全球变暖停滞的研究进展回顾

1998—2012年,全球平均地面增温速率较之前明显趋缓,出现全球变暖停滞现象,该现象的成因与机制是当前气候变化研究的一个热点领域。主要从外部强迫和内部变率2个角度回顾全球变暖停滞产生机制的研究进展。从气候系统外部强迫影响来说,全球变暖停滞主要受到太阳活动、火山爆发、气溶胶以及平流层水汽等的影响。从气候系统内部调控作用来看,全球增温速率减缓主要受到太平洋、大西洋、印度洋和南大洋自然变率以及相应的热量再分配过程的影响。全球变暖停滞期间气候系统内部能量并没有减少,其中一部分能量被转移并储存在了海洋中深层,从而对全球增温减缓产生影响。同时,重点回顾了针对部分耦合强迫作用的"起搏器"试验,该类试验是研究全球变暖停滞的特征、成因及机制的有力手段。此外,也总结了全球变暖停滞现象对气候系统能量收支平衡、资料、模拟以及相关政策制定等方面带来的挑战,展望了未来的研究重点。     

全球变暖“停滞”现象辨识与机理研究

观测表明全球温室气体浓度持续快速增加,但21世纪以来全球表面平均温度升高有减缓趋势,呈现变暖"停滞"现象,这对已有的全球变暖认识带来挑战。围绕"变暖‘停滞’机理及其可预测性"这一国际前沿科学问题,国家重点研发计划"全球变暖‘停滞’现象辨识与机理研究"主要研究内容有:1辨识变暖"停滞"的时空特征,阐明外部强迫和内部自然变率的相对贡献;2阐明全球变暖停滞背景下,大气在气候系统能量热量再分配过程中的作用及机理;3阐明全球变暖"停滞"背景下,海洋动力热力过程对能量热量再分配的调制机理;4探讨全球变暖"停滞"现象的可预测性,对其未来变化及重要区域气候影响进行预测预估。以期通过变暖"停滞"研究回答人们所关心的目前变暖停滞现象未来发展及其对我国及周边的"一带一路"核心区和南北极重要区域的影响,为我国未来气候政策的制定提供参考依据,为国家参与全球气候治理及国际气候谈判提供科学支撑。     

西太平洋次表层海温异常与北赤道流异常海温西传

通过对热带太平洋上层XBT温度资料分析,探讨了对厄尔尼诺(El Nino)事件发生起重要作用的西太平洋暖池区次表层海温变暖异常的变化规律,揭示了影响西太平洋暖池区次表层海温变暖异常的形成机制.分析表明:西太平洋暖池区的次表层海温异常变暖与赤道太平洋的北赤道流(10°N)的海温异常存在密切关系.在El Nino事件发生的前期,位于赤道中东太平洋的异常暖水沿北赤道流温跃层潜沉向西太平洋暖池区输送,在西太平洋暖池堆积并向赤道西太平洋扩展,当异常暖水达到一定强度,并在大气的强迫下,异常暖水沿温跃层东传至赤道中东太平洋并上浮于海面,最终导致El Nino事件的爆发.北赤道流的异常海温西传是导致西太平洋暖池区次表层海温异常的重要机制,是导致El Nino事件发生的关键.     

铁假说和HNLC海区的现场铁加富实验

20世纪90年代,JohnMart in提出的"铁假说（ironhypothesis）"和以此为中心的海洋铁加富实验（ironenrichments）成为海洋科学领域最受瞩目的事件。"铁假说"的主要内容是：铁限制了HNLC海区中浮游生物的生产力,并进而影响了CO₂由海洋上层向深层的输出;如果在HNLC海区加入铁,就可以促进浮游植物的生长,消耗掉过剩的 N、P营养盐,加速C从海洋表层向深层输出,最终降低大气中CO₂含量,缓解温室效应。在赤道太平洋和南大洋进行的现场加富实验证明,加入铁以后,这些海区的浮游植物生物量增加,N、P等营养盐被消耗。但是,这些实验并没有降低大气中CO₂含量。铁假说只被证实了一半。     

