21世紀(jì)海上絲綢之路海洋上層熱含量及熱比容海平面異常變化

齊慶華，蔡榕碩

(1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所 國(guó)家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361005)

21世紀(jì)海上絲綢之路海洋上層熱含量及熱比容海平面異常變化

齊慶華1，蔡榕碩1

(1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所 國(guó)家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361005)

氣候變暖背景下，全球平均海洋變暖和海平面上升顯著，為人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。上層海洋熱力狀況是海平面變化的主導(dǎo)因子之一。本文圍繞“21世紀(jì)海上絲綢之路”途經(jīng)海區(qū)(文中簡(jiǎn)稱(chēng)為絲路海區(qū))上層海洋熱含量異常的區(qū)域性時(shí)空特征，分析探討了絲路海區(qū)熱比容海平面異常的時(shí)空變化、演變特征及可能影響,以期為“21世紀(jì)海上絲綢之路”海洋環(huán)境安全保障提供服務(wù)支撐。結(jié)果表明，自20世紀(jì)70年代中后期，絲路海區(qū)上層(0～700 m)海洋已明顯變暖，尤其20世紀(jì)90年代中后期增暖幅度顯著加大。近60年來(lái)，在絲路海區(qū)熱帶海洋中，西太平洋的北赤道流區(qū)及以北海域、東海黑潮流域以及南海北部和南部海區(qū)、阿拉伯海西北部海域、馬來(lái)西亞西北部海域及南印度洋部分海域具有長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)。熱帶西太平洋暖池區(qū)整體增暖不明顯，主要與印度洋中部海域呈反位相變化，且明顯受到季節(jié)和年際變化的調(diào)制。長(zhǎng)江口附近沿岸、南海北部沿岸、中南半島南部沿岸以及阿拉伯海西北部沿岸的近岸海域長(zhǎng)期增暖明顯，自20世紀(jì)90年代中后期，中南半島東部和西部沿海、澳大利亞西部沿海以及我國(guó)東南沿海熱比容海平面上升明顯。近岸熱比容海平面的季節(jié)演變對(duì)沿海地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)造成一定影響。此外，東亞夏季風(fēng)與東海、黃海和渤海熱比容海平面的上升顯著相關(guān)，同時(shí)，ENSO、太平洋年代際振蕩和印度洋偶極子的發(fā)生也均與我國(guó)東南沿海和印度洋西部沿海熱比容海平面上升明顯關(guān)聯(lián)。特別是，氣候變暖情形下，各種區(qū)域性致災(zāi)因子和氣候變率的協(xié)同影響會(huì)對(duì)絲路海區(qū)海岸帶和沿海地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，開(kāi)展海岸帶和沿海地區(qū)全球變化綜合風(fēng)險(xiǎn)研究成為當(dāng)前首要任務(wù)。

