赤道太平洋存在一个特殊的季节内海洋动力现象——热带不稳定波（Tropical instability waves, TIWs）。从卫星海表温度图像可以直接观察到TIWs现象，外观呈现为赤道冷舌的波浪状蜿蜒（图1a）。其运动本质是背景纬向流剪切不稳定形成的一系列西传涡旋（图1b），影响区域横跨大半个赤道太平洋。TIWs涡旋具有1m/s的强流速（图1c），它们像联排搅拌机，搅拌着赤道内外的海温、盐度、营养盐和初级生产力等海洋要素，影响海洋生态系统和气候变化。

图1. 横跨大半个赤道太平洋的TIWs现象（Wang et al. 2024）

TIWs一般发生在北半球的夏秋冬季节。因为此时赤道太平洋上空的信风很强，驱动了很强的赤道纬向流系，纬向流系之间的剪切达到一定的强度，就会激发TIWs现象。因此，在厄尔尼诺年，由于赤道信风变弱，TIWs会变弱甚至不发生；而在拉尼娜年，由于赤道信风增强，TIWs会变得更强，其搅拌效应也会更强。

受人类活动以及自然系统内部变化的影响，海洋和大气存在多年代乃至多世纪的长周期变化或长期趋势。自上世纪80年代以来，热带太平洋经历了类似拉尼娜现象的气候变化，即东太平洋异常变冷。那么，TIWs对应这段时期发生了什么变化？它的搅拌效应对生态和气候长期变化会有何影响？

该问题的研究难点在于赤道海流数据的缺乏。赤道外海水主要受力平衡为压强梯度力与地转偏向力（又名科氏力，是流速和纬度的函数）平衡，前人一般通过卫星高度计观测的海表高度水平梯度计算压强梯度力，再通过地转平衡关系估算海表流场。然而，赤道地区地转偏向力几乎为零，无法简单的使用卫星高度计数据估算海表流场。最近，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）与加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所的海洋学家们解决了该问题。他们提出了卫星海表高度计算赤道流场的新动力诊断方法，考虑加速度与压强梯度力和摩擦力平衡，首次计算出TIWs近30年（1993-2021年）的海表流场数据（图1c箭头）。基于该海流数据及其他辅助观测和模式数据（图2），他们发现TIWs在近30年有增强趋势，其涡旋动能（eddy kinetic energy, EKE）每十年增长12%（图2粗红线）。

图2. TIWs强度年代际时间序列（基于四套独立数据；Wang et al. 2024）

大尺度海洋环流和海温风场的趋势分析表明，TIWs增强的动力机制源于近30年热带东太平洋气候赤道南北的不对称变化。赤道以北增暖更快（图3a填色），伴随跨赤道信风增强（图3a箭头），驱动赤道流系加速（图3b箭头），使海流剪切加强、TIWs增强。伴随TIWs增强，其搅拌效应加强，使冷舌区的涡旋热平流每十年增加23%，阻碍热带东太平洋赤道变冷。目前大部分气候模式由于分辨率较粗（1°×1°）无法再现TIWs过程，因此无法反映TIWs对冷舌的搅拌加热效应，可能造成一定的模拟偏差（比如赤道冷舌区的冷偏差），未来气候模拟和预估需要考虑TIWs这一反馈作用（比如通过参数化或者提高模式分辨率）。

图3. 近30年热带太平洋a. 海温、风场；b. 海表高度、流场的变化趋势（Wang et al. 2024）

该研究以“Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades”为题发表在Nature Climate Change，LTO助理研究员王闵杨为第一作者，通讯作者为LTO杜岩研究员和Scripps海洋研究所Shang-Ping Xie教授，日本海洋地球科学技术机构（JAMSTEC）的Hideharu Sasaki教授和Masami Nonaka教授为共同作者。

论文信息:

Wang, M., Xie, SP., Sasaki, H. et al. Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades. Nat. Clim. Change. (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41558-023-01915-x