地球科学进展

地球科学进展, 2021, 36(2): 139-153 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.022

综述与评述

热带海洋盐度障碍层多尺度变异机理及其对海气相互作用的影响研究进展

庞姗姗,1,2, 王喜冬,1,2,3, 刘海龙4, 邵彩霞1,2

1.河海大学 自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，江苏 南京 210098

2.河海大学 海洋学院，江苏 南京 210098

3.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519000

4.上海交通大学 海洋学院，上海 200030

Multi-Scale Variations of Barrier Layer in the Tropical Ocean and Its Impacts on Air-Sea Interaction： A Review

PANG Shanshan,1,2, WANG Xidong,1,2,3, LIU Hailong4, SHAO Caixia1,2

1.Key Laboratory of Marine Hazards Forecasting，Ministry of Natural Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China

2.College of Oceanography，Hohai University，Nanjing 210098，China

3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai），Zhuhai 519000，China

4.Institute of Oceanography，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China

通讯作者: 王喜冬（1976-），男，河北唐山人，教授，主要从事海气相互作用及上层海洋动力学研究. E-mail:xidong_wang@hhu.edu.cn

收稿日期: 2020-12-04   修回日期: 2021-01-22   网络出版日期: 2021-04-13

基金资助: 国家自然科学基金项目“孟加拉湾障碍层的季节内变化及其对海气相互作用的影响研究”.  41776004
“障碍层与热带太平洋海气耦合主模态的相互作用研究”.  41776019

Corresponding authors: WANG Xidong (1976-), male, Tangshan City, Hebei Province, Professor. Research areas include air-sea interactions and ocean dynamics. E-mail:xidong_wang@hhu.edu.cn

Received: 2020-12-04   Revised: 2021-01-22   Online: 2021-04-13

作者简介 About authors

庞姗姗（1994-），女，河南博爱人，博士研究生，主要从事上层海洋盐度障碍层研究.E-mail:ccp@hhu.edu.cn

PANGShanshan(1994-),female,BoaiCounty,HenanProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludeoceanicsalinity-stratifiedbarrierlayer.E-mail:ccp@hhu.edu.cn

摘要

在上层海洋，受盐度的影响，温度均匀层和密度均匀层并不一定重合，出现温跃层顶界深度明显大于密度跃层顶界深度的现象，即产生盐度障碍层。重力稳定度较高的障碍层对上层海洋热量的垂直交换具有“热障”作用，使混合层和温跃层无法进行有效的热量交换，导致局地海洋上混合层偏暖，从而影响局地海气相互作用乃至全球气候变化。得益于全球海洋观测计划的实施，近20年来科学家已逐渐认识到盐度在海洋环流和气候变化中的重要性，因此盐度障碍层在上层海洋热量收支中的作用等科学问题已成为物理海洋学的前沿研究热点。以障碍层多尺度变异为中心，围绕影响和调控障碍层变异的关键海洋过程，以及障碍层通过海气相互作用影响天气、气候尺度变异的过程和机理等关键科学问题，综述了近几十年来有关热带障碍层的研究进展。重点总结了以下3个方面的进展：全球不同热带海域障碍层的空间结构和多尺度变异特征；海洋动力过程和大气热力过程在障碍层变异中的作用及其机理；障碍层与天气、气候事件及海洋生物相互作用的关键过程和机理。强调了障碍层变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应，最后提出了尚需解决的关键科学问题。

关键词： 盐度障碍层 ; 多尺度变异 ; 形成机制 ; 海气相互作用

Abstract

In the vertical， the isothermal layer and mixed layer are two parameters governing the upper ocean structure. High salinity stratification in the surface layer often limits the mixed layer depth and thus results in the interlayer called the barrier layer between the base of mixed layer and the top of the thermocline. The barrier layer acts as a "barrier" for the transfer of heat， monmentum， mass， and nutrient fluxes between the mixed layer and the thermocline， affecting the heat budget of the surface mixed layer and resultant air-sea interaction. Owing to the implementation of global ocean observation programs， scientists have gradually realized the importance of oceanic salinity in ocean circulation and climate change in the past two decades. Thus， the role of barrier layer caused by salinity in heat balance of upper ocean is the present hotspot in physical oceanography field. Focusing on the key scientific issues centered at the barrier layer variations and its climatic impacts， three aspects of it are introduced under the review：Spatial structures and multi-scale variations of barrier layer in the world ocean； roles of oceanic and atmospheric processes in barrier layer variations； key processes and mechanisms of interactions between barrier layer and weather， climate and biology. We mainly emphasize the ocean-atmosphere interactions associated with the barrier layer variations and their cliamtic impacts. Finally， we propose several issues that remian to be solved were proposed.

Keywords： Barrier layer ; Multi-scale variations ; Formation mechanism ; Air-sea interaction

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本文引用格式

庞姗姗, 王喜冬, 刘海龙, 邵彩霞. 热带海洋盐度障碍层多尺度变异机理及其对海气相互作用的影响研究进展. 地球科学进展[J], 2021, 36(2): 139-153 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.022

PANG Shanshan, WANG Xidong, LIU Hailong, SHAO Caixia. Multi-Scale Variations of Barrier Layer in the Tropical Ocean and Its Impacts on Air-Sea Interaction： A Review. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(2): 139-153 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.022

