近期，中科院海洋所王凡研究团队基于长期连续潜标观测，系列研究揭示了西太平洋九州帕劳海脊和新几内亚岛以北深水通道深层环流的路径、流量和变异，进一步完善了对西太平洋深层环流的认知，成果分别发表在国际学术期刊Geophysical Research Letters和Journal of Physical Oceanography。 大洋深层环流路径会受到地形的约束，海盆间的深层水仅能通过一些关键通道进行交换。团队已有研究表明，4000米以深携带绕极下层水的深层流下分支会从雅浦-马里亚纳海沟连接区季节性进入西太平洋，但如何进一步进入菲律宾海盆是未知。基于潜标阵列2.5年的连续观测，研究发现深层流下分支通过连接区北通道进入西马里亚纳海盆，流量为1.41±1.43/0.26 Sv（平均±标准差/误差估计，1 Sv=106 m3s-1），然而可以通过九州帕劳海脊深水通道从西马里亚纳海盆进入北菲律宾海盆，流量为0.75±0.53/0.18 Sv，西马里亚纳海盆侧向流量净通量为0.65±1.35/0.28 Sv，上述两个通道流量以季节内变异为主，流量的平均态和变异受到上层海洋过程的控制。 进入北菲律宾海盆的绕极下层水因地形阻挡无法流出该海盆，只能通过混合吸热上升变为北太平洋深层水，而后通过关键深水通道流出西太平洋。团队基于长达5年的观测研究发现，深层流上分支会在新几内亚岛以北通道向东流出西太平洋，流量为2.19±11.4/1.62 Sv，并呈现显著的季节变化。流量的平均态受通道两端压力差异控制，季节变化由向西向下传播的罗斯贝波控制，均与上层海洋过程紧密联系。需要指出的是，该通道深层流上分支平均流向与前人基于温盐断面结果给出的结论正好相反（Kawabe&Fujio 2010），这一矛盾是由于前人间接观测的不准确或年际变化导致值得进一步研究。 两个研究的新结果丰富了对西太平洋深层环流系统和深层与上层海洋联系的认识，有助于多学科开展生物地球化学要素循环、深层水团性质和变异、气候变化等研究工作。 论文第一作者为中科院海洋所研究员汪嘉宁、博士研究生张航，通信作者为研究员王凡、汪嘉宁，合作者包括加拿大贝德福德和美国伍兹霍尔海洋研究所的专家学者等。研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划重点项目和优秀青年项目、中国科学院战略性先导科技专项等资助。 相关成果及链接如下： 1.Jianing Wang*,Fan Wang*,Youyu Lu,Hang Zhang,Qiang Ma,Larry J.Pratt,Zhixiang Zhang,Abyssal circulation from the Yap-Mariana Junction to the Northern Philippine Basin,Geophysical Research Letters,2023,50(6):e2022GL100610.DOI:10.1029/2022GL100610. https://doi.org/10.1029/2022GL100610 2.Hang Zhang,Jianing Wang*,Fan Wang,Zhixiang Zhang,Qiang Ma,Observed upper deep branch of the Pacific meridional overturning circulation north of New Guinea,Journal of Physical Oceanography,2023,DOI:10.1175/JPO-D-22-0180.1. https://doi.org/10.1175/JPO-D-22-0180.1 查看详细>>

日前，Nature出版集团地球科学期刊《通讯-地球与环境》（Communications Earth&Environment）在线刊发了中国科学院海洋研究所张国良课题组板块俯冲有关的深部碳循环机制新进展，研究通过室内高温高压模拟，揭示了俯冲板块形成含水碳酸岩熔体是弧下板块脱碳并将碳搬运至弧下地幔的重要方式。 俯冲带是地表和地球碳交换的纽带，板块俯冲将一部分碳带入到地幔深处，同时使部分碳通过熔体/流体形式返回至浅部系统。因此，俯冲带是全球碳循环的调节器，可能对着地球长期气候变化和宜居环境产生深刻影响。俯冲板片脱碳是俯冲带碳循环研究的核心内容，过去20多年的工作总结出四种主要的脱碳机制，即变质反应脱碳、流体溶解作用、底辟作用和熔融作用。在弧下深度，板片熔融生成碳酸岩熔体被认为仅限于极热俯冲带或极富钙岩石（如大理岩或部分下洋壳辉长岩；CaO>20 wt.