（气象学专业论文）温室气体增长对北太平洋海洋大气耦合系统的影响.pdf

温室气体增长对北太平洋海洋一大气耦合系统的影响 摘要 2 0 世纪以来，人类活动排放的温室气体持续增多，全球气候系统都受到其 影响。许多学者在研究温室气体增长造成的海洋和大气变化时，通常采用变量变 化的长期线性趋势来代表温室气体增长的作用。本文首次明确指出：在研究北太 平洋的大气和海洋变化时，线性趋势法并不适用，主要原因是北太平洋海洋一大 气耦合系统存在非常显著的年代际尺度的自然变化，变量的线性趋势会受到年代 际振荡的影响，难以准确反映温室气体增长的作用。为了区分北太平洋海洋一大 气耦合系统中的自然变化和温室气体增长带来的变化，本文提出了一种能够合理 估算温室气体增长对海洋和大气影响的新方法。该方法利用i p c ca r 4 中各模式 在a l b 温室气体排放情景下的结果，求得温室气体增长对气候变量的影响系数， 给出了估算温室气体影响的公式。利用该方法对2 0 世纪后5 0 年北太平洋海洋和 大气变化进行评估，取得以下创新性成果： 1 在温室气体增长背景下，北太平洋海表面呈现全海篙一致增暖，平均升 温约0 3 3 ，中低纬度海区小于0 4 ，而高纬度和极地海区高于o 6 。在整 个北太平洋海瓮( 2 0 0 n 7 0 0 n ，1 2 0 0 e 1 0 0 0 w ) 平均情况下，海面空气相对湿度 增长、海气温差减小和海表面风速增强对潜热释放的贡献分别为一1 7w m 2 ，一2 w m 2 和3 9 2w m 2 ，故北太平洋潜热释放增多o 2 2w m 2 ；由于海气温差减小，感 热通量变化为一0 4w m 2 。海面接受短波辐射减少o 3 3w m 2 ，净向下长波辐射增 加0 5 3w m 2 。北太平洋平均的净热通量变化为一0 3 7w m 2 ，黑潮及其延伸体区 域的净热通量变化幅度最强，约为一3w m 。总体来说，在温室气体增长的情况 下，由于气温的升高幅度高于海温，因此北太平洋海洋向大气的放热减少。 2 在温室气体影响下，冬季北太平洋中纬度对流层5 0 0 h p a 位势高度均方差 在风暴轴气候平均位置内( 4 0 。n 5 0 0 n ，1 4 0 。e 1 6 0 0 w ) 有所减小，最大幅度为 一1 2 9 p m ，表明风暴轴活动有减弱趋势，主要原因是大气斜压性减弱，表现为中 纬度风暴轴区域的大气斜压性指数e a d y 增长率减小，最大变幅达到一0 1 2s ， 约为气候平均值的2 。中纬度1 0 0 0 h p a 层位势高度在阿留申低压的气候平均位 置处( 4 0 n 一6 0 n ，1 5 0 e 一1 4 0 w ) 的变化表现为正异常，中心值高于3 9 p m ，表明冬 季阿留申低压有减弱的趋势。对比研究指出，前人通过观测资料分析得到的近几 l 十年北太平洋风暴轴和阿留申低压加强的结论，更可能是北太平洋年代际变化这 一自然变化的结果，而不能代表温室气体的影响。 3 通过研究2 0 世纪后5 0 年质量通量流函数的变化发现，在温室气体影响 下，h a d l e y 环流在南北半球的下沉支位置都有向极地方向移动的趋势，但整个 环流圈拓宽的幅度很小，全球平均情况下不超过0 2 。，同时h a d l e y 环流的强 度有所减弱，幅度约为气候平均的o 9 。前人通过对观测资料求线性趋势发现 的h a d l e y 环流圈显著拓宽( 1 9 7 9 年以来拓宽约2 个纬度) 的现象，很有可能是 气候系统年代际自然变化与温室气体增长二者共同作用的结果，并且主要体现了 年代际自然变化。 上述结论初步揭示了2 0 世纪后5 0 年内温室气体增长对北太平洋中纬度海洋 一大气耦合系统的实际影响，为今后的全球变暖研究提供了方法和依据，有助于 提高气候系统的预测水平。 关键词：温室气体北太平洋热通量风暴轴h a d i e y 环流 r oieo fgr e e n h o u s eg a sint h en o r t hp a cif ic o c e a n a t m o s p h e r ev a r ia bilit y a b s t r a c t c o n s i s t e n ti n c r e a s eo fa n t h r o p o g e n i cg r e e n h o u s eg a s ( g h g ) e m i s s i o nh a sl e dt o g l o b a lc l i m a t ec h a n g es i n c e2 0 mc e n t u r ) r l o t so f r e s e a r c ha b o u tt h ei m p a c to fg h g o ng l o b a lo c e a na n da t m o s p h e r ea r ec a r r i e do n i ne a r l i e rr e s e a r c h ，t h el i n e a rt r e n do f v a r i a b l e sw a sc o m m o n l yu s e dt or e p r e s e n tt h