1 引 言

通常海洋学家将海洋上层由于风搅拌形成温度与密度较均匀的水层定义为混合层。在混合层以下，存在温度随深度增加而快速下降的水层（温跃层）和密度随深度增加而快速增大的水层（密度跃层）。一般在大部分海区，这两个跃层的顶界深度近似地相等。但Lukas等［1］在西太平洋暖池区的2次航行观测计划中，发现赤道西太暖池区温跃层顶部深度达到51 m，而混合层平均深度仅为29 m，即出现温跃层顶界深度明显大于密度跃层顶界深度的现象（图1）。之后，Godfrey等［2］在分析赤道西太暖池混合层内的热量收支时，将这个存在于温跃层顶界和混合层底部之间的中间层定义为“障碍层”。障碍层通常具有2种垂向结构：①层内温度均匀；②层内出现逆温。伴有逆温结构的障碍层常见于冬季海表降温时期，其主要成因有：①障碍层的存在有效地抑制了温跃层冷水卷挟进入混合层，热量被限制在次表层内；②太阳短波辐射不受盐度层化的影响，仍可穿透至海洋内部并聚集在次表层。但这两种结构的障碍层均具有盐度梯度强、重力稳定度高的特性，很难通过混合作用自上而下输送热量，同时近乎为零的温度梯度更加严重地阻碍了上层海洋的热传输过程。

图1

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图1   温度、盐度和密度廓线

温度廓线为点线,盐度廓线为实线,密度廓线为虚线,混合层深度（Mixed Layer Depth, MLD）、等温层深度（Isothermal Layer Depth, ILD）和障碍层厚度（Barrier Layer Thickness, BLT）的分布;Argo浮标（ID 5904367）：150.4°E, 4.3°S；时间：2017年12月16日

Fig.1   Temperature profile, salinity profile and density profile

Vertical distribution of temperature (dotted line), salinity (solid line), and density (dashed line) and thickness of mixed layer, thermocline layer and barrier layer. Argo profiling float (ID 5904367): 150.4°E, 4.3°S; Time: December 16, 2017


障碍层特有的结构对混合层热收支、热带气旋的发展以及上层海洋生物化学过程等具有重要影响。许多研究已表明，障碍层影响上层海洋热量收支的物理机制主要体现在以下3个方面［3~19］：①强而稳定的盐度层结可以有效抑制非太阳辐射通量向海洋内部的传输，从而导致海洋上混合层偏暖；②表层的强盐度层结导致薄的混合层，太阳辐射能够更多地穿透混合层，加热混合层底部从而导致次表层增暖甚至逆温层的出现；③障碍层的存在能够抑制温跃层冷水被卷挟进入混合层，不利于混合层与温跃层之间热量、动量、质量以及营养盐等的交换。由此可见，局地障碍层可通过有效抑制上层海洋的垂向混合造成局地海洋上混合层偏暖，从而影响局地的海气相互作用乃至全球气候变化。因此澄清障碍层变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应，将会为改善天气和气候事件的预测提供新的理论依据和观测证据。

近10年来科学家们逐渐认识到盐度在海洋环流和气候变化中的重要性，障碍层已成为物理海洋学的前沿研究热点。由于高纬度海域缺少高时空分辨率温盐观测资料，现有研究重点关注的区域主要是热带开阔海域和边缘海海域。本文将围绕热带海域障碍层多尺度变异机理及其在海气相互作用与气候变化中的重要作用，梳理该领域的最新研究进展，提出目前尚待解决的关键科学问题。

2 障碍层多尺度变异机理研究

Cronin等［20］系统地提出了关于障碍层的4种形成机制，主要包括水平平流、锋面倾斜、垂向拉伸和降雨过程等（图2）。水平平流即沿纬向/经向的热平流或盐平流输运过程，通过影响局地海洋上层的温度层结或盐度层结进而诱导障碍层生成；锋面倾斜机制与水平流的垂向剪切作用有关，水平的海表盐度锋面往垂直方向倾斜，逐渐发展为垂向盐度梯度，在温跃层顶部产生浅的盐度跃层，利于障碍层的形成；垂向拉伸过程则由垂向速度在密度跃层与温跃层内的不均匀性导致，利于障碍层的生成及厚度的增加；在缺乏强湍流混合和强加热的海区，降雨过程作为主要因素可引起障碍层的形成。但由于障碍层具有多尺度变异特征，因此不同时间尺度下障碍层生成及维持机制存在复杂性。现有研究主要围绕障碍层季节内到年代际变异而展开讨论。

图2

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图2   障碍层形成机制示意图(据参考文献[20]修改）

Fig.2   Schematic of the mechanisms about the formation and growth of barrier layer (modified after reference [20])


2.1　季节内变化

大气的季节内变化是印度洋—太平洋暖池区重要的天气和气候模态，它能够明显影响该地区的天气系统。而大气的季节内变化和海洋的变化密切相连，二者可通过质量和能量交换产生强烈的耦合效应，因此印度洋—太平洋暖池海域同样具有强烈的海洋季节内变化特征。东热带印度洋和西热带太平洋是印度洋—太平洋暖池系统的重要组成部分。对于西热带太平洋，前人主要针对上层海洋盐度的季节内变化进行了研究，并指出不同物理过程（淡水通量、水平平流和垂向卷挟等）在影响盐度季节内变化中的相对贡献与大气季节内振荡（Madden-Julian Oscillation， MJO）的相位有关［21，22］，即上层海洋盐度的季节内变异机理是一个复杂的过程。但是，目前针对该海域障碍层季节内变异机理的研究较少。在东热带印度洋，关于障碍层季节内变异的研究则相对丰富。Girishkumar等［23］在研究孟加拉湾障碍层的季节内变异规律时发现，在上层海洋混合层较浅薄的情况下，障碍层的季节内变化主要受等温层控制。赤道印度洋纬向风的季节内振荡通过西传罗斯贝波调制等温层的季节内变化，当纬向风在赤道海域驱动下沉（上升）的罗斯贝波时，等温层加深（变浅），障碍层则变得较厚（薄）。鉴于MJO对赤道印度洋—太平洋海域30~90天时间尺度的季节内变化的主导作用，Drushka等［7］将热带印度洋障碍层季节内变化周期进行了细分，重点讨论了赤道东印度洋障碍层30~60天时间尺度的季节内变化。研究指出，受其他季节内噪音及MJO自身多样性的影响，尽管混合层及等温层均存在季节内振荡信号，但障碍层并未表现出明显的季节内变异［24］。以上研究从海洋和大气动力过程分别探讨了罗斯贝波和MJO引起的障碍层季节内变异规律，但对障碍层的季节内变化特征、调控机制及其对海气相互作用过程的影响等科学问题的研究不具备系统性。

