热带不稳定波（Tropical Instability Waves, TIWs）是热带太平洋最显著的中尺度动力过程之一，由赤道流系的剪切不稳定产生，表现为赤道东太平洋海表流场和海表温度的月周期、1000km级扰动（图1a）。TIWs海流扰动将赤道区域上涌的冷海水与赤道外暖海水经向搅拌混合，影响赤道区域营养盐分布和热量收支平衡，进而影响海洋生态环境和气候长期变化。自20世纪90年代以来，热带太平洋经历了类似拉尼娜现象的平均状态变化，影响太平洋沿岸乃至全球的气候和天气变化（如台风和ENSO等）。然而，由于赤道海流缺乏观测，以及卫星高度计数据难以计算赤道海流，TIWs等赤道动力过程的长期演变规律仍不清楚，这限制了我们对热带太平洋气候长期变化的理解与预估。
为解决卫星高度计诊断赤道海表流场的难题，研究团队自主提出了卫星高度计诊断非平衡态海表流场的动力方程，考虑了加速度项与压强梯度力平衡，而不是传统的地转平衡。利用该方程，我们首次诊断出TIWs近30年的海表流场数据，结果与锚定浮标观测十分接近。基于该数据，我们发现TIWs在此期间持续增强，其海流涡动能（eddy kinetic energy, EKE）每十年增长12%（图1b粗红线）。同时利用其他3套独立数据进行了对比验证：卫星观测海表温度（1982-2021，品红线）、热带海洋锚定浮标观测的海流数据（1980s-2020，黑线）以及1/10 涡分辨率全球大洋环流模式数据（OFES2，1958-2021，蓝线），结论与卫星高度计诊断结果一致。
图1.太平洋热带不稳定波（TIWs）现象及其强度长期变化序列。a.日平均卫星海表温度；b. TIWs强度多年代际序列（红色：卫星高度计EKE；黑色：锚定浮标单点观测EKE；品红：卫星海表温度经向梯度的方差；蓝色：OFES2模拟EKE，灰色阴影是模式集合）。细线：年平均，粗线：9年滑动平均，已去除1993-2021年气候态平均。
大尺度海洋环流和海温风场的趋势分析表明，TIWs增强的动力机制是源于热带东太平洋气候近30年赤道南北不对称变化。赤道以北增暖更快（图2a），伴随跨赤道南风增强、赤道海流加速（图2c），使海流剪切加强、TIWs增强。伴随TIWs增强，我们发现TIWs的经向搅拌效应加强，使冷舌区的非线性加热效应每十年增加23%，在海洋长期热收支平衡中不可忽视，是近期热带东太平洋气候态变冷的负反馈项。说明TIWs在响应气候变化的同时，反馈影响着热带太平洋的海温变化。目前大部分气候模式由于分辨率较粗（1 1 ）无法分辨TIWs过程，因此无法反映TIWs对冷舌的非线性加热效应，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2. 近30年热带太平洋海温、风场和海表环流的变化趋势。a. 海表温度和海面风场趋势；b. 东太跨赤道海温不对称变化（海表温度北侧减南侧）；c. 海表高度和海表流场趋势；d. 南赤道流（SEC，0 -4 N平均）流速长期变化。b/d为9年滑动平均，已去除1993-2021年气候态平均。
该研究揭示了太平洋TIWs对历史气候变化的显著响应，表明TIWs深度参与并反馈影响气候变化，这一结果为研究海洋多尺度动力过程响应和影响气候变化提供参考。
该研究获得国家自然科学基金(42090042,42106024)、中科院国际合作项目(133244KYSB20190031,183311KYSB20200015)、LTO自主研究项目（LTOZZ2203）及南海所自主部署项目（SCSIO202201）等项目的联合资助。
相关论文信息：Wang, M., Xie, SP., Sasaki, H. et al. Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades. Nat. Clim. Chang. (2024).
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41558-023-01915-x
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