ee f f e c to fg h gi nt h i ss t u d y ，h o w e v e r i ti sf o u n dt h a tt h el i n e a rt r e n dm e m o di sn o tf i tf o r t h en o r t hp a c m c ( n p ) r e s e a r c h ， f o rt h e r ei sd e c a d a l s c a l ev a r i a b i l i t yi nn p ( a sk n o 、) v na sp d o ) a n dt h ei i n e a rt r e n d w i l lb ei n t e r f e r e db yt h ep h a s es h i ro ft h ev a r i a b i l i t y t h ei m p a c to fg h go nc l i m a t e i sa c c u m u l a t i v e ，w h i c hc a ns u 印a s st h a to fn a t u r a lv a r i a b i l i t yw h e nt h eg r o 、机hr a t e a n dt h ec o n c e n t r a t i o ni su pt oah i g h e rl e v e l an e wm e t h o di sr a i s e di nt h i ss t u d yt h a t c a nr e a s o n a b l ye s t i m a t et h ei m p a c to fg h gi nn p b a s e do ni p c ca r 4m o d e l s p r o j e c ti ns p e c i a lr e p o n o ne m i s s i o n ss c e n a r i o s ( s r e s ) a 1 b ，af o m u l ai sp u t f o r w a r dt oc a l c u l a t et h ei n f l u e n c eo fg h g7 i h en e wm e t h o di su s e dt oe s t i m a t et h e r e s p o n s eo ft h en po c e a n i ca n da t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o nt oi n c r e a s i n gg h gs o m e n e w f e a t u r e sh a v eb e e nf o u n da sf o l l o w s ： 1 a sr e s p o n s et og h gi n c r e a s e ，t h en ps e as u r f a c e1 b m p e r a t u r e ( s s t ) i n c r e a s e s a l lo v e rt h eb a s i n ，0 3 3 o na v e r a g e ，l e s st h a no 4 i nl o w l a t i t u d e ，h i 曲e rt h a n 0 6 i nh i g h l a t i t u d ea n dp o l a rr e g i o n t h el a t e n th e a tn u xi n c r e a s e sb yo 2 2 w m 2 ( u p w a r dp o s i t i v e ) t h ec o n t r i b u t i o no fs u r f a c er e l a t i v eh u m i d i t y ，s e a a i rt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ea j l dw i n ds p e e da r e 一1 7w m 2 ，- 2w m 2a n d3 9 2w m 2 t h es e n s i b l eh e a t n u xi sr e d u c e db y0 4w m 2 ，m o s t l yd u et ot h el e s ss e a a i rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e t h e s h o r t w a v er a d i a t i o nr e a c h i n gt h es u r f a c ed e c r e a s e sb y0 3 3w m 2 ，w h i l et h en e t d o w n w e l l i n gl o n g w a v er a d i a t i o ni n c r e a s e sb y0 5 3w m 2 a sar e s u l t ，t h en e th e a tf l u