2.2　季节变化

在季节尺度上，从边缘海到半封闭海盆，再到开阔大洋，障碍层的变异机理因区域差异而具有复杂性。本文将围绕上述3种具有代表性的海域类型，重点对全球热带海域障碍层的季节变异规律进行综述（图3）。

图3

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图3   热带海域障碍层厚度的季节分布

（a）冬季（12~2月）；（b）春季（3~5月）；（c）夏季（6~8月）；（d）秋季（9~11月）；资料来自法国海洋开发研究院月气候态障碍层格点数据（http://www.ifremer.fr/cerweb/deboyer/mld/Subsurface_Barrier_Layer_Thickness）

Fig.3   Seasonal distribution of barrier layer thickness in the tropical oceans

(a) Winter (December-February); (b) Spring (March-May); (c) Summer (June-August); (d) Autumn (September-November). The data is based on gridded dataset from French Research Institute for Exploration of the Sea (http://www.ifremer.fr/cerweb/deboyer/mld/Subsurface_Barrier_Layer_Thickness)


2.2.1　边缘海

对于边缘海障碍层季节变化特征的研究目前集中于大西洋和太平洋海域。加勒比海作为西北热带大西洋的边缘海，前人对其障碍层季节变异特征的研究较少，只是较为粗略地提及东加勒比海障碍层厚度的变化范围为15~45 m［25］。另外，也有学者对加勒比海涡旋和背景流内的障碍层厚度变化分别展开了研究［26］。相较于大西洋边缘海，针对太平洋边缘海障碍层的季节变化研究比较系统。

Chu等［27］对比了苏禄海和苏拉威西海障碍层的季节变化特征，发现两个边缘海内的障碍层不仅在形成、维持和消退时间上存在明显差异，而且生成机制也不尽相同。该研究基于混合层动力学框架针对障碍层的成因提出了层结机制（海洋动力过程，图2c）和降水机制（大气强迫过程，图2d）。通常情况下，由于降水过程亦会加强上层海洋盐度层化，因此层结机制和降水机制可同时发生。在季节尺度上，苏禄海障碍层的变异由层结机制和降水机制共同调制，而苏拉威西海障碍层的变异则由降水机制主导。尽管障碍层的生成机制在此研究中得以量化，但不足之处是其解释完全是垂向一维的，尚未考虑海洋平流效应在障碍层形成过程中的贡献。

基于Chu等［27］提出的两种形成机制，杜岩等［28］既考虑了海洋垂向动力过程又考虑了海洋表层平流的作用，初步分析了季节尺度上南海障碍层的生成和维持机制。他们再次强调了海表淡水强迫为障碍层形成的关键因素，而海表风场则为障碍层维持的重要控制因子。潘爱军等［29，30］在之前研究的基础上采用温盐深仪（Conductivity Temperature Depth， CTD）海洋现场观测资料，对南海不同海区障碍层的季节变异规律进行了系统具体地探讨。南海作为热带西太平洋的边缘海及西太暖池的重要组成部分，其障碍层表现出明显的季节循环特征，且不同区域内障碍层的形成时间及机制各异。南部海域：障碍层“成熟期”为秋季，且呈离散块状分布形态；厚障碍层区与南海暖水聚集区对应关系明显，反映了边缘海障碍层在上层海洋热量储存方面的重要影响。东北部海域：与南部海域类似，障碍层同样多形成于秋季；障碍层的生成机制在夏秋季节受降水机制主导，而在春季则受层结机制主导。中部海域：障碍层“成熟期”为夏季；春夏季节障碍层的形成受海表淡水强迫、海表平流及风应力旋度的协同作用，而秋季障碍层的成因主要归结为层结机制。基于南海障碍层季节变异机理的多样性和复杂性，Zeng等［31］采用较新的南海物理海洋数据集，结合Argo历史观测资料，进一步完善了该海域障碍层的季节变异规律及其控制机理。该研究将南海障碍层的季节演化过程划分为初始、形成、持续和衰减等4个阶段，细致地刻画了南海障碍层从形成到衰退的季节变化过程，并提出了南海障碍层的3种强迫区类型。值得注意的是，在对南海障碍层季节变异规律的研究过程中，很多研究相继发现障碍层与上混合层海温之间呈现明显的对应关系，指出障碍层的“热障”作用对南海暖水的发展有一定的促进作用［30， 32， 33］，进而揭示了局地障碍层具有阻碍上层海水热量向下层传输的特征。