上層海洋熱含量；太平洋；印度洋；海平面上升；比容效應(yīng)；氣候變化

1 引言

歷次IPCC氣候變化評(píng)估報(bào)告使人們對(duì)氣候變化帶來(lái)的影響更加關(guān)注。氣候變化已成為影響人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的頭號(hào)問(wèn)題。氣候變化對(duì)海洋及沿海和海岸帶的影響主要表現(xiàn)為海水日趨變暖和海平面不斷上升，同時(shí)，隨之而來(lái)的各種海洋災(zāi)害和極端氣候事件發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度也持續(xù)增加[1-4]。隨著我國(guó)“21世紀(jì)海上絲綢之路”倡議的提出，從氣候和減災(zāi)防災(zāi)的角度對(duì)沿途周邊海洋環(huán)境的變化開(kāi)展廣泛深入的分析探討，為“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)提供海洋環(huán)境安全保障，是促進(jìn)海上互聯(lián)互通，推進(jìn)海上絲綢之路建設(shè)的重要基礎(chǔ)和前提。海上絲綢之路沿途及周邊海域主要包括西太平洋、中國(guó)東部沿海(主要是渤海、黃海和東海)、南海和印度洋等，簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文稱(chēng)為絲路海區(qū)(Silk Road Maritime Region，SRMR)。IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告評(píng)估了氣候變化對(duì)全球海洋區(qū)域環(huán)境的影響和風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果顯示，1950-2009年，印度洋和太平洋平均海表溫度分別上升了0.65℃和0.31℃(很可能)[5]。最新的分析表明，絲路海區(qū)海表溫度均出現(xiàn)升高,上升幅度顯著[3-4]。同時(shí)，隨著全球平均海洋的趨暖，海平面也在發(fā)生改變，海平面變化作為氣候影響海洋的主要表征指標(biāo)，其主要受制于海水的體積變化和質(zhì)量變化兩個(gè)方面。而海水的比容效應(yīng)則是影響海水體積變化的主要因素[6]。全球變暖背景下，海洋的增溫是比容變化的主要貢獻(xiàn)者。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，與海水增溫相對(duì)應(yīng)的熱比容效應(yīng)導(dǎo)致了海平面顯著上升。1971-2010年全球海洋上層700 m海水已增暖，該時(shí)段由上層700 m海水引起的海平面上升速率為0.6(0.4～0.8)mm/a，約占同期全球平均海平面上升速率的30%以上，同樣，根據(jù)驗(yàn)潮站以及衛(wèi)星高度計(jì)資料的結(jié)果，全球平均海平面1993-2012年間上升速率為3.2(2.8～3.6)mm/a，其中海水熱比容引起的海平面上升速率為1.1(0.8～1.4)mm/a。海平面不斷的上升可以導(dǎo)致沿海洪水、風(fēng)暴潮等高水位事件，危害人們的生活生產(chǎn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。研究還表明，即使風(fēng)暴的強(qiáng)度沒(méi)有變化，在海平面上升的背景下，極端高水位事件的頻率和強(qiáng)度仍就是上升的[1]。近年來(lái)，有關(guān)熱比容效應(yīng)在海平面變化中的貢獻(xiàn)研究在觀測(cè)上取得了較大進(jìn)展，包括深海溫度的監(jiān)測(cè)和校正、Argo數(shù)據(jù)的更新和應(yīng)用以及基于船舶數(shù)據(jù)對(duì)深海增暖的估算等方面[7]。眾所周知，全球平均的熱比容海平面變化一般正比于海洋的熱含量變化[8]。隨著數(shù)據(jù)的豐富，海洋上層700 m的海洋已被證實(shí)顯著增暖[2]，由于已往有關(guān)海洋熱含量的研究主要關(guān)注全球或區(qū)域(主要是西太平洋暖池區(qū)等)的平均狀況、特征及其氣候效應(yīng)，上層海洋也主要圍繞400 m以淺海域[9-10]，而對(duì)700 m以淺和地區(qū)性的熱含量及熱比容海平面的異常變化，尤其是空間格局和演變，以及其與局地海洋-大氣系統(tǒng)內(nèi)部變率的相關(guān)性研究甚少，以致于對(duì)區(qū)域性海平面氣候異常變化、機(jī)理及其影響(危險(xiǎn)性)缺乏相應(yīng)的深入了解和分析評(píng)估，這不利于氣候變化區(qū)域適應(yīng)對(duì)策研究以及海洋減災(zāi)防災(zāi)工作和安全與綜合風(fēng)險(xiǎn)管理的有效開(kāi)展。鑒于上層海洋熱狀況對(duì)海平面變化影響的重要性，本文擬基于廣泛融合觀測(cè)資料的最新再分析數(shù)據(jù)，從分析絲路海區(qū)上層(主要為0～700 m)海洋熱含量異常變化入手，研究探討絲路海區(qū)熱比容海平面異常的區(qū)域性時(shí)空變化和演變特征，從而為絲路海區(qū)海洋環(huán)境變化的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，也為逐步建立21世紀(jì)海上絲綢之路海洋環(huán)境安全保障服務(wù)體系提供必要的科技支撐。同時(shí)，本文旨在關(guān)注絲路海區(qū)海岸帶和沿海地區(qū)，強(qiáng)調(diào)熱比容海平面異常變化的危險(xiǎn)性，從而為今后結(jié)合承載體對(duì)致災(zāi)性因子的敏感(耐受)性和脆弱性特征，開(kāi)展海岸帶和沿海地區(qū)全球變化綜合風(fēng)險(xiǎn)研究提供科學(xué)基礎(chǔ)。

2 資料和方法

文中所用的1955年1月至2015年12月垂向平均(包括0～100 m和0～700 m)海洋溫度異常、上層(700 m以淺)海洋熱含量異常和熱比容海平面異常數(shù)據(jù)均由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局環(huán)境信息中心(NOAA-NCEI)提供，該數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°，時(shí)間尺度為年平均、5年平均和3個(gè)月平均，數(shù)據(jù)在時(shí)空分辨率、序列長(zhǎng)度、觀測(cè)數(shù)據(jù)融合和質(zhì)量等方面以及氣候變化評(píng)估方面的應(yīng)用均具有先進(jìn)性和良好優(yōu)勢(shì)[2，11-14]。另外，文中采用的海洋和大氣變率指數(shù)也均源自NOAA氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)。本文選取絲路海區(qū)作為研究區(qū)域，主要采用自然正交函數(shù)EOF(Empirical Orthogonal Function)方法分析絲路海區(qū)上層海洋熱含量及熱比容海平面異常的時(shí)空變化。同時(shí)，為進(jìn)一步體現(xiàn)季節(jié)尺度的時(shí)空演變特征，本文應(yīng)用依賴(lài)于季節(jié)的EOF(S-EOF)方法[15]作進(jìn)一步分析。

