21世纪海上丝绸之路海洋上层热含量及热比容海平面异常变化

气候变暖背景下,全球平均海洋变暖和海平面上升显著,为人类社会的可持续发展带来巨大挑战。上层海洋热力状况是海平面变化的主导因子之一。本文围绕"21世纪海上丝绸之路"途经海区（文中简称为丝路海区）上层海洋热含量异常的区域性时空特征,分析探讨了丝路海区热比容海平面异常的时空变化、演变特征及可能影响,以期为"21世纪海上丝绸之路"海洋环境安全保障提供服务支撑。结果表明,自20世纪70年代中后期,丝路海区上层（0~700 m）海洋已明显变暖,尤其20世纪90年代中后期增暖幅度显著加大。近60年来,在丝路海区热带海洋中,西太平洋的北赤道流区及以北海域、东海黑潮流域以及南海北部和南部海区、阿拉伯海西北部海域、马来西亚西北部海域及南印度洋部分海域具有长期增暖趋势。热带西太平洋暖池区整体增暖不明显,主要与印度洋中部海域呈反位相变化,且明显受到季节和年际变化的调制。长江口附近沿岸、南海北部沿岸、中南半岛南部沿岸以及阿拉伯海西北部沿岸的近岸海域长期增暖明显,自20世纪90年代中后期,中南半岛东部和西部沿海、澳大利亚西部沿海以及我国东南沿海热比容海平面上升明显。近岸热比容海平面的季节演变对沿海地区社会和经济发展会造成一定影响。此外,东亚夏季风与东海、黄海和渤海热比容海平面的上升显著相关,同时,ENSO、太平洋年代际振荡和印度洋偶极子的发生也均与我国东南沿海和印度洋西部沿海热比容海平面上升明显关联。特别是,气候变暖情形下,各种区域性致灾因子和气候变率的协同影响会对丝路海区海岸带和沿海地区的防灾减灾与社会经济发展带来较大挑战,开展海岸带和沿海地区全球变化综合风险研究成为当前首要任务。     

联合卫星测高和卫星重力数据研究热容海平面变化

首先用卫星测高资料计算了1993～2009年6月的全球平均海平面变化。用GRACE(gravity recovery andclimate experiment)时变重力场系数反演了2003～2009年6月全球平均海水质量变化。联合GRACE和卫星测高资料计算了2003～2009年6月的热容海平面变化,该变化呈上升趋势。用日本气象局Ishii等提供的海温数据计算了1993～2006年的海水引起的平均热膨胀海平面变化,1993～2003年间,全球海洋热膨胀引起的热容海平面呈上升趋势,约占同期平均海平面变化的一半。利用ARGO温盐数据计算了2004～2009年6月平均热容海平面变化,也呈上升态势,只是变化速率有所减慢。     

IPCC气候情景下全球海平面长期趋势变化

利用CCSM3 (Community Climate System Model version 3)气候系统模式模拟20世纪海平面变化,在IPCC SRES A2 (IPCC,2001)情景假设下预测21世纪全球海平面长期趋势变化。模拟显示20世纪海平面上升约4.0 cm,且存在0.004 8 mm/a2的加速度,这个结果仅为热盐比容的贡献。在A2情景假设下,21世纪海平面上升存在很大的区域特征,呈纬向带状分布;总体上北冰洋上升大,南大洋高纬度海区上升小,大西洋上升值比太平洋的大;整个21世纪全球平均比容海平面上升了约30 cm,且呈加速上升的趋势。同时发现,中深层水温度和盐度变化对区域比容海平面变化具有重要贡献。北太平洋增暖主要集中在上层700 m以内,而北大西洋的增暖可达2 500 m的深度,南大洋南极绕极流海区热盐变化则是发生在整个深度。     