全球变化——海洋地学的热点问题

文章对当今海洋地球科学中对全球环境变化有影响的气候变暖、板块构造运动、环境地质和矿产资源开发等热点问题进行了阐述。近百年来，世界气温变化反映全球变暖的趋势。气候变暖引起的海平面上升和厄尔尼诺现象将对沿海国家近岸地区人民的生产和生活带来极大的危害和巨大的经济损失。８０年代以来，全球板块构造运动及其驱动力成为科学家研究的热点；沿岸国家海岸带海陆交互地区的开发活动和日益严重的污染对海洋生态环境造成极大危害。文章亦分析了海洋矿产资源开发的前景和海洋地球科学面临的重要课题，提出２１世纪我国海洋地质调查与研究的主要任务     

14MaB.P.澳大利亚板块对赤道太平洋影响的数值模拟

文章利用美国NASA的GISS海气耦合模式,研究了14MaB.P.时期与现代情景下的澳大利亚板块不同位置对赤道太平洋的影响。结果表明:14MaB.P.澳大利亚板块位置较现代偏南时,海洋次表层南赤道海水穿过印度尼西亚通道直接进入印度洋,注入赤道潜流的南赤道海水减少,使得赤道潜流主要来源于北赤道海水,造成赤道太平洋海温比现在冷,其中以赤道西太平洋海温降低幅度最大。而在海洋近表层赤道中东太平洋地区,由于进入海洋的净能量增加和西向风应力加强的共同作用,使得14MaB.P.时海温较之现代情景下要低0.2℃左右。此外,14MaB.P.澳大利亚板块较现代偏南时,赤道太平洋地区的降水量少于现代。     

链接热带东印度洋环流的海洋波动桥梁

热带印度洋环流动力研究对认识海盆尺度物质和水体交换、区域乃至全球气候变化具有重要意义,亦服务于人类的生产生活。回顾了近年来基于中国科学院南海海洋研究所热带印度洋观测取得的环流动力方面的研究进展,探讨提出海洋波动桥梁概念,即：赤道波通过水平传播、垂向传播和东边界反射,在赤道上混合层、次表层和中深层调制着赤道流系的生成与变化;随着波动能量在东边界以沿岸开尔文波和反射罗斯贝波的形式往外赤道传输,赤道动力过程亦调节着外赤道的环流结构变化。作为能量传输的十字路口,海洋东边界是环流变化的动力支点。在其支撑下,海洋波动成为环流间重要的能量纽带,贡献于环流的动力联系,是东印度洋环流多尺度变化的重要内因。基于观测,初步探讨了大尺度气候模态等外因对热带东印度洋环流的影响。凝练的海洋波动桥梁动力学框架,为进一步研究热带印度洋的环流的特征、变化及影响提供科学启示。     

关于厄尔尼诺成因的新认识

据前人统计,厄尔尼诺出现于地球自转速度急剧变慢的第二年。造成这种现象的主因,是地球间歇性不对称膨胀,引起自转速度几年一次的准周期性急剧变慢。在该时期南北半球岩石圈产生强烈的离开赤道的体力,使赤道地区发生东西向张性断裂活动。位于阻力较小的软流层之上的太平洋岩石圈,不仅规模大、动力强,而且存在着东太平洋海隆薄弱带,并与秘鲁海沟应变空间毗邻,故现今太平洋东部赤道地区的东西向张性断裂最为发育,形成规模宏大的卡内基断裂带和加拉帕戈斯断裂带。它们活动促使海底的岩浆和热水喷溢,导致厄尔尼诺的海水升温多从秘鲁－厄尔多尔沿岸开始。地球自转速度变慢过程中,赤道地区的大气和海水获得较多的向东角动量,造成该地区的信风和向西流动洋流减弱、东太平洋冷水上翻涌升流衰缓,加速赤道东太平流海域温度变暖,助长厄尔尼诺的形成。全球大气角动量的季节性变化,也引起地球自转速度冬季慢夏季快的周年项变化,使厄尔尼诺年增温盛期一般出现于年末前后。     

