印度洋热力分异与洋际协同对中国气候的影响及关键灾害风险初探

齐庆华

(1.自然资源部第三海洋研究所 厦门 361005;2.福建省海洋物理与地质过程重点实验室 厦门 361005)

0 引言

印度洋地处亚印太交汇区,是泛第三极(Panthird Pole)地区西太平洋-印度洋-青藏高原系统的重要一员[1-2]。印度洋西南和东南分别与大西洋和太平洋相连,东印度洋还通过印度尼西亚贯穿流连通西太平洋。东印度洋-西太平洋暖池是全球表层海温最高以及热含量和水汽最集中的区域[3-4],印度洋热力异常是影响高原热源和暖湿环境、亚洲季风变异及全球气候变化的重要因素[5-6],在维持全球海洋热量与水分平衡中发挥重要作用[7]。受非洲和亚洲大陆影响,印度洋10°S以北大范围洋区的季风活动最为活跃,该海域处于Hadley 环流和Walker环流的上升支[8],影响强对流产生和热带气旋暴发[9-11]。印度洋是东亚夏季风环流和大气季节内振荡的重要发源地,同时是我国季风降水的重要水汽源区,其变化对东亚季风气候和我国环境具有重要影响和调制作用[12-14]。印度洋引发的海气系统季节内振荡过程[15]可协同导致天气和气候异常,造成我国出现旱涝、高温、冷害和雾霾等极端性气候和环境灾害风险[16-20]。当前我国正全面推进“一带一路”建设,印度洋扼亚洲、大洋洲、非洲和欧洲的海洋交通要道,是“21世纪海上丝绸之路”的必经之地和“一带一路”倡议顺利推进的关键海域[21]。因此,对印度洋热力分异特征规律、海气相互作用和洋际协同效应及气候与生态灾害影响风险进行分析和探讨,可为提高我国季风气候和海洋环境变化研究及精准预测水平提供必要的科学依据,对“21世纪海上丝绸之路”的气候与海洋环境安全保障以及我国防灾减灾研究具有重要的科学与实践意义。

1 数据与方法

海温作为海洋环境的基本要素,是表征海洋气候变化的重要指标和影响天气气候和环境生态的关键因子,体现海洋上层热状况和局地及跨海域三维立体水交换特征,反映与低层大气的相互作用过程,并通过海洋通道与大气桥或海气遥相关[22],链接全球海洋协同作用以及海、陆、气、冰等多圈层耦合,呈现海洋在气候系统中的重要地位,其变化会产生显著的气候环境效应以及气候和生态灾害风险。热含量是表示海洋热力状况垂向累积的综合指标,反映海洋热力结构和总体配置,决定海洋潜热和水汽通量及其向陆地的输送。从能量学角度而言,海洋热含量与季风变化的耦合作用是调节全球海洋与气候变化的内在本质。此外,混合层厚度、海面高度、跃层深度及相应次表层海温(或不同层面温差)等均表示中上层海洋热状况。

本研究中的印度洋海洋热力状况主要以海温(或梯度)和热含量(垂向累积)作为表征指标。随着海洋观测资料的不断丰富,人们对海洋的认识逐渐从表层向深层、从局地区域向全域高维系统发展。海洋与气候要素场的空间分异经时空分解(EOF、SVD 等方法)[23]可得到主模态特征,由于聚焦区域和关注视角的不同,会存在不同特征的时空模态,但就分异分解方法本身而言,包括全域一致型、偶极子型和三极子型等空间型态,且各自具有主导变率。通常人们关注要素场的主导模态和优势模态,但其他变异模态不能忽略,尤其是在具有实际物理意义和存在模态转换的情形下,以便系统和全面地认识要素场的时空分异特征规律。

2 印度洋海洋热力分异主模态与热收支相关机制

本研究从印度洋本身和洋际协同的角度,简述印度洋热力异常的局地和非局地模态分型,分析和探讨主导模态(优势模态)、梯度模态和联合模态等时空模态的特征规律和相关机制。热带印度洋的主导模态主要包括印度洋偶极子型(IOD)和海盆一致型(IOB)。IOD 是印度洋最强的年际气候模态,Saji等[24]首先提出热带印度洋偶极型海温异常模态,其在约100 m 的次表层变幅最大[25];强度和位置等的偏度以及季节循环使得IOD 的类型多样,并具有季节锁相特征[24,26]。IOB 是热带印度洋海温异常的另一个典型模态,热带印度洋的一致变化可引起大气对流层的Kelvin波东传,以维持菲律宾异常反气旋,进而影响亚洲夏季风[27]。

