卫星观测显示，在1998年和2010年由厄尔尼诺（El Ni？o）向拉尼娜（La Ni？a）的位相转换期间，赤道东太平洋的海表叶绿素急剧增加，超过其年际变率振幅的三倍以上。目前，造成这种超级浮游植物爆发的原因尚不清楚。热带太平洋是海气相互作用极为显著且初级生产力很高的海区，对全球气候和海洋生物地球化学循环及其变异具有举足轻重的影响。其中海洋-大气之间相互作用产生了厄尔尼诺和南方涛动现象（ENSO），显著影响热带太平洋生态系统、渔业和碳循环等。然而，热带气候-海洋生物地球化学过程间相互作用的研究还非常有限。例如，模式对热带太平洋叶绿素平均态及ENSO的表征和模拟仍然存在着极大的不确定性和模式间的差异性。基于此，张荣华研究员课题组一直致力于热带太平洋海洋生物引发的加热效应对气候的反馈等研究工作，旨在认识气候-海洋生物过程间相互作用机理，提高多圈层相互作用认知水平和模式模拟能力。
课题组利用多源观测数据、CMIP6气候模式模拟结果和海洋生物地球化学耦合模拟试验，发现印度洋变暖在远程触发1998年和2010年赤道东太平洋的超级浮游植物爆发中扮演着重要作用。具体地，在El Ni？o发展年的冬季，印度洋变暖在印太海洋性大陆和热带西太平洋边缘产生东风异常，激发了沿赤道向东传播的上升Kelvin波，于次年春季在东太平洋中抬升营养盐跃层；同时，东太平洋上层季节性增暖和季节混合层开始加深，导致富含大量营养盐的次表层冷水更易卷夹进入混合层。另外，在El Ni？o发生年，热带太平洋气候和海洋生物地球化学过程产生显著的年际异常，如伴随着浮游动物摄食压力减弱等。这样，印度洋增暖引发的跨洋盆的远程效应和赤道中东太平洋局地气候和海洋生物地球化学过程间协同作用促进了东太平洋浮游植物的爆发增长。
上层海洋浮游植物色素（如叶绿素a）吸收进入海表的太阳辐射，并对上层海洋产生显著的加热效应（叶绿素效应）。然而，海洋叶绿素引起的加热对热带太平洋气候平均状态和ENSO的影响还没有得到很好的理解。课题组自主发展了大气、海洋物理和生物地球化学的混合型耦合模式（HCM），并进一步考究大气与海洋间的耦合强度（引入可调参数α来定量化表征）对海表温度模拟的影响。模拟结果表明，叶绿素对海表温度平均态的影响程度和方向与耦合强度α有关。在弱耦合时（0≤α<1.01），叶绿素效应导致赤道东太平洋海表温度变低，而在强耦合时（α≥1.01）则使得SST增暖。在弱耦合情况下，间接动力冷却过程（海洋环流的调整、垂向混合和上升流的增强）主导海表温度的变冷效应。在强耦合的情况下，热带南太平洋叶绿素引起的持续增温诱导跨越赤道偏北风，并在赤道东太平洋转变为异常西风，从而减少蒸发冷却，减弱了间接动力冷却效应，最终导致赤道东太平洋维持海表温度增温。这些研究阐述了热带太平洋海洋-大气和气候-海洋生物相互作用的新机制。
印度洋增暖所产生的远程效应潜在触发赤道东太平洋浮游植物爆发示意图，其中东太平洋局地过程协同作用包括季节性变化（混合层加深和海表增暖）和年际尺度浮游动物低摄食压力
该研究由张荣华研究员、田丰博士和北京师范大学王秀君教授共同完成。研究获得了中科院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中科院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、青岛市博士后应用研究项目的资助。
相关文章链接：
Tian F, Zhang R-H* and Wang X 2021 Indian Ocean warming as a potential trigger for super phytoplankton blooms in the eastern equatorial Pacific from El Ni？o to La Ni？a transitions Environ. Res. Lett. 0–20 Online: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abf76f
Tian F, Zhang R-H* and Wang X 2021 Coupling ocean–atmosphere intensity determines ocean chlorophyll-induced SST change in the tropical Pacific Clim. Dyn. Online: https://doi.org/10.1007/s00382-021-05666-3
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