1 引言
美国大西洋海洋气象实验室（AOML），隶属于美国海洋与大气局（NOAA）的海洋与大气司（OAR），位于佛罗里达州的迈阿密。AOML的成立过程，经历了一个相对漫长的过程，从1967年开始，到1973年才最终定型。目前，将研究活动地位在三个领域，即海洋和气候、飓风和热带气象、沿海和生态系统的AOML，开展的研究和业务支持活动，涉及热带气旋与飓风、沿海生态系统、海洋和人类健康、气候研究、全球碳系统以及海洋观测等多个跨学科领域，是NOAA七个研究实验室之一。
1.1 AMOL厚重的历史渊源
AOML最早的历史，可以追溯到19世界中叶，1836年成立的美国海岸调查队（United States Coast Survey，1836-1878），后者的前身是美国海岸局（United States Survey of the Coast，1807-1836），它们又都是美国沿海和海岸和大地测量局（United States Coast and Geodetic Survey (USC&GS)，1878-1970）的前身。1970年，也就是NOAA成立的同一年，并入目前的NOAA的NGS（The National Geodetic Survey，国家大地测量局），这样的历史变迁，反映的正是美国这样一个三面临海大国，海岸线和海洋测量等国家需求，随着国家经济和社会发展而不断攀升的情况。
上述机构中的研究力量，在1966年初建立了海洋研究所，1967年，研究所迁址到拥有当时美国飓风和海气相互作用研究最好氛围的迈阿密，，各支研究力量通过重新组成AOML而集结在一起，到1973年新的实验室在Virginia Key亮相，AMOL开始正常运转。经过几十年的建设，目前Virginia Key周边已经成为美国海洋相关研究的中心之一（图1.1）
1.2 矢志不渝的定位
AOML的研究重点，一直定位通过船只、浮标站和研究飞机获取海洋和大气观测资料并对这些观测自己进行科学解释。然而，随着学科的发展，研究目标和驱动力却在发生着改变，一些问题随着观测和研究的深入被认知，但是更多的科学问题被提出来。AOML研究涉及的学科，也从最初的地质学、地球物理学和海底沉积学等，过渡到海洋环境质量和与气候变化相关的大尺度海洋物理化学，以及与全球变化相关的学科上来。其中研究飓风的本质和机制一直是该所最重要的研究领域，这样的情形在可预见的未来将持续下去，因为飓风是目前造成美国大西洋和海湾地区灾害的最主要原因。
在研究上的新拓展，包括应用卫星资料和当地业务遥感技术，强化观测的覆盖和细节的揭示。电子通讯技术的进步，也不断提升和改变着海洋和气象观测能力。
1.3 AOML的组织架构及现状
AOML由一个办公室和三个科学研究部门（物理海洋室、海洋化学和生态系统室以及飓风研究室）组成，简洁的架构让实验室几乎全员从事研发工作。一些研究项目的管理，通过与CIMAS合作而得到强化，而合作所与实验室人员之间的交流更是常态化，CIMAS不仅能够使AOML和大学的科学家在共同感兴趣的研究领域一起合作，而且学生在参与实验室工作中，获得很多有益的科研训练。
最近十年来，AOML的人员维持在150人左右（图1.2），其中联邦雇员在80人以上，占据多数。合作所研究岗位保持在40人以上，合同制研究人员相对较少，大多数年份里不超过10人。这也是AOML员工队伍长期保持相对稳定的主要原因。但是，相对稳定的队伍带来的挑战，就是人员老化比较严重。目前，AOML全职人员中年龄超过56岁、临近退休的人员有34人，46-56岁年龄段也超过25人，而35岁以下仅6人。这意味着今后5年里，12%人员退休，44%的人员符合退休条件，即一半左右的全职人员（主要是联邦雇员）将退休，该所研究的可持续性在人员保障方面，将面临较为严重的挑战。
AOML科研活动的另一项重要保障，即研究经费支持，如图1.3所示，最近10年来呈现增加态势。其中，尤其是基础经费方面，最近6年有一个跨越式的增加。基础资金最近10年增加了400万，2008年以来，基础资金增加更是超过了全职人员工资的增加（图1.4），这一状况不仅缓解了争取外部课题的巨大压力，也让AOML的主要研究工作一直在围绕NOAA的战略展开，为NOAA在飓风预报、海洋战略和服务等重要领域业务能力的持续提高，提供了保障。
在经费支持持续稳定、改善的情况下，2013财年，AOML用将近一半的业务预算保证员工薪酬，同时拿出预算的大约41%，建立研究基金项目，优先支持包括合作所在内的各方开展相关主题的创新研究。同时，实验室在其他方面的支出，能压缩尽量压缩，使得预算都用在关键的科学研究上（图1.5）。
好的研究氛围，让AOML的科研产出，即同行评议的论文产出“走高”，2010年以来持续超过百篇，其中最多的是2010年，达到126篇，高被引论文不断出现，其中被引用1000次以上论文7篇，2000次以上6篇，还有1篇被引用了8000次以上（图1.6），综合反映论文产出数量和质量的H指数，2014年较2008年又有了极大提升（图1.7）。AMOL的这些成就，使其合作伙伴全球化（图1.8），国际合作更加促进了该实验室的研究拓展。
2 海洋和气候研究（含海洋观测）
AOML开展海洋和气候研究是为了更好地理解大尺度区域气候信号的背景设置。研究中特别注重的是年际和更长时间尺度的变率。AOML还管理着全球海洋观测系统及其数据和其他数据，并在多个领域开展研究。其中包括厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象、北大西洋涛动（NAO）、热带大西洋变化、经向翻转环流、大西洋风驱动环流、全球碳循环以及其他气候相关的大气化合物。这些研究中嵌入都是针对热带大西洋的环流活动、西边界流包括墨西哥湾流和深西边界流、以及加勒比海海洋、墨西哥湾和佛罗里达州海岸。