印度洋与太平洋热力异常变化的独立性和相关性并存[28-29]。就相关性而言,热带印度洋的IOD事件与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的多样性暖事件显著相关,且关联机制各异[30];热带印度洋的IOB事件也在一定程度上被视为对厄尔尼诺(El Niño)事件的滞后响应[31];同时,热带印度洋的IOD事件可通过热动力过程触发ENSO 事件[32]。除风应力和海面热通量外[33-34],表层与次表层的异常海洋动力过程与风-温跃层-SST 反馈(WTS)[35-36]尤其是海洋波动对热带印度洋年际尺度的海表温度变化作用显著[37],同时其多年代际气候变率受北大西洋涛动的调控[38]。

热带印度洋IOD 和IOB 模态之间互为关联。有观点指出,IOD 并非纬向海温差异的反位相振荡,而是叠加于IOB背景上的温度梯度扰动[39]。对印度洋纬向海温梯度进行时空分析可得到印度洋海温梯度模,海温梯度模不仅体现印度洋纬向海温差异的特征,影响我国的季风活动和降水分布,而且与印太海温梯度叠加,极大地影响西北太平洋登陆我国的台风[40-42]以及周边地区的气候异常[43]。印度尼西亚贯穿流和大气Walker环流是关联印度洋和太平洋海温异常的重要枢纽通道[44],将热带印太海域作为整体进行时空分析,进一步得到热带印太海域最重要的海温异常联合(综合)模态。该模态呈纬向三极子分布[45],同时体现于表层和次表层并互为联系[46]。有研究表明,印度洋-太平洋联合模态由海温梯度与Walker环流之间的正反馈作用维持[47],并对季节内振荡产生重要的调控作用[48]。

在南印度洋副热带海区,显著的印度洋海盆尺度的海温异常分布型以西南-东北反向偶极子为主要特征,其是南印度洋副热带海区的年际变率主导模态,可触发热带印度洋的IOD 事件[49],对ENSO 事件的位相转换有重要作用[50-51],而且通过影响西太平洋副热带高压调控我国长江中游和华南地区的夏季降水[52-54]。此外,印度洋海温异常还存在中部型[55]和三级子型[56]等模态以及气候变化驱动的赤道模态[57]等,本研究不作赘述。

热带印度洋上层(700 m)的热含量与海表温异常具有相似的分型[58],由于缺乏深层数据[59],相关认识较为不足。印度洋的热量收支及变化机制分析表明,风和热通量强迫影响整个海盆的热含量。印度洋贯穿流主要影响南印度洋的热含量[60];北印度洋热含量的变化主要由经向热输送引起,其中边界流和经向翻转环流起主导作用,而涡动项的贡献较小[60-61]。基于热通量方程的分析表明,东北印度洋上层海洋热含量的季节变化是海气相互作用的结果,由动力过程(海洋上层100 m 以内)和海表净热通量共同控制[62]。

总体而言,目前对印度洋热力分型已有较多分析,并取得系列研究成果,然而对气候变化下分型之间的关联、转换和模态演化[63],以及调控局地热力异常与相关海气扰动振荡激发、传播和不同影响的分析较为缺乏,对热力状况与分异的气候环境影响、作用通道和调控机制的研究明显不足,同时对季节变化引起的预报障碍等可预报性仍待深刻剖析。因此,可借对上述科学问题的研究,为区域气候模拟和预测研究提供重要的科学依据。

3 印度洋热力分异与中小尺度过程的关联

从大尺度洋流,到中尺度涡旋、海洋锋面、潮汐和内波,以至小尺度湍流等动力学体系,均与海洋热力状况密切关联。目前对于大尺度海洋过程已有很好的认识进展,而对中小尺度海洋过程的理解成为提升海洋与气候变化全过程精准预测预报的关键。考虑到大气季节内振荡对数值天气和短期气候预报的重要意义,本研究仅围绕相关的中小尺度海洋过程以及大气与海洋季节内振荡,简要探讨其与印度洋热力分异的关联性。