x c h a n g ew a s 一0 3 7w m 2 ，s u g g e s t i n gt h a to c e a ng e t sm o r eh e a tf r o ma t m o s p h e r ea s r e s p o n s et og h g i n c r e a s e t h es s ti n c r e a s e sb ya b o u to 3 a n dt h en c th e a tf l u xb y a b o u t3w m 2n e a rt h ek u r o s h i oa n dk u r o s h i oe x t e n tr e g i o n i i i 2 t h eg e o p o t e n t i a lh e i 曲tr o o tm e a ns q u a r e ( m s ) a t5 0 0 h p al a y e ro v e rn pi n b o r e a lw i n t e rd e c r e a s e db ya b o u t1g p m ，d e n o t i n gt h ew e a k e n i n go fn ps t o r i ht r a c k a p o s s i b l er e a s o ni st h ed e c r e a s eo fa t m o s p h e r i cb a r o c l i n i t y ，a ss h o w nb yt h ed e c r e a s e o fe a d yg r o 、艟hr a t eb ya b o u t o 12s t h ea l e u t i a nl o wi nb o r e a lw i n t e ri sa l s o w e a k e n e db ya b o u t3 9 p ma t10 0 0 h p al a y e r i ts u g g e s t st h es t r e n 舒h e n i n gp h e n o m e n o n o fn ps t o mt r a c ka n da 1 e u t i a nl o wf o u n di ne a r l i e rr e s e a r c hw a sm o s t l yt h ef e a t u r e o fp d o p h a s es h i f t 3 t h ez o n a l m e a nh a d l e yc i r c u l a t i o ni sw i d e n e di nb o t hh e m i s p h e r e sc a u s e db y g h gi n c r e a s e ，b u tl e s st h a n0 2 0i na l l ，w h i l et h ei n t e n s i t yo f t h ec i r c u l a t i o ni s w e a k e n e db ya b o u t0 9 c o m p a r i n gt h ee a r l i e rr e s u l t s ，i ti n d i c a t e st h ep o l e w a r d e x p a n s i o no fh a d l e yc i r c u l a t i o nb ya b o u t2 。d u r i n gt h er e c e n t2 5y e a r sw a sp r o b a b l y a t t r i b u t e dt od e c a d a l s c a l en a t u r a lv a r i a b i l i t y ，ra t h e rt h a nt h eg h gi n c r e a s e c o n c l u s i o n sa b o v ec o u l db ea sar e f e r e n c et ot h ef - u t u r er e s e a r c ho ni m p a c to f i n c r e a s i n gg h g i tw i l lb eh e l p f u lt ot h el o n gt e n nc l i m a t ep r e d i c t i o n k e yw o r d s ： g r e e n h o u s eg a s ，n o n hp a c i f l c ，h e a tf l u x ， s t o n nt r a c k ， h a d l e yc i r c u l a t i o n l v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 翅逡直墓丝益墨挂星4 直必的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位做储躲抽签字嗍夕年衫月巾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 泰暗 导师签字： 一 签字同期：矽年占月f 日签字f l 期：少矽年月8 同 温室气体增长对北太誓洋海洋一人气耥合系统的影响 1 前言 1 1序言 长期以来，气候变化从各个方面影响着人类的生产和生活，影响全球经济和 人类社会的发展。