中国网/中国发展门户网讯 西太平洋是一个独具特色的复杂海区，拥有全球最典型的沟-弧-盆体系、活跃的海底热液和冷泉活动、大规模的板块俯冲，以及丰富的陆源物质输入，其多重特征使该区域成为研究地球系统多圈层相互作用的理想区域。当前，围绕西太平洋跨圈层动力过程与物质能量循环开展系统性研究，深入解析地球系统多圈层相互作用机制，不仅是地球系统科学前沿的核心课题，也紧密关系着全球气候变化应对、海洋资源可持续开发利用和深海环境安全保障等国家重大战略需求。为此，国家自然科学基金委员会于2019年启动了深海大洋领域的首个重大研究计划——“西太平洋地球系统多圈层相互作用”重大研究计划（以下简称“西太计划”）。实施6年多来，该计划已在西太平洋跨圈层相互作用方面取得了一系列重要进展。本文重点介绍了“西太计划”实施以来在若干关键领域取得的重要理论和技术突破（图1），内容涵盖深海能量串级与输运过程、生物地球化学循环机理、板块俯冲起始机制，以及高分辨率地球系统模拟与预测等前沿方向，并在此基础上对下一步研究工作提出思考和展望。
西太平洋跨圈层研究进展和成果
西太平洋跨圈层相互作用的理论认知突破
深海复杂地形影响下的大洋能量串级与垂向输运
西太平洋紧邻欧亚大陆，具有全球最典型的沟-弧-盆体系和深海复杂地形端元，在这些深海复杂地形调控下，该区域孕育出活跃的大尺度环流、中尺度涡、亚中尺度过程、小尺度内波混合等海洋多尺度动力过程。海洋多尺度动力过程的能量串级（即不同尺度动力过程通过非线性相互作用进行能量传递）和垂向输运，调控着西太平洋的能量平衡与物质循环，进而对该区域气候产生重要影响，是西太平洋海洋动力学的2个核心研究问题。在过去几十年，尽管国内外学者已针对西太平洋的大尺度环流、中尺度涡等单一尺度动力过程本身及其导致的水平输运开展了大量研究，并取得了丰富的认识，但对西太平洋多尺度能量串级与垂向输运的认知仍十分有限，这制约了西太平洋地球系统科学的发展。近10年，随着观测技术和数值模拟能力的迅速发展，以中国学者为代表的学界在“西太平洋深海复杂地形影响下的大洋能量串级与垂向输运”方面取得一系列突破性进展。
在复杂的多尺度海洋动力系统中，水平尺度O（1—10）km的亚中尺度过程，在大洋能量串级中具有承上启下的“枢纽”作用，在大洋垂向物质输运中扮演着关键角色。因此，有效地解析亚中尺度过程是突破“大洋能量串级与垂向输运”问题的关键所在。为此，中国科学家在副热带西北太平洋和南海构建了多个多层嵌套式的亚中尺度潜标阵列，实现了对包括亚中尺度过程、中尺度涡等在内的多尺度动力过程的长期、连续观测。潜标阵由20余套潜标构成，最高水平分辨率达1.5 km，最长持续时间多达4年，是国际上规模最大、持续时间最长的亚中尺度过程现场观测系统。同时，国内外学者还在西太平洋构建了多个水平分辨率公里量级的数值模式，实现了对亚中尺度过程的高分辨率模拟。以上高分辨率现场观测和数值模拟的开展，为突破“深海复杂地形影响下的大洋能量串级与垂向输运”科学问题提供了关键支持。
在复杂地形影响下的能量串级研究方面，通过拓展海洋平衡模态与非平衡模态的动力理论，构造了分离海洋平衡运动与非平衡运动的动力滤波器，建立了海洋多尺度动力过程的动力学分解理论，为量化大洋多尺度能量串级奠定了方法基础；基于亚中尺度观测和数值模拟发现，亚中尺度过程存在“正负双向”能量串级，其中尺度较大的“低频”亚中尺度过程能量以逆串级为主；探明了中尺度涡与地形相互作用产生亚中尺度过程、亚中尺度对称不稳定导致湍流混合的这一能量正串级路径，提出“流-地相互作用”是大洋能量正向串级的关键途径；发现亚中尺度能量逆串级显著增强中尺度涡，进而增强总体的涡致经向热输运，提出了亚中尺度能量逆串级这一影响大洋经向热输运的新途径。
