2002—2014年間基于海平面變化的海洋增暖趨勢研究*

李亞姣 徐永生①

(1.中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室 青島 266237)

2002—2014年間基于海平面變化的海洋增暖趨勢研究*

李亞姣1,2,3徐永生1,3①

(1.中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室 青島 266237)

21世紀(jì)以來全球變暖進(jìn)入停滯時期, 研究表明, 大量熱量進(jìn)入海洋深層是導(dǎo)致全球平均表面溫度暫緩上升的主要原因。本文估計和研究了2002.4—2014.12間由熱膨脹導(dǎo)致的海平面變化趨勢,以此來探測海洋熱含量的變化情況。研究使用GRACE重力衛(wèi)星CSR RL05數(shù)據(jù)計算了全球海洋的水質(zhì)量變化, 并結(jié)合海平面異常數(shù)據(jù), 計算了由熱量變化導(dǎo)致的海平面變化(Net SLA)。將Net SLA與Ishii溫度數(shù)據(jù)計算的海洋熱含量進(jìn)行相關(guān)性分析后表明, Net SLA與海洋熱含量存在高度相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)最大值達(dá)0.95?？紤]到海洋觀測只能表現(xiàn)海洋上層2000m的熱含量變化, 而除去水質(zhì)量變化的海平面變化則反映了整層海洋的熱含量變化, 是估計海洋增暖趨勢快慢的有利工具。經(jīng)計算得出, 2002至2014年間南太平洋和南印度洋存在加速增暖趨勢, 而近年來南半球環(huán)狀模的增強(qiáng)是導(dǎo)致其增暖的主要原因。

GRACE衛(wèi)星; 海平面; 熱含量; 南半球環(huán)狀模

自工業(yè)革命以來, 人類活動產(chǎn)生的溫室氣體迅速增加, 全球地表溫度呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢, 全球氣候變暖已經(jīng)成為社會迫切關(guān)注的問題。然而21世紀(jì)以來, 全球變暖卻出現(xiàn)停滯現(xiàn)象(Easterlinget al, 2009;Knightet al, 2009), 政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次評估報告(IPCC AR5)明確指出, 1951—2012年全球平均表面溫度上升趨勢為 0.12°C/10a, 而1998—2012年全球平均表面溫度上升趨勢卻降低為0.05°C/10a。針對此次變暖停滯現(xiàn)象, 科學(xué)家們做了大量研究并提出諸多觀點, 例如: 大量熱量從大氣進(jìn)入海洋, 海洋儲熱不斷增加(Katsmanet al, 2011;Meehlet al, 2011), 暫緩了全球平均表面溫度的上升;大氣層水汽和氣溶膠含量的改變, 引起全球變暖停滯現(xiàn)象(Solomonet al, 2010; Solomonet al, 2011); 熱帶中東太平洋表層水變冷, 是全球變暖停滯的主要原因(Kosakaet al, 2013)。雖然關(guān)于全球變暖停滯產(chǎn)生的原因有許多不同的觀點, 但達(dá)成共識的是, 海洋的儲熱量增加是引起全球變暖停滯的主要原因。因此近年來, 海洋熱含量的變化和分布成為海洋學(xué)家、氣候?qū)W家的熱點研究問題(Meehlet al, 2011; Kosakaet al, 2013; Chenet al, 2014)。Meehl等(2011)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn), 全球增暖停滯期間, 在大氣頂層(TOA)吸收凈能量通量為 1W/m2的條件下, 更多熱量進(jìn)入大西洋和南大洋750m以下, 印度洋和太平洋則是300m以下儲存更多熱量。Chen等人2014年使用基于觀測的海洋再分析數(shù)據(jù)(Ishii數(shù)據(jù)), 對全球海洋不同深度的熱含量進(jìn)行了時間序列分析, 分析結(jié)果表明, 熱量主要儲存在大西洋和南大洋, 且海洋深層儲存了更多熱量, 由此導(dǎo)致了全球變暖停滯現(xiàn)象。