如何能够把握气候变化的特征和规律，从而提高气候预报的能 力，是当前各国政府和科学界都十分关注的问题。通常在研究短期的天气变化时， 主要考虑大气内部的过程即可，而对于年际、年代际甚至更长期的气候变化，则 必须考虑边界条件和外源强迫的作用。 全球海洋占地表总面积的三分之二。由于海水具有很高的热容量和极大的热 惯性，使得海洋成为大气中热量和水汽的重要来源，并参与整个地表物质和能量 的平衡过程。海洋中的热力和动力过程通常比较缓慢，因此在全球气候系统的中 长期变化中，海洋具有不可忽视的调节作用。2 0 世纪7 0 至8 0 年代，“世界气候 研究计划”被提出并实施，一系列的定量观测和综合分析得到迅速开展。计划中 的一项重要任务就是考察全球海洋状况及其在气候系统中的作用。近年来，随着 观测和再分析资料的丰富，海洋大气相互作用领域的研究得到空前重视和迅速 发展。 早在1 9 5 9 年n a m i a s 等人试图进行短期气候预测的时候，就意识到了中纬 度海洋，大气相互作用过程的重要性。然而由于热带太平洋e l n i n o 现象极为显著 且在全球范围内具有广泛影响，因此早期的海气相互作用研究多针对热带。相比 之下，关于中纬度海洋大气相互作用的研究虽然起步较早，但进展却比较缓慢。 实际上，中纬度的海洋大气耦合系统的变化对全球气候系统具有重要影响，具 体的过程可以是中纬度海区直接对气候变化产生影响，也可以是中纬度海区通过 影响其它海区，如热带海区，然后再通过热带海区影响全球的气候变化。了解中 纬度海区的海气相互作用过程及其与热带海区的联系，对于人们把握气候变化的 动力学过程和机制，从而进行年际和年代际等长尺度气候预报，具有重要意义。 工业革命以来，人类活动排放的温室气体不断增多。观测资料显示，近百年 来全球气温持续上升，大量研究表明这主要是温室气体浓度升高导致的后果。全 球增暖现象已成为人类面临的严峻事实，由此引发的一系列气候变化甚至极端事 件也引起人们的关注。各种温室气体的增长对气候系统变化究竟具有多大的影响 力，成为当前气候学者普遍关注的焦点问题。如前所述，海洋在中艮期的气候变 泓室产e 体增艮对北太，| ，洋海洋人气辎含系统的影响 化中扮演重要角色。在全球增暖的背景下，海洋受到了怎样的影响，对于大气系 统又有何种反馈作用，是预测气候系统变化过程中的关键问题。 本文试图针对北太平洋中纬度海域进行研究，结合观测资料与数值实验结 果，探明2 0 世纪下半叶温室气体增长对该海区的海洋和大气系统产生了怎样的 影响，并对此背景下海洋一大气相互作用的过程进行剖析。 1 2 北太平洋中纬度海洋和大气系统的概况 有关中纬度海洋和大气系统的研究与热带海洋相比，开展较早，但进展较慢。 与热带相比，中纬度的海洋和大气有其独特之处。首先我们了解一下北太平洋表 层海洋环流的情况以及大气环流形势。 1 北太平洋上层海洋环流的基本情况 表层海洋环流由海表面风驱动。作为海洋对大气强迫响应的风生海洋环流， 在北太平洋中纬度上层海洋中存在逆时针旋转的副热带环流圈，该环流圈包括： 副热带逆流，黑潮，黑潮延续体，北太平洋流，加利福尼亚流，亲潮等。 在北太平洋西部，存在强的西边界流黑潮。黑潮流速强、流量大。相对 于它所流经的海域来讲，黑潮具有高温、高盐的特征，该海区是海洋热量经向输 送的关键区，也是全球主要的海洋对大气加热区之一。 除了黑潮及其延伸体区域，中纬度海区的平均海表温度与热带相比较低，海 温的变化很难引起大气中的深对流活动。中纬度海域温跃层相对热带要浅，对于 风的季节变化引起的垂直混合变化较敏感，因此s s t 季节变化比热带大。 2 。北太平洋中纬度地区的大气环流情况 在北太平洋冬季对流层低层( 1 0 0 0 h p a ) 气候平均环流图上，最明显的大气 活动中心是与高空东亚大槽相对应的阿留申低压。阿留申低压的强弱变化对气候 变化具有重要的影响：其中心东侧和西侧的气流强弱变化直接影响着极地和温 带太平洋之间的热量交换，中心南侧气流的强弱影响着西j x l 漂流的强度，降水 强度的变化则影响太平洋中层水的形成( z h ux j e ta i ，2 0 0 7 ) 。 北太平洋大气对流层中的另一个重要系统是风暴轴( s t o r mt r a c k ) 。中纬度 大气斜压性较强，高空存在西风急流区，垂直方向具有显著的水平风速和温度切 2 温室气体增k 对北太f 洋海洋一人气祸含系统的影响 变，这些特征使得中纬度大气中天气尺度扰动活动极为活跃。气旋和反气旋的频 繁活动也是中纬度冬季天气的主要特征之一。b 1 a c k m o n ( 1 9 7 6 ) 发现，在北半球， 天气尺度( 2 5 6 天) 瞬变扰动方差大值区分别位于中纬度太平洋和大西洋上空， 呈纬向拉长带状分布，与地面气旋活动带相一致，这两个区域被定义为北半球的 风暴轴。 