AOML关于海洋和气候的研究分属物理海洋室。物理海洋室开展洋流物理学和水属性的跨学科科学调查，以及海洋在气候、极端天气事件和生态系统中的作用。该部门的理想是通过加强其观测、研究、技术发展和科学交流方面的工作，来提升人们对海洋在气候、极端天气事件和生态系统中作用的科学理解。物理海洋室的主要科学目标是：
• 评估海洋状态，重点研究大西洋经向翻转环流和主要的洋流变化；
• 评估驱动热带大西洋气候变化的过程；
• 利用数据和分析评估气候模式的不确定性及其成因，以提高可预测性；
• 评估海洋对极端天气事件（龙卷风、飓风、干旱等）的影响；
• 评估和设计海洋观测系统（OSE和OSSE）；
• 评估气候信号和生态系统变化之间的联系；
• 发展支持气候、极端天气和生态系统研究的新技术。
预算PhOD资金来源主要分为两个部分：基础基金和提议基金。2009年以前，总资金量每年基本不变，维持在830万美元左右。自2009年起，CIMAS提议资金开始计入总预算中（图2.1）。
人员过去十来年，PhOD人员数量增长缓慢，目前人员维持在50人左右（图2.2），其中联邦雇员20人，迈阿密大学CIMAS合作研究所30余人。依据PhOD人员资料，检索到2名中国学者信息（表2.1）。
出版物从图2.2可以看出，过去十年间PhOD发表的科学论文数量增加了一倍多，近5年发表论文总量为237篇，部门科学家平均H指数为13。
• 利用观测和模式更好的理解经向翻转环流
经向翻转环流影响着温度、盐度、海平面和生态系统。物理海洋室正努力塑造经向翻转环流的三维状态并提高人们对这个重要的海洋气候过程的理解（图2.3）。物理海洋室通过数据收集和分析以及数值模式试验的组合进行独特的定位以促进这项工作。
观测平台物理海洋室拥有大量的重要观测平台，用于评估模型并确定气候变化的物理过程。如下：
• 北纬26度经向翻转环流系列
• 扩展的南纬35度向翻转环流系列
• XBT、CTD/O2、Argo
1.利用观测和模式结果的已有分析表明了经向翻转环流对海洋表面温度的重要性。
2.经向翻转环流/经向热传输大的变化包括中尺度、季节和较长期的变率。
3.模式不能很好的重现经向翻转环流季节和较长期尺度的观测结果（例如热传输的季节循环、新鲜水体在SA的传输、深水性质的变化、AMO的相位）。
未来计划 物理海洋室将继续呈现观测系统的临界值。具体包括：
--观测：
•提高包括深海Argo、XBTs、系留浮标数据反演系统、南大西洋经向翻转环流等观测的质量。
•开展观测的评估
--模式
•面对模式与观测的不同时间尺度（季节到年际甚至更长）
•测试模式的层次结构以发展物理过程的假说
--合作
•扩大合作关系：例如南大西洋经向翻转环流社群和35oS系列的扩展。
•英国快速社群和26oN系列的扩展以包括氧气、养分和最终碳。
• 海洋环流与气候模式中全球海洋表面温度偏差的联系
气候模式中大西洋经向翻转环流的模拟对全球海洋表面温度偏差来说十分重要。大西洋经向翻转环流与大西洋年代际振荡相互作用，使大西洋经向翻转环流产生年代际时间尺度上的振荡。IPCC-AR5气候模式中全球海洋表面温度偏差的通用模式被发现与大西洋经向翻转环流模拟相关（图2.4）。研究结果表明改进对区域过程的模拟可能不足以提升模式的整体性能，因为远程偏差的影响可能会对此抵消。提高对气候和海洋环流的理解以及减少气候模式的偏差和不确定性对实现NOAA的目标来说至关重要。
研究目标：
•评估IPCC模式中常见海洋表面温度偏差和不足。
•调查全球模式海洋表面温度偏差的联系/成因。
•专注区域海洋表面温度偏差之间的遥远关联。
• 气候与热带大西洋
热带大西洋气候变化驱动着洪水、干旱、飓风活动等等，影响着其他大洋盆地的海洋表面温度距平的演变，是大尺度气候变化的指纹图谱。
挑战：
•耦合模式中的偏差限制可预测性；
•季节内和季节尺度的激烈变化调整为年际和更长时间尺度；
•与其他区域的遥相关：不只是单向的。
AOML的工作能帮助我们更好的理解热带大西洋气候波动及其与更大规模变化的联系（图2.5）。AOML与太平洋海洋环境实验室（PMEL）、NOAA/NESDIS、迈阿密大学及其他美国国内和国际机构组织时常保持合作。海洋和大气观测资料近实时的传输提高了NOAA/NWS和其他机构对天气预报和海洋状态的评估。持续的海洋观测（PIRATA、drifters、XBTs、Argo等）对继续改善人们对热带大西洋气候变化的理解，减少耦合模式中偏差，预报该区域的季节气候以及预估全球变暖的区域影响来说至关重要。观测和模式相结合的研究利用了两者的长处，随着观测记录的增加和模式的改进将变得越来越有价值。
未来计划：
•继续研究气候波动和极端气候事件的成因及其对区域和全球的影响。
•探索季节内到季节尺度表层盐度变化及其对亚热带盐度最大值和大西洋经向翻转环流的影响。
•收集和分析新的观测资料，例如：上层海洋速度剪切，来更好的理解影响热带大西洋气候变化的过程。
•对未来的展望：未来十年，对耦合模式中大气和海洋引起偏差理解的进步将使这些模式得到改进，并对大西洋气候变化进行第一次熟练的季节预报。这些可能还会改进别的预报，例如ENSO事件的强度。还将研究全球变暖情况下变化的模态如何变化，对降雨和干旱类型以及大西洋飓风季节的影响。随着耦合模式在现实中的改进，人们将越来越有信心利用它来检验假说，以及更好的理解重大事件的观测及其影响。
• 区域海洋动态变化研究
什么过程驱动着大西洋和北冰洋海洋环流和海平面的区域变化？图2.6中分别给出了1993～2013年全球平均海平面（GMSL）高程变化情况和1993年1月～2012年12月海面高度（SSH）变化的区域分布。从图中可以看出，1993～2013年，全球平均海平面在以每年3.19毫米的速度上升，且全球海平面变化是不均衡的，区域间存在着差异。