3 絲路海區(qū)上層海洋熱含量異常時(shí)空特征分析

氣候變化背景下，自20世紀(jì)70年代中后期，太平洋和印度洋海盆尺度的上層100 m平均海溫均呈現(xiàn)顯著的升高趨勢(shì)，特別是自20世紀(jì)90年代中后期，海洋升溫進(jìn)一步向深層拓展，上層700 m繼而也呈現(xiàn)顯著的增暖趨勢(shì)，由于海表海氣耦合作用的影響，與上層700 m情況相比，上層100 m平均的海溫異常變化幅度明顯較大，同時(shí)，數(shù)據(jù)顯示，特別在約2010年后，太平洋和印度洋增溫速率均進(jìn)一步加大(圖1)。

圖1 1955-2015年太平洋(a)和印度洋(b)海域垂直平均溫度異常變化Fig.1 The variation of yearly vertical mean temperature anomaly in the Pacific Ocean (a) and Indian Ocean (b) during 1955 to 2015

數(shù)據(jù)分析表明，就平均狀況而言，全球氣候變暖自20世紀(jì)70年代中后期很可能已影響到了包括西太平洋和印度洋為主的絲路海區(qū)上層700 m海洋的熱力狀況，并使其發(fā)生了顯著變化，特別是20世紀(jì)90年代中期后的近20多年，呈現(xiàn)出明顯升溫趨勢(shì)。然而，全球變暖和氣候變化區(qū)域響應(yīng)并非一致，只有認(rèn)識(shí)氣候變化響應(yīng)的區(qū)域性及相關(guān)的顯著特征，才能更科學(xué)的應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化[3]，因此，本文將重點(diǎn)圍繞絲路海區(qū)熱狀況的局地特征作分析。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)絲路海區(qū)上層海洋熱狀況的地區(qū)性典型變化及演變特征，下面主要以上層700 m的海洋熱含量為主，分析其時(shí)空分布特征和變化。

年平均海洋上層熱含量第一模態(tài)顯示，熱帶西太平洋暖池區(qū)并延伸至澳大利亞西部海域、南海和孟加拉灣南部等東亞海域的中心海區(qū)以及黑潮流域和日本海，是絲路海區(qū)上層海洋熱含量變化主要的正值區(qū)，并自20世紀(jì)90年代中后期具有較明顯的增暖趨勢(shì)，同時(shí)，其與周邊海區(qū)存在反位相振蕩特征(圖2a)。第二模態(tài)基本與第一模態(tài)相反，體現(xiàn)為印度洋全海域基本呈正值分布，與熱帶西太平洋暖池區(qū)的負(fù)值分布相對(duì)應(yīng)。正值中心主要位于阿拉伯海和南印度洋中部。此外，高緯度的北太平洋海域也存在正值中心(圖2b)。第三模態(tài)以印度洋呈正值分布，而西太平洋以正負(fù)相間的南北帶狀分布為主要特征(圖2c)?？傊诮z路海區(qū)，熱帶西太平洋暖池及周邊、阿拉伯海和南印度洋的中部海域以及北太平洋高緯度海區(qū)是熱含量異常變化的顯著區(qū)(局地貢獻(xiàn)率約20%～60%)，以上熱含量變化的空間分布具有顯著的年際和年代際變化特征(圖2d)。

從更小時(shí)間尺度(3個(gè)月平均)來(lái)看，絲路海區(qū)上層熱含量的時(shí)空變化表現(xiàn)出相似的特征(圖2，圖3)。主要是熱帶西太平洋暖池區(qū)以及北太平洋中高緯度海區(qū)存在正值中心，其中熱帶西太平洋暖池區(qū)與其他海區(qū)基本呈反位相變化，相比年平均(圖2)而言，異常變化中心范圍有所縮小(圖3a)。此外，阿拉伯海和南印度洋的中部海域作為印度洋熱含量變化的顯著區(qū)，主要與熱帶西太平洋暖池區(qū)呈反向變化(圖3b)，以上分析可見(jiàn)，熱帶西太平洋暖池區(qū)與印度洋主要海區(qū)的反位相變化，基本由年際和季節(jié)變率調(diào)制(圖2d，圖3d)。而這種反位相變化與局地的氣候變率如ENSO等不無(wú)關(guān)系，在下文第3節(jié)的分析中也可以看出。