相较于对南海障碍层的研究，目前针对我国黄海和东海障碍层的专门研究较少。在东海PN断面上［PN断面的经纬度范围大约从浅海区的（124.5°E，30°N）延伸至深海区的（128.23°E，27.45°N），自东海西北角长江口至东南角琉球群岛呈西北—东南走向，与纬线约成40°夹角］存在具有均匀温度结构的障碍层，其季节变化与陆架水和黑潮水团混合的季节变化密切相关，即东海障碍层的形成机制为不同水团的平流作用［34］。在观测资料较为充分的情况下，有研究较为系统地讨论了黄东海障碍层在夏季和冬季的类型、生成区域、厚度以及形成机制［35］。夏季障碍层一般层内温度均匀，分布在长江口外海海域，其成因主要为长江冲淡水的平流作用和局地降水强迫；冬季障碍层多带有逆温结构，厚度最大可至48 m，成片分布于南黄海至东海西南海域，局地海表降温、冷暖水团的水平输运是影响其生成的关键因素。

2.2.2　半封闭海盆

鉴于阿拉伯海和孟加拉湾两个半封闭海盆内海表盐度的典型性和特殊性，前人重点关注了此区域内障碍层的形成及其变异机制。在阿拉伯海海域，深厚的障碍层主要形成于东南部，且厚障碍层区常伴随着微型暖池的出现。Thadathil等［36］的研究结果显示，阿拉伯海障碍层季节变异主要受季风系统引发的大气和海洋动力过程影响，因此冬夏季节障碍层的生成机制迥异。冬季，季风流将孟加拉湾低盐水输送至东南阿拉伯海，在海洋近表层形成强盐度层结，进而诱导障碍层发生；夏季，西南季风在孟加拉湾北部强迫出下沉沿岸开尔文波，当其东传至印度西岸时激发产生下沉罗斯贝波，后向西传播并跨越东南阿拉伯海，从而加深等温层，造成厚障碍层的出现。出现在东南阿拉伯海的厚障碍层可通过调制海表温度异常诱导大气环流变异，进而影响印度季风活动过程和印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole， IOD）发展过程等［37，38］。

孟加拉湾作为一个热带半封闭海盆，是印度洋—太平洋暖池的重要组成部分。受印度季风的影响，大量的降雨和河流径流汇入湾内，这些淡水源主要集中在孟加拉湾北部，夏季风过后海面盐度急剧下降。河流径流和降雨的淡化效应主要集中在海洋上层，在湾内导致了强的近表层盐度层结，浅的盐度层结增强了上层海洋的稳定性，经常诱导障碍层的发生。20世纪90年代初，科学家们采用温盐气候数据在研究全球海洋障碍层的季节时空变化特征时，发现北半球夏季风期间孟加拉湾存在约25 m厚的障碍层［39，40］。随后，Vinayachandran等［41］在研究夏季风期间障碍层的演化过程时发现了带有逆温结构的障碍层，并指出该时期障碍层的生消过程受海洋平流影响。得益于全球海洋观测计划的实施，现代海洋观测技术的发展为我们更全面地认识海洋提供了支持和保障。Thadathil等［42］整合了多渠道收集的历史温盐观测数据，系统研究了孟加拉湾障碍层的季节变化特征及其形成机制。研究结果显示障碍层于6月首次出现在孟加拉湾东北部，后伴随夏季风过程逐渐向西延伸；到11月，受东印度沿岸流的影响和控制，印度东岸出现厚度可至50 m的障碍层。影响孟加拉湾障碍层季节变异的海洋动力过程很多，其中海洋平流、局地埃克曼抽吸及赤道罗斯贝波的强迫等为主导因素。

无论在阿拉伯海还是孟加拉湾，障碍层的季节变异均受季风系统引发的大气、海洋动力过程影响，冬夏季的变异机理存在显著差异。

2.2.3　开阔大洋

印度洋—太平洋暖池系统拥有地球上面积最大的暖水区，不仅是全球海洋最重要的热库，还是引起全球气候变化最为敏感的海域之一。暖池系统作为主要热源，引发强大气对流活动、驱动沃克环流和哈德莱环流系统，是许多重要的大气、海洋事件联系的“纽带”，对全球尤其是东亚气候有至关重要的调控作用。障碍层的研究缘起于太平洋暖池区，近30年来太平洋暖池障碍层的季节变化、形成机制及其对海气相互作用的影响等得到了广泛且深入的研究。Lukas等［1］最早发现西赤道太平洋盐跃层浅于温跃层，Godfrey等［2］将这种跃层顶界深度差异定义为障碍层。后续研究者相继通过CTD走航资料、锚定浮标资料以及数值模式试验等，系统分析了太平洋障碍层的季节性变化特征及其形成机制［20，40，43，44］。由于热带太平洋暖池系统常年有丰沛的降雨覆盖在海表，因此障碍层现象集中出现在该海域。海洋动力过程是引起太平洋暖池海域障碍层季节变异的重要因素。在西太平洋暖池的东部边缘，季节性纬向平流及风驱的海水辐合等海洋动力过程调控着障碍层的季节变异。在对太平洋暖池区障碍层季节变异机理的研究中，明确了障碍层可以限制温跃层冷水卷入混合层，进而限制混合层的冷却［16，18，45~47］。

受到观测数据的限制，早期研究对印度洋障碍层的关注相比太平洋起步较晚。研究表明，在热带印度洋开阔海域，障碍层广泛分布于东部，其季节变化主要与包括径流和降雨在内的淡水强迫、海洋平流效应及赤道波动的强迫有关［2，40，45，48，49］。耦合模式的敏感性试验结果显示，赤道东印度洋障碍层对局地海气相互作用具有重要影响。如果赤道东印度洋海域不存在深厚的障碍层，局地海气相互作用将增强，进而促进正IOD事件的发展［38，50］。