海平面变化是多种环境过程综合作用的结果，区域间差异是由海洋动力学引起的。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）试图将区域和大尺度过程联系起来，以科学地理解气候系统变化及其影响。包括：非洲南部的绕南极洋流（ACC）锋的变化；厄加勒斯翻转（Agulhas Retroflection）变化和南大西洋亚热带涡旋变化；佛罗里达海流的变化可预报么？气候模型对湾流（GS）的反演效果如何？是什么驱动着罗浮盆地海平面的中尺度变化？是什么驱动着北冰洋质量和海平面的非季节性变化？
经过研究，有如下发现：
绕南极洋流（ACC）锋：局地风场的变化调节着非洲南部ACC的结构。西风越强，ACC越温暖，副南极锋（SAF）输送越小，南极极锋（APF）输送越大（图2.7）。而SAF和APF在非洲南部的位置与局地风强迫无关。
厄加勒斯洋流和涡旋：印度洋和大西洋之间的跨流域水交换受厄加勒斯涡旋脱落（Ringshedding）的控制（~1Sv）。涡旋脱落事件受制于涡旋的年际变化：2001年仅有3个涡旋，而1997、2002、2004和2010年均有6个。图2.8中描述了水交换速度不均及由此引起的海面高程异常变化。
南大西洋亚热带涡旋和巴西马尔维纳斯合流（BMC）：已观测到亚热带涡旋的长期扩张，扩张过程在海面温度（SST）、海面高度（SSH）、涡流动能和风应力旋度（WSC）变化趋势方面均有反应（图2.9）。1993～2007年，巴西马尔维纳斯合流锋向南前进了大约1度（图2.10）。BMC锋位置变化还有一个一年一次或一年两次为主导的周期。涡旋的扩张表明，更多的亚热带海水被平流输送到副极地区域。
佛罗里达海流（FC）与沿海海平面：FC输送的变化与海面高度（SSH）异常相关，美国东海岸海平面异常可以解释（预报）达50%的FC输送。
气候模式中的湾流（GS）：与观测相比，气候模式中的GS很弱很宽，以至于不能够模拟热量向中纬度地区的输送，导致中纬度地区海洋向大气散发的热量被低估。
挪威海的罗浮盆地（LB）动态：已观测到一个围绕LB中心区的SSH异常引起的气旋传播，传播的特征是偶极子和四级波模式，这些可以解释大于2/3的LB中心区高频SSH变化。气旋传播是正压地形罗斯比波的表现。至于LB的动态过程如何影响极向热传输，还有待进一步研究。
北冰洋质量的非季节性变化：与质量相关的海平面的非季节性变化在整个北冰洋和北欧海洋几乎都是不均匀的。该区域约70%的海平面变化与质量相关（图2.11左）。北冰洋质量的非季节性变化是由于发散/聚敛引起，淡水流量的贡献很小（图2.11右）。艾克曼（Ekman）动态是由来自北大西洋东北部、北欧和白令海上空的风引起的。
• AOML的海洋观测系统模拟实验（OSSE）
最佳的观测系统设计和战略将改善海洋状态评估和预报水平。海洋观测系统模拟实验系统（OSSEs）将涉及NOAA所关心的那些观测系统的主要问题。通过观测系统评估和设计，改善海洋数据应用，并节约成本。新海洋OSSEs将在各种应用中更好地支持海洋分析和预报，尤其是在改善飓风和其他风暴预报方面。项目的一个主要目的是确定最优观测战略，通过改善海洋预报模型初始化，更准确地预报单个飓风的强度，并在飓风季节到来之前，提高飓风可获得的季海洋热能预报水平。
具体包含如下三个任务：（1）发展一个新的海洋OSSE系统范例：涵盖大气OSSE系统的所有设计标准和严格的校验方法，并与海洋与大气研究合作研究所（CIMAS）和迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋和大气科学学院（RSMAS）建立合作伙伴关系。（2）评估已经计划好的和现有的海洋观测系统（OSEs）。（3）评估和改善海洋数据同化系统。
项目进展 通过与迈阿密大学合作，OSSEs已经在墨西哥湾经过严格的验证，没有数据校准就能获得可靠的影响评估结果。新海洋OSSEs最初应用于石油泄漏和海洋废弃物的输送和扩散预报，及耦合飓风强度预报中。
项目从提高实验设计入手，以对航空测量进行快速响应。在2010年5月8日至6月9日共开展了9次调查，每次时间间隔3～14天不等。主要关注4个问题：同化廓线（assimilating profiles）的整体影响、水平廓线分辨率的影响、探测类型的影响和调查时间间隔的影响。
通过调研发现：新系统在海洋分析中的错误和偏差明显减少。在石油泄漏和海洋废弃物的输送和扩散预报中，海面高度均方根（SSHRMS）误差降低了35%～50%。在热带气旋强度预报中，热带气旋热势均方根（TCHPRMS）误差降低了35%～60%。TCHP平均偏差几乎降到了0，这对于耦合飓风预报模型生成风暴下无偏表面焓通量很重要。采用廓线资料同化分析进行初始化，SSH和TCHP预报都得到了改善。水平分辨率的变化对SSH和TCHP的均方根误差影响很大，提高分辨率可校正锋的结构和位置；较小尺度锋和涡旋（fronts and eddies）使TCHP偏差降低。以浅的（400m）XBTs剖面仪代替深的（1000m）XCTDs剖面仪，造成了SSH误差的温和增长，但对TCHP的误差没有影响。1000m深的温盐廓线的同化对海洋动态特征结构有校正作用。两次调查时间间隔为16天时，仍然可以降低10%～12%的SSH和TCHP的均方根误差，更短的时间间隔将大幅降低误差（表2.2）。
下一步工作部署 NOAA要在其他区域部署新系统，第一步工作即是证明OSSEs可以在其他新区域成功移植并验证。这需要开发一个准确的软件系统，在流域、区域和全球不同的尺度上，允许现有的观测系统实验（OSEs）和OSSEs都有效地建立并运行起来，以涉及并解决具体的观测系统问题。