5年平均的上層熱含量變化主模態(tài)顯示，在絲路海區(qū)的熱帶海洋中，西太平洋的北赤道流區(qū)及以北海域、我國(guó)近海區(qū)域特別是東海黑潮流域與南海北部和南部海區(qū)、阿拉伯海西北部海域、馬來(lái)西亞西北部海域及南印度洋部分海域具有長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)(圖4a)，南海、阿拉伯海和北赤道流及以北海區(qū)還受到20年左右年代際變率的調(diào)制(圖4d)。特別是西太平洋(包括南海)年代際的南北經(jīng)向振蕩特征明顯(圖4b，圖4d)。由此可見(jiàn)，熱帶西太平洋暖池區(qū)整體增暖不明顯，特別是暖池區(qū)域南部海區(qū)，這在高頻尺度里也有反映，即熱帶西太平洋暖池區(qū)熱含量變化受季節(jié)和年際變率調(diào)制，基本與其他海區(qū)呈反向變化(圖2，圖3)。另外，西太平洋的高緯度海區(qū)年代際變化和長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)明顯(圖4a，4b，4d)。

圖2 絲路海區(qū)上層(0～700 m)年平均熱含量時(shí)空變化主模態(tài)(a～c)和標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)(d)Fig.2 The dominant modes (a-c) and corresponding standardized coefficients (d) of yearly thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015 a、b、c分別為第一模態(tài)、第二模態(tài)和第三模態(tài)；等值線(xiàn)值為該模態(tài)與原始場(chǎng)的局地相關(guān)性，其平方值為其對(duì)原始場(chǎng)的局地貢獻(xiàn)率a, b, c are the first pattern, the second pattern, and the third pattern of the dominant modes, respectively; the contour value R denotes the local relationship between the EOF-mode and the origin field, and R2 is the local rate of the mode contribution to the origin field

圖3 絲路海區(qū)上層(0～700 m)3個(gè)月平均熱含量時(shí)空變化主模態(tài)(a～c)和標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)(d)Fig.3 The dominant modes (a-c) and corresponding standardized coefficients (d) of 3-month thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015a、b、c分別為第一模態(tài)、第二模態(tài)和第三模態(tài)；等值線(xiàn)值為該模態(tài)與原始場(chǎng)的局地相關(guān)性，其平方值為其對(duì)原始場(chǎng)的局地貢獻(xiàn)率a, b, c are the first pattern, the second pattern, and the third pattern of the dominant modes, respectively; the contour value R denotes the local relationship between the EOF-mode and the origin field, and R2 is the local rate of the mode contribution to the origin field

圖4 絲路海區(qū)上層(0～700 m)5年平均熱含量時(shí)空變化主模態(tài)(a～c)和標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)(d)Fig.4 The dominant modes (a-c) and corresponding standardized coefficients (d) of 5-year pentadal thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015a、b、c分別為第一模態(tài)、第二模態(tài)和第三模態(tài)；等值線(xiàn)值為該模態(tài)與原始場(chǎng)的局地相關(guān)性，其平方值為其對(duì)原始場(chǎng)的局地貢獻(xiàn)率a, b, c are the first pattern, the second pattern, and the third pattern of the dominant modes, respectively; the contour value R denotes the local relationship between the EOF-mode and the origin field, and R2 is the local rate of the mode contribution to the origin field

圖5 1955-2015年太平洋(紅色)和印度洋(藍(lán)色)海盆尺度上層700 m熱比容海平面異常年變化Fig.5 The Pacific Ocean (red) and Indian Ocean (blue) yearly thermosteric sea level anomaly during 1955 to 2015

5年平均的上層熱含量變化第一模態(tài)(圖4a)還顯示，近岸海區(qū)包括東海的長(zhǎng)江口附近沿岸、南海北部沿岸、中南半島南部沿岸以及阿拉伯海西北部沿岸和附近海域的海洋長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)明顯(局地貢獻(xiàn)率50%以上)，對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)可能較大。氣候變暖情形下，對(duì)沿岸的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)會(huì)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。這一點(diǎn)尤其值得關(guān)注。

4 熱比容海平面異常演變分析

上層海洋熱狀況的變化會(huì)對(duì)海平面的改變起主要作用，近幾十年來(lái)，特別是自20世紀(jì)90年代中后期太平洋和印度洋海盆尺度的熱比容海平面異常均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)(圖5)，尤以印度洋的變化幅度更為顯著。這很可能與印度洋海盆一致性的增暖密切相關(guān)(圖2b,c和圖3b,c)。由于熱比容海平面與上層海洋熱含量緊密關(guān)聯(lián)，這里將不再探討熱比容海平面在季節(jié)、年際/年代際及更長(zhǎng)尺度的時(shí)空變化特征，可參考圖2至圖4，它們的空間型分布和變率特征一致(圖略)，下面圍繞熱比容海平面季節(jié)尺度的演變特征作進(jìn)一步分析。從而較全面把握熱比容海平面異常的時(shí)空特征和演變。