然而, 海洋觀測數(shù)據(jù)或基于觀測的再分析數(shù)據(jù),僅限于很好的表現(xiàn)海洋上層 2000m的溫度變化, 對于海洋2000m以下的深層, 溫度觀測數(shù)據(jù)比較缺乏。已有研究認(rèn)為(Purkeyet al, 2010), 海洋深層溫度變化雖然小于海洋上層, 卻占據(jù)了大量的體積(2000m以下50%), 其儲存的熱量不可小覷。因此, 采用溫度分層數(shù)據(jù)研究海洋熱含量變化時, 會忽略深層海洋熱量變化帶來的影響, 而2002年GRACE重力衛(wèi)星的發(fā)射, 為研究學(xué)者們提供了新的研究思路(Wahret al,1998; Tapleyet al, 2004; Swensonet al, 2006)。近年來, 許多研究應(yīng)用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)估計了海洋深層的熱量變化(Songet al, 2011; Llovelet al, 2014)。因此, 本文為了評估整層海洋的熱量變化趨勢, 從分析溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向分析衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。眾所周知, 全球氣候變暖的一個主要結(jié)果是海平面的升高趨勢, 而海平面的變化包含冰蓋、冰川融化導(dǎo)致的水質(zhì)量變化和海水增暖熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的海平面上升變化(Cazenaveet al, 2008)。因此, 估計出海水質(zhì)量變化,再從海平面變化里除去水質(zhì)量變化, 得出熱膨脹效應(yīng)部分, 即可估計出海洋不同海域的增暖變化情況。自 1993年以來, 法國 AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic)提供了高精度的、連續(xù)的海平面高度異常(SLA)數(shù)據(jù), 這使得監(jiān)測和研究全球海平面變化趨勢成為可能(Neren,1995)。而 2002年發(fā)射的 GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力衛(wèi)星, 使得估計全球海水質(zhì)量變化成為可能。本文將結(jié)合這兩組衛(wèi)星數(shù)據(jù),計算由熱膨脹導(dǎo)致的海平面變化部分, 以此估計不同海域的增暖趨勢。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用德克薩斯大學(xué)空間研究中心(CSR)發(fā)布的 GRACE RL05球諧系數(shù)來估計海水質(zhì)量變化, 該數(shù)據(jù)的空間分辨率和精度都比RL04版本更高, 且扣除了潮汐及非潮汐的大氣和海洋質(zhì)量變化的影響。數(shù)據(jù)的時間范圍為 2002.4—2014.12, 該數(shù)據(jù)獲取自ftp://podaac.jpl.nasa.gov/allData/grace/L2/CSR/RL05/。海平面高度異常(SLA)采用法國 AVISO發(fā)布的月平均數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.5°×0.5°, 時間范圍為1993—2014年, 該數(shù)據(jù)獲取自 http://www.aviso.altimetry.fr/duacs/。溫度數(shù)據(jù)采用 Ishii數(shù)據(jù)(Ishiiet al,2005;Ishiiet al,2006), 該數(shù)據(jù)為海洋上層1500m, 共24層的溫度分層數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)的空間分辨率 1°×1°, 時間范圍為 1945—2012年, 為方便計算和比較, 本文選取2002.4—2012.12時間段的數(shù)據(jù)。風(fēng)場數(shù)據(jù)采用ECMWF ERA—Interim月平均數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)的空間分辨率為 1°×1°, 時間范圍為 1980—2014年, 該數(shù)據(jù)獲取自 http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-moda。

1.2 GRACE基本理論

Wahr等于1998年提出了用GRACE時變重力場模型反演地球表面密度的公式(Wahret al, 1998), 進(jìn)行高斯濾波后除以海水密度, 可得出以等效水柱高表示的海水質(zhì)量變化:

其中, 變量含義如表1所示。

表1 GRACE公式變量名及其含義Tab.1 Variables and their definition of GRACE formula

1.3 GRACE數(shù)據(jù)反演水質(zhì)量變化矯正過程

1.3.1 高斯濾波 利用 GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演重力場的誤差會隨著頻率的增大而增大, 因此需要進(jìn)行空間低通濾波, 濾掉高階系數(shù)帶來的誤差。目前常用的空間濾波方法有高斯濾波(Wahret al, 1998)、扇形濾波(Zhanget al, 2009)。扇形濾波是對重力場模型的階系數(shù)與次系數(shù)都進(jìn)行平滑, 高斯濾波僅對階系數(shù)進(jìn)行平滑, 令低階項取較大權(quán)重, 高階項取較小權(quán)重, 以此來減小高階項帶來的誤差。本文采取400km高斯濾波, 已經(jīng)可以很好的達(dá)到保持信號及削弱誤差的目的。高斯濾波函數(shù)的迭代關(guān)系如下:

1.3.2 去相關(guān)誤差濾波及其他矯正 由于目前由球諧系數(shù)反演的地球時變重力場結(jié)果中表現(xiàn)出嚴(yán)重的南北條帶誤差, Swenson等(2006)提出了能夠有效濾掉南北條帶誤差的去相關(guān)誤差濾波算法, 稱為PnMm方法: 前m×m階的球諧系數(shù)保持不變, 當(dāng)次數(shù)大于等于m時, 分別對奇偶項球諧系數(shù)ΔClm進(jìn)行n次多項式擬合:, 其中l(wèi)為階數(shù),a0、a1、a2、an為擬合系數(shù), 其相關(guān)誤差即為多項式的擬合值, 從原球諧系數(shù)中扣除該擬合值, 可濾掉南北條帶誤差, 同理可對ΔSlm進(jìn)行去相關(guān)濾波,本文采取P5M6方法進(jìn)行去相關(guān)誤差濾波。

除了去相關(guān)誤差濾波外, 本文還進(jìn)行了其他矯正以達(dá)到更高的求解質(zhì)量, 主要有: 將原C20系數(shù)替換為由Satellite Laser Ranging(SLR)提供的C20系數(shù),該系數(shù)精度比CSR提供的C20系數(shù)有較大提升。此外, 由于冰期撬后回彈(GIA)是影響 GRACE時變重力場模型的重要因素, 對于質(zhì)量變化的長期趨勢有較大影響。本文采取 Geruo等人反演的 GIA模型(Geruoet al, 2013)對水質(zhì)量變化進(jìn)行矯正。

1.4 熱膨脹導(dǎo)致的海平面異常

海平面高度異常(SLA)是海平面變化相對于一個多年海平面高度平均態(tài)的變化值, 該變化值由兩部分組成: 海水質(zhì)量變化和海水熱膨脹導(dǎo)致的變化。因此, 計算出海水質(zhì)量變化后, 再從海平面高度異常數(shù)據(jù)中減去水質(zhì)量變化, 即可得到海水熱膨脹導(dǎo)致的海平面變化, 為便于說明, 本文簡記為Net SLA。

2 結(jié)果與分析

2.1 Net SLA與OHC數(shù)據(jù)比較

計算由熱膨脹導(dǎo)致的海平面變化時, 本文假設(shè)海水鹽度變化引起的海平面變化, 相對于溫度變化引起的海平面變化可以忽略(Antonovet al, 2002;Ishiiet al, 2006), 此前許多研究也使用了這一假設(shè)(Cazenaveet al, 2008; Llovelet al, 2014)。為比較熱膨脹導(dǎo)致的海平面變化(Net SLA)與海洋熱含量(OHC)的相關(guān)性, 本文利用 Ishii數(shù)據(jù)計算了海洋上層1500m的OHC, 并計算了Net SLA與OHC的相關(guān)系數(shù)。如圖1所示, 在全球各網(wǎng)格點上, Net SLA與OHC有很好的正相關(guān)關(guān)系, 除南大洋區(qū)域外, 各網(wǎng)格點均有較高的相關(guān)系數(shù), 相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.6—0.95。此外,我們還選取了3個具有代表性的5°×5°區(qū)域做進(jìn)一步比較, 由于海平面變化與海洋熱含量量級相差較大,為便于比較, 將兩組數(shù)據(jù)分別映射到(0, 1)區(qū)間, 映射為y=(x–xmin)/(xmax–xmin), 其中x代表原始變量,y為映射之后的變量。

圖1 Net SLA與1500mOHC的相關(guān)性Fig.1 Correlation of Net SLA and 1500m OHC

圖2 Net SLA與OHC標(biāo)準(zhǔn)化時間序列比較Fig.2 The comparison between standardized time series of Net SLA and OHC

