源分析、输送通道和路径及相关强迫动力机制研究还很不足。有关全球变化下中北太平洋过渡区的区域海洋响应、生态动力学规律和模型构建以及海洋生物多样性和生态系统保护等研究进展缓慢。

（4）中北太平洋过渡区通过海气相互作用会影响登陆我国的台风生成和中部型厄尔尼诺的暴发，进而对包括我国在内的周边地区乃至全球造成严重的灾害风险，而针对中北太平洋过渡区引发相关海洋灾害致害致灾阈值分析、风险预估和等级区划以及风险管理与治理尚待逐步开展。

针对目前中北太平洋过渡区研究现状，就相关科学问题提出以下启发性研究对策建议。

（1）加强主导和引领中北太平洋过渡区国际联合海洋调查，集中于系统构建关注区高分辨率多要素气候变化精准探测、监测和气候观测体系。

协同遥感技术和现场调查等多功能异构观测平台，设计开发最优组网方案，研发仿生传感和原位观测技术方法，建立相关区域海洋与大气气候变化跨尺度、跨界面自适应过程化立体观测体系和信息系统。

（2）发展中北太平洋过渡区多尺度过程互作互馈与能量信息通道机制及可预测研究，致力于深刻厘清全球变化下区域海洋与气候变化临界条件与跨界（尺度）机理。

从复杂系统科学和整体论角度，分析中北太平洋过渡区多尺度海洋动力过程、中尺度海气耦合、中高纬相互作用以及极地快速变化响应、反馈与调控机制，校验与改进多圈层气候耦合预测模型，从区域海洋防灾减灾与国家海洋安全保障角度，研判海洋气候与环境生态变化临界状态和临界点触发，发展安全隶属度模糊控制新方法。

（3）创新中北太平洋过渡区生源要素地球化学迁移转化过程研究，丰富于系统性海洋生态动力学理论，推进建构多学科交叉和多圈层耦合的仿生仿真功能模型。

通过多学科数据同化、网格优化和过程参数化先进技术方法，结合机器学习和人工智能，从大生态和大数据角度，深度融合精细化多源数据观测，阐明海洋动力与海洋环境和生态的胁迫响应及适应机理，关注海洋物质能量平衡，尤其是热收支、水分和碳循环，开展跨界面、跨圈层的生物地球化学和碳循环核算、动力过程模拟，集成架构区域生态动力多功能尺度全息化模型。

（4）强化致害致灾风险预评估与区划，针对海洋灾害、双碳目标、生态环境问题，突破关键技术限制，服务于深化地区和全球海洋气候环境与生态安全治理。

加强气候变化下海洋动力、声场环境、生物生境与生态风险指标和阈值研究，协同攻关多致灾因子危险性、生态复合韧性和临界点诊断关键技术，评估和建立区域海洋生态系统健康状况、生物多样性、生态功能服务、气候与灾害风险等级区划（分区分类分级分时）以及预警防控、应急决策和精准调控体系，提高防治处置和修复保护效率，不断提升对未来海洋健康永续的智慧和智能化管理决策水平。

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