絲路海區(qū)熱比容海平面異常的第一S-EOF模態(tài)顯著特征為，熱帶西太平洋暖池區(qū)為正值中心，其熱含量與其他海區(qū)基本呈反位相變化。同時(shí)，在印度洋中部海域存在顯著的負(fù)值中心(主要位于赤道以南)。在季節(jié)(非嚴(yán)格氣候?qū)W意義上的季節(jié))演變上，春季(1-3月，JFM)，存在較大范圍的以熱帶西太平洋暖池為中心的正值區(qū)域，外圍包括東海和南海以及孟加拉灣(圖6a)。夏季(4-6月，AMJ)孟加拉灣和東海正值區(qū)減弱并轉(zhuǎn)以負(fù)值變化為主。同時(shí)正值范圍還向澳大利亞西部海區(qū)擴(kuò)展(圖6b)。秋季(7-9月，JAS)，暖池區(qū)域正值中心略向南擴(kuò)(圖6c)。冬季(10-12月，OND)，除原有正值區(qū)域的強(qiáng)度加強(qiáng)外，東海和日本海也呈現(xiàn)出正值分布(圖6d)。季節(jié)尺度上，印度洋的負(fù)中心區(qū)域也作出相應(yīng)調(diào)整，春季范圍最廣，夏季向東和向南集中，秋季范圍進(jìn)一步減小，冬季基本向西向南推進(jìn)擴(kuò)展(圖6)。

圖6 絲路海區(qū)上層(0～700 m)熱比容海平面季節(jié)演變第一模態(tài)Fig.6 The first pattern of the seasonal evolution of thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015

該演變模態(tài)除具有顯著的年際變化外，20世紀(jì)90年代中后期，正負(fù)異常中心均有明顯增強(qiáng)(圖7)。這與海盆尺度平均的情形相一致(圖5)。只是絲路海區(qū)在2000年以后整體的平均變化幅度不大。其差異主要在于所分析的區(qū)域范圍和時(shí)間尺度有關(guān)。尤其是這里更多反映季節(jié)演變的信息，至于其顯著的變化趨勢(shì)，可以參見(jiàn)圖4d中的紅色曲線(xiàn)(與熱比容海平面變化趨勢(shì)一致)。與此同時(shí)，中南半島東、西沿海、澳大利亞西部沿海以及我國(guó)東南沿海熱比容海平面上升明顯。針對(duì)我國(guó)近海沿岸，春季、夏季和秋季主要以南部沿海熱比容海平面上升為主，而冬季，則以東部沿海熱比容海平面上升為主(圖6)，這在不同季節(jié)沿?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)中不容忽視。

圖7 1955-2015年絲路海區(qū)上層(0～700 m)熱比容海平面時(shí)空變化主模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)Fig.7 The standardized coefficients corresponding to dominant modes of seasonal evolution of thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015

圖8 絲路海區(qū)上層(0～700 m)熱比容海平面季節(jié)演變第二模態(tài)Fig.8 The second pattern of the seasonal evolution of thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015

絲路海區(qū)熱比容海平面異常變化的第二S-EOF模態(tài)(圖8)中進(jìn)一步體現(xiàn)赤道西太平洋暖池區(qū)和其他海域的反位相變化，春季正值中心最弱,并隨著季節(jié)推移，范圍和強(qiáng)度增強(qiáng)，冬季達(dá)到最強(qiáng)；而印度洋呈一致的負(fù)值分布，負(fù)值中心主要位于阿拉伯海及南印度洋中部，其變化幅度隨季節(jié)推移而增強(qiáng)。該演變模態(tài)主要以年際變化為主(圖7)。

絲路海區(qū)熱比容海平面異常季節(jié)演變的第三S-EOF模態(tài)空間特征較復(fù)雜，春季正值中心主要位于孟加拉灣、赤道以南的西太平洋暖池區(qū)和澳大利亞以西海域(圖9a)。夏季正值范圍明顯縮小(圖9b)。秋季暖池區(qū)和澳大利亞西部海區(qū)的正值中心分別向南和向西推移，其中澳大利亞西部海區(qū)正值中心已抵達(dá)印度洋中部(圖9c)，并最終在冬季發(fā)展出大范圍的正值中心，此時(shí)，太平洋為一致的負(fù)值分布，負(fù)值中心主要位于熱帶西太平洋暖池的北部海區(qū)(圖9d)。從時(shí)間變化上來(lái)看，該演變模態(tài)除了年際變化外，20世紀(jì)90年代中后期會(huì)出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，即印度洋中部發(fā)展出的正值中心會(huì)進(jìn)一步減弱。需指出的是，由于正負(fù)分布互為變化，文中主要從一個(gè)側(cè)面探討演變特征，同時(shí)，限于篇幅，本文僅對(duì)前3個(gè)模態(tài)作簡(jiǎn)要分析。

圖9 絲路海區(qū)上層(0～700 m)熱比容海平面季節(jié)演變第三模態(tài)Fig.9 The third pattern of the seasonal evolution of thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR during 1955 to 2015