在北太平洋风暴轴区域，斜压波活动频繁，瞬变波扰动动能和位势高度方差 在3 0 0 p h a 附近存在最大值中心，西风动量通量的最强辐合和位涡最大经向输送也 出现在3 0 0 p h a 层附近。在对流层低层和中层都具有较大的温度方差，涡动的向极 和向上热量输送最大值出现在对流层低层8 5 0 p h a 附近，涡动的向极热量输送几乎 是纬向平均向极热量输送的两倍。( 毕伟，2 0 0 6 ) 天气尺度扰动活动既从大尺 度时间平均流中摄取有效位能并转化成扰动动能而发展，同时又通过扰动通量作 用于时间平均流，从而形成对大尺度环流的强迫效应。近些年的研究显示大气内 部瞬变扰动异常强迫与中纬度地区气候异常间的密切关系。( 任雪娟，2 0 0 7 ) 因 此，研究风暴轴的变化对于短期天气预报和中长期气候预测都有重要指示意义。 n a k a m u r a ( 1 9 9 2 ) 描述了北半球风暴轴的季节变化特征，他指出，在北太平 洋上，风暴轴的强度在冬季较强，夏季较弱。这是受高空西风急流的强度及大气 斜压性特征影响。邓兴秀( 1 9 9 4 ) 也指出北太平洋风暴轴活动冬强夏弱，且活动 中心位置冬季偏南、偏东，夏季偏北、偏西。n a k a m u r a 通过观测分析还发现，在 急流最强的仲冬时期( 1 月份前后) ，风暴轴活动的强度反而相对较弱。作者认 为，这是由于在西风急流过强的情况下，天气尺度扰动生成后，急流会加快其能 量的传播和耗散速度，反而不利于其在局地发展增强，从而导致风暴轴强度有所 减弱，作者将这种现象称为“仲冬抑制”( m i d w i n t e rs u p p r e s s i o n ) 现象。 1 3 北太平洋海洋一大气相互作用的研究现状 根据前人对北太平洋的海洋一大气相互作用的研究可知，该海区的局地海洋一 大气相互作用包含年际和年代际等多种时间尺度，同时还通过大气遥相关过程与 其他海区之间存在相互影响。我们首先看一下有关局地海气相互作用过程的有关 研究成果。 温室气体增k 对北太、f 洋海洋人气耦含系统的影响 1 3 1 北太平洋局地海气相互作用过程的研究现状 1 北太平洋年际尺度海气相互作用的研究进展 在年际尺度上，北太平洋局地海气相互作用主要表现为大气对海洋的强迫， 且这种关系在冬季大气的主模态超前海洋s s t 主模念一个月时最强( d a v i s l 9 7 6 ， 1 9 7 8 ；w a l l a c ea n dj j a n g ，1 9 8 7 ) 。这是由于中纬度海温较低，海温的变化难以引 起大气深对流，同时中纬度大气系统自身内部变化非常强，容易掩盖掉海洋的作 用。这一结论在观测和模式中都能得到证明。而中纬度海洋对大气的反馈信号较 弱，因此相关的研究相对较少且存在争议。近年来，有国内外学者利用最大协方 差分析方法( m c a ) 对北太平洋的海气相互作用模态进行了研究( l i u 等2 0 0 6 ， f m n k i g n o u l 和s e n n e c h a e l ，2 0 0 7 ) 。研究结果表明北太平洋确实存在海洋影响大气 的模态，且表现为海温异常在超前大气异常4 7 月时两者存在较好的耦合关系 ( 协方差较大) ，空间分布上是前期的“马蹄型”海温异常对应于后期大气的波 列式异常，该模态被称为北太平洋海洋影响大气的“反馈模念”。 2 北太平洋年代际尺度变化的研究进展 北太平洋海洋一大气耦合系统存在显著的年代及以上尺度的变化。对北太平 洋2 0 n 以北海域的s s t 异常做e o f 分析，第一模态即为太平洋年代振荡型( p d o 模) 。p d o 模的正位相对应于中纬度s s t 冷异常，中纬度大气为低压异常，低层 西风加强，而同时期的热带太平洋为s s t 暖异常( 图1 1 ) 。根据p d 0 模的时间 系数可以看出，在2 0 世纪7 0 年代中后期p d o 模经历了从负到正的位相转变，海 洋和大气的对应变化表现为北太平洋变冷，阿留申低压加强。 北太平洋年代际变化的显著周期受季节影响。m i n o b e ( 1 9 9 9 ) 用1 8 9 9 1 9 9 7 年阿留申低压强度的时间序列作为指数( n p i ) ，进行小波分析，发现冬季和春季 的n p i 都存在5 0 年的显著变化周期，而冬季还存在着2 0 年的变化周期。作者认 为，这两种时间尺度的年代际变化对于季节的依赖性表明二者的机制不同。两种 尺度的变化之间存在相互作用，表明非线性过程在北太平洋海气耦合系统的变化 中有重要影响。 在关于北太平洋年代际尺度的海气相互作用的研究中，有学者讨论了阿留申 低压和海洋副热带环流圈之间的关系( l a t i f 和b a r n e t t ，1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) ：当副热带一 4 温室气体增长对北太、 ，洋海洋人气榴合系统的影响 环流异常强时，黑湖及黑潮延伸体将更多的暖水向极输送，导致北太平洋出现 海表面温度( s s t ) 暖异常，大气响应为阿留申低压减弱，海表面风速减小，从而 使海洋放热过程减弱，增强了最初的s s t 暖异常，形成正反馈。但弱的阿留申低 压同时对应于风应力旋度减弱，因此能导致海洋副热带环流圈减弱，又形成负反 馈关系。 