在复杂地形影响下的垂向输运研究方面，基于现场观测和数值模拟，系统刻画了热带西太平洋深层环流的三维结构，揭示了太平洋经向翻转环流深层分支进出西太的路径、流量和变异规律；基于国际上首个深海亚中尺度潜标阵的长期观测，我国科学家发现了深海底边界层存在活跃的亚中尺度过程，其导致的绝热“涡致上涌”速度高达50 m/d，其垂向浮力输运对维持深海底边界的层结和大洋环流垂向分支具有关键作用；刻画了南海和菲律宾海内潮能量三维传播和耗散混合的路径，给出了菲律宾海深层湍流混合空间分布，明确了九州—帕劳海脊等复杂地形在驱动“湍致上涌”中的重要作用；提出“湍致上涌”和“涡致上涌”交互接力式深层水上涌的理论假说，为构建复杂地形下大洋翻转环流理论开辟了新方向。
碳-氮-铁生物地球化学循环的跨圈层耦合
海洋是地表最大的碳储库，每年从大气吸收约25%的人为二氧化碳（CO2），且仍具有显著的增汇潜力。生物泵是海洋固碳、储碳的关键机制，该机制以氮等营养盐为物质基础，并受铁等痕量元素调控，驱动碳由海气界面进入水体传输，并经海底流固界面埋藏于沉积物中。而在海底流固界面，碳、氮、铁及多种微量金属可以在极薄的空间尺度内快速周转，进而调控不同时间尺度的碳循环和全球气候演变。因此，全面理解海洋生物泵过程及其气候效应，亟须厘清碳-氮-铁的跨圈层（海气界面、海底界面）耦合过程。然而，现有研究多聚焦单一过程或机理，缺少对多元素耦合循环、跨界面交换净通量的系统量化，导致对其在地球系统中的实际调控能力及临界转折点尚不明确。西太平洋具有活跃的多尺度动力过程、典型的沟-弧-盆体系、高陆源输入、最大深海碳库、剧烈的环境梯度和人类活动影响，碳-氮-铁的跨圈层耦合使其成为全球主要的碳汇区，显著影响全球碳循环和气候演变。过去几十年，国际学界在西太平洋物质输运方面取得了丰富认识，但针对碳-氮-铁等元素的跨圈层物质交换研究仍存在通量不明、空间割裂等问题。近10年，中国学者针对这些问题在西太平洋跨圈层生物地球化学循环方面取得如下创新性成果。
在海气界面和上层水体物质循环研究方面，结合卫星涡旋追踪与机器学习方法，重建了黑潮延伸体区长寿命涡旋全生命周期的海表CO2分压，揭示了中尺度涡的涡流泵作用与生物不对称响应增加了该海区CO2的净吸收，克服了中尺度涡观测的局限性，为准确评估全球海洋碳汇提供了科学依据和改进方向；基于海表CO2分压重建数据，结合物理-生物地球化学耦合模式，发现黑潮延伸体稳态下海表CO2分压降低和风速增强导致CO2吸收显著增强，明确了黑潮延伸体年代际变异对区域的重要调控作用；集成分析南海1997—2018年的观测数据，证明了黑潮入侵携带的太平洋人为CO2是南海人为CO2的主要来源，发现了开阔大洋向边缘海输运人为CO2的新路径，对全面理解西北太平洋碳循环具有重要意义；基于氮同位素标记技术，揭示了西北太平洋固氮来源氮在真光层循环的精细化结构，发现生物泵输出的颗粒有机质再矿化会刺激氮再生并释放一氧化二氮（N2O），从而抵消生物泵碳汇效应，产生“负作用”，据此提出海洋生物泵调控的“碳、氮复合气候效应”新理论框架。