有研究显示,海浪水体输运的大尺度效应显著调控大洋热量配置,并对IOD 模态的发生和发展具有重要作用[64]。IOD 负位相期间,受西南风的影响,海洋的不稳定过程使得能量由平均流能量向涡旋场转化[65],如印度洋赤道潜流的剪切不稳定能诱导次表层的中尺度涡旋。印度洋的海洋中尺度涡旋主要分布于北印度洋的阿拉伯海、孟加拉湾西部海域以及南印度洋的澳大利亚与非洲连线海域,中尺度涡旋对相关海域海洋热状况的改变具有重要作用[66]。有研究表明,不同类型的IOD 事件通过改变西南季风的强弱变化,对上升流产生不同程度的影响[67];受到IOD 事件的调控,西南印度洋和东印度上升流的强度表现出显著的年际变化特征[68]。海洋锋面处于温度梯度最大处,较强锋面主要位于南印度洋西风带区域以及季风盛行期的东印度洋。从梯度模态的角度看,其两侧的冷暖水可通过调节海气界面热通量而影响低层大气环流[69]。海洋障碍层可强化层结,阻碍海洋混合层的存储热量向下与温跃层以深水体的热交换,进而影响海面温度变化,并反馈和调控IOD 事件的发生和发展[70-71]。有研究发现,北印度洋东部海洋障碍层的形成主要由等温层的深度变化引起,温跃层在赤道波的作用下也会影响海洋障碍层的变化[72]。IOD 事件期间,孟加拉湾的海洋障碍层变化显著,与等温层改变密切相关[73]。同时,IOD 事件对混合层的年际变率具有调制作用[74]。

作为大气中最显著的振荡现象,大气季节内振荡(统称ISO)是链接天气活动和气候变化(如ENSO)及其预测预报的重要环节与关键[75],现有研究围绕大气季节内振荡的激发传播机制、行星尺度选择和多尺度相互作用开展[76]。大气季节内振荡通过影响动量、浮力强迫和海气热通量引起上层海洋发生变异,调控印度洋IOD 的发展和演化[77-78]。有研究显示,热带印度洋是全球大气季节内振荡活动最活跃的地区之一[79]。受大气季节内振荡的强迫影响,热带印度洋的海表温度变幅可达3℃[80],而海表温度也是反馈和激发大气季节内振荡的重要因子[81-83],其中具有能量频散特性的波动-积云对流加热反馈是重要机制[84]。秋季季风转换导致的Rossby波西传会引发热带东南印度洋的暖海温异常,进而加强东传的大气季节内振荡深对流。有研究发现,IOD 事件显著影响大气季节内振荡的强度,并明显区别于ENSO 的作用[85]。大气季节内振荡与亚洲季风的活跃、中断、推进和撤退均密切相关[86],亚洲季风起始于孟加拉湾西南季风[87],有分析表明其具有典型的季节内振荡特征[88]。大气季节内振荡的持续性活跃在引发季风风场异常的同时,主要影响水汽的输送[86],最终导致我国发生极端的高温热浪、低温冷害和旱涝灾害[17,89-90]。同时,受大气热力和低层风场强迫以及海洋次表层过程[91]的影响,中印度洋的海洋季节内振荡同样显著,有分析发现在中印度洋模态中可捕捉到北半球夏季向北的季节内信号[55]。目前对大气季节内振荡的结构和传播特征及其对天气气候的影响已有较好的认识,但仍缺乏对其生成、维持和传播等动力学机制的阐释,从而影响对其预测能力的提升。而因数据的限制,针对海洋季节内振荡及海气相互作用的分析很少,相关研究亟待加强,以便有效提升海气耦合模式对季风降水的模拟能力。

