中国参与的印太交汇区海洋环流与气候观测国际计划回顾

在20世纪初，海洋观测主要侧重于收集和描述海洋的物理、化学和生物状态等信息，以欧美发达国家开展的单边海洋科考为主。

到了20世纪60年代，海洋数值模拟和预测方法随着第三代电子计算机的发展也开始广泛应用。模式模拟和预报精度对海洋初始场的依赖性进一步推动了海洋观测向全球化和长时序监测方向发展，从而催生了“全球大气研究计划”（GARP）。随后，以物理气候系统为主要研究对象的“世界气候研究计划”（WCRP）开始实施，特别是20世纪80—90年代针对厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）的监测和模拟预测，陆续实施了“热带海洋与全球大气”（TOGA）、“世界大洋环流实验”（WOCE）和“气候变率及其可预报性”（CLIVAR）等核心计划。

海洋观测是耗资比较巨大的科学试验，维持其规模性、持续性开展需要政府和机构投入大量资金。20世纪80年代，国际科学联合会理事会（ICSU）、国际社会科学联合会（ISSC）、世界气象组织（WMO）、联合国环境规划署（UNEP）、UNESCO等机构发起了全球变化研究计划。该计划由WCRP、“国际地圈-生物圈计划”（IGBP）、“全球环境变化的人类因素计划”（HDP）和“国际生物多样性计划”（DIVERSITAS）组成，是一个高度综合的多学科框架体系。在此计划的推动下，印太交汇区海洋观测国际合作在20世纪80—90年代末陆续实施了WCRP下的TOGA、WOCE和CLIVAR等核心计划。

“黑潮及其邻近海域合作研究”

印太交汇区周边海域最早的大规模海洋环流方面的国际观测计划是1965—1979年开展的“黑潮及其邻近海域合作研究”（CSK），其调查海域涵盖西北太平洋中、低纬度区域。

“黑潮及其邻近海域合作研究”（1965-1979年）观测断面分布图

该计划是由联合国教科文组织政府间海洋学委员会（UNESCO-IOC）和联合国粮食及农业组织（FAO）印太海洋渔业协会共同组织，日本主导实施，包括美国、苏联、菲律宾、韩国及中国台湾等11个国家和地区参与。

CSK计划的实施显著提升了西太平洋物理海洋学和渔业资源方面的认知，并开启了纵跨1ºS—34ºN西太平洋137ºE断面的水文观测。目前，该断面由日本气象厅维护，已经累积了55年的宝贵数据，为认知西太平洋主要海洋环流结构和长期变异提供了重要观测基础。时隔40年后，CSK第二个阶段的国际合作计划于2021年开启，旨在利用新的观测技术和方法，开展黑潮及周边海域的物理、气象和生物地球化学的综合调查，构建黑潮流域周边国家特别是经济专属区的数据共享平台。

全球海洋与大气相互作用计划（TOGA）

TOGA是一个海洋与大气学科的联合调查计划，旨在通过在热带海域构建定点长时序潜标和浮标观测阵列并结合关键断面调查监测热带海洋状态的变化，以解决大气风应力变化和其他强迫对赤道海流和热力结构的影响及热带海洋动力学对全球大气环流的反馈（也就是海洋大气耦合过程与机制），从而厘清热带海洋变化对全球气候（特别是ENSO的发展、消亡）的影响机理及其可预报性机制，提高中、长期天气预报的准确性，为发展业务预报系统提供科学背景。

“热带海洋与全球大气”在热带印度洋和太平洋海域的观测站位布设

该计划于1985年开始实施，历时10年，共有美国、日本、中国、法国、澳大利亚和新西兰等18个国家参加。

TOGA实施的前5年，主要建立了一个热带太平洋观测系统和地面及高空观测站，填补了当时世界天气监测网空隙。通过这些观测系统实现了利用统计预报技术和海气耦合系统简单动力模式进行季节或更长时间尺度上ENSO循环中主要震荡的经验预报。

在TOGA实施的后5年提出了“耦合海洋大气响应试验”（COARE）子计划，旨在利用陆地天气站、锚系浮标、天气气球和气象卫星观测结合，对西太平洋暖池区进行广泛、精密的观测，特别是海洋与大气之间的能量交换，从而更精确量化海气耦合过程。中国科学院的“科学一号”“实验三号”及原国家海洋局的“向阳红五号”科学考察船参与了TOGA-COARE的西太平洋科考调查。