在海底流固界面物质交换研究方面，我国科学家发展了深海原位探测、放射性同位素示踪、有机质示踪等技术，为认识海底流固界面不同形态碳（有机碳、无机碳、甲烷等）、氮和金属元素的耦合循环及交换通量提供了关键支撑。发现我国长江口—东海陆架冬季风暴和强垂向混合导致沉积有机质快速分解，为近海“碳失踪”之谜提供了机制性的新假说；提出并验证了具有高有机质和陆源输入的大陆边缘流固界面是现代海洋中被忽视的“早期成岩移除型”元素的关键汇。在副热带西北太平洋局部底层水中，溶解铁、颗粒铁和锰的浓度显著升高，这主要受岛屿沉积物、热液及海山输入等海底过程影响。众所周知，在陆坡、海槽、海沟等系统中，不同来源和形态的碳（包括地幔脱气释放的碳、洋壳与海水高温作用生成的还原性碳质流体，以及沉积有机质热解或微生物作用产生的甲烷等）会经由断层流体通道向上迁移，最终形成海底冷泉渗漏或高温喷流。近期研究发现，在冲绳海槽热液区，低温溢流区的气体释放通量可达高温喷口区的10—100倍；冲绳海槽中部冷泉的甲烷上涌导致硫酸盐-甲烷过渡带（SMTZ）变浅，且几乎所有上涌的甲烷都在SMTZ被微生物驱动的厌氧甲烷氧化（AOM）消耗，其生成的溶解无机碳和海水的钙、镁离子耦合形成自生碳酸盐沉淀，将碳固定于沉积物中，陆源输入或热液羽流的金属氧化物驱动的AOM途径也有望减少甲烷逸出通量。海底释放的含氢、硫和甲烷的流体还滋养了化能合成生态系统，微生物将无机碳固定为有机质，将氮、磷等营养元素引入海洋食物网，实现地球深部与海洋的跨圈层耦合联通。
板块俯冲起始机制与深部碳循环
板块俯冲起始机制一直困扰地学界，被认为是板块构造理论的最后“堡垒”。西太平洋新生代俯冲带被认为是揭示俯冲起始机制的热点区域，且存在很多争议。前人将俯冲起始归纳为2种：由自身重力失稳导致的自发式起始俯冲和由外部应力促成的诱发式起始俯冲。其中，相邻板块年龄差异是重力失稳的关键。国际大洋发现计划（IODP）351航次根据奄美盆地快速沉降，认为伊豆—小笠原—马里亚纳俯冲带（Izu-Bonin-Marianna，IBM）起源于拉张环境，是典型的自发式起始俯冲。但是，奄美盆地玄武岩中单斜辉石记录的温压范围很大，显示了快速喷发的特征，指示挤压环境。
围绕西太平洋俯冲起始机制，中国科学家对西太平洋地区具有不同俯冲起始模式的边缘海进行了研究，包括代表被动陆缘转换成主动陆缘的北苏拉威西俯冲带、夭折的年轻大洋向年老大洋俯冲的穆绍海沟、俯冲极性反转导致的年轻大洋向年老大洋俯冲的所罗门俯冲带和年老大洋向年轻大洋俯冲的IBM俯冲带。一个重要的进展是发现新特提斯洋闭合导致西太平洋俯冲起始，澳大利亚和印度板块向北漂移的速度变化指示新特提斯洋盆闭合与西太平洋新生代俯冲起始之间有内在联系：在前人认为的碰撞起始之初（距今约60 Ma），两个板块的漂移速度加快，可能是沉积物润滑作用的结果。在距今约53 Ma，板块向北的漂移速度迅速下降，指示特提斯洋闭合的最后阶���——硬碰撞开始；与此对应，IBM弧前区域距今约52 Ma，形成弧前玄武岩。到距今约51 Ma时，澳大利亚板块漂移速度接近0，指示澳大利亚板块与欧亚板块东缘有强烈的相互作用。而伊豆—小笠原地区距今约51 Ma，产出玻安岩。到距今45 Ma时，澳大利亚板块漂移速度迅速反弹，与岛弧安山岩的出现相对应，指示俯冲起始完成，阻力消失。
板块俯冲是地球深部与表层碳循环的核心环节，也是地球内部与外部碳交换的最主要通道之一。但板块俯冲对全球碳循环的具体调控机制与效应，目前尚不明确。值得关注的是，在地质历史中，大型弧岩浆活动及其伴随的脱气过程并非均匀发生，通常具有偶发性。在被动陆缘大规模俯冲起始阶段，巨量富含碳的厚层沉积物被输入到弧下区域，导致弧岩浆活动相关的碳释放可能急剧增强，进而引发全球性气候突变，并被记录在同时期的沉积记录及岩浆岩包体中。