4 印度洋热力强迫与海气相互作用对我国气候的影响

海洋尤其是热带海洋在全球能量收支中占有重要的地位,其吸收最多的太阳辐射,通过海气相互作用驱动局地大气运动,且低纬度海洋热状况的改变可经海气相互作用调控热带大气各尺度的扰动振荡、遥相关型或遥相关波列激发以及急流波导能量传播,进一步导致中高纬度的大气环流变化,造成天气和气候异常[92]。亚洲夏季风的热源主要位于印度洋,其中以孟加拉湾北部的热源强度最大、持续时间最长[93]。亚洲夏季风首先暴发于印度洋的孟加拉湾海区,海表温度的变化对其发生与演变起重要作用[94-95],并受到太平洋ENSO 相关海气系统的协同影响[96]。作为亚洲夏季风的子系统,东亚夏季风是影响我国环境的重要气候因子,其始于南海夏季风,有研究表明孟加拉湾的高海温通过诱导大气季节内振荡对夏季风的暴发产生重要影响[97],其中印度洋纬向海温梯度异常和一致性模态的调控作用显著[98-100]。印度洋海温异常通过感热和潜热的2级热力效应造成西太平洋副热带高压异常[101],同时海洋异常纬向模态可触发东亚季风的极端变化[102],调控东亚西风急流南北摆动,最终影响东亚季风和下游气候[103]。

值得关注的是,印度洋热力分异可通过强迫季风环流异常从而调控夏季风气流对水分和能量的长程输运,最终影响我国雨带的分布分型以及气温、湿度等极端天气气候的发生。有分析表明,正(负)相位趋于形成东西纬向(南北经向)型降水分布[104]。印度洋异常海温IOD 模态的相位控制我国主雨带的持续维持,可造成超常或极端的灾害性事件。数值模拟研究也表明,东冷西暖的印度洋海温结构使我国西南到华南地区的降水明显增加,易造成我国大陆纬向的带状旱涝分布[105]。而IOB模态的升温趋势会减弱夏季风环流,并使我国雨带南移[106],显著影响我国江淮流域的汛期降水[107]。在南半球环状模的影响下,南印度洋中高纬度海域的海温异常可诱发东亚夏季风的变化,从而引起我国长江中下游地区的降水异常[108]。此外,印度洋海温可通过调节我国华北地区的水汽输送从而影响当地降水的多寡[109],且热带印度洋的早春海表温度对我国东北地区初夏降水的影响呈年代际增强特征[110],印度洋的海温变化还是影响我国东北地区极端低温天气的重要因子[111]。尤其指出的是,受气候变暖的强迫,海洋的显著升温通过印度洋的电容器效应对我国长江流域的极端降水和华南地区夏季的极端高温有重要影响[112-114]。在全球变暖的背景下,极端降水和极端高温事件与气候模态相关的海气相互作用和海洋动力过程密切相关,应加强对其的认识,以提升我国对海洋与气候极端事件的预测能力[115]。

可见,印度洋热力分异主要调控我国华南和西南地区的季风性降水以及长江中下游地区的汛期降水,同时协同引发我国的旱涝和高温、冷害等极端灾害[1,116-117]。然而在全球变暖的背景下,以及在以印度洋热力分异为主导、多因子协同叠加的情形下,印度洋热力异常将对我国气候产生复杂影响[118]。

5 印度洋热力分异多源胁迫的协同效应与关键灾害风险

印度洋热力多源(区际、洋际和域际)因子的互作胁迫与叠加协同效应(包括放大和相消,这里更多关注放大作用)通过海洋通道和大气桥等遥相关机制(缘起与中继)导致我国极端天气和气候灾害与风险的发生。海洋热力状况是大气运动与季风系统的原始驱动力,有分析表明热带印度洋纬向大气环流异常与东西热力差异的强迫有关,同时受到印太海洋整体热力异常的协同影响[119]。20 世纪90年代末,气象学家开始关注洋际海气相互作用和耦合关系[28],有关太平洋和印度洋相互联系的物理机制从海洋通道、海气相互作用过程和大气遥相关等方面给出相关阐释。有分析表明,赤道印度洋纬向垂直环流相继受到前期和同期赤道东印度洋海温和太平洋厄尔尼诺型海温信号的影响[120];热带太平洋的热力年际异常信号通过大气Walker环流和局地海气相互作用的纬向大气桥[121]相联系,并由印度洋季风环流与太平洋Walker环流的齿轮式耦合作用引发[28];此外,热带西太平洋通过贯穿流导致热带东印度洋的年际尺度热力调整[122]。有研究发现,西印度洋的热含量受到北大西洋涛动(NAO)和北极涛动(AO)的共同调控[123],同时该海域的海温通过影响Walker环流和信风触发大西洋厄尔尼诺事件[124]。