世界大洋环流计划（WOCE）

WOCE于1990年开始实施，至2002年结束。该计划旨在为发展气候变化预测模式收集验证模式所需的资料，确定对海洋长期变化有代表性的WOCE特定数据集，获取全球海洋从海表到海底全水层的物理、化学和生物数据，研究大洋环流长期变化的测量方法。

“世界大洋环流试验”观测断面分布图

WOCE共有包括中国在内的近30个国家参与，前所未有地获取了1990—1998年全球海洋大量的现场观测数据。这些数据为理解全球海洋的重要物理过程及发展具有涡旋分辨能力的全球海洋环流模式奠定了重要观测基础。2007年，CLIVAR和“国际海洋碳协调计划”（IOCCP）共同成立了“全球海洋船载水文调查计划”（GO-SHIP）委员会，对WOCE断面进行重新观测和布局，但GO-SHIP计划的断面在印太交汇区非常稀少。

全球海洋观测计划（ARGO）

进入21世纪后，随着诸多国家对改进气候变化预测、管理海洋资源以减轻自然灾害影响，以及更有效地利用沿海资源的需求日益增长，各种海洋观测技术与方法不断发展、更新。海洋卫星、漂流和剖面浮标，以及船载观测等技术手段的应用越来越广泛，科学界开始将一些观测平台转变为支持研究需求的可持续全球系统的组成部分。

在30多个国家和国际组织的共同努力下，“全球实时地转海洋学观测阵”（Argo）计划于2000年开始实施。该计划通过在全球无冰海域维持3000个带卫星定位通讯系统的自动探测浮标（Argo剖面浮标），收集从海表到2000m水层的海水温度和盐度数据，组成全球Argo海洋观测网，为认识和研究海洋内部状态及其变异提供了全球准同步观测数据。

为了尽可能多获取观测数据，Argo浮标在布放时通常会避开西边界流区或靠近陆地边界海域，以免浮标搁浅。同时，受海流的影响，全球海洋中Argo浮标的分布很不均匀。特别是在印太交汇区，由于西边界流和印度尼西亚海域复杂岛屿地形影响，该区域的Argo剖面浮标明显偏少。因此，传统海洋观测仍是目前印太交汇区海洋观测资料获取的重要手段。

2022年5月23日全球Argo剖面浮标分布图

SPICE和NPOCE

作为TOGA和WOCE的后续计划，CLIVAR在2000年后陆续实施了“西南太平洋海洋环流与气候试验”（SPICE）和“西北太平洋海洋环流与气候试验”（NPOCE）计划。

西北太平洋海洋环流与气候试验和西南太平洋海洋环流与气候试验观测站位设计

SPICE计划于2008年开始实施，经过短期过程研究和7年多的现场海洋观测和模式模拟，精细描述了西南太平洋特别是所罗门海、东澳大利亚海域海洋环流系统的各分支及其变化规律和联系。

NPOCE计划于2010年启动，由中国科学院院士胡敦欣领衔发起，这是我国发起的第一个海洋领域大型国际合作计划，共有8个国家的19个研究机构参与。NPOCE旨在观测、模拟和理解西北太平洋海洋环流的变异规律及其动力机制，以及在全球和区域性气候变化中的作用。在国家自然科学基金项目、科学技术部国家重点基础研究发展计划项目和中国科学院战略性先导科技专项等的大力支持下，中国在西太平洋和印尼海域建立了大规模潜标/浮标观测网，有力推动了西边界环流动力学、西太暖池变异及ENSO多样性特征与机理、印太水交换和多尺度相互作用等方面的研究，奠定了我国在西太平洋环流动力学及其气候效应研究领域的引领地位，极大提升了我国在该领域的国际影响力。

中国远洋综合科考船“科学”号展开对马里亚纳海沟南侧系列海山的精细调查（2019 年 5 月 27 日摄）。图为科考队员对“发现”号遥控无人潜水器进行下潜前的检查 张旭东摄 / 《瞭望》周刊