赤道太平洋次表层海水温度异常的信号通道

应用热带太平洋上层XBT温度资料,分析探讨了西太平洋暖池区次表层海温冷暖异常信号的变化规律,揭示了影响西太平洋暖池区次表层海温冷变异常的信号通道。分析表明,西太平洋暖池区的次表层海温异常变冷与太平洋北赤道流的海温冷异常信号西传有重要关系。北赤道流的海温异常冷(暖)信号是沿温跃层由赤道中东太平洋潜沉向西太平洋暖池区传播,与西太平洋次表层海温异常(冷)暖信号向赤道中东太平洋传播构成了热带海洋信号的气旋式"环流通道"。在这一"环流通道"中,北赤道流的海温异常信号西传是导致西太平洋暖池区及西太平洋次表层海温异常的重要机制,是影响厄尔尼诺(ElNino)和拉尼娜(LaNina)事件发生的关键。     

热带生物海岸对全球变化的响应

以热带生物海岸现代过程研究成果为基础,结合国内外相关资料,分析我国红树林海岸和珊瑚礁海岸对全球变暖、海平面上升、大气CO2浓度升高和海洋酸化的响应.其中,全球变暖和大气CO2浓度升高总体上有利于红树林生长发育,海平面上升对红树林和珊瑚礁的影响取决于红树林潮滩淤积速率和珊瑚礁礁坪堆积速率与海平面上升速率之间的对比关系.海平面加速上升将威胁部分红树林、珊瑚礁及其后的海岸堤防.全球变暖海表异常高温导致珊瑚白化、海洋酸化导致珊瑚和珊瑚藻钙化率降低将成为21世纪珊瑚礁的重大威胁.全球变化的不确定性和生态系统响应机制仍然有待进一步研究.主要是人类不合理开发活动导致目前红树林和珊瑚礁的广泛严重破坏,加强海岸带综合管理和生态环境保护,加强生态系统恢复重建,是有效适应本世纪全球变化影响的重要措施.     

MIS 6期以来热带西太平洋降雨与ITCZ的关系

通过Ontong-Java海台KX97322-4孔沉积物中浮游有孔虫表层种Globigerinoides ruber的Mg/Ca海表温度(SST)并结合其δ18O得到过去约200ka B.P.以来当地水文(盐度和降雨)指标,结果表明从MIS 6期以来,热带太平洋暖池区温度变化存在明显的冰期-间冰期波动,降温幅度超过3℃.通过与赤道东太平洋对比表明热带太平洋在过去冰消期和冰期中的升温阶段呈现出类El Ni(n)o的状态,向两极输送水汽和热量.在冰消期,热带太平洋纬向温度梯度降低,全球升温,全球冰量下降.在冰期中升温阶段(MIS 6)热带太平洋纬向温度梯度降低时全球冰量却持续增加,可能此时输送热量不足以使两极冰川融化,带来的水汽又促进了两极冰川的形成.通过与中国石笋记录和热带降雨记录对比,表明热带太平洋纬向温度梯度的变化与热带辐合带(ITCZ)的移动密切相关,并且影响到东亚夏季风的降雨状况,热带太平洋类ENSO过程可能对ITCZ的变化存在内部系统调谐的作用.     

全球海表温度在不同时间尺度的主模态对比分析

利用1880—2009年HadISST资料,去掉百年全球变暖的信号,研究发现东太平洋、北太平洋和北大西洋都有较强的年际和年代际振荡信号,特别是赤道东太平洋南侧的年代际振荡是不容忽视的。对全球范围的海表温度资料做EOF分析发现,存在3种主要的全球尺度信号,第一模态为太平洋型、第二模态为北大西洋型以及第三模态为赤道中太平洋型。特别指出,第三模态是CP ENSO在全球模态中的表现。这3种模态在年际和年代际尺度都有显著的信号,在无滤波的情况下,3种模态方差贡献之和为34%。在年代际以上时间尺度范围,3种模态方差贡献之和为61%。在各种时间尺度中,这3种信号与全球平均温度都有一定的联系,尤其第一、二模态的影响最为重要,在年代际尺度中,第一、二模态方差贡献之和达到50%。2005年以后全球并没有明显增温,可能与前2个模态同时下降有关。     