• 春季ENSO阶段演化和美国龙卷风爆发
超越“天气”尺度，美国极端龙卷风爆发可预报么？为了确定与美国龙卷风爆发相关的气候慢速演进过程，NOAA气候预测中心（CPC）主任Wayne Higgins要求NOAA实验室探索2010～2011年间的拉尼娜（LaNiña）事件和2011年4～5月美国龙卷风爆发之间的潜在联系。NOAA实验室，包括AOML和ESRL，响应了该要求。该工作得到了NOAA气候项目办公室的资助。
美国春季气象条件特点是：在中部地区，上层空气冷干，下层空气暖湿；对流有效位能（CAPE）与低空切变为形成一个与龙卷风生成相关的超级单体提供了有利条件（图2.12）。
美国春季龙卷风形成与ENSO传统的ENSO指标（例如：Niño-3.4&Niño1+2）与美国春季龙卷风活动无关，龙卷风活动只与TNI指数（Trans-Niño index）显著相关。
TNI是指赤道附近中东太平洋的海面温度（SST）的纬向梯度异常。在LaNi?a衰减阶段，典型的TNI正相位（+TNI）发生。在1917、1925、1936、1974和2011这五个龙卷风爆发年，均为+TNI。在+TNI期间，强龙卷风数量几乎翻倍。1951～2010年美国爆发的10个极端强龙卷风中的7个（包括前3个）都与+TNI相关（图2.13左）。
在LaNiña爆发期（onset phase），4月份俄亥俄河南部龙卷风爆发的概率从9%上升到20%；在LaNi?a衰减期（decay phase），4月份美国中部龙卷风爆发的概率从12%上升到24%（图2.13右）。
下一步工作部署本项目的最终目标是建立美国主要龙卷风爆发的季节展望，未来将继续探索春季ENSO阶段演化的理论和观测基础，及其与美国龙卷风爆发的遥相关关系；评估和改进现存的季节预报系统，主要聚焦于CFSv2；研发混合动力统计季节预报系统。
3 海洋和生态系统研究
• AOML/OCED简介
AOML海洋化学和生态系统部门（Ocean Chemistry and Ecosystems Division，OCED）是一支海洋碳和海洋酸化研究的优秀团队。OCED在珊瑚礁生态系统研究越来越多元化，并且增长迅速。OCED采用基于生态系统管理（EBM）的研究作为重要的指导。并有一个新兴的微生物项目，不久将在“组学（例如，基因组学，宏基因组学）研究领域成为NOAA的引领者。OCED在全球范围内计划、组织和执行世界级的海洋地理考察。
预算从图3.1可以看出，OCED每年的资金总额基本稳定在500万～700万之间，其来源主要有三个部分：基础基金、NOAA提议基金和补偿基金。其中，基础基金和NOAA提议基金是其主要资金来源，几乎各占总资金的一半，且常年保持基本稳定，2009～2013财年这两部分资金基本稳定在250万～300万之间。而补偿基金在2009～2013年间变化起伏，有的年份大，有的年份小，可见这部分资金来源并不稳定。
人员2003年以来的11年间，OCED人员编制较为稳定，基本保持在34～40个之间（图3.2左）。目前OCED共有人员38人，主任是Dr.James Hendee，其中联邦雇员（NOAA FTEs）17人，海洋与大气科学学院/海洋与大气合作研究所（RSMAS/CIMAS）16人，NOAA兵团（NOAA Corps）2人，SeaGrant有1人，全美咨询中心（NRC Post-Docs）2人。依据OCED官网资料（http://www.aoml.noaa.gov/ocd/ocdweb/staff_groups.html），发现1名华人学者在OCED从事研究，他是Dr.Jia-ZhongZhang，目前是养分生物地球化学部门的负责人，已发表学术论文80余篇。
出版物2003年以来，OCED出版物持续增加（图3.2左），从2003年的每年20份，发展到2010年的每年30份以上，2012年更是达到高峰40多份。只是2013年有所回落，又回到20几份。其海洋化学和生态部门同行评议出版物数量（图3.2右）在2012年达到一个峰值，2013年又有回落。
• OCED研究的重大科学问题
碳项目美国碳循环科学项目对海洋碳循环工作起到推动作用。该项目主要研究海洋CO2水平是如何变化及其变化原因。项目首要研究问题有以下三点：
1)跨越SOCAT和Takahashi交界面的海气CO2通量是什么？
2)人为碳（go-ship）存货的年代际变化是什么？
3)沿海海洋CO2水平的模式是什么？他们如何影响海洋生物？
珊瑚礁研究项目“量化气候变化和海洋酸化对美国珊瑚礁的影响”对应NOAA战略目标计划中的（1）改善气候变化系统和它带来的影响的科学认识和（2）对气候系统当前和未来的状态进行评估来确定潜在的影响，报告科学，服务，管理决策。该项目主要研究的科学问题有三条：
1)温度和海洋酸化对美国珊瑚礁影响的时空趋势是什么？（图3.3）
2)海洋酸化对珊瑚礁的生态系统影响是什么？
3)气候变化和海洋酸化将在未来怎样改变珊瑚礁的自然环境？
OCED气候和海洋酸化监视网将会在15个财政年后完全运作，以期达到以下预期结果：
1)高质量的CO2时间序列数据来识别作用于美国珊瑚礁海洋酸化的率和量级；
2)美国珊瑚礁时间序列数据CaCO3的产生和消除；
3)通过改善全球变化和它的影响的理解来预测暗礁的未来；
4)给美国国会提交影响珊瑚礁的气候变化和海洋酸化的工作报告；
5)AOML在这些领域中成为一个领导者；
6)OCED是国内外这项研究在这样规模和范围背景下的唯一从事者。