中国近年来的研究表明，新生代早期，印度板块边缘俯冲，导致了大气CO2的持续升高。其中，大量富有机物的沉积物在大陆弧火山的喷发过程中被短时间大量释放，从而造成了古新世—始新世极热事件（PETM）时期大气CO2含量的快速增高和全球增温。与此相反，俯冲类型的转换也可能导致全球CO2含量的长期下降。距今约51 Ma，新特提斯洋闭合触发西太平洋俯冲起始，使全球从沉积物厚、易脱碳的特提斯型俯冲转向沉积薄、深水环境的太平洋型俯冲。随之而来的沉积碳输入减少导致弧火山脱碳量下降，而西太平洋地区大量火山灰进入海洋并经历快速化学风化，其释放的阳离子促进海洋固碳反应，加速大气CO2的消耗。这一固碳过程被认为可能驱动了始新世长期冷却事件（LTEC）及其后的全球降温。
高分辨率地球系统模拟：从过程解析到预测能力
西太平洋区域是研究地球系统多圈层相互作用、发展地球系统科学理论难得的天然实验场，其复杂的跨圈层与跨尺度特征也对数值模拟提出了极高要求。开展高分辨率、多圈层耦合的数值模拟，不仅能够重现西太平洋复杂的海陆格局演变，揭示多圈层相互作用及其气候效应的多时空尺度变化，深入理解该区域复杂地形对海洋动力过程和气候系统的影响，而且也代表了地球系统模式未来发展的趋势。
地球系统多圈层耦合数值模拟是打破圈层和尺度分割研究局面的关键手段，也是推动现代地球系统科学实现突破的核心研究方法之一。过去的几十年中，在国际耦合模式比较计划（CMIP）的框架下，国内外已经开展了大量的多圈层耦合模式研究和模拟工作，但面对西太平洋区域复杂的多圈层和多尺度问题，现有模式仍存在诸多不足。① 基于误差较大的板块重建和低分辨率（古）地貌数据构建的气候模式，难以准确刻画西太平洋暖池的特征及其演变过程，无法与长时间尺度的古气候记录进行有效对比，也无法正确理解其长期物理机制和气候效应。② 传统气候模式由于分辨率较低（约100 km），不得不依赖参数化方案来表征云、对流、边界层、海洋涡旋等次网格尺度过程，而这些参数化正是导致模式系统偏差与不确定性的主要来源之一。因此，有必要提高板块重建和地貌数据的精度，提高模式的分辨率，使得模式可以更好地分辨复杂的地形地貌以及大气海洋中的次网格过程。近10年，中国学者在“西太平洋多圈层、跨尺度相互作用及其气候效应的高分辨率数值模拟”方面取得如下标志性成果。
在深部动力学-岩石圈变形-地表过程的跨圈层系统中，古地形地貌是构造-气候耦合研究的核心边界条件。过去10余年，通过板块重建与地貌演化模型的进展，东亚及西太平洋区域的深时构造-地貌恢复取得重要突破。基于GPlates的全球与区域板块重建，以及Badlands、GOSPL在侵蚀-沉积模拟中的应用，已初步实现古地形、水系与物源迁移的定量重建，并探索将这些结果耦合进地球系统模式以约束风化与碳循环反馈。在此基础上，中国科学家构建了由地幔动力地形、构造变形场和地表侵蚀-沉积过程组成的多圈层集成技术体系。通过融合古地磁、地质和运动学约束，将板块重建的速度场同化至CitcomS地幔动力学模型，恢复俯冲、拆沉与回卷过程驱动的一阶动力地形；并结合岩石圈应力-形变与构造继承性，重建二级构造地貌。在地表层面，基于Badlands与GOSPL的数据同化生成5—10 km分辨率的古地貌、侵蚀通量与沉积厚度序列。这些高精度边界显著提升了气候模式对水汽输运、风化与物源供给等过程的模拟能力，使风化侵蚀—碳循环反馈可在深时尺度上受到严格检验，为重建东亚季风与全球气候再分配机制提供了关键支持。