北欧海海平面异常及海水密度的时空特征

北欧海连接着北冰洋和北大西洋,在全球环流和气候中起着重要的作用。本文采用EOF方法对基于高度计遥感的SLA进行了分析,给出了其时空分布特征。对SODA数据给出的SSH和SST进行了SVD的分析,并利用ISHii再分析数据分析了海水密度的变化特征。结果表明,季节变化是导致SLA总体变化的主要因素,而中心区域的下沉流是导致SLA异常低的重要因素:东格陵兰海域极地水与北大西洋暖流交汇,形成的低温、高盐、高密的海水导致下沉流。文章最后分析了近20a来北欧海的SST变化,得出北欧海SST以0.024°C/year的速度升温,表明有更多的热量通过热盐环流向大洋底部输送,这将有利于减缓全球的气温升高。     

中国沿海海平面的上升预测模型

温室效应引起的全球海平面上升，已为世界各海洋国家所关注，研究表明，近２０年多年以来，我国沿海的海平面以１．５ｍｍ／ａ的速率上升，这与全球海平面上升的趋势是一致的，为了预测海平面的这种上升趋势，本文试图从温室效应引起的全球海平面上升和结合我国海海平面变化特点提出了我国的海平面变化预测模型，即中国沿海海平面上升趋势既取决于全球温室效应的增强，又受到沿海地壳升降和地面下沉的影响，文中给出了我国海平面变化     

海气界面热通量交换对南海深水海盆SST持续增暖的可能贡献

20世纪后50年南海深水海盆SST持续增暖了0.64℃,为了探究其持续增暖的机制,使用IPCC模式比较试验CGCM3.1(T47)、CGCM3.1(T63)、CSIRO-Mk3.0、GFDL CM2.0这4个模式输出资料中的辐射通量、湍流热通量、比湿、风、云量、气温、海平面气压及海温数据,计算了各海洋、气象要素的变化趋势,估算了热通量各分量,发现20世纪后50年期间SST的持续增暖似乎不能依据海面热通量的变化来解释。主要证据如下:夏季风的减弱使得海面潜热减少了约4.9W/m2,但由于海温升高、蒸发加强又使潜热增多了大约同样的值,使得夏季南海深水海盆总的潜热通量变化较小;夏季大气水汽含量的增多促使海面长波辐射增多了约1.8 W/m2,加上感热通量等变化的效应,海洋净得热增多了约3.0 W/m2;但是,20世纪后50年内冬季风的增强和冬季海温升高致使海洋潜热增多了约7.3 W/m2。由于20世纪后50年潜热释放大于海面长波辐射增多,无法只用海面热通量解释SST持续增暖现象,指出了南海海洋动力过程可能在维持南海深水海盆50年来SST持续增暖中的重要性。     

东中国海海温在增暖停滞期的变化特征及成因分析

通过HadSST3原始观测数据和HadISST1重组数据,分析了东中国海海温在增暖停滞期(1998—2014年)的变化特征。研究表明:两组数据的海温变化特征和程度相似。在增暖停滞期,渤海、黄海和东海海温线性趋势主要表现为负,降温最多的集中在长江口附近,约-1℃。渤海、黄海及东海部分区域的净热通量对海温降低起正作用,而在东海黑潮区海洋的净热通量对海温降低起负作用,黑潮入侵的减弱可能是东海海表温度下降的主要原因。在增暖停滞期,海温变化趋势具有较显著的区域性季节特征。春季海温几乎呈现全海盆的下降趋势,尤以长江口附近下降最多,可达-1.4℃;夏季海温下降趋势较春季减弱,下降最多的地区主要集中在渤海;秋季渤海海温下降较明显;冬季海温变化主要在长江口沿岸,渤黄海海温的变化并不明显。     