此外，大西洋障碍层季节变化特征及其生成机制也受到广泛关注。尤其在西北热带大西洋海域，较厚的障碍层长期持续地出现在大西洋暖池区（包括墨西哥湾、加勒比海和热带北大西洋西侧）［51］。早在20世纪末，Pailler等［52］采用CTD观测数据发现受亚马孙径流的影响，西北热带大西洋海域在夏秋季节有大范围的障碍层形成，且高海表温度与低海表盐度和厚障碍层生成区明显对应，初步证明了大西洋局地障碍层在海气交换方面扮演的重要角色。海洋环流模式结果同样指出亚马孙径流淡水强迫是西北热带大西洋障碍层的主要成因，并发现形成于亚马孙河出流口北部的障碍层可捕获太阳短波辐射并引发逆温现象［53］。此类研究将西北热带大西洋海域障碍层的成因归结为由亚马孙和奥里诺科径流引起的海表盐度层化［53~55］。之后，Mignot等［51］不仅深入研究了该海域障碍层的形成机制，还探究了与障碍层生成区相对应的次表层逆温现象。他们指出西北热带大西洋障碍层的季节循环主要包括2个阶段：夏季，“淡水盖”（亚马孙径流和热带辐合带带来的降水为主要淡水来源）将混合层限制在较浅深度内，一方面引起了强海表盐度层结，另一方面导致穿透性短波辐射通量增强，进而诱导逆温层和障碍层的形成；冬季，季风引起的混合过程诱导混合层和等温层同时加深，但受制于盐度层结，混合层加深速率相对较小，因此障碍层持续存在于混合层底和温跃层顶之间，且该时期障碍层出现的深度和厚度较夏季均更大。热带大西洋障碍层同样会明显影响上层海洋结构。Breugem等［4］提出一般的大气—海洋耦合模式在低估了热带北大西洋障碍层的情况下，会出现显著的海表温度冷偏差，这表明热带北大西洋分布范围广且厚度大的障碍层对局地气候预测具有重要意义。

由此可见，在热带开阔大洋海域，诱导西太平洋和东印度洋障碍层形成的主要因素为降水强迫，而西北大西洋障碍层的成因则归结为径流强迫。此外，对比上述3种典型类型的热带海域可知，相较于半封闭海盆和开阔大洋，边缘海地形狭小，大气、海洋环境更加复杂多变，更易形成特殊的热盐强迫条件，从而使障碍层的季节变异机理更为复杂。

2.3　年际变化

热带海域障碍层的年际变化特征在印度洋—太平洋暖池附近表现得尤为明显（图4）。西太平洋暖池区作为地球气候系统的主要热源，是厄尔尼诺—南方涛动（El Niño-Southern Oscillation， ENSO）循环中非常重要的一环。随着ENSO冷暖位相的交替，暖水在西太平洋辐聚/辐散，因此该区域存在周期与ENSO接近且振幅很强的年际变化。受到丰沛降水的影响，西太暖池区盐度层结明显、障碍层分布范围广且厚度大，加之热带太平洋的重要地位，前人对该区域障碍层在海气相互作用、上层海洋热量收支以及气候变化中产生的重要影响等方面开展了较为细致的研究工作［16，47，56~58］。多源数据（观测资料和再分析产品等）结果均表明［45，59~63］，暖池东部边缘存在明显的纬向盐度锋［45］，在锋面西侧有较厚的障碍层出现，并且障碍层的厚度伴随着ENSO转相而改变。另外，西太平洋暖池障碍层的两个主要模态分别对应东部型厄尔尼诺（El Niño）事件和中部型El Niño事件，并能影响两类El Niño事件的演化过程［45］。随着对热带太平洋障碍层认识的逐渐加深，科学家们通过数值模拟试验也认识到障碍层在暖池动力过程、El Niño发生过程以及西太暖池热量储存中的重要性［47，61］，因此障碍层已成为目前物理海洋学的前沿研究热点之一。

图4

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图4   热带海域障碍层厚度的年际变化

（a）EOF第一模态；（b）第一主成分；资料来自简单海洋数据同化数据集2.2.4版本（SODA v2.2.4），本文选取的时间范围为1951—2010年（https://www2.atmos.umd.edu/~ocean/）

Fig.4   Interannual variation of barrier layer thickness in the tropical oceans

(a) The first Empirical Orthogonal Function(EOF); (b) The first principal component time series. The data is based on gridded dataset at the period of 1951-2010 from SODA v2.2.4 (https://www2.atmos.umd.edu/~ocean/)


相比热带太平洋，热带印度洋的海温年际变率虽弱，但其纬向异常变化同样十分明显，并且热带印度洋东西海温变异通过海气相互作用可影响亚洲气候系统。已有研究表明东南阿拉伯海、孟加拉湾和赤道东印度洋障碍层的年际变率受IOD调控。特别是东南热带印度洋障碍层的年际振荡与IOD有显著的统计相关关系［64］，其厚度随IOD相位转化进行变化［65］。正（负）IOD事件通常会引起偏薄（厚）的障碍层出现。同样需要关注的是，障碍层的年际变异可反过来影响IOD的发展过程［65］。以上研究虽提出了印度洋障碍层年际变化与IOD间的物理关联，但两者间的因果关系尚未建立。