但目前还存在时间和劳动密集的风险和问题，此外，还需要长期固定的投资，因为其他干扰的存在使识别海洋酸化影响的难度增加（如：珊瑚白化，珊瑚虫疾病，污染的陆地来源）该项目下一步工作是在美国萨摩亚塞拜岛花园银行的安装class III站，并在大西洋完全部署所有class I，class II和class III站。
EBM研究基于生态系统管理（Ecosystem-Based Management，EBM）的研究主要是评价和预测沿海生态系统全面综合的状态来改善管理（图3.4）。OCED研究的科学问题包括：
1、怎样评估，评价和预测沿海生态系统全面综合的状态？
2、怎样量化人类与沿海生态系统的互动从而改善沿海生态系统和团体的管理？
（1）生态系统恢复，评估和模型（ERAM）
（2）墨西哥湾生态系统综合评估（GoM-IEA）
（3）气候变化评估、人口增长与水资源管理的综合模型
（4）佛罗里达海湾的青少年垂钓研究
（5）南佛罗里达海洋与河口目标设定（MARES）
OCED通过耦合气候，物理和生态系统模型调查气候变化，通过结合人类福祉更好的整合人类尺度科学，并期望通过研究得到使渔业获得高产量的方法，此外，还将为EBM设定参考点。
南佛罗里达沿海OCED在这方面主要研究南佛罗里达水域营养成分、病原体和排泄物指标的来源和焦点，另外，佛罗里达南部沿海生态系统有可检测的改变，这种改变是都会引起人为的营养成分和病原体。该研究方向的主要项目有佛罗里达地区沿海环境（FACE）项目和南佛罗里达项目（SFP）。OCED开展了比斯坎湾浊度研究，还发展自主研发的铵荧光传感器用来观察现场。
微生物学研究该部分主要研究怎样提高测量和了解沿海生态系统中资源退化的能力，以及它们对于生态系统健康和恢复力的影响，其中包含海洋对于人类健康的关系。
（1）分子微生物源追溯工具和生物传感器的开发、测试和验证
（2）海滩微生物研究，海洋水质对珊瑚礁的支持和沿海生态系统健康
（3）海洋和人类健康交互的微生物学研究
（4）海洋微生物群落的微生物多样性和生态系统功能
（5）环境微生物学的研究指导：培养环境科学领域的下一代工作者
• 未来展望
AOML/OCED专注于墨西哥湾、加勒比海、大西洋的海洋和大气监测活动已经30多年了。AOML沿海生态系统已经研究了两个方面，第一是从最小微生物到最大鲸鱼的生物体研究，第二是从潮间带到深海热泉的区域研究。
近年来，AOML的沿海生态系统研究已经开始涉及热带和亚热带沿海生态系统中的人类活动和管理决策的量化影响。最近，AOML的研究已经扩展到以下两点，其一是，包含更多温带沿海系统的对比研究；其二是，加强气候变化所引起的生态系统变化背景的解读。该研究通过一系列长期监测项目，定向过程研究，启发式和机械式生态模型来进行管理。该研究统一的目标是改善有关人员对沿海生态系统的管理，从而最大的保持生态系统健康，保证最大的经济效益。
总体来说，AOML生态系统的研究支持NOAA下一代的战略计划，其中包括健康海洋、有弹性的沿海社区和经济、气候适应和减灾。值得考虑的是，专业技术和工作直接指向用来监视和预报人类活动对于沿海的影响的项目。这些工作经常与以下工程相结合，分别是海洋碳特征和集中海洋观测；支持NOAA任务领域的可持续资源管理、海洋与渔业保护。
AOML当前跨学科领域的工作包括支持南佛罗里达生态系统恢复（SFER）工作和影响生态系统潜在健康的物理、生物、化学研究；贯穿于整个美国海域的生态系统连接；沿海水域的陆源污染；海洋和人类健康的关系；全世界珊瑚礁生态系统的状态和健康；气候变化、海洋酸化和人类活动对沿海和珊瑚礁生态系统的影响。
为了进一步调查研究，AOML致力于发展下一代传感器、仪器、方法、模型和资料同化工具来提供沿海资源管理社区所需要的临近预报和预测功能。比如：生物传感功能与传统海洋学资料相结合将提高研究、建模、预报的能力，而且有利于做出正确的管理决策，即便是在气候变化的情况下。
2008年发布的《沿海管理杂志》专注于局部海洋观测系统的经济效益。娱乐水域经济效益大约为2.747亿美元每财年，娱乐和商业性水产业经济效益大约为1.505亿美元每财年。为了娱乐水域的管理，估算的效益取决于病原体快速和直接测量技术的发展与实现。如果用AOML发展的分子技术计算出海滩和渔业的估算效益分别为70%和5%，那么年效益将会是每财年2亿美元。AOML探索和发展的分子技术包括快速探测沿海水域和海滩泥沙中粪便污染的检测化验，以及用来帮助确认微生物污染原因的源跟踪诊断。这些工作力图保护人类健康，并且更好的通告补救工作。
展望未来OCED需要一个永久的主任（领导）为其将来提供稳定和持续的视野。OECD将为佛罗里达州南部和加勒比地区的基于生态系统的管理研究以及基于碳的研究（包括OA）提供领导。AOML将在珊瑚礁生态系统，渔业，与人体健康的微生物研究中定义新的管理角色。他们将更好地界定佛罗里达南部珊瑚礁和沿海资源的陆地污染源与相关学术机构的合作伙伴建立更紧密的关系，这将使他们能够生产出更好的海洋和沿海研究以及出版物。
4 飓风和热带气象
• AOML/HRD介绍
飓风研究部门（Hurricane Research Division，HRD）隶属于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）大西洋海洋学与气象学实验室（AOML），HRD于50年前在国家飓风研究计划（National Hurricane Research Project）下成立，采用理论研究、计算机模式，并利用NOAA飓风研究飞机，在飓风和相关热带天气领域开展了许多科学研究（图4.1）。这些更深层次的科学研究和实践应用进一步改善了热带气旋预报。在HRD，气象学家、计算机科学家和其他政府和学术界的科学家在世界范围内的持续合作，以他们先进的科学知识，提高了公众安全。