卫星重力估计陆地水和冰川对全球海平面变化的贡献

重力场恢复与气候试验（GRACE）卫星为高分辨率地监测全球海洋质量变化提供了一种新的手段。利用2003年1月至2014年12月Level-2 RL05的GRACE产品，进行去相关误差滤波、高斯滤波和海洋-陆地信号泄漏改正后，得到了全球陆地和海水质量变化，并分析了陆地水和冰川的质量变化对海平面长期变化的贡献。研究表明，全球陆地水和冰川的质量变化对海平面的贡献约为（2.09±0.54）mm/a，与卫星测高扣除海洋温盐数据比热容变化得到的海水质量长期变化（2.07±0.62）mm/a有着很好的一致性，其中全球陆地水储量对全球质量项海平面变化的贡献为（0.15±0.25）mm/a，南极冰盖对全球质量项海平面变化的贡献为（0.59±0.10）mm/a，格陵兰岛冰盖对全球质量项海平面变化的贡献为（0.72±0.12）mm/a，山地冰川对全球质量项海平面变化的贡献为（0.63±0.09）mm/a。并进一步讨论了不同分析中心GRACE重力场系数，一阶项系数和二阶项对质量项海平面变化的影响。结果表明，一阶项对质量项海平面的影响为（0.10±0.08）mm/a，二阶项对质量项海平面的影响为（0.16±0.04）mm/a，美国德克萨斯大学空间研究中心和德国地学研究中心分析结果较为一致，而美国国家航空航天局喷气推进实验室的结果则稍稍偏小。     

海洋在亚洲夏季风对全球变暖响应中的作用

前人的模式研究表明全球变暖之后亚洲夏季风降水和环流的改变存在着一种自相矛盾的现象。本文利用最新的IPCC-AR4模式模拟资料和FOAM模式来研究亚洲夏季风对全球增暖的响应机制。大多数IPCC-AR4模式以及FOAM模式重现了亚洲夏季风降雨与环流变化的自相矛盾性。利用FOAM模式,本文通过系统改变海洋增暖信号来理解海洋变暖在季风响应中的作用机理。结果表明亚洲夏季风降雨和环流对全球变暖的不同响应主要是由于印度洋的变暖加强了中上层大气的变暖(从而降低了经向的热梯度)和水汽输送。全球增暖导致海陆温差的增大使得大气对流中心北移从而减弱了北印度洋的底层大气季风风速。这些敏感性实验还表明了太平洋的变暖增强了亚洲夏季风环流但减少了降雨量,从而削弱了印度洋增暖对亚洲夏季风的颖响。模式研究还表明了海洋的增暖能够增强亚洲夏季风自身的内在变率。     

海洋上层热含量的分布特征、变化模态及观测手段综述

综述了近20年来国内外在有关西太平洋暖池热含量、热带西太平洋上层热含量与西太平洋年际变化事件(ENSO)的关系、热带太平洋上层热含量变化的主要模态以及热含量估算等方面所取得的主要研究成果。研究表明:(1)热带西太平洋暖池区是太平洋上层热含量异常变化最大的区域,上层热含量异常影响了暖池上空的环流(如南海夏季风、副热带高压系统)特征,进而影响气候;(2)赤道西太平洋温跃层以浅的热含量在ENSO发生之前有明显的积聚,其变化明显领先于赤道东太平洋SSTA的变化,领先时间可达数月之久,从而使热含量与ENSO的相关性,以及利用热含量的变异对ENSO进行更长时间的预报成为可能;(3)西太平洋上层热含量存在纬向变异和经向变异两种模态,其中纬向变异模态占主导地位,且超前经向变异模态;(4)由于海洋深层资料难以获取,各种仪器本身存在系统误差,以及采用不同的计算方法,对海洋上层热结构分布与变异的研究受到了一定的限制。随着由3000多个浮标组成的全球Argo实时海洋观测网的建成,Argo数据库每年可以提供多达10万个剖面(0～2000m层)的温、盐数据。Argo资料与其它海洋资料的结合,有助于研究全球海洋温、盐度和海流场结构及其变化规律,准确估算逐月甚至逐年的全球海洋热含量及其季节和年际变化将成为现实。     