印度洋热力异常的协同作用与影响我国气候的重要天气气候系统(如ENSO、季风环流、副热带高压及菲律宾海异常反气旋)密切相关。有模式分析表明,热带印度洋的海温变化通过风应力的桥梁作用调制热带太平洋海气系统的正负反馈机制,促使ENSO 暖冷位相的转变[125],且其年代际变率更为明显[126]。印度洋海温从偶极到单极的变化对应ENSO 暖事件的发展与消亡[127],而印度洋IOD 模态的空间特征和强度变化可能是20世纪90年代初印度洋增暖对厄尔尼诺衰减贡献减弱的重要原因[128]。热带印度洋IOD 与ENSO 对我国降水具有独立且不同的季节影响[129],同时IOD 与ENSO的独立和联合作用对我国秋季降水的影响存在明显差异[130-131],且其联合叠加影响可同时存在协同放大或相消效应[132]。有研究发现,热带印度洋秋季海温异常的全区一致型和偶极子型对后期东亚冬、夏季风的强度变化具有重要作用,且印度洋和太平洋协同振荡型可通过东亚冬季风影响我国冬季气候[133],而ENSO 可调制印度洋热力异常与东亚季风关联的显著程度[134]。此外,有分析表明,我国长江中下游及江南地区的极端降水风险主要受热带印太海温年际和年代际异常与中高纬度欧亚大陆上空纬向遥相关波列的协同调控[135]。西太平洋副热带高压是影响我国东部旱涝灾害和高温天气的重要气候系统[136-137],印度洋-南海暖池与赤道东太平洋的海表温度异常对西太平洋副热带高压具有协同影响[138]。作为热带海洋对东亚夏季风和西太平洋副热带高压作用的纽带,菲律宾海异常反气旋环流与局地海气相互作用、ENSO 事件和热带内外相互作用关联密切,并成为影响我国东部地区降水的关键因素之一[139-140]。有分析显示,热带西南印度洋夏季海表温度升高造成北印度洋的东北风异常,通过风-蒸发-海温(WES)机制使得北印度洋海表温度升高,同时北印度洋的东北风异常向东延伸引发西北太平洋冷海温异常,并共同维持西北太平洋菲律宾海的反气旋式大气环流异常,进而导致我国长江中下游地区出现极端降水。需要指出的是,西南印度洋温跃层呈“dome”结构,海温变化的温跃层反馈机制(WTS)显著[36],而夏季热带西南印度洋的海温异常变暖与印度洋IOD 紧密相关[141]。此外,热带气旋是影响我国降水的重要因子,其中热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋热带气旋趋多的主要因素,且北大西洋负三极型海温异常的协同作用会促使热带气旋的进一步增多[142]。

对印度洋跨洋盆相互作用的深入认识是提升季节至年代际气候预测准确性的重要环节。鉴于系统与系统间的互作互馈机制异常复杂,并考虑到海气系统具有显著的非线性动力行为体现[143],可基于信息熵理论,通过构建传递熵和互信息熵等信息传输特征量加以分析。针对印度洋作为信息源的信息传输的全球特征研究表明,其大气信息汇主要分布于中纬度地区,且与太平洋和印度洋存在信息通道[144-145]。针对三大洋协同性及影响的分析表明,三大洋的交互作用可协同影响我国南部地区季节内降水、频次和强度的分布格局与演化,并引发极端天气气候事件[146-148]。有研究发现,ENSO 事件期间的热带印度洋和太平洋存在明显的三维“齿轮式”耦合特征,同时印度洋与大西洋耦合助推极端厄尔尼诺事件的暴发[149]。可见,充分考虑印度洋的洋际协同作用可有效提高对极端厄尔尼诺事件的预测水平[150]。

总而言之,印度洋热力分异可由局地或远地作用(如ENSO)机制触发[151],大气动力异常由WES和WTS (Bjerknes正反馈)等反馈机制以及大气与海洋波动过程(如Kelvin波和Rossby波)影响印度洋热力分异分型和气候演化,并通过海气相互作用、季风影响以及与其他大洋的协同作用等对我国产生显著和不同的气候效应,尤其对我国极端气候事件的发生具有极大的影响。但相关影响机制,尤其是针对气候变化下全球与区域性气候变率、中高纬度环流系统以及各大洋之间的协同调制作用对我国极端气候事件的影响和危险性等科学问题,亟须开展深入的研究。