南极地区与全球变化集成研究展望

全球变化是21世纪人类发展面临着的重大课题。近20年来的南极研究为全球变化科学的形成和发展做出了重要贡献,许多证据表明南极地区是全球变化的最敏感指示器之一。南极地区的全球变化集成研究是目前极地科学和全球变化科学研究的重要方向。21世纪,围绕全球变化,国际上对南极地区的研究正朝向具有时间和空间尺度,具有生物、海洋、大气、岩石的圈层作用、星球之间的相互影响以及人类干扰因素等集成的关键过程研究。可以预测,对南极地区的多界面、大尺度、多学科的综合集成研究,将极大地丰富和提高人们对全球气候和环境变化的了解和预测能力。中国也将在国际南极地区与全球变化集成研究中作出自己的努力。     

末次盛冰期太平洋赤道辐合带对暖池外热带海表温度变化的敏感性

利用美国NCAR CAM3大气环流模式,分析了末次盛冰期（LGM）两个不同的热带海表温度重建方案中,北半球冬季热带中、西太平洋对流活动及大气环流对暖池外（赤道东太平洋和热带大西洋）热带SST异常的敏感性。结果表明：  1）SST异常首先引起大气环流的改变。  赤道东太平洋对流层下沉增强,而作为经向补偿,副热带东太平洋上升运动增强,其中南半球尤为明显,同时南半球热带中、西太平洋上升运动增强,加剧了该区纬向逆时针环流,说明冰期热带海气耦合过程受气候背景场（如SST）影响很大;   2）大气环流格局改变引起热带中西太平洋的大气加热、对流活动、表层风场及降雨的巨大变化。  140°E以西的婆罗洲和菲律宾区域,总的大气加热减少是由于对流与辐射加热减少所致,对应于该区风场辐散和降雨减少;   而140°E以东的南半球热带中、西太平洋,大气吸收热量增加,对流与辐射加热均增强,总降雨量也随之增加,反映该区赤道辐合带南移并增强。该项研究为探索热带太平洋在冰期/间冰期旋回中的古海洋学变化提供了新的数据支撑。此外,不同重建SST对赤道辐合带的影响比较大,因此利用重建SST进行数值模拟或者利用耦合模式研究LGM热带海气相互作用时,应该十分重视全球热带SST分布特征。     

热带气旋沉积动力与沉积记录

热带气旋是全球最具破坏性的天气系统之一。随着全球气候变暖,热带气旋的异常活动受到了各国政府、民众和学术界广泛的关注。本文分析了热带气旋对海洋沉积物"从源到汇"过程中的作用及其机制,表明热带气旋是陆源沉积物、有机碳和污染物通过河流向海洋输送的重要控制因素;热带气旋产生的波浪、强流和内波可造成河口和陆架沉积物再悬浮、侵蚀、液化甚至剪切破坏,对陆架沉积物向深海输送起重要作用。虽然热带气旋有随全球变暖而增强的趋势,但热带气旋发生频率与全球变暖之间的关系尚不明确,对未来热带气旋发生频率的预测结果也存在较大分歧,对该问题的研究需要长期、高分辨率的热带气旋记录,使用热带气旋沉积记录研究热带气旋活动规律具有必要性和可行性。     