2.4　年代际变化与长期趋势

近60年来，热带海域障碍层厚度整体呈下降趋势，但中太平洋、东印度洋及西大西洋海域障碍层厚度则逐年增强（图5）。受限于浮标实测数据资料时间序列的长度，长期以来对各大洋障碍层年代际变化的研究为数不多，而澄清障碍层与年代际气候模态间的物理关系不仅是气候变化理论研究的需要，对未来的气候预测也颇具意义。

图5

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图5   热带海域障碍层厚度的长期变化趋势

资料来自SODA v2.2.4，本文选取的时间范围为1951—2010年，灰色散点表示通过95%的显著性检验

Fig.5   Long-term trend of barrier layer thickness in the tropical oceans

The data is based on gridded dataset at the period of 1951-2010 from SODA v2.2.4. The gray dots indicate statistical significance at the 95% level using Student’s t test


在热带太平洋，1979—2015年障碍层存在显著的年代际跳跃，且在西太平洋呈现厚度逐渐增加、东太平洋和中太平洋厚度逐渐减小的趋势。Wang等［66］认为，热带太平洋障碍层的年代际变化和长期趋势与太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation， PDO）紧密联系。PDO通过调节热带太平洋信风、海洋环流以及降水蒸发等物理过程进而影响障碍层的年代际变化及趋势。

在位于热带印度洋的孟加拉湾海盆，其西北海域和东南海域的障碍层长期趋势（1951—2010年）呈相反变化（图5），障碍层年代际变化的EOF第一模态具有经向偶极子分布特征（图6）。目前的研究从海盆—跨海盆尺度角度分析了孟加拉湾障碍层的年代际变异过程：PDO可通过影响沃克环流的年代际变异间接地调控孟加拉湾障碍层的年代际变异，而赤道印度洋罗斯贝波和孟加拉湾沿岸开尔文波在年代际尺度上对障碍层的变异影响较小；动力学结果显示，淡水通量引起的卷挟和平流过程主导了孟加拉湾北部海域障碍层的年代际变化，而淡水通量和海表热通量诱导的卷挟过程主导了孟加拉湾南部海域障碍层的年代际变化［67］。

图6

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图6   热带海域障碍层厚度的年代际变化

（a）EOF第一模态；（b）第一主成分；资料来自SODA v2.2.4，本文选取的时间范围为1951—2010年

Fig.6   Decadal variation of barrier layer thickness in the tropical oceans

(a) The first Empirical Orthogonal Function(EOF); (b) The first principal component time series. The data is based on gridded dataset at the period of 1951-2010 from SODA v2.2.4


3 障碍层对海气相互作用的影响

随着盐度在海洋环流和气候变化中的重要性逐渐被科学家们认识到，盐度障碍层在上层海洋热量收支中的作用等科学问题逐渐成为目前的研究热点。大量研究结果表明倘若在数值模式试验中忽略障碍层的存在，海表温度将会出现冷偏差［4，11，16，68］，这是由障碍层通过调节混合层底热量的垂向混合过程进而影响海表温度造成的［8］。下面将从3个方面具体介绍障碍层对海气相互作用的影响。

3.1　对天气气候事件的影响

3.1.1　热带气旋

Wang等［18］提出了障碍层能够支持热带气旋强化的新观点，发现强的次表层盐度层结能够抑制热带气旋诱导的海表降温，减弱海表降温对热带气旋的负反馈作用，进而促进热带气旋强度的发展。之后，大量研究结果再次证明了该观点：从区域性视角来看，在西太平洋、大西洋亚马孙地区以及孟加拉湾等由淡水强迫主导的海域中，障碍层对热带气旋诱导的表层冷却具有显著的削弱作用［3］（图7），证实了障碍层的存在有利于热带气旋强度的增加［17， 19， 69］；从全球角度来看，当热带气旋经过存在障碍层的海域时，其强化率相比正常情况高50%以上［3］。但也有部分研究指出盐度层结对热带气旋的加强几乎没有显著影响。Newinger等［70］通过区域海洋模式发现热带气旋强度的变化并非由障碍层调控的海表温度异常引起，而是由淡水舌导致的强稳定性造成。但Hernandez等［71］的研究结果则认为淡水舌并不能明显地减弱热带气旋诱导的海表降温。造成上述不同结论的原因可能是障碍层对热带气旋的影响过程是复杂多样的。Yan等［46］在对西热带太平洋障碍层的研究中指出，障碍层对热带气旋的影响取决于热带气旋强度、热带气旋持续时间以及海洋层化等诸多因素：①当热带气旋较弱或移速较快尚未破坏混合层底时，障碍层的出现将阻碍热带气旋增强；②当热带气旋较强或移速较慢可破坏混合层底时，障碍层内较暖的水体被夹卷进入混合层，有利于热带气旋的加强；③当热带气旋强度足够强以击破障碍层底时，障碍层同样有利于热带气旋的加强。

图7

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图7   热带气旋引起的次表层温度变化[3]

填色表示温度差异，该差异为考虑障碍层的试验结果与忽略障碍层的试验结果间的差值

Fig.7   Sections of composite sub-surface temperature response to tropical cyclones[3]

Shading indicates the difference of sea surface temperature between the barrier layer and non-barrier layer condition