高分辨率地球系统模式是模式发展的前沿。近期欧洲多国推出地球系统模式发展的NextGEMS计划，更是进一步将地球系统模式从10 km向1 km推进。在过去几年中，我国科学家研发的高分辨率地球系统模式CESM1-HR（Community Earth System Model version 1，High Resolution）完成了长时间积分，开展了大气河、ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）和东亚夏季风的气候态和年际变率等方面的研究，明确了海洋中小尺度动力过程针对热带大尺度气候模态、海洋极端高温事件等现象的作用。该项研究基于CESM1-HR框架，在发展了全球公里级的大气模式GRIST（Global-Regional Integrated Forecast System）和海洋模式LICOM（LASG/IAP Climate system Ocean Model）2个分量模式的同时，还建立了全球公里尺度耦合模式AP3ESM（AI-Powered and Performance-Portable Earth System Model）。模式不仅达到1 km的最高分辨率，还采用了性能可移植、人工智能增强的物理参数化等先进优化技术。AP3ESM成功再现了2023年超级台风“杜苏芮”的台风眼壁结构和精细雨带特征，以及台风引发的极端降雨现象，预示着地球系统模拟正从“气候平均态模拟”迈向“天气尺度过程解析与气候统计结合”的新时代。
思考与展望
基于西太平洋跨圈层相互作用研究已取得的系统性认知与关键进展，当前的研究已站在一个从现象描述迈向机理量化、从分要素解析迈向系统集成的新起点。然而，要最终实现“透明西太平洋”，仍面临从观测、理论到预测能力的多重挑战。为此，亟待以前瞻性视角进行战略布局，推动研究范式变革。未来的核心任务与方向应着重以下5个方面。
构建“立体透明”的高分辨率西太平洋深海能量串级协同观测与理论新框架。近10年来，科学家已在西太平洋复杂地形影响下的能量串级、垂向输运及其参数化等方面，取得了系列创新性成果。然而，对于尺度介于亚中尺度过程与微尺度湍流（尺度小于10 m）的细尺度湍流（尺度10—100 m），目前仍知之甚少。这限制了对整个能量串级链路和深海大洋混合过程的认识与理解。为突破上述科学问题，未来需要构筑深海多尺度动力过程10 m量级甚高分辨率观测网，实现从微尺度湍流、细尺度湍流到亚中尺度全过程协同观测；基于观测和模式，建立深海复杂地形多尺度过程相互作用、能量串级与混合过程理论框架，阐明西太平洋深海复杂地形调控下的三维环流时空特征和变异机理及其对区域乃至全球气候系统的影响。
深化“跨圈层耦合”驱动下的多尺度物质循环机制。近10年来，科学家已在西太平洋海气界面和流固界面碳-氮-铁生物地球化学循环的耦合与分异方面取得了一系列创新性认识。然而，有限的现场观测和实验验证限制了对碳-氮-铁生物地球化学循环的跨圈层耦合的深入认识与理解。未来应以多学科交叉、多手段联用、多要素集成，发展动力-化学-生物耦合的原位观测、实验与模拟技术，重点阐明深海多尺度湍流与环流如何调控碳、氮、铁等元素的垂直输运与海气交换，以及海底流固界面（热液/冷泉）的流体-岩石-微生物反应如何影响深海物质通量与成矿过程，从而显著提升对全球变化下西太平洋关键元素生物地球化学过程及其效应的认知与预测能力，在海洋多尺度、跨圈层物质循环领域取得突破，引领地球系统科学和深海资源研究。