%）的熔融。这是由于前人认为俯冲沉积物或洋壳玄武岩在弧前深度发生强烈脱水，到达弧下深度后沉积物或玄武岩处于无水-流体不饱和状态，该条件下测得的含碳板片物质的固相线通常高于俯冲带的最高温度。实际上，板片中蛇纹石化橄榄岩在弧下深度会大量脱水，水可以极大降低碳酸盐矿物的固相线，释放的水在向上运移过程中会导致上覆板片重新水化并处于水饱和状态。尽管俯冲沉积物携带的碳占全球俯冲带碳输入通量的约70%，但含碳沉积物在弧下深度流体饱和条件下的相平衡关系、固相线及熔融脱碳行为尚不清楚。 研究团队通过高温高压实验研究厘定了流体饱和条件下碳酸盐化沉积物在2.5-6 GPa压力（弧下深度75-180 km）下的相平衡关系。研究揭示，固相线温度在2.5-4.5 GPa范围随压力升高而升高，固相线以上生成硅酸盐熔体；固相线温度在4.5-6 GPa范围随压力升高而降低，固相线以上初始熔体为钙质含水碳酸岩熔体，继续升温大量硅酸盐参与熔融反应生成碳酸盐化硅酸盐熔体。将固相线与俯冲板片地温曲线比较，在150-180 km深度范围中等温度俯冲板片顶部的P-T路径与生成碳酸盐熔体段固相线（P>4.5 GPa）相交，同时在相近的深度范围莫霍面温度可以使下覆蛇纹岩中的蛇纹石分解脱水，这使得上覆沉积物满足流体饱和熔融条件并在150-180 km深度生成含水碳酸岩熔体。前人研究认为碳酸岩熔体的产生仅限于热俯冲带或者极富钙岩石的熔融，而该工作显示碳酸盐化沉积物在中等温度俯冲环境就可以熔出含水碳酸岩熔体。因此，含水碳酸岩熔体在俯冲带弧下深度是搬运碳的常规介质。 该研究主要创新之处在于，一是科学假设结合了俯冲板片完整的脱水过程，并根据俯冲板片热结构、蛇纹石稳定域和碳酸盐化沉积物流体饱和固相线确定了中等温度俯冲带就满足生成含水碳酸岩熔体的条件；二是发现固相线斜率在4.5-6 GPa压力范围为负值，即固相线温度随压力升高而降低，这对于俯冲碳的释放十分重要。通过计算熔融反应公式并结合碳酸岩熔体极为富钙的现象，碳酸钙熔融温度降低可能引起了整个体系固相线的降低；从热力学角度，固相线斜率定义为dT/dP=ΔV/ΔS=TΔV/ΔH，负斜率是由于含水碳酸岩熔体的密度大于碳酸钙矿物的密度，导致熔融反应为体积减小的反应（ΔV<0）。 该研究增进了对俯冲板片脱碳机制的认识，板片在弧下深度熔融并生成含水碳酸岩熔体是俯冲板片重要且常规的脱碳方式，该结果对探讨俯冲带深部碳循环过程具有重要意义。论文第一作者为中国科学院海洋研究所特别研究助理陈伟博士，通讯作者为研究员张国良，合作者还包括印度Thapar文理学院Shantanu Keshav教授和中科院广州地化所研究员李元。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。　　  论文信息：Chen,W.,Zhang,G.L.,Keshav,S&Li,Y. Pervasive hydrous carbonatitic liquids mediate transfer of carbon from the slab to the subarc mantle.Communications Earth&Environment 4,73(2023).https://doi.org/10.1038/s43247-023-00741-5 查看详细>>

近日，中科院海洋所海洋数值模拟和气候预测课题组在ENSO多样性研究方面取得新进展，揭示了热带太平洋风场年代际变化对ENSO空间类型多样性的重要调制作用，相关成果发表在国际学术期刊Climate Dynamics（IF=4.90）上。 厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是气候系统中最强的年际变率信号，对全球气候和极端天气具有重要影响。ENSO事件在空间模态上表现出明显的多样性特征，可分为中太型（CP）和东太型（EP）两种类型，ENSO多样性及其区域气候影响差异是目前研究的热点问题，但是ENSO多样性的产生原因尚不明确。 本工作利用中国科学院海洋研究所中间型海气耦合模式（IOCAS ICM），考察了热带太平洋风场年代际变化对ENSO多样性的调制影响和机制。使用集合经验模态分解方法从NCEP/NCAR再分析资料中提取了风应力的年代际分量，基于该分量利用主振荡型分析方法构建了一个理想的风场年代际周期性循环，用于表征风场年代际变化的强迫作用。 研究使用IOCAS ICM开展了两组试验，一组是不包含年代际风场的控制试验，另一组包含了所构建的风场年代际周期性循环。