围绕上述主要科学问题,本研究简要概述印度洋热力分异及多源强迫协同作用下我国气候和环境的关键风险。印度洋热源异常是我国重要的气候、环境和海洋影响中心:一方面,通过影响大气季节内振荡等过程引起东亚中高纬度地区的环流变化,造成夏季风和西太平洋副热带高压异常,同时调控热带气旋暴发和强台风生成,进而影响我国东部地区季风雨带和气温的配置与强度[102,152-153];另一方面,激发热带内外低频遥相关波列形成,影响我国旱涝、高温与冷害等灾害的极端特性和分布格局[154]。尤其是在全球变暖的背景下,热带印度洋热力异常和相应的大气季节内振荡对流活动异常均发生改变[155],印度洋热力分异模态与全球和区域气候变率(如太平洋ENSO 事件)以及与其他大洋协同叠加作用,对我国东部地区气候尤其是极端气候产生复杂而严重的影响[37,148,156-158]。同时,印度洋热力分异模态可通过影响异常反气旋的建立,致使我国南海发生极端高温现象[159],对海洋环境和珊瑚礁等生态系统造成灾害性影响。因此,针对我国海洋与气候变化的研究须考虑印度洋热力模态的综合影响,这对于提高东亚极端气候和环境的可预报性与灾害风险防控的精准性至关重要。

6 研究存在的不足与建议

目前围绕印度洋热力变异及其气候环境效应已取得一定的研究成果,但针对基础性和关键性科学问题的研究仍存在很大的不足。

(1)相关科学问题研究的系统深入严重依赖观测技术方法的发展和观测体系的建立。印度洋海盆尺度的相关观测始于20世纪60年代[160],之后首次GARP全球实验印度洋实验(INDEX)、世界大洋环流实验(WOCE)、全球联合海洋通量研究(JGOFS)和ARGO 全球海洋观测网计划相继实施,对印度洋进行较为系统的观测和研究。随后气候变率与可预测性研究计划(CLIVAR)和全球海洋观测系统(GOOS)联合推动建立印度洋海洋观测系统(Ind OOS),其以亚非澳季风分析和预测浮标网络为主要组成部分。随着印度洋多学科海洋调查航次的不断开展,对印度洋的观测与研究能力日益提升,我国也将“两洋一海”(西太平洋、南海、印度洋)作为重要的核心观测区。然而相比于其他大洋,印度洋现场观测资料尤其是深层次海洋资料仍十分匮乏。

(2)印度洋热力异常除通过大气桥的作用反馈于北极涛动[161]、南北极涡[162]以及协同其他大洋联合影响我国气候与环境,还通过海洋通道作用中继高纬度环状模态(可理解为大气不稳定性由活动中心向活动带的推广延伸[163])的遥相关影响。当前对相关科学问题的认识主要集中在印度洋热力分异和洋际等多源协同的大尺度特征,对有关的耦合机理、联合影响、协同效应及多尺度变化的认识仍相当有限。尤其围绕以印度洋为核心的各大洋协同作用及其造成的复合型极端或超级灾害性事件,有待进一步系统研究多源胁迫和多时空维度的相互作用影响与机理。此外,中小尺度海洋过程使得气候预测复杂化,已成为提升短期气候预测能力的关键。因此,亟待围绕海洋热状态,重点突出印度洋海洋与大气季节内振荡等中小尺度动力过程进行研究,打通印度洋热力分异演变与洋际协同关键动力联系和能量信息通道,发展大数据处理人工智能或机器学习新方法[164],丰富中小尺度理论以及开展中小尺度建模研发,进而为我国气候变化预测与灾害风险精准化评估奠定基础。