由圖2可見, Net SLA與OHC表現(xiàn)出一致的振蕩周期和變化趨勢, 且有很高的相關(guān)性。其中, a、b區(qū)域相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.94左右, c區(qū)域相關(guān)性略低, 為 0.7,但仍然屬于高度相關(guān)。c區(qū)域的相關(guān)性不如a、b區(qū)域高的原因主要是, 與c區(qū)域所在的南大洋相比, 北半球和熱帶海域的海洋觀測布放較早, 覆蓋面較密集,觀測數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性較高, 因此由溫度數(shù)據(jù)計算的OHC與Net SLA的相關(guān)性較高。而c區(qū)域所在的南大洋直到2005年才有比較完整的海洋觀測系統(tǒng),由圖1c也可見, 2005年之后的相關(guān)性相比2005年之前有一定改善。另一方面, 由于觀測儀器的限制, Ishii數(shù)據(jù)計算的OHC只反映了海洋上層1500m的熱含量,而熱膨脹引起的海平面變化卻是整層OHC變化的綜合結(jié)果。由此, 基于高度計和GRACE重力衛(wèi)星計算的Net SLA可以很好的表現(xiàn)整層海洋的熱含量變化。

2.2 熱量變化結(jié)果分析

SLA的變化趨勢可以反映海洋的增暖或變冷趨勢, 法國AVISO、美國NASA等一些研究機(jī)構(gòu)也定期更新SLA的變化趨勢。如圖3a所示, 在1993—2014年, 海平面有顯著上升趨勢的區(qū)域集中在赤道西太平洋和赤道大西洋、南印度洋、南太平洋、南大洋區(qū)域。由于高度計觀測的海平面變化包含水質(zhì)量變化的信號, 因此, SLA趨勢還不足以代表這些區(qū)域的增暖趨勢。根據(jù)GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時間長度, 圖3b給出了2002—2014年，海平面上升趨勢的空間分布，可見，在21世紀(jì)以來，海平面上升趨勢有了明顯增強(qiáng)。在扣除水質(zhì)量變化信號后, 得出由熱膨脹導(dǎo)致的海平面異常變化趨勢。如圖 3c所示, 在 2002.4—2014.12, 由熱膨脹導(dǎo)致的海平面顯著上升區(qū)域集中在南太平洋、南印度洋和西南極, 而熱帶中東太平洋和南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current, ACC)區(qū)域則顯示出一定的負(fù)趨勢。熱帶中東太平洋的變冷趨勢和熱帶西太平洋的變暖趨勢則形成了類似La Ni?a的現(xiàn)象。有研究認(rèn)為(Kosakaet al, 2013; Englandet al,2014), 此現(xiàn)象可能是近年來全球變暖停滯的原因,赤道東風(fēng)增強(qiáng)會導(dǎo)致赤道區(qū)域向兩極的 Ekman輻散增強(qiáng), 由此使得次表層相對冷的水上翻, 達(dá)到冷卻海面的作用, 同時使得海洋內(nèi)部的吸熱能力加強(qiáng)。從圖3b中可以明顯看到, 南半球海洋顯示出明顯的增暖趨勢, 主要表現(xiàn)為南太平洋和南印度洋的顯著增暖,其大面積的增暖趨勢達(dá) 5mm/a左右, 一些小范圍區(qū)域達(dá)8mm/a左右。與南太平洋和南印度相比, 南大西洋的增暖趨勢則較弱, 其顯著增暖區(qū)域主要集中在高緯度海域。通過計算由熱膨脹導(dǎo)致的海平面變化趨勢可以看到, 在全球增暖停滯時期, 熱量主要加速進(jìn)入南太平洋和南印度洋。