3.1.2　ENSO

障碍层的研究缘起于太平洋暖池区，近30年来太平洋暖池障碍层的变异机理及其对海气相互作用的影响得到了广泛且深入地研究。早期，Lewis等［72］指出受盐度层结的影响，大气动量和非太阳热通量被限制在上混合层内，但太阳短波辐射不受盐度层化的阻碍仍可以穿透至海洋次表层。特别是，当上层海洋出现障碍层诱导的显著逆温现象时，通过垂向混合过程（如夹卷和混合层底扩散）可导致热量从次表层输送至混合层，进而引起海表温度暖异常［73］。后续研究者将障碍层的这种“热障”效应应用于对ENSO变异机理的探讨中。Ando等［43］采用CTD观测资料揭示了ENSO循环与赤道太平洋障碍层厚度间的关系。之后，Maes等［47，61］采用海气耦合模式对该现象做了大量研究，进一步验证了赤道太平洋障碍层在暖池动力过程和El Niño现象产生过程中的重要作用。研究结果表明较厚的障碍层将会促进暖池的维持和El Niño的发生，若在模式中去除暖池障碍层，El Niño事件将会减少甚至消失。由于赤道西太平洋热量的积聚是El Niño现象形成的必要条件之一，因此暖池区障碍层在热量储存方面的重要性也不可忽略（图8）。以上研究成果强调了上层海洋盐度在ENSO循环中的重要作用，为日后探讨ENSO时空演变的多样性和可变性以及ENSO实时预报提供了很好的研究方向。

图8

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图8   海表温度异常（2°N~2°S纬度带平均）的时间—经度断面[47]

时间：第15年7月至第17年7月；经度：150°E~90°W；（a）控制试验结果；（b）扰动试验结果；黑色实线表示29 ℃等温线；该试验基于耦合数值模式进行，大气和海洋环流模式分别采用Météo-France气候模式和Ocean PArallélisé（OPA）模式。海洋模式选用混合参数化方案，通过调整温盐层结来调整混合的强度。控制试验：当计算浮力频率（N2）时，温盐剖面全部使用；扰动试验：当计算N2时，只使用温度剖面，忽略盐度的贡献，该方案可有效消除障碍层的影响

Fig.8   Time-longitude sections of sea surface temperature anomalies averaged between 2°N and 2°S[47]

Sea surface temperature anomalies in the region of 150°E~90°W from July of year 15 to July of year 17 for the (a) control and (b) perturbed experiments. Black solid line is the 29 ℃ isotherm. The AGCM used in the study is derived from the Météo-France climate model. The OGCM is based on the Ocean PArallélisé（OPA）model. The OGCM model used the vertical mixing scheme，in which the dissipation of the density gradient is related to the Brunt-Vӓisӓlӓ frequency(N2). Both temperature and salinity profiles are considered to compute the N2 in control experiment. Only temperature profiles in the N2 computation in perturbed experiment


3.1.3　IOD

热带印度洋海温年际变化虽远弱于热带太平洋，但其纬向变异现象十分明显，该变化可通过海气相互作用过程对亚洲气候系统产生影响。加之热带印度洋障碍层现象永久出现，一些学者逐渐对IOD与障碍层间的物理关联展开了研究。已有研究结果表明，印度洋障碍层的年际变异与IOD的发展和演化过程在统计上呈良好的超前/滞后关系［38］。这种由IOD诱导的障碍年际变异反过来可影响IOD的发展，即在正IOD事件中，障碍层的衰退有利于温跃层-SST正反馈过程，进而影响IOD的演化过程［65］。另外，再分析资料及现场观测资料结果均指出，处于正IOD事件发展阶段的障碍层在调节海气相互作用方面占据着十分重要的地位［37］。以上多源数据结果均显示，无论是在热带印度洋开阔海域还是海盆内部，障碍层与IOD之间存在有显著的物理关联。

3.1.4　季风

亚洲季风系统作为全球最强大的季风系统，由南亚季风和东亚季风两大系统构成。亚洲夏季风为印度次大陆和中南半岛地区带来丰沛的降水，因此夏季风的变异过程不仅决定着当地水资源与粮食的安全，还控制着整个社会经济的发展。近年来，一些研究从上层海洋盐度变化的角度，初步揭示了盐度障碍层对大气环境的响应过程以及对季风活动的预测能力。Masson等［11］采用区域耦合模式初步验证了西南季风对东南阿拉伯海障碍层的响应。他们发现盐度障碍层可通过诱导海表温度正异常导致夏季风提前爆发及局地降水增强。利用高分辨率区域海气耦合模式，Seo等［13］进一步揭示了北印度洋季节性径流强迫对上层海洋结构和大气环流的影响。夏季风期间，在孟加拉湾河口沿岸地区，径流引起的障碍层能够增强上层盐度层结以及促使海表增温，但局地海表增温仅限于河口沿岸，且增幅较小，不足以引起大范围风场和降水的显著变异；而冬季风期间，作为对径流淡水强迫的响应结果，整个北印度洋表层表现为大面积、大幅度降温，该降温进一步诱导大气环流作大尺度调整，进而使北印度洋降水发生明显变异（图9）。但现阶段关于障碍层对大气环流影响的研究以同期性为主，对障碍层的持续性影响过程探讨不足。

图9

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图9   印度洋海表温度、降雨及海表10 m风场的季节分布[13]

（a）夏季（6~8月）海表温度差异；（b）冬季（12~2月）海表温度差异；（c）夏季降水和10 m风场差异；（d）冬季降水和10 m风场差异；差异表示考虑盐度影响的试验结果与忽略盐度影响的试验结果间的差值

Fig.9   Seasonal distribution of sea surface temperature, rainfall and 10-m wind speed in Indian Ocean[13]