揭示西太平洋构造演化与深部碳循环影响机制。西太平洋独特的地理与构造格局（太平洋构造域与特提斯构造域交汇区、俯冲类型丰富、洋盆众多）使其成为深化和完善板块构造理论的突破口。未来研究应以此为核心，重点研究板块俯冲起始机制、西太平洋俯冲体系与新特提斯构造带的相互作用及山弯构造与洋盆演化关系。在此基础上，结合高温高压试验、天然样品和人工智能，揭示不同俯冲模式对全球深部碳循环的差异控制作用。其研究成果不仅能完善板块构造理论体系，更有望对地球历史上的重大构造-气候突变事件提供全新解释，为理解当今全球碳循环与气候变化提供深部过程的钥匙，从而推动地球系统科学理论的突破与革新。
突破公里尺度地球系统模拟瓶颈。随着超级计算机平台的迅速发展，地球系统模拟已正式迈入了公里级时代，这将有望从根本上深化我们对地球系统中关键多尺度过程及其相互作用机理的认识。然而，如何提高公里尺度模式的动力框架精度，如何实现更精细物理过程的参数化表达，公里级分辨率对于西太平洋乃至整个地球系统模拟将带来怎样的变化，以及最终如何切实提升从天气到气候尺度的预测能力，这些都是随之而来的一系列亟待解决的科学挑战。因此，在系统开展天气到气候尺度的模拟试验与诊断分析时，必须重新思考构建面向公里级分辨率的数值模式计算框架和物理参数化方案，同时还需要开展更高分辨率的多圈层联合观测，为模式评估与改进提供可靠且精确的观测依据。
迈向多学科深度汇聚与人工智能赋能的“研究新范式”。当前，地球系统科学研究仍面临显著瓶颈：学科壁垒长期存在，观测、实验和数值模拟3种研究手段相对分离，这导致数据信息与理论成果碎片化，难以有效融合；地球系统不同圈层之间的多尺度耦合过程，以及人地之间的复杂相互作用，给准确建模带来极大挑战；知识体系快速发展，重大原始创新将建立在研究个体无法全面掌握的知识基座之上。为突破这些局限，亟待推动海洋科学与数据科学、人工智能的深度融合，打造人工智能赋能的研究新范式。通过发展多源异构地球系统大数据融合方法，以及数据与知识融合驱动的建模方法，实现对地球系统跨圈层耦合机制与人地交互机制的深入理解与定量表征；通过打造地球系统科学多智能体系统，有效整合地球系统科学知识体系，突破研究个体理解、分析复杂地球系统的能力瓶颈，实现人工智能赋能的地球系统科学研究“大兵团”联合科技攻关新模式，助力实现西太平洋地球系统“状态透明、过程透明、变化透明”的总体愿景。
（作者：吴立新，中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心/物理海洋教育部重点实验室、崂山实验室；田纪伟，中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心/物理海洋教育部重点实验室；孙卫东，中国科学院海洋研究所、崂山实验室；刘海龙，崂山实验室；陈天宇，南京大学 地球科学与工程学院关键地球物质循环与成矿全国重点实验室；曹知勉，厦门大学 海洋与地球学院海洋生物地球化学全国重点实验室；荆钊，中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心/物理海洋教育部重点实验室、崂山实验室；
来源：中国网·中国发展门户网
《中国科学院院刊》供稿
责任编辑：杨霄霄