朱小洁( 2 0 0 6 ) 通过分析阿留申低压、西风急流、中纬度海表面温度水平梯 度变化之间在年代际时问尺度上的关系，发现了一个阿留申低压一南北向s s t 差一 西风急流一阿留申低压的j 下反馈机制，即阿留申低压增强时，其西侧偏北气流增 强，北太平洋上副极地环流圈增强，其西侧向南输送冷水增加，导致亲潮影响 海区s s t 下降，使得黑潮影响海区和亲潮影响海区的海温差异增大；在热成风的 作用下，上述海温差异增大对应于中纬度西北太平洋高空西风急流增强，急流出 口区左侧下方海平面上的阿留申低压增强，从而在海洋和大气之间构成正反馈 的关系。 关于风暴轴的年代尺度变化，由于早期缺少年代持久的逐同资料，使得与此 有关的问题没有得到深入细致的研究。近年来，随着高时间分辨率、高质量的再 分析资料的释放，使气象学者能够对风暴轴活动的长期变化进行较全面的诊断分 析。n a k a m u r a 等( 2 0 0 2 ) 利用1 9 7 9 1 9 9 5 年的逐日n c e p n c a r 再分析资料，对北太 平洋风暴轴的年际和年代变化特征进行了研究，他指出，该时段后期的北太平洋 冬季风暴轴活动相较前期有所加强，而“仲冬抑制 现象明显减弱。上述现象的 可能原因是：在该时段后期，仲冬时期的高空西风急流强度有所减弱，天气尺度 扰动形成后能够在局地获得充足的能量从而不断发展，有利于平均气流的有效位 能转换为涡旋动能，因此风暴轴的强度整体呈现增长。 丁叶风( 2 0 0 6 ) 使用近4 5 年的e c m w f 逐日再分析网格点资料( e r a 4 0 ) ，分析了 北太平洋风暴轴位置和强度的时间演变规律。研究发现近4 5 a 早北太平洋冬季及 夏季风暴轴在整个对流层、尤其是对流层中上层表现出整体一致的年际和年代际 变化特征。在各个高度层上冬季风暴轴在1 9 8 5 年前后一致性地发生了年代际跃 变，由之前的偏弱转变为之后的偏强；夏季风暴轴由弱到强发生跃变的时间在各 个高度层上略有不同，对流层中高层的跃变时问与2 0 世纪7 0 年代的北太平洋大气 海洋系统跃变时间致，而低层则略迟于这一时间。 ；1 5 i l 室卢t 体增k 对北太，i z 洋海洋人气稻合系统的影响 关于年代际尺度变化的原因，目前有学者认为海洋第一斜压模念r o s s b y 波的 调褴机制足太平洋海洋一大气耦合系统周期约为十年变化的机制( j i n ，1 9 9 7 ) ， 但对于周期约为二十年和五十年以上的年代际振荡的机制还存在不同认识，特别 是关于这些周期变化的负反馈机制的研究存在争议。 1 3 2 遥相关响应对北太平洋影响的研究进展 除了局地海气相互作用过程，北太平洋海洋一大气耦合系统的变化还与全球 其他海域有密切的关系，包括热带太平洋，热带印度洋和大西洋等。 早期的许多研究发现，北太平洋海洋与大气间存在着很好的相关关系。 b a m e t t ( 1 9 8 1 ) 年的研究指出，以上相关关系很可能是因为北太平洋的海洋和大 气共同受到热带太平洋的影响而导致的。当热带太平洋发生e 卜n i n o 事件时，北 太平洋海气系统的变化，通过遥相关过程，受到影响。当赤道太平洋出现暖异常， 将激发大气中p n a 波列( 太平洋一北美波列) 并向北传播，在北太平洋海区造成 低压异常，当地背景风场为东北风，所以风速加强，导致局地海温冷异常。 同时，由e ln i n o 事件引发的热带印度洋海盆一致增暖模态，可以通过影响 夏季风而加强水汽异常输送，并在青藏高原西南侧大气中形成异常热源，从而影 响亚洲夏季风环流和北太平洋大气环流( y a n ge ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 王春在( 2 0 0 6 ) 将热带太平洋大西洋之间的东西向海温梯度作为指数，发 现该梯度差的变化能够引发两处海洋温跃层的变化，从而形成了类似b j e k n e s s 机制的反馈过程。因此，大西洋的变化也可能对热带太平洋产生影响，从而进一 步影响北太平洋。 综上所述，北太平洋海区是重要的中纬度海气相互作用海区。该海区的局地 海洋大气系统变化具有季节、年际和年代际等多种时间尺度。同时，北太平洋 还受到热带太平洋、印度洋、大西洋等海域海气相互作用的影响，并能对这些海 区产生反馈作用，从而进一步对全球气候的变化产生影响。因此进一步研究中纬 度的海洋一大气相互作用过程以及中纬度对热带的影响过程，对于提高整个气候 变化的预测水平具有非常重要的意义。 6 温室气体增长对北太甲洋海洋人气耦合系统的影响 1 4 全球变暖对海洋和大气影响的研究进展 2 0 世纪后半叶，全球气温持续升高已经成为不争的事实。全球增暖与温室 气体浓度增长之间密切相关。大气中的温室气体主要包括二氧化碳( c 0 2 ) 、氧化 亚氮( n 2 0 ) 、甲烷( c h 4 ) 和臭氧( 0 3 ) 等，它们能够使太阳短波辐射透过大气到达地 面，同时能够吸收地表向外放出的长波辐射，从而导致地表和大气持续增温。大 气中温室气体含量的变化虽然也有自然活动的影响，比如火山爆发等，但主要原 因是人类活动排放。