预算HRD的预算主要来自两方面，基础基金和非基础基金。HRD总预算维持在每年400万～800万之间，且基本呈现增长趋势，2014年总预算更是突破了700万，为近年来之最。从图4.2可以看出，2003～2007年，HRD基础基金每年维持在300万~350万，2008年开始，基础基金增加至每年400万～500万。与此同时，非基础基金的数量却有减少，不过，2014年非基础基金数量又有所上升。
人员HRD目前有38人（图4.2），其中25人为联邦雇员，13人为合同制员工，HRD主任是FrankD.Marks。依据HRD官网资料，发现3名中国学者在HRD从事研究，他们都是在国内大学获得海洋学或气象学的学士、硕士学位后，在美国高校继续深造。他们的详细介绍见表4.1。
出版物从图4.3看出，HRD的研究出版物数量总体呈现增长趋势，1999～2004年期间，每年出版物产出数量基本在15～20篇之间。2005年之后，产出篇数超过每年20篇，2010年的产出为近几年最多，达到近45篇。2013年，HRD产出36篇。
• HRD主要研究内容
HRD飓风研究的主要任务是加深对飓风及其他热带天气的认识和预测。HRD飓风研究基于观测、模式和理论相结合，特别是使用飞机获得的观测资料，提高对热带气旋的认识，进而推进数值模式系统发展。HRD研究方向主要有5个方面：观测技术研究、模式和预测研究、数据同化、动力和物理过程研究和飓风影响研究。
•观测技术研究：设计、测试和优化数据集，同时对数据进行质量控制、分析和传输研究，为提高初始化和热带气旋模式发展及其它基础研究提供支持。利用热带气旋资料同化等方法对新的和现有的观测平台进行评估。
•模式和预测：发展和提升数值和统计-动力学模式，加强热带气旋实时路径和强度预报。
NOAA的飓风研究和预报（Hurricane Research and Forecasting）模式是其主要业务模式之一。但该模式在许多方面，尤其是风暴强度预报方面，仍有很大的改进空间。AOML/HRD的数值模式团队（Numerical Modeling Group）在NOAA的飓风预报改进计划（Hurricane Forecast Improvement Project）下，经过多年努力，改进了NOAA原始的HWRF模式（图4.4）。新的高分辨率飓风模式，成为未来提升飓风路径、强度和结构预测的基石。改进后的模式不仅提升了预报能力，还能提供了风暴三维结构演化信息。
目前，AOML/HRD在飓风预报中取得了长足进步，飓风观测资料已应用到高分辨率HWRF模式飓风参数化过程中，HWRF模式对飓风路径、强度、结构和飓风激化预测等有了明显提升（图4.5）。AOML下一步要发展流域尺度（BasinScale）HWRF模式，并在2018年运行HWRF全球模式。
• 数据同化：利用飓风系统及其环境的观测资料，研究物理/动力过程，通过集合等多种方法，提升数值预报能力。
HRD发展和应用最先进基于集合的资料同化系统（the Hurricane Ensemble Data Assimilation System，HEDAS），该系统耦合业务飓风天气研究和预报（Hurricane Weather Research and Forecasting，HWRF）模式，采用了卡尔曼滤波器，在HWRF模式内核区进行高分辨率嵌套，并采用飞机、卫星等观测资料（图4.6）。此外，HRD还开展观测系统模拟试验（Observing System Simulation Experiments，OSSEs），系统评估观测平台。
•动力和物理过程研究：通过对大气运动、湿度热力学（moist thermo dynamics）和辐射过程等的研究，促进热带气旋研究。研究人员结合理论、飞机观测、分析和数值模式，研究微尺度到环境尺度的变化对热带气旋运动、结构和强度变化的影响。HRD研究人员与其他研究方向的科学家密切合作，发展有利于飓风预测的工具和技术。
•飓风影响：研究对人员和财产造成损失的飓风灾害（大风、风暴潮、海浪、暴雨、洪水和泥石流等）及其影响。需要开发和验证与灾害影响相关的数值天气预报和随机风险模式输出结果，得到飓风事件的潜在发生信息。HRD科学家参与推进这些影响的研究，与机构内部门、其他政府部门、学术界和私营部门等在极端事件响应和恢复方面均有合作。
AOML/HRD的研究目标是：
•加强对热带气旋强度和结构预报，尤其对从生成到消亡的生命史结构预测。同时，加强风暴内部动力学的影响因素和风暴与大气、海洋和陆地相互作用的研究。
•加强研究热带气旋及其环境的相互作用，提高热带气旋路径预测。
•加强热带气旋对人员和财产影响的处理和预测能力。
这些目标通过以下几个方面实现：
•在热带气旋环境和初始扰动下开展试验，为研究和业务应用收集提供数据资料。
•发展和测试高分辨率飓风模式和数据同化系统，提升模拟环能力，路径和强度预测能力，并优化飓风观测。
•开发和测试用于评估和定量热带气象预报的工具。
•发展新的技术、观测工具和应用，提高热带气旋路径、强度和结构预测。
•分析数据集，交流相关领域会议成果和AOML的研究出版物。
AOML/HRD对飓风的研究主要基于站点资料分析和遥感观测的热带气旋核心及周围环境的数据，通过实验收集的数据，结合动力学和统计学模式，这些分析提高了人们对热带气旋的总体认识，并为模式初始化和评估数值模式提供了非常有价值的信息。HRD不仅在热带气旋、云微物理过程和海气相互作用等研究领域的研究卓越，在机载多普勒雷达、下投式侧风探空仪等技术领域同样走在世界前列。这些研究使AOML在飓风领域研究独一无二，极大地提升了NOAA在该领域的研究地位。