Difference of sea surface temperature averaged over (a) June-August and (b) December-February between Salinity Restoring (SR) experiment and No Salinity Restoring (NoSR) experiment. Difference of rainfall (shading) and 10-m wind speed (arrows) averaged over (c) June-August and (d) December-February between SR experiment and NoSR experiment


3.2　对海洋生态系统的影响

海洋初级生产力是描述海洋生态系统及其环境特征的重要参数，对深刻理解和研究海洋生态系统及其环境特征、海洋生物地球化学循环过程以及认识海洋在气候变化中的作用方面均具有重要意义。影响海洋初级生产力的因素包括光照强度及海水pH值、营养盐、温度和盐度等在内的环境要素。盐度障碍层主要通过诱导营养盐浓度和温度变异进而影响上层海洋初级生产力，表现为：①障碍层阻碍富含营养盐的温跃层冷水被卷挟进入混合层，不利于自养生物的光合作用，从而抑制上层海洋初级生产力的增加；②障碍层的“热障”效应导致上混合层偏暖，可能导致用于浮游植物进行光合作用的最适温度范围发生偏移，影响上层海洋初级生产力。

由于障碍层内强密度梯度的存在，上升流或垂向卷挟过程必须更强才足以克服由障碍层造成的强稳定性。因此障碍层在海洋生态系统的其他方面也发挥着重要的作用。例如，障碍层可阻碍富含营养盐的次表层冷水输送至表层［74］，强化生物的加热效应［75］，加强低溶氧区强度［76］等。值得注意的是，海洋低溶氧区间接影响着上层海洋浮游生物量的存在与变化，而浮游生物的堆积反过来又会调制太阳辐射在上层海洋的穿透能力，从而引起生物的加热效应并与海洋物理过程建立反馈，调制海洋生物—物理间的相互作用。因此，如何从物理海洋学角度描述盐度引起的障碍层与低溶解氧区间的关联是一个值得思考的问题。

4 尚需研究的科学问题

综上所述，自障碍层这个概念提出以来，许多学者对该现象已做了大量研究，取得了重要的研究进展，尤其对不同海域障碍层形成机制展开了细致的研究。但是，关于障碍层的定义以及障碍层对天气、气候和海洋生态系统的影响等领域尚需深入研究，主要科学问题包括：

（1）障碍层厚度定义方法研究。关于障碍层厚度的计算有多种定义，总体可分为阈值法和梯度法两种。阈值法适用于垂向分辨率较低的网格化资料，计算简单易行；而梯度法则适用于精度较高的单点观测数据，计算结果更加精确。受资料垂向分辨率的限制，现有研究基于阈值法计算得到的障碍层厚度结果更为理想。在阈值法中多以温度阈值法为主，但对阈值的选取标准各异，这将导致计算误差出现。目前的最新研究基于涩度概念采用梯度法对障碍层厚度进行了定义［77］，该方法虽可有效避免阈值选择问题，但也存在不适用于低分辨率数据的弊端。因此，如何来优化障碍层定义方法是该领域的一个研究点。

（2）障碍层在气候事件演化过程中的作用研究。障碍层可以通过动力和热动力过程影响海气界面通量进而调制海表温度的演化，定量评估障碍层在气候事件演化中的作用，是该领域未来关注的重点问题。例如，可率先围绕热带低纬度海域气候事件展开研究：探讨热带太平洋障碍层的年际变异规律对不同类型ENSO事件的影响过程和机理；从盐度效应角度，阐释热带印度洋障碍层在印度洋海盆模态的“电容器效应”中的作用，揭示热带印度洋盐度障碍层诱导的海表温度异常在大气环流变异中的重要性等。

（3）中高纬度障碍层形成机制和变异机理研究。障碍层作为一种全球海洋现象，具有明显的纬向带状分布特征，其不仅出现在热带海域，在中高纬度近表层淡水强迫（如降水强于蒸发、径流输入及海冰融化等过程）区域也分布着深厚的障碍层。采用现有稀少的观测资料，一些研究已经指出中高纬度区域，如副极地、极地、中高纬度边缘海等海域分布着季节信号显著的障碍层，且其厚度要远大于热带海域障碍层。但受限于高时空分辨率温盐现场观测资料的匮乏，长期以来中高纬度障碍层的形成机制、变异机理及其对海气相互作用的影响尚未得到足够关注。伴随着全球海洋观测网的快速发展，未来在现场观测资料逐渐丰富的情况下，可进一步开展对中高纬度障碍层热力及动力过程的研究，探讨在全球变暖背景下盐度障碍层对北极局地海—冰—气相互作用的可能影响。

（4）障碍层的生态效应研究。近年来已有研究揭示热带太平洋的物理—生物地球化学之间的相互作用可对ENSO的特性产生影响，因此地球系统多圈层过程相互作用研究逐渐备受关注。在全球海洋中，南大洋具有较高的初级生产力，可促进海洋对大气二氧化碳的吸收。因此，研究盐度障碍层对南大洋上层海洋初级生产力的影响过程和调制机理，将对进一步深入了解南大洋在全球碳循环以及海洋生物地球化学循环中的作用具有重要意义。

（5）气候模式对障碍层模拟能力评估及不确定性溯源研究。大多数CMIP气候模式由于对盐度模拟能力不足，造成对障碍层的模拟存在较大偏差，而障碍层模拟偏差将会通过复杂的动力和热动力过程导致气候模拟偏差。确定盐度障碍层模拟误差来源，客观评估障碍层对海表温度的调控作用，澄清盐度障碍层对气候变异的影响过程、机理及可能存在的敏感区，将为深刻认识障碍层的气候效应和提高气候预测能力提供科学依据。

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