对比分析发现，在模式中引入风场年代际变化强迫后，ENSO振荡的不规则性和不对称性明显增强，振荡强度出现明显的年代际变化，且模式能够模拟出EP和CP型厄尔尼诺事件。进一步通过单独海洋模式试验发现，风场年代际变化是通过热带太平洋年代际模态（IPO）对厄尔尼诺空间类型产生调制作用的，其中IPO冷（暖）位相有助于发生CP（EP）型厄尔尼诺事件。 该研究提出了一种表征年代际变率的新方法，从理论角度揭示了风场的年代际变率对ENSO多样性的重要调制作用，对理解ENSO多样性及其年代际变化具有重要意义。本研究第一作者是中国科学院海洋研究所助理研究员胡均亚，通讯作者为研究员张荣华，作者还包括副研究员王宏娜、高川和博士研究生周路。研究得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等项目联合资助。 相关文章信息及链接： Hu,J.,H.Wang,C.Gao,L.Zhou,and R.-H.Zhang,2023:Interdecadal wind stress variability over the tropical Pacific causes ENSO diversity in an intermediate coupled model.Climate Dynamics,60,1831-1847.https://doi.org/10.1007/s00382-022-06414-x 查看详细>>

近日，中国科学院海洋研究所胡石建研究团队在绕岛环流理论方面取得重要进展，研究得到了三岛屿绕岛理论解析解，并成功应用于印尼贯穿流流量估计，相关成果在JCR一区期刊Frontiers in Marine Science杂志（IF：5.247）发表。 绕岛环流理论由澳大利亚物理海洋学家J.Stuart Godfrey提出（Godfrey,1989），其理论核心是在Sverdrup关系的风生环流基础上同时考虑沿着岛屿（如澳大利亚、新西兰等）海岸对压强梯度的积分必须为零这一限定条件。Godfrey（1989）同时借鉴了Stommel（1948）和Munk（1950）的研究方法而考虑了摩擦边界层。Godfrey的绕岛环流理论成功应用于印尼贯穿流的研究中，成为印尼贯穿流研究领域的经典理论工具而被反复使用。但是，由于Godfrey的绕岛环流理论进行了大量简化，基于原始绕岛环流估算的印尼贯穿流流量与实际观测值存在显著偏差，前人就如何改进Godfrey绕岛环流理论进行了大量探索。 改进Godfrey绕岛环流理论的一个方向是考虑更接近真实地形的岛屿分布和更复杂的摩擦效应。胡石建研究团队在Wajsowicz(1993)、Pedlosky et al.(1997)、Lian et al.(2017)和Yang et al.(2020)等前人研究工作基础上，考虑了三岛屿情形的海陆分布，设计了多种具有不同岛屿分布的理想化地形，采用了相应地形条件下的侧向摩擦和底摩擦，推导得到了穿过岛屿间海峡的流函数和流量解析解。相比于前人的研究，三岛屿海陆分布显然更接近真实的印尼海域情形，同时可以考虑北太平洋风场的影响和更为复杂的摩擦效应。 团队基于所得到的三岛屿绕岛环流解析解，估算了印尼贯穿流的体积输运并与INSTANT观测、MITF等观测时间序列以及前人的理论值进行了对比。结果表明该三岛屿绕岛环流理论可以很好地再现印尼贯穿流体积输运的平均值和年际变化，相较于原始的Godfrey绕岛环流理论具有明显的进步。研究团队进一步基于该解析解开展了敏感性试验，研究了岛屿分布、海峡通道尺寸、摩擦边界层厚度等因素变化对多岛屿绕岛环流框架下印尼贯穿流输运估计的影响，得到了一些有意义的结果。 研究团队在三岛屿绕岛环流理论研究方面的进展对印尼贯穿流和印太跨海盆相互作用相关研究领域具有重要科学意义。中科院海洋所与山东科技大学联合培养硕士研究生史万里为论文第一作者，中科院海洋所研究员胡石建为论文通讯作者。研究得到了中科院创新交叉团队项目、中科院战略先导科技专项和山东省自然科学基金等项目资助。 论文信息：Shi,W.,S.Hu*,and H.Ma(2023),The island rule with multi-islands and its application to the Indonesian Throughflow,Frontiers in Marine Science,10,1145506,doi:10.3389/fmars.2023.1145506. 查看详细>>