NOAA建立了飓风强度预报试验（Intensity Forecast Experiment，IFEX），利用观测设备在飓风季节获得观测资料。主要的观测设备有美国空军WC-130J飞机队、NOAAWP-3D涡轮螺旋桨飞机和NOAA Aircraft Operations Center的Gulf stream-IV喷气式飞机（图4.7）。IFEX的目标是获取能为NOAA飓风预报改进计划（Hurricane Forecast Improvement Project，HFIP）中的下一代飓风模式预报系统发展和评估使用的观测资料。
• 飓风强度预报试验IFEX
尽管过去30年来，对于热带气旋路径预报的误差降低了50%，但是在热带气旋强度、结构和降水方面，却鲜有进步。主要原因是缺乏常规的热带气旋内核区数据资料同化进入模式系统，数值模式本身存在局限性，对热带气旋物理过程及其与环境之间的相互作用也缺乏深入认识。准确的预报极大地依赖于数值模式系统的提升，而数值模式的提升又需要准确的观测数据进行资料同化和验证。业务飓风天气研究和预报（Hurricane Weather Research and Forecasting，HWRF）模式具有研究和预报热带气旋路径、强度、结构和降水的潜力，然而这需要发展和修正新的资料同化技术，提升和改进热带气旋环境的物理参数化过程，还需要通过大量热带气旋及其环境的资料对模式进行可靠性评估。为了达成上述目标，2005年起，NOAA开展了一项新试验以提升对热带气旋强度的业务预报，飓风强度预报试验（IntensityForecastingExperiment，IFEX）应运而生。
IFEX试验由NOAA/AOML飓风研究部门（Hurricane Research Division，HRD）、NCEP国家飓风中心（National Hurricane Center，NHC）和NWP环境模式中心（Environment Modeling Center）共同合作，其主要目的就是通过加强研究业务数值预报模式和相关物理过程，提升热带气旋强度、结构和降水的业务预报水平。目标主要有以下3个方面：
•目标1：收集不同环境下跨越热带气旋生命史的观测资料，为模式初始化和发展服务。
从热带低压到飓风主体形成的过程中，利用NOAAP-3飞机和G-IV飞机进行观测采样，获取飓风发展不同程度时的强度资料，为研究热带气旋强度和结构变化的主要因素和飓风模拟的初始化及验证提供了丰富的数据（图4.8），同时也提升和发展了热带气旋观测的新技术，这些观测资料还将与NCEP进行实时传输。
•目标2：发展和精细化测量工具，提供改进后的热带气旋强度、结构和环境实时监测。
多普勒测风激光雷达（Doppler Wind Lidar，DWL）作为观测系统，可以扩大风观测的空间覆盖，能够提升HWRF模式的初始场，而更详细边界层物理过程描述也能减小模式误差（图4.9）。利用DWL对撒哈拉浮沉和与撒哈拉空气层（Saharan Air Layer，SAL）相关的中层东风急流（mid-level east erlyjet，约600-800hPa）进行观测研究，总结特征，重点研究SAL和热带气旋之间的相互作用。
•目标3：加强对贯穿热带气旋整个生命史的与强度变化相关物理过程的研究。
利用NOAAP-3和G-IV飞机，收集热带气旋系统内核区（半径<200km）和周围大尺度环境（200km<半径<600km）的动力学和热力学观测数据。此外，该目标下，设计了关于热带气旋风切变、热带气旋与海洋相互作用、热带气旋激变（图4.10）和登陆等一系列相关试验。关于IFEX更多试验的详细内容，可参考网站http://www.aoml.noaa.gov/hrd/HFP2014/index.html。
• HRD未来发展计划
AOML/HRD在热带气象研究传统优势在于收集和分析观测资料，并对热带气旋驱动因素的物理过程进行研究。AOML将更有效的利用观测资料，促进发展数值模式和提升数值预报技术。AOML在海气相互作用、大气和海洋边界层、涡旋演化和对流结构领域的观测处于世界前列，这些观测与AOML的模式和数据同化能力一起，为通过观测了解飓风的科学家和将观测资料同化到高分辨率模式系统的研究者们提供了一个直接和独特的平台。
HRD未来的工作重点是在HFIP计划下充分利用高分辨率资料，开发更高分辨率全球和区域模式，以实现NOAA五年研究计划，即：
•大幅提升极端天气及其他高影响环境事件的预报准确度和预警时间。
•改进和发展观测系统、分析方法和模式，加强研究、分析和预测大气、海洋和陆地水文过程。
•在分析和预测中，更好的估计和表示不确定性。
AOML/HRD未来的科学目标及其将采取的行动包括：
目标1：提升热带气旋强度和结构变化（特别是飓风激化）的基础物理研究和模式预报，并利用真实观测进行模式试验。
•执行IFEX项目，进行飞机试验以研究驱动热带气旋强度和结构变化的物理过程。
•通过AOML独有的工具，例如飓风集合卡尔曼滤波器（Hurricane Ensemble Kalman Filter,EnKF）、飓风集合数据同化系统（Hurricane ensemble data assimilation system,HEDAS）、H*Wind、Editsonde/ASPEN和实时机载多普勒雷达，提供模式强度和风场结构预报结果实时反馈。
•发展和评估高分辨率飓风天气研究和预测（Hurricane Weather Research and Forecasting,HWRF）模式系统，研究1-3km尺度上的飓风强度问题，尤其要研究飓风迅速激化。
•发展和评估高分辨率HWRF数据同化系统和观测战略分析。建立EnKF数据同化系统，为HWRFX（HEDAS）同化高分辨率涡旋尺度观测资料所服务。
•发展评估高分辨率HWRF模式系统的工具，以检测模拟的大尺度、涡旋尺度和对流尺度风暴。