研究表明，就全球范围来说，海洋的增温幅度总体低于陆地， 这主要是由于海水比土壤具有更高的热含量，吸收相同的热量而增温较缓慢；另 外，人类的温室气体排放活动主要局限于陆地，也是一个可能的原因。( 气候动 力学，2 0 0 0 ) 海洋在气候系统的调节中扮演重要角色，在全球气温增暖的背景 下，海洋相应地产生了怎样的变化，其变化对于大气系统又有何反馈作用，都是 值得关注的问题。 1 4 1全球变暖对全球各海区影响的研究现状 全球变暖的气候背景对于全球各个海域都有影响。前人利用观测资料和数值 模式结果，对热带太平洋、热带印度洋等海区变化进行了考察。 1 全球变暖对热带太平洋影响的研究进展 热带海洋对全球大气系统的变化有重要作用，尤其是热带太平洋变化的主要 模态e ln i n o 型，能够通过遥相关作用对全球大气和其他海区产生影响。因 此，在探寻全球变暖影响的研究中，众多工作集中在热带海洋海温的变化上，并 且多数研究的重点是热带太平洋纬向海温梯度的变化即e ln i n o 型。i p c c a r 4 中指出：( 在全球变暖背景下) 大部分模式的结果显示，热带太平洋海温的 变化呈现“类e ln i n o ”型，表现为赤道中东部海表温度增幅大于西部，同时热 带的平均降水区也有东移的趋势。但对于e ln i n o 事件强度以及发生周期的变化， 至今仍存在争议。有人认为近几十年来e ln i n o 发生时赤道东太平洋n i n o 区的海 温异常增暖越来越强，因此预示着e ln i n o 事件增强。而另一些研究者则认为， 在全球变暖背景下，热带海温整体增高，e ln i n o 赤道东太平洋的暖异常相对海 盆平均海温来说并未增高太多。( f e d o r o va n dp h i i a n d e r ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 在众多学者将目光投向热带太平洋纬向海温梯度的情况下，l i u 等( 2 0 0 5 ) 温室广t 休增k 对北太、r 洋海洋人气梢合系统的影l 响 独辟蹊径，对太玉f 洋的经向海温梯度进行了考察，提出了一种比“类e ln i n o 型更稳定的海温变化模念“赤道响应增强”型( e n h a n c e de q u a t o r i a lr e s p o n s e ， 简称为e e r ) 。作者通过分析c 0 2 增长情景下的数值实验结果发现，赤道太平洋海 区的海表温度增幅明显强于副热带地区，尤其强于南半球副热带。这种形态在十 几个数值模式的结果和观测数据的分析中都有所体现，并且比前人提出的海温纬 向梯度的“类e 1n i n o ”响应更稳定。文章中对这种形态形成的机制进行了讨论， 并利用数值模式通过敏感性实验进行了验证，分析表明，赤道太平洋增温较强的 主要原因是：1 ) 在全球变暖背景下，热带海洋吸收的表面净热通量多于副热带 地区。而造成两地海表面净热通量差异的原因，一方面是在全球变暖情景下，热 带地区接收的短波辐射多于副热带地区，这主要是由于副热带地区下层大气增温 高于上层，大气稳定度增强，低云量增多；另一方面是副热带地区的潜热释放较 少，这是由当地风速增强和海表面空气湿度的变化引起的。感热通量和长波辐射 的变化贡献较小。2 ) 全球变暖使得赤道海区的上层海洋层结稳定性增强，海水 垂直混合减弱，利于当地表层海水增温。 l u o 等( 2 0 0 9 ) 利用i p c ca r 4 中多个模式在a 1 b 情景和2 0 世纪模拟试验 的结果之差，讨论了全球变暖引起的热带和副热带太平洋上层海流的变化。研究 结果显示，海洋副热带环流圈( s t c ) 在大洋内部的输运( 在9 。s 从东边界积 分至1 6 5 。e ，在9 。n 从东边界积分到1 3 5 。e ) 有所减弱，而西边界的输运增 强，整体输运量变化不大。西边界输运的加强可能与赤道潜流( e u c ) 的增强有 关。文中还指出，南北赤道流和南北赤道逆流都有所减弱，原因可能与大气w a l k e r 环流的减弱以及东西向海平面气压梯度减弱有关。 2 全球变暖对热带印度洋影响的研究进展 一在近半个世纪以来，热带印度洋是全球海洋中海表温度的变化趋势最显著 的海域。图1 3 是2 0 世纪后期的海温观测资料的线性趋势结果，其中热带印度洋 的增温现象最为明显。d u 和x i e ( 2 0 0 8 ) 探讨了印度洋持续增温现象的机制。通 过详细分析热带印度洋海表面热通量的各个组成部分的变化，作者得出以下结 论：大气中温室气体浓度增长使得大气向下的长波辐射增多，激发印度洋海表升 温；随之海表蒸发过程加强，使海表面空气湿度身高，又进一步增加了大气向下。 8 温室气体增& 对北太、| ，洋海洋人气稻合系统的影响 的长波辐射。这种正反馈使得印度洋的增温效应放大并持续。 3 全球变暖对中高纬海区影响的研究进展 与热带大洋相比，关于全球变暖对中高纬度海区影响的研究相对较少。中 高纬度海区海气相互过程比热带缓慢，反馈较弱。通过s s t 异常的线性趋势结果 ( 图1 3 ) 可以看到，大西洋高纬度海区和北太平洋中纬度黑潮延伸体附近海域， s s t 变化呈现负异常，呈现降温的趋势。