1993—2001年全球海面高度变化特征

应用TOPEX／POSEIDON（T／P）卫星高度计测高资料，对全球海洋的海面变化特征进行了分析，结果表明，1993年1月－2001年6月期间，全球海平面呈现上升的态势；全球平均海平面高度的平均上升速率约为1．2mm/a；海温的变化是引起海平面变化的重要原因，便其对海平面抬升的贡献不到50％。海平面的变化具有很强的地域特征。海平面变化的空间分布特征受风应力异常特别是纬向风应力异常的空间分布影响较大。     

地形与热源强迫下的南方涛动

用El Nino和La Nina位相时的海温异常和地形作为大气下垫面的异常强迫,引入IAP的两层原始方程大气环流模式,模拟出了南方涛动的典型结构.当去掉地形后,仅仅由海温异常也能模拟出太平洋东西部的气压异常振荡,但太平洋东部振荡中心的位置并不与观测的一致.由此可见,观测到的南方涛动是在实际地形下对全球海温异常的响应.     

Southern Oscillation forced by heat source and topography

ＳｏｕｔｈｅｒｎＯｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｄｂｙｈｅａｔｓｏｕｒｃｅａｎｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｙＱｉａｎＷｅｉｈｏｎｇ,ＹｏｕＸｉｎｔｉａｎ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＪｕｎｅ５,１９９６,ａｃｃｅｐｔｅｄＤｅｃｅｍｂｅｒ９,１９９６）Ａｂｓｔｒａｃｔ──...     

全球变暖背景下南海动力海平面变化

由于分辨率不足等原因,当前大部分全球耦合气候模式对南海等海洋区域的模拟能力仍然较低。本文基于超高分辨率（Ultra high-resolution） CESM-UHR耦合模式（大气和海洋水平分辨率分别达到约25 km和约10 km）研究了南海动力海平面对全球变暖的响应。研究发现：（1） CESM-UHR能够较好地模拟出南海冬、夏季节性动力海面高度和表层环流变化;（2）在四倍二氧化碳试验下,冬季南海动力海平面变化呈现出中部低、近岸高的分布特征;夏季则呈现出西北部低、东南部高的分布特征,分别对应冬、夏表层地转流增强趋势;（3）冬、夏动力海平面变化特征与风应力旋度变化具有很好的对应关系;（4）全球变暖下南海海平面变化存在季节循环放大效应,这将增大南海极端水位灾害风险。     

基于再分析数据的南大西洋上层海洋热含量变化研究

南大西洋在地理上连接着北大西洋、南大洋和印度洋。通过环流输运或海表温度变化,该海域的上层海洋热含量(OHC)的变化可能对与之相连的各个洋盆间的再分布产生影响。本文基于1958—2015年的ORAS4全球海洋再分析数据和中国科学院大气物理研究所的格点海温数据集,利用经验正交函数(EOF)分析、相关分析等方法,分析了南大西洋上层海洋不同积分深度(0~100 m,0~300 m,0~500 m,0~700 m)OHC的时空变化特征。EOF第一模态显示,过去60 a来,南大西洋上层700 m存在一个洋盆尺度的变暖趋势,而且随着热含量积分深度的增加,第一模态所解释的方差占比也明显增加。OHC变化EOF第一模态与以年际变化为主的NAO和ENSO指数相关性很低,而与代表较长时间变率的AMO和PDO指数却有较好相关性,且与AMO的相关性随着积分深度的增加而提高。超前滞后相关分析显示AMO滞后南大西洋OHC变化9~12 a,显示南大西洋OHC变化对北大西洋气候变化的潜在影响。南大西洋OHC变化EOF第一模态与PDO之间相关性随着积分深度的增加而降低,显示PDO对OHC的影响主要在表层。另外发现整个洋盆的热含量变化与温跃层变化呈正相关,热含量的变化反映温跃层的动态波动。     