(3)在全球变暖的背景下,印度洋升温最为明显[144,165],极端和早发型IOD 频发[166-167]。印度洋热力变异通过增强大气季节内振荡的东传和北传[168]调节太平洋气候[169],影响北大西洋气候变化并强化大西洋经向翻转环流[144,170],显著调控南海夏季风暴发[171],进而加大极端天气和气候事件的致灾危险性[114,172]。目前已从系统的观点认识到大洋区域子系统(如大洋与近海)、不同界面(如海气界面)之间存在相互作用、相互影响和相互适应的过程[173],但缺乏对独立个体和联合主体的贡献以及作用通道叠加效应的析构,尚未深刻辨析其相关性和内在关联本质、主被动关系以及协同和相消作用,无法明确作用贡献隶属、影响通道以及联动与响应反馈机制,由此影响对相关要素变率尤其是气候变化下印度洋热力分异模态成因机理和未来演化的准确研判和预测,进而妨碍有关印度洋热力分异与多源强迫协同作用对我国气候和环境效应的深刻认知和灾害风险的精准防控。

基于目前有关印度洋热力分异与洋际协同及其对我国气候和环境效应的研究现状和不足,本研究提出3项启示性建议。

(1)夯实印度洋海洋观测基础,不断完善关键海区的全过程、全要素观测数据,为海洋热动力学与海气相互作用过程、东亚季风变异及气候模拟与预测等研究提供可靠的基础数据支撑。需要指出的是,印度洋热力异常可激发大气季节内振荡,并通过大气波-波的相互作用引起中高纬度大气环流扰动以及严重影响东亚气候[174]。作为影响我国天气气候与旱涝灾害的重要大气环流系统,西太平洋副热带高压的发展和演化受到印度洋热力强迫下准定长波、高空急流、瞬变涡旋和阻塞等形势与过程的重要影响[175-178]。由于高分辨率观测资料的匮乏[152,179],相关科学问题亟须系统深入研究。因此,应针对气候变化下印度洋热力变异与季节内振荡激发传播、东亚季风暴发、西太平洋副热带高压和西北太平洋低层大气环流异常(以气旋和反气旋为主),尤其是菲律宾海异常反气旋等科学问题,围绕洋际交互的海洋与大气贯穿通道,加强国际合作,主导印度洋尤其是东印度洋海洋综合调查,系统构建高分辨率和深层次的海洋多要素气候变化监测和气候连续观测体系,改善分散、单一的观测局面,促进海洋多学科交叉与融合,为印度洋热力变异对我国海洋气候和环境生态的效应及其灾害风险的相关研究奠定基础。

(2)发展跨界面(尺度)相互作用的气候诊断分析技术方法,厘清海洋与气候系统及系统间不同尺度的互作互馈作用隶属和通道机制,为我国海洋气候和环境生态灾害的精准预测和风险管理提供科学依据。深刻认识海洋与气候指标内涵,辨识和建立精准指标体系,提高滤波降噪和因应关系及稳定性[180]的诊断分析与析构方法,提高技术方法的动态性、自适应性以及全息化智能性,尤其着眼于作用隶属与通道机制(胁迫因子、主导通道、叠加转换、占优析构),针对海洋与气候复杂系统多源性、多尺度的复合型特征,发展人工智能、机器学习和数字孪生新方法,为区际、域际和洋际海洋子系统之间以及海、陆、气、冰等跨圈层不同界面的相互作用、影响和适应,海洋与气候的临界状态、响应反馈、作用通道、影响贡献和安全风险评估应对等科学研究提供理论和技术支撑。

(3)深刻辨析气候变化下印度洋热力变异对我国气候与环境生态影响的关键风险与动态趋势,发展分类、分级、分时、分区的灾害与风险等级动态区划技术,提高气候变化与灾害风险的精准适度应对效率,避免过度适应。着力探讨印度洋热力分异的气候模态分型、转换[63]、载荷[181]、位相锁定和不对称性[182]与影响东亚季风变化的关键海区海温异常的关联性,尤其加强对南海夏季风[183]、副热带季风[184]和西风急流变异[107]的驱动机制以及季风雨带留滞推进的热动力协同强迫的探讨,从而为我国极端降水和重大旱涝的预测以及灾害风险的精准防范[185]提供重要的科学参考。基于对印度洋洋际耦合系统互作互馈机制机理的系统分析,阐释耦合影响、联合作用和协同放大效应(影响贡献),构建动态综合风险区划技术(等级区划),为气候变化下的关键风险预估和等级区划以及灾害与风险的高精准防治(管理治理)提供科学依据,进而为我国建设海洋强国和构建海洋命运共同体提供有效的科技支撑。