•发展和提高统计-动力学强度预报，例如统计学飓风强度预测计划（Statistical Hurricane Intensity Prediction Scheme,SHIPS）、逻辑斯谛增长方程模型（Logistic Growth Equation Model）和飓风迅速激化指数（Rapid Intensity Change Index,RI-Index）。
•继续提升卫星产品和飞机采样战略，监测和去除热带气旋环境中的大气湿度。通过这些方式获得的数据，将加强对干燥空气（例如，撒哈拉空气层Saharan Air Layer或者撒哈拉尘暴Saharan dust storm）如何影响飓风强度的理解，并有助于集合至统计-动力学模式中。
目标2：快速提升对热带气象路径的数值和业务预测，因为路径预测是其他预测（例如，强度、结构和降水等）的基础。
•发展高分辨率HWRF模式系统，提供改进后的强度和结构预报，加强对热带气旋迅速激化和机构变化的科学理解。
•评估高分辨率HWRF模式系统的路径预报，加强对大尺度热带气旋环境及其与热带气旋相互作用的理解。
•发展集合预报系统，预测路径和强度预报中的不确定性。
•加强路径、强度和结构预报产品（例如，路径和强度的集合平均和集合离散预报，最大风半径，降水、非对称风场和风暴结构四维演化等）。
•为预报员和决策者发展和测试新的指导性预报产品。
•发展数据同化和模式框架，配合天气尺度资料、站点资料和遥感观测，提升热带气旋路径、强度和结构预报。框架应包括：
1)评估载人机和无人机的采样战略；
2)提升现有数据同化效果；
3)评估新型卫星和机载遥感工具（例如，光达、GOES-R探空仪）的采样战略；
4)评估站点资料和现有卫星资料覆盖观测的时空密度。
目标3：利用飓风检测系统，加强研究和模拟引起降水、风暴潮洪水和造成灾害的海浪、大风等的强迫因子。
•基于遥感、飞机和环境观测，进行飓风地面风实时分析，为美国国家飓风中心热带预测中心（Tropical Prediction Center/National Hurricane Center）提供预警的指导依据。向岸风的外推法可为应急管理员和官方人员提供灾害形势的重要前瞻，也可为风暴潮模拟提供初始场条件。
•发展热带气旋降雨预报和模式研究。
•利用飓风登陆后的站点资料，评估数值和统计模式预报能力，提高对飓风登陆后风速消减的预报准确率。
•通过对风场、海浪风暴潮和洪水等研究，加强研究可造成损失的潜在风场。
•提高模式和评估，发展热带气旋影响预报。
•加强研究、观测和模式评估，为公众提供指导性意见以减缓热带气旋影响。
目标4：确定气候变化对飓风活动的影响，提高飓风季节预报能力。
•研究全球海洋变暖和自然气候变率如何影响大西洋飓风活动及其原因。
•研究北大西洋热带气旋活动与东北太平洋热带气旋活动之间的联系。
•提高海洋模式预测大西洋暖池和其他海洋指数的能力，增强飓风活动季节预报能力。
•提供海洋数据以提升飓风预报能力。
•加强热带气旋增强研究和预报中的关于上层海洋热含量（upper ocean heat content）的研究。
•与其他实验室和高校合作，评估和提升耦合飓风预测的海洋模式模拟能力。通过HFIP计划，AOML/HRD的重点将由加强初始化和物理过程以提升模式，向提供更好的研究和利用预报中的模式不确定性以提升模式预报产品质量转变。此外，还将加强集合预报在模式中的“体现”。HFIP计划的目标是发展和提升热带气旋预报业务系统，这一系统将于2014年底完成。该系统全球分辨率为10km，区域分辨率为3km，包含20—40个集合（其中有2个全球模式物理过程，3个区域模式物理过程）。系统将对10年再预报热带气旋路径和强度进行统计后处理。集合中每个模式中至少有一个成员是采用三维海洋资料进行计算，其他将采用海洋参数化资料计算。全球和区域模式都将使用改进后的混合（四维变分/集合）资料同化系统，此外，区域模式将采用卫星、飞机观测数据对核心区初始场进行改进，更加强调集合与预报产品。
5 小结
在2014年3月针对AMOL的评估中，评估组给出的最后报告指出，AMOL的大多数研究基于观测展开，科学论文发表量和影响力都表明该实验室是世界顶级水平。AMOL近年来以一些重要的研究成果，例如，完成大气和海洋关键活动的模拟研究、具备关键的海洋和热带气旋观测能力、在所有研究领域实现科研向业务的转化等，奠定了其在美国乃至全球的领先地位。
AOML能够成为研究型实验室的一面旗帜，对特色的保持其是成功的关键。对于AOML来说，观测事实开启一切研究活动是几十年来不变的信念。而随着科学问题的深入，观测带来的研究肯定会涉及更多不同的领域，AOML因此自然地将偏于海洋观测，先是将天气和气候联系在一起，之后更是将海洋与沿海生态系统、大气海洋和全球碳系统等有机联系在一起，实现了跨学科和高水平的观测研究，从而带动了多领域的进展。因此，AOML的成功经验可以概括为：坚持特点的同时不断拓展。
在评估活动中，AMOL今后的发展，也面临一些挑战。例如，美国社会和经济形势存在很大的变数，导致该实验室未来的预算支撑，还存在很大的不确定性；出于各种考虑，实验室获得NOAA在大西洋海洋级别考察船只开展观测获得的机会在减少；实验室的一些设备出现老化，不得不动用更多的研究经费用于一些仪器设备的维护。尤其是与设备老化同时发生的人员老化，更是AMOL需要优先考虑和解决的问题。
未来的AMOL，将通过开展量化观测系统评估项目（Quatitative Observation System Assessment Program,QOSAP），建设下一代“最优”全球OSSE系统，我们也期待着AMOL的更多创新，特别期待中国科学家与AMOL之间的合作和联合攻关，共同发展。