Upper ocean warming pattern in the past 50 years

A long-term warming pattern of global subsurface ocean was detected separately from other natural variations. Three dominant modes were extracted: a long-term warming mode, a mode related to the El Niño/Southern Oscillation, and a mode related to the Atlantic Multidecadal Oscillation. The long-term warming mode explained 78 % of the global mean temperature variance from the surface to a depth of 300 m, and the other two modes could explain most of the residual variance. Subsurface warming associated with the long-term warming mode was strong in the subtropics. In contrast, there was a local minimum of warming in the northern hemisphere subarctic ocean, and warming was suppressed in subsurface waters south of the equator. Atmospheric changes associated with the long-term warming mode showed negative (positive) sea level pressure anomalies at high (middle) latitudes in both hemispheres, and an intensification and/or a poleward expansion of mid-latitude westerlies. Wind stress curl changes were negative in the subtropics and positive in the subarctic of the northern hemisphere; changes that were consistent with the strong warming in the subtropics and the local minimum of warming in the subarctic. Warming of Southern Ocean subsurface waters coincided with southward migration and intensification of westerly winds, whereas surface warming to the south of 50°S was suppressed, probably by strengthened northward Ekman transport. Positive wind stress curl off the equator with weakening of the tropical easterly winds in the Pacific and Indian Oceans was consistent with the subsurface negative temperature anomaly there.     

海冰消融背景下北极增温的季节差异及其原因探讨

运用哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的温度以及NCEP第一套地表感热通量、潜热通量等资料,研究了1979—2011年33a来北极海冰消融的季节特点和空间特征,并从反照率——温度正反馈与地表感热通量、潜热通量等方面分析了海冰减少对北极增温影响的季节差异。结果表明,北极海冰在秋季和夏季的减少范围明显大于冬季和春季,而北极地表升温却在秋季和冬季最显著,夏季最为微弱,且夏季的增温趋势廓线也与秋冬季显著不同。这主要是因为夏季是融冰季,海冰融化将吸收潜热。且此时北极低空大气温度高于海表温度,海水相当于大气的冷源。随着海冰的消融,更多的热量由大气传入海洋用于融冰和加热上层海水,这使得夏季的低空大气不能显著升温。而在秋冬季,海冰凝结释放潜热,且此时低空大气温度远低于海水温度,海冰的减少使得海水将更多热量释放到大气中导致低空大气显著增暖。海水对大气的这种延迟放热机制是北极低空在夏季增温不显著而在秋冬季增温显著的主要原因。此外,秋冬季的海冰减少与北极近地面升温具有非常一致的空间分布,北冰洋东南边缘和巴伦支海北部分别是秋季和冬季海气相互作用的关键区域。     

Climate teleconnections at monthly time scales in the Ligurian Sea inferred from satellite data

The existence and spatial distribution of possible teleconnections between the South Pacific and North Atlantic oceans and the Ligurian Sea (North-western Mediterranean) are investigated in the present paper. Teleconnections are searched by cross-correlating monthly spatio-temporal time series of 1.1 km resolution sea surface temperature (SST), and a 22.2 km resolution sea level anomaly (SLA), measured from satellite from March 1993 to August 1999, with two indices characterising the South Pacific and the North Atlantic variability: the Southern Oscillation (SO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) indices, respectively. Concerning the variability induced by the North Atlantic Ocean, it is shown that it mostly influences the SLA field in the Ligurian Sea. Specifically, relevant anti-correlations between SLA and North Atlantic variability have been found in all the Ligurian sub-basin. As expected by geographical proximity, the effects of North Atlantic on the SLA field in the Ligurian Sea are instantaneous at monthly time scales. Instead, correlations between SST and NAO Index are found at time lag τ = 1 month in the southern part of the basin highlighting the memory of the ocean related to their heat capacity. Significant anti-correlations between SO Index and the SST field in the Ligurian Sea, were obtained at time lag τ = 4 months in the coastal areas of the sub-basin. Results also indicate that the impact of teleconnections in the area studied is not geographically uniform.