赤道太平洋存在一個特殊的季節内海洋動力現象——熱帶不穩定波（Tropical instability waves, TIWs）。從衛星海表溫度圖像可以直接觀察到TIWs現象，外觀呈現為赤道冷舌的波浪狀蜿蜒（圖1a）。其運動本質是背景緯向流剪切不穩定形成的一系列西傳渦旋（圖1b），影響區域橫跨大半個赤道太平洋。TIWs渦旋具有1m/s的強流速（圖1c），它們像聯排攪拌機，攪拌着赤道内外的海溫、鹽度、營養鹽和初級生産力等海洋要素，影響海洋生态系統和氣候變化。
圖1. 橫跨大半個赤道太平洋的TIWs現象（Wang et al. 2024）
TIWs一般發生在北半球的夏秋冬季節。因為此時赤道太平洋上空的信風很強，驅動了很強的赤道緯向流系，緯向流系之間的剪切達到一定的強度，就會激發TIWs現象。是以，在厄爾尼諾年，由于赤道信風變弱，TIWs會變弱甚至不發生；而在拉尼娜年，由于赤道信風增強，TIWs會變得更強，其攪拌效應也會更強。
受人類活動以及自然系統内部變化的影響，海洋和大氣存在多年代乃至多世紀的長周期變化或長期趨勢。自上世紀80年代以來，熱帶太平洋經曆了類似拉尼娜現象的氣候變化，即東太平洋異常變冷。那麼，TIWs對應這段時期發生了什麼變化？它的攪拌效應對生态和氣候長期變化會有何影響？
該問題的研究難點在于赤道海流資料的缺乏。赤道外海水主要受力平衡為壓強梯度力與地轉偏向力（又名科氏力，是流速和緯度的函數）平衡，前人一般通過衛星高度計觀測的海表高度水準梯度計算壓強梯度力，再通過地轉平衡關系估算海表流場。然而，赤道地區地轉偏向力幾乎為零，無法簡單的使用衛星高度計資料估算海表流場。最近，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室（LTO）與加州大學聖地亞哥分校Scripps海洋研究所的海洋學家們解決了該問題。他們提出了衛星海表高度計算赤道流場的新動力診斷方法，考慮加速度與壓強梯度力和摩擦力平衡，首次計算出TIWs近30年（1993-2021年）的海表流場資料（圖1c箭頭）。基于該海流資料及其他輔助觀測和模式資料（圖2），他們發現TIWs在近30年有增強趨勢，其渦旋動能（eddy kinetic energy, EKE）每十年增長12%（圖2粗紅線）。
圖2. TIWs強度年代際時間序列（基于四套獨立資料；Wang et al. 2024）
大尺度海洋環流和海溫風場的趨勢分析表明，TIWs增強的動力機制源于近30年熱帶東太平洋氣候赤道南北的不對稱變化。赤道以北增暖更快（圖3a填色），伴随跨赤道信風增強（圖3a箭頭），驅動赤道流系加速（圖3b箭頭），使海流剪切加強、TIWs增強。伴随TIWs增強，其攪拌效應加強，使冷舌區的渦旋熱平流每十年增加23%，阻礙熱帶東太平洋赤道變冷。目前大部分氣候模式由于分辨率較粗（1°×1°）無法再現TIWs過程，是以無法反映TIWs對冷舌的攪拌加熱效應，可能造成一定的模拟偏差（比如赤道冷舌區的冷偏差），未來氣候模拟和預估需要考慮TIWs這一回報作用（比如通過參數化或者提高模式分辨率）。
圖3. 近30年熱帶太平洋a. 海溫、風場；b. 海表高度、流場的變化趨勢（Wang et al. 2024）
該研究以“Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades”為題發表在Nature Climate Change，LTO助理研究員王闵楊為第一作者，通訊作者為LTO杜岩研究員和Scripps海洋研究所Shang-Ping Xie教授，日本海洋地球科學技術機構（JAMSTEC）的Hideharu Sasaki教授和Masami Nonaka教授為共同作者。
論文資訊:
Wang, M., Xie, SP., Sasaki, H. et al. Intensification of Pacific tropical instability waves over the recent three decades. Nat. Clim. Change. (2024).
論文連結：
https://doi.org/10.1038/s41558-023-01915-x