此外，海洋熱力變化受到大尺度海洋與大氣變率的影響，從而會(huì)進(jìn)一步引起熱比容海平面的改變，利用ENSO指數(shù)、太平洋年代際振蕩(PDO)指數(shù)、印度洋偶極子(IOD)指數(shù)和東亞季風(fēng)(EASM)指數(shù)與熱比容海平面異常變化間的相關(guān)性，簡(jiǎn)要探討絲路海區(qū)熱比容海平面異常變化與印度洋-太平洋地區(qū)海洋和大氣變率的關(guān)聯(lián)性。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明(圖10)，東亞夏季風(fēng)與印度洋北部海區(qū)，包括阿拉伯海、孟加拉灣和南海及近岸海區(qū)基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。而與中國(guó)東部近海熱比容海平面異常變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖10a)，這可能與東亞夏季風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向和路徑及相關(guān)的熱動(dòng)力過(guò)程(強(qiáng)風(fēng)速下的潛熱釋放和夏季風(fēng)影響下的黑潮熱輸送增強(qiáng)等)存在一定關(guān)聯(lián)[16-17]；ENSO變化與絲路海區(qū)熱比容海平面異常的相關(guān)性主要體現(xiàn)在，西太平洋與印度洋呈反位相關(guān)系(圖2a和圖3a)，從而表明區(qū)域性海平面變化更多的受制于局地氣候變率的調(diào)控。此外，ENSO的發(fā)生可能會(huì)增強(qiáng)包括我國(guó)東南沿海、中南半島沿岸以及印度洋西北部沿岸熱比容海平面的上升，同時(shí)，澳大利亞的東北部海域，如珊瑚海的熱比容海平面也會(huì)相應(yīng)升高(圖10b)。PDO的發(fā)生也對(duì)應(yīng)絲路海區(qū)幾乎所有沿岸海域熱比容海平面的上升，如南海、澳大利亞珊瑚海、孟加拉灣和印度洋西部沿岸等海域(圖10c)。而IOD在印度洋的熱比容海平面變化中也呈現(xiàn)出東西反位相的相關(guān)分布，同時(shí)，IOD的發(fā)生主要對(duì)應(yīng)我國(guó)近海沿岸熱比容海平面的上升(圖10d)。值得注意的是，從相關(guān)性可以看出，海洋變率ENSO和IOD這些信號(hào)明顯的存在于相關(guān)分布中(圖10b,d)，它們或更容易通過(guò)熱力效應(yīng)引起水體的振蕩(海平面的升降)，而PDO的信號(hào)則比較弱，關(guān)聯(lián)性較不直接，也很可能說(shuō)明，前兩者的變化更容易與海洋上層的熱狀況相關(guān)聯(lián)，這對(duì)有關(guān)它們不同的發(fā)生機(jī)制、機(jī)理和聯(lián)系提供了一定的線(xiàn)索?？傊?，相比于全球平均狀況，地區(qū)的海洋熱力變化及熱比容效應(yīng)主要受到局地大尺度海洋和大氣變率的調(diào)控而呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域性特征。此外，這些變率對(duì)上層海洋熱比容海平面異常變化的疊加影響，可能會(huì)進(jìn)一步加劇全球變暖情形下的海平面上升，并極易使海岸帶和低洼地帶發(fā)生極端高水位事件，從而引起海水入侵和風(fēng)暴潮等災(zāi)害，對(duì)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)生活以及相關(guān)的管理(如水資源管理)帶來(lái)極大威脅[3-4]。

圖10 1955-2015年絲路海區(qū)上層(0～700 m)熱比容海平面異常變化與EASM(a),ENSO(b)，PDO(c)和IOD(d)的相關(guān)場(chǎng)Fig.10 The correlation field of the thermosteric sea level anomalies in 0-700 m upper ocean of SRMR with the EASM (a), ENSO (b), PDO (c), IOD (d) during 1955 to 2015