北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应

自20世纪70年代以来,全球气温持续增高,对北极产生了深刻的影响。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为"北极放大"现象。北极海冰覆盖范围呈不断减小的趋势,2012年北极海冰已经不足原来的40%,如此大幅度的减退是过去1 450年以来独有的现象。科学家预测,不久的将来,将会出现夏季无冰的北冰洋。全球变暖背景下北极内部发生的正反馈过程是北极放大现象的关键,不仅使极区的气候发生显著变化,而且对全球气候产生非常显著的影响,导致很多极端天气气候现象的发生。北极科学的重要使命之一是揭示这些正反馈过程背后的机理。北极放大有关的重大科学问题主要与气—冰—海相互作用有关,海冰是北极放大中最活跃的因素,要明确海冰结构的变化,充分考虑融池、侧向融化、积雪和海冰漂移等因素,将海冰热力学特性的改变定量表达出来。海洋是北极变化获取能量的关键因素,是太阳能的转换器和储存器,要认识海洋热通量背后的能量分配问题,即能量储存与释放的联系机理,认识淡水和跃层结构变化对海气耦合的影响。全面认识北极气候系统的变化是研究北极放大的最终目的,要揭示气—冰—海相互作用过程、北极海洋与大气之间反馈的机理、北极变化过程中的气旋和阻塞过程、北极云雾对北极变化的影响。在对北极海冰、海洋和气候深入研究的基础上,重点研究极地涡旋罗斯贝波的核心作用,以及罗斯贝波变异的物理过程,深入研究北极变化对我国气候影响的主要渠道、关键过程和机理。     

赤道印度洋海温异常与偶极子季节变化特征

利用Scripps海温再分析资料,对赤道印度洋0～400m深度范围内海温变化和偶极子异常变化特征进行了初步分析。结果显示,赤道印度洋上层海温呈现西低东高,而次表层以下海温则为西高东低。同时发现,温跃层是赤道印度洋上、下层很好的分界面。温跃层之上海温变化受海气相互作用明显,之下海温变化主要受海洋自身的运动影响。赤道印度洋偶极子现象存在于各个深度,其偶极子指数变化存在半年周期,季节变化表现为双峰双谷型,并从深层（400m）向表层传递。分析发现,海气相互作用不是表层赤道印度洋偶极子变化的决定因素。较深层偶极子变化决定于海洋自身的运动变化特征（如洋流）,并向上层传输,进而影响上层偶极子的异常变化。赤道印度洋偶极子指数由西印度洋和东印度洋海温变化共同制约,但西印度洋海温变化起主导作用,东印度洋仅起到加强或减弱偶极子强度变化的作用。     

海洋热浪研究进展与展望

海洋热浪对海洋环境、生态系统和经济生活具有非常重要的影响。近年来,全球气候变暖导致海洋热浪加剧,海洋热浪研究迅速发展成为一个重要的研究前沿。全面回顾了国内外海洋热浪研究的科学背景和研究现状,总结了海洋热浪的多种定义、时空分布特征、形成机制、海洋热浪对海洋环境和生态系统的影响,以及在未来全球气候变暖背景下,海洋热浪可能发生的变化趋势。此外,讨论了海洋热浪研究领域一些尚未解决的重要科学问题,并基于此展望了未来可能的研究发展方向。     

海洋环流解释南极增暖滞后的原因

正2016年5月30日,Nature Geoscience发表题为《南大洋增暖被环极上升流和赤道输送所延迟》(Southern Ocean Warming Delayed by Circumpolar Upwelling and Equatorward Transport)的文章,揭示了近几十年来,南极增暖速度缓慢,原因在于南极绕极上升流和赤道输送的作用。在全球变暖背景下,近几十年来,南极只显示出些许变暖迹象,与北极地区的迅速升温形成了鲜明对比。以前的研究错误地认为,南极海洋增暖滞后是由     

两类ENSO事件赤道太平洋次表层海温异常的演变特征

基于美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,用个例和合成分析方法,剖析了两类ENSO事件赤道太平洋海温异常演变特征。结果指出,东部型ENSO事件的初始海温异常源来自赤道西太平洋次表层,海温异常中心沿气候温跃层向东向上传送,至赤道东太平洋表层形成ENSO事件。东部型ENSO冷暖事件互为初始场,在形成某一位相的ENSO事件的过程中也同时为相反位相的ENSO事件准备条件。中部型ENSO事件的初始海温异常源出现在赤道中太平洋次表层,海温异常中心沿气候温跃层向东向上传送至赤道中东太平洋表层形成ENSO事件。中部型ENSO事件多在前次事件减弱中断后出现。