w a n g ( 2 0 0 8 ) 对1 8 6 0 2 0 0 5 年的全球s s t 长期变化序列作e o f 分析，得到的第一模根据时间系数的变化确定为“全球变暖 型”模态( 图1 4 ) 。该模态空间分布型与对s s t 直接求线性趋势得到的结果相类 似，同样表现为印度洋增暖最显著，而大西洋高纬度海区和北太平洋中纬度海域 呈降温趋势。 全球变暖背景下北大西洋高纬度的降温现象可能与热盐环流的强度变化有 关。全球气温增暖后，北极地区的海冰融化加快，相当于为高纬度海洋表层注入 淡水，因而表层海水的密度和盐度减小，使得热盐环流在此处的下沉减弱。受此 影响，整个热盐环流圈减缓，中低纬向高纬度的暖水输送过程也减慢，因此导致 大西洋高纬度海域的海表温度降低。 北太平洋中纬度地区出现的降温现象，可能是全球变暖的影口向( 目前暂没 有得到明确解释) ，也可能是长周期的p d o 模态正位相的表现( 赤道东太平洋和 北美沿岸为s s t 正异常，而在西北太平洋，黑潮延伸体( k o e ) 附近s s t 为负异 常) 。在该降温过程中全球变暖具体起到何种作用，对当地的海洋。大气相互作用 过程有什么影响，是目前尚未清楚的科学问题，也是本文要解决的主要问题。 1 4 2 全球变暖对全球大气环流影响的研究现状 温室气体增长的直接影响对象是全球大气，在气温持续升高的情况下，全球 大气环流情况发生了怎样的变化，也是众多学者关注的问题。前人研究内容包括 热带纬向环流、全球经圈环流以及巾高纬度大气系统的变化。 1 全球变暖对热带大气环流影响的研究进展 v e c c h i 和s o d e n ( 2 0 0 7 ) 利用i p c ca r 4 中十几个数值模式在a 1 b 温室气体排 放情景下的结果，分析了全球变暖对热带海洋一大气系统的影响。研究发现，随 9 温室气体增欧对北太、r 洋海洋人气耦合系统的影响 着全球温室气温增长，海表i 酊蒸发增强，边界层大气水汽含量明显增多。但与此 i i 司时，相应的降水量增长却远小于水汽量。通过计算大气对流质量通量，作者认 为大气中对流活动有所减弱，从而造成降水量增长较弱。通过分析东西热带太平 洋的海平面气压梯度的变化，作者发现热带大气纬向环流( 如w a i k e r 环流) 强度 明显减弱。作者还指出，虽然在全球变暖背景下w a l k e r 环流的减弱现象类似于“e l n i n o ”型，但其机制与真j 下的e ln i n o 事件并不相同。模式中显示的这种环流的 减弱主要是由大气变化主导引起的，海洋过程的影响弱，甚至会起到相反的作用。 2 全球变暖对经圈环流( h a d l e y 环流) 影响的研究进展 h a d l e y 环流是热力驱动的经圈环流，该环流在近赤道地区受热上升，在高 层向北运动并逐渐转为偏西风，在3 0 。n 附近下沉。h a d l e y 环流对于热带和副热 带之间的热力交换起到关键作用。付强等( 2 0 0 6 ) 分析考察了1 9 7 9 至2 0 0 5 年大气 温度变化的观测资料，发现在对流层和平流层，副热带地区的升温均大于热带地 区。由此可认为是中纬度急流位置向极移动造成的，且中纬度急流位置通常对应 于h a d l e y 环流边界。因此发现，发现在南北半球h a d l e y 环流的南北半球的边界均 向极移动了l 。左右。s e i d e l 等( 2 0 0 6 ) 以臭氧浓度、向外长波辐射、高空急流 和对流层顶高度等多种变量作为指标，进一步考察了h a d l e y 环流的变化情况。作 者通过研究发现，各种指标的变化趋势都显示出相同的结果，即就全球纬向平均 而言整个大气经向环流圈有拓宽的趋势。在气候平均状态下，h a d l e y 环流下沉支 对应于副热带干旱区，因此环流圈范围变化对副热带干旱区的位置移动有重要影 响，对于生态系统和人类活动有重要意义。 l u 等人2 0 0 6 年利用i p c ca r 4 给出的各种c 0 2 排放情景下( 包括a 2 ，a l b ， b 1 ) 的1 4 1 5 个数值模式的结果，分析了温室气体增长对全球纬向平均的h a d l e y 环流的影响。文中使用了质量流函数为标准来考察h a d l e y 环流的变化，通过分 析，得到以下结论：1 ) 在全球变暖背景下，h a d l e y 环流的范围有所加宽，即下 沉支的位置向极地一侧偏移。2 ) 全球变暖引起h a d l e y 环流的范围变化，主要与 中纬度大气活动而非热带大气活动的变化有关。合成分析表明，虽然在年际变化 尺度上，热带( 南北纬2 0 。之间) 对流层高度( t t h ) 正异常对应于h c 强度增 强：但在令球增暖的长期趋势下，t t h 的变化与h a d l 吖环流韵变化之问的对应 l o 温室气体增k 对北太r 洋海洋一人气耦合系统的影响 关系并不好。另一方面，模式结果分析显示，在全球变暖的情况下，热带外( 3 5 。一5 5 。) 对流层顶高度( e t h ) 的变化与h a d l e y 环流的宽度密切相关。因此， 中纬度大气活动的变化更可能是h a d l e y 环流加宽的原因。 l u 等曾使用1 9 7 9 2 0 0 5 年的观测资料，发现该时段内h a d l e y 环流宽度增大， 下沉支向极移动。在该研