5 討論與結(jié)論

氣候變化背景下，全球海洋海平面上升主要由熱比容效應(yīng)引起，對(duì)于區(qū)域海洋和近海海域海平面變化，影響因素較多，時(shí)空變化不一。沿海極端高水位事件頻發(fā)，除了直接的比容效應(yīng)，還主要由潮汐以及風(fēng)強(qiáng)迫下海流、海洋波動(dòng)(如Rossby波等)、風(fēng)暴等動(dòng)力過(guò)程疊加引起[16-17]。而且，觀測(cè)和海洋再分析數(shù)據(jù)同樣表明，比容的時(shí)空變化特征也會(huì)因海洋大氣耦合系統(tǒng)以及海洋氣候變率(如風(fēng)系、ENSO、PDO等)的影響而發(fā)生改變。有分析發(fā)現(xiàn)，1993-2010年熱帶西太平洋高速率的海平面上升與東太平洋海平面的下降就對(duì)應(yīng)于熱帶中東太平洋信風(fēng)的增強(qiáng)[18]。而本文相關(guān)分析也表明，東亞季風(fēng)對(duì)東中國(guó)近海沿岸熱比容海平面的上升具有較大貢獻(xiàn)。特別近20年來(lái)，絲路海區(qū)熱比容效應(yīng)在海平面變化中貢獻(xiàn)較大。已有研究指出，南海由于熱通量的變化引起的上層熱比容海平面變化顯著[19]。衛(wèi)星資料分析發(fā)現(xiàn)，1993-2011年間的東海平均海平面和比容海平面平均增長(zhǎng)速率分別為每年3.3 mm和1.8 mm，比容海平面的貢獻(xiàn)達(dá)到55%[20]，而2003年前則高達(dá)64.5%，且總比容海平面的變化主要來(lái)自熱比容[21]。北太平洋1993—2006年比容海平面的線(xiàn)性上升速率為1.4 mm/a，比容變化對(duì)海平面上升速率的貢獻(xiàn)約為47.5%[22]。1993-2012太平洋和印度洋比容海平面也存在較強(qiáng)的上升趨勢(shì)，其中，熱比容對(duì)西太暖池海平面的長(zhǎng)期上升貢獻(xiàn)很大[23-24]。季節(jié)變化尺度上，特別是在北半球中緯度海區(qū)，熱膨脹引起的比容海平面變化占海平面變化的86%[25]；衛(wèi)星高度計(jì)和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)顯示，1993-2012年北印度洋沿海平均海平面上升速率約為3.2 mm/a[26]。根據(jù)本文統(tǒng)計(jì)估算，北印度洋0～700 m上層熱比容海平面上升對(duì)總海平面上升的貢獻(xiàn)至少約為50%?？傊z路海區(qū)海平面變化受熱比容效應(yīng)影響顯著。鑒于熱比容效應(yīng)在海平面變化中的重要作用，本文利用最新的海洋再分析數(shù)據(jù)，對(duì)絲路海區(qū)上層700 m海洋熱含量異常時(shí)空特征作了系統(tǒng)揭示，并進(jìn)一步分析和探討了熱比容海平面的異常變化及演變特征，得到的主要結(jié)論如下：

(1)在絲路海區(qū)，印度洋的熱含量變化較為一致，變化顯著區(qū)主要位于阿拉伯海及印度洋中部(東西向)一線(xiàn)，而太平洋則主要存在熱帶西太平洋暖池-北赤道流-東海黑潮流域和高緯度部分海區(qū)等顯著變化區(qū)，其中熱帶西太平洋暖池區(qū)熱含量變化基本與其他海區(qū)呈反位相變化，并主要受到季節(jié)和年際變化的調(diào)制，其中與局地的氣候變率如ENSO等密切相關(guān)。長(zhǎng)期變化上，西太平洋的北赤道流區(qū)及以北海域、東海黑潮流域和南海以及阿拉伯海具有長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)，而熱帶西太平洋暖池區(qū)整體增暖不明顯，特別是暖池區(qū)域南部海區(qū)。絲路海區(qū)海洋上層熱含量的改變引起了熱比容海平面相應(yīng)的變化。在全球變化及應(yīng)對(duì)研究中值得關(guān)注的是，包括長(zhǎng)江口附近沿岸、南海北部沿岸、中南半島南部沿岸以及阿拉伯海西北部沿岸的近岸海域長(zhǎng)期增暖明顯，對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)可能較大。特別是氣候變暖情形下，會(huì)對(duì)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)資源以及沿海地區(qū)港口、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等的防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。

(2)絲路海區(qū)熱比容海平面，尤其是熱帶西太平洋暖池區(qū)和印度洋中部海區(qū)熱比容海平面異常具有較明顯的季節(jié)演變特征，而自20世紀(jì)90年代中后期，中南半島東部和西部沿海、澳大利亞西部沿海以及我國(guó)近海沿岸熱比容海平面上升明顯。值得關(guān)注的是絲路海區(qū)近岸熱比容海平面的季節(jié)演變對(duì)沿海地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)造成一定影響。

(3)此外，由于東亞夏季風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向和路徑及引起的相關(guān)熱動(dòng)力過(guò)程變化(強(qiáng)風(fēng)速下的潛熱釋放和夏季風(fēng)影響下的黑潮熱輸送等)，其可能會(huì)引起印度洋北部海區(qū),包括阿拉伯海、孟加拉灣和南海及近岸海區(qū)熱比容海平面的下降，并可能造成中國(guó)東部近海熱比容海平面上升(顯著相關(guān))，同時(shí)，ENSO、PDO和IOD的發(fā)生也均可能與我國(guó)近海沿岸和印度洋西部沿海熱比容海平面上升存在相關(guān)，特別以ENSO和IOD較為明顯，相比于全球平均狀況，氣候變化背景下區(qū)域性海洋響應(yīng)和變化還主要受局地氣候變率的調(diào)控而呈現(xiàn)顯著的非均一性特征。