热带太平洋观测系统2020

21世纪以来，随着ENSO多样性发展和全球变暖持续影响，ENSO的模拟和预测也遭受了巨大挑战。同时，TOGA-COARE构建的热带太平洋国际观测系统因缺乏持续的经费支持，2012—2014年逐步缩减。特别是国际主流气候模式对2014/2015年超强厄尔尼诺事件预测失败，向气候模式和热带太平洋国际观测网络提出了新的挑战。在此背景下，“热带太平洋观测系统2020”（TPOS 2020）计划于2014年开始实施，包括中国、美国、日本等12个国家参与该计划。

TPOS 2020观测站位设计

TPOS 2020旨在2020年完成一套更加优化的热带太平洋国际观测系统，以提升耦合天气预报和季节内预测水平，增进对ENSO的认知和模拟预测，从而提升极端天气系统对洪水、渔业、山火和空气污染等领域的预警能力。TPOS 2020将强化对上层海洋及海面大气重要参数和现象的监测，增加海洋生物地球化学方面的内容，并将其观测网络向太平洋东、西边界区域和高纬度区域扩展。

印度洋海洋观测系统（IndOOS）

“印度洋海洋观测系统”（IndOOS）的科学目标主要是为天气与气候预报、环境评估与决策提供可持续的高质量海洋与大气观测数据。该计划自1999年开始论证，于2006年在CLIVAR和“全球海洋观测系统”（GOOS）框架下开始实施。IndOOS在印度洋构建了“热带潜标阵列”（RAMA），该阵列观测对提高短期气候预测能力具有重要作用。中国自主研发的深海浮标“白龙”成为RAMA观测系统中的重要组成部分。

在印太交汇区，IndOOS观测主要集中在东印度洋海域，主要包含两条断面和潜标观测；自2020年开始，IndOOS开始实施第二阶段的观测计划，显著增加了印度洋海域的Argo剖面浮标观测数量。

印度洋海洋观测系统站位原始设计及现状、2020—2030年规划站位图

海洋性大陆观测（YMC）

“海洋性大陆观测”（YMC）是一项偏重于大气科学方面的国际计划，开始于2017年，主要针对印太交汇区中的中国南海、中南半岛、菲律宾群岛、印度尼西亚群岛、新几内亚岛等众多岛屿及一系列浅海组成的海洋性大陆区域开展大规模的定点、走航观测和数值模拟实验，增进对海洋性大陆地区的大气对流状况、上层海洋过程和海-气相互作用、平流层和对流层的相互作用、大气气溶胶的认知，改进该区域数值模式，从而提升对该区域天气气候系统多尺度变异及其全球影响的认识和预测。

“海洋性大陆观测”主要观测区域及站位设置

该计划由包括中国、日本、印度尼西亚、英国、澳大利亚在内的15个国家参与，分为两个阶段实施，第一阶段已于2020年结束。目前，YMC计划在海洋性大陆区域构建了一个综合的天气、气候观测网络，为下一步开展该区域数值模式与观测集成奠定了良好的基础。

‍印太交汇区多圈层国际合作计划‍

尽管21世纪以来，印太交汇区海洋观测国际计划不断增多，但这些计划大多都是围绕单一学科或2—3个学科开展，国际合作仍受观测手段和学科壁垒限制。鉴于印太交汇区具有独特的海洋、大气环流交汇，以及欧亚板块、太平洋板块和印澳板块交汇的自然属性，也是全球海洋生物多样性中心，各圈层之间存在非常紧密且复杂的相互作用，割裂地就其中1—2个学科开展研究，可能难以得到准确而统一的整体认知。因此，有必要开展印太交汇区多圈层大型国际合作计划，厘清各圈层相互作用对物质能量在该区域汇聚演化的作用。目前，中国科学院海洋研究所在中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金重大项目支持下，正在发起针对印太交汇区多圈层相互作用的“印太交汇区多学科综合调查-生物多样性研究”国际大科学计划，并于2021年纳入UNESCO-IOC框架下。

本文节选自 王凡，周慧，汪嘉宁，王琳，马一心.印太交汇区海洋环流与气候观测国际计划回顾与展望[J].中国科学院院刊，2022,37(07):939-953.DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20220602002.