需要指出的是，由于觀測(cè)資料的限制，本文采用了最新的海洋再分析數(shù)據(jù)，對(duì)海洋上層熱含量和熱比容海平面的異常變化作了分析，以期為絲路海區(qū)上層海洋熱狀況及相應(yīng)熱比容海平面的氣候變化分析提供必要的更新，也為全球氣候變暖背景下區(qū)域海洋海平面變化和影響的危險(xiǎn)性分析評(píng)估以及風(fēng)險(xiǎn)管理和適應(yīng)決策提供必要的科學(xué)依據(jù)和科技支撐。鑒于再分析數(shù)據(jù)結(jié)果仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證，而進(jìn)一步加強(qiáng)地區(qū)性海洋觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，提高氣候模式對(duì)歷史海洋氣候變化的模擬水平[27]，是深入分析和研究海洋環(huán)境變化及氣候區(qū)域影響和適應(yīng)問(wèn)題的基礎(chǔ)。由于全球氣候變化的一致性和氣候變化區(qū)域響應(yīng)的非均一性[3]，近海和沿岸海平面的異常變化更為復(fù)雜，今后將綜合考慮各影響因素及貢獻(xiàn)，進(jìn)而能達(dá)到對(duì)海平面變化正確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提高海平面變化預(yù)估水平，提升海岸帶和沿海地區(qū)全球變化綜合風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力，為沿海和海岸帶的開(kāi)發(fā)和建設(shè)服務(wù)，為“21世紀(jì)海上絲綢之路”倡議實(shí)施和發(fā)展提供海洋環(huán)境安全保障服務(wù)和科技支撐。

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The variations of the upper ocean heat content and thermostatic sea level around 21st century Marine Silk Road

Qi Qinghua1, Cai Rongshuo1

(1.KeyLaboratoryofGlobalChangeandMarine-AtmosphericChemistry,ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361005,China)

Under the background of climatic warming, the global ocean temperature increased and the sea level rose significantly, imposing enormous challenges to the sustainable development of human society. The upper ocean heat condition is one of the dominant factors of sea level change. Focusing on the 21st century Silk Road Maritime Region (SRMR), the local spatial and temporal characteristics of the upper ocean heat content were analyzed, furthermore, the change and evolution characteristics of thermosteric sea level and associated impaction were discussed, in order to give the services supporting for marine environment security of “21st century Maritime Silk Road”. The analysis results show that, since the 1970s, the upper layer (0-700 m) ocean of SRMR began to warm obviously, and especially presented significant larger warming from the middle of 1990s. Recently 60 years, in tropical oceans of the SRMR, the North Equatorial Current and its north sea area in the western Pacific, the China seas including the north and the south of the South China Sea (SCS) and the Kuroshio valley in East China Sea, the northwest coastal waters in Arabian sea, the sea area of northwest of Malaysia and south part of the Indian Ocean had a long-term heating trend. The warming of the whole region of tropical western Pacific warm pool was not obvious, and presented mainly anti-phase change with the central Indian Ocean, which were modulated by seasonal and interannual variability. The coastal zones of the eastern China seas near the Changjiang River Estuary, the north of the SCS, the southern of Indo-China Peninsula, the northwestern of Arabian Sea had an obviously long-term warming. Since the middle of the 1990s, the thermosteric sea level in costal zones of the east and west of Indo-China Peninsula, the west of Australia and the China seas have rose obviously. The seasonal evolution of thermosteric sea level rising can cause a certain degree of impact on social and economic development in coastal zones. In addition, the East Asian summer monsoon was significantly associated with the thermosteric sea level rising in eastern China seas, at the same time, the ENSO, the PDO and the IOD also related distinctly to the thermosteric sea level rising in coastal zones in China seas and the western Indian Ocean. Particularly, in climate warming scenario, due to the synergy impaction of regional disaster-causing factors and climate variability, the social and economic development and the disaster prevention and mitigation in coastal zones in SRMR would be subject to huge challenges. The study of comprehensive risk of coastal zones by global change has become the top priority.

heat content in upper ocean; Pacific Ocean; Indian Ocean;sea level rising; steric effect; climate change

P731.11

A

0253-4193(2017)11-0037-12

齊慶華，蔡榕碩. 21世紀(jì)海上絲綢之路海洋上層熱含量及熱比容海平面異常變化[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(11):37-48,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.004

Qi Qinghua, Cai Rongshuo. The variations of the upper ocean heat content and thermostatic sea level around 21st century Maritime Silk Road[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(11):37-48, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.004

2016-07-16；

2017-04-26。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“全球變化及應(yīng)對(duì)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)(2017YFA0604901);中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金項(xiàng)目(2014112); 福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2017J01076)。

齊慶華(1978—), 男, 河北省保定市人，博士, 主要從事海陸氣相互作用與氣候、環(huán)境變化及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與對(duì)策研究。E-mail: qqh_2002@163.com