在圖 3c中, 除南太平洋和南印度洋的顯著增暖趨勢外, 赤道中東太平洋顯示出顯著的變冷趨勢, 南大洋的ACC區(qū)域也顯示出變冷趨勢。ACC環(huán)流是在強(qiáng)勁西風(fēng)的作用下, 自西向東流動的構(gòu)成環(huán)繞南極的環(huán)流體系。受科氏力作用, ACC環(huán)流區(qū)會產(chǎn)生向北的 Ekman輸送, 這使得南半球高緯度海洋的深層冷水上翻至海表面, 并隨著Ekman漂流向北輸送。與赤道中東太平洋的變冷趨勢的物理機(jī)制一致(Englandet al, 2014), ACC區(qū)域變冷趨勢的一個可能原因是驅(qū)動ACC環(huán)流的西風(fēng)出現(xiàn)異常。增強(qiáng)的西風(fēng)使得向北的Ekman輸送增強(qiáng), 進(jìn)一步使得冷水上翻增強(qiáng), 而向北輸送的南極深層冷水可進(jìn)一步增強(qiáng)海洋內(nèi)部的吸熱作用, 從而導(dǎo)致海洋的增暖。除經(jīng)向海水輸送的增強(qiáng)外, 南太平洋和南印度洋的大面積增暖也與風(fēng)生環(huán)流的增強(qiáng)有關(guān), 因此南半球海洋顯著增暖和ACC環(huán)流區(qū)的變冷很可能是受南半球緯向風(fēng)場的異常所驅(qū)動。

圖3 海平面高度異常(a)、(b)和熱膨脹導(dǎo)致的海平面高度異常(c)趨勢分布Fig.3 Trenddistribution of sea level anomaly(a), quality change of sea water(b)and sea level anomaly caused by thermal expansion(c)

南半球環(huán)狀模(Southern Annular Mode, SAM)是一個非常重要的氣候模態(tài), 它表征南半球中緯度和高緯度之間大氣質(zhì)量的“蹺蹺板”現(xiàn)象, 對南半球的海氣系統(tǒng)和氣候系統(tǒng)有顯著影響。當(dāng)SAM處于正位相時, 高緯度西風(fēng)呈增強(qiáng)趨勢, 中緯度西風(fēng)呈減弱趨勢(Marshallet al, 2003), 反之, 當(dāng)SAM處于負(fù)位相時, 高緯度西風(fēng)呈減弱趨勢, 中緯度西風(fēng)呈增強(qiáng)趨勢(李曉峰, 2015)。21世紀(jì)以來, 在全球變暖的大背景下, 南半球環(huán)狀模表現(xiàn)出顯著的上升趨勢。這種趨勢主要歸因為南極平流層臭氧的損耗(Thompsonet al,2002; Marshallet al, 2004), 同時, 溫室氣體的增長也是造成南半球環(huán)狀模增強(qiáng)的原因之一(Zhenget al,2013)。大量研究表明, 南半球環(huán)狀模對南半球?！獨怦詈线^程有重要影響, 從而影響南半球的氣候變化(鄭菲等, 2014)。圖4為1957年至2015年SAM指數(shù)的時間序列, 如圖所示, SAM指數(shù)存在高頻振蕩周期和低頻振蕩周期。從年代際變化來看, SAM指數(shù)從負(fù)位相(1957—1995)逐漸轉(zhuǎn)向正位相(1995—2015), 且自2002年以來, SAM正位相存在增強(qiáng)趨勢, 表明在此期間, 南半球高低緯度的緯向西風(fēng)帶存在異常。

如圖5a所示, 在 1980—2010年30年氣候平均態(tài)上, 南半球緯向風(fēng)場主要表現(xiàn)為低緯度的東風(fēng)、中緯度的西風(fēng)和高緯度的強(qiáng)西風(fēng)。如圖 5b所示, 在2002—2014年SAM處于正位相時, 南半球緯向風(fēng)場存在明顯異常, 具體表現(xiàn)為高緯度40°—65°S的西風(fēng)增強(qiáng)和中緯度30°—40°S的西風(fēng)減弱, 并且伴隨著西風(fēng)經(jīng)向梯度的增強(qiáng)。此外, 低緯度 15°N—30°S海域的東風(fēng)也存在顯著增強(qiáng), 這三者的綜合作用, 使南半球中緯度風(fēng)生環(huán)流區(qū)的風(fēng)應(yīng)力旋度增強(qiáng)。

圖4 SAM指數(shù)時間序列Fig.4 Time series of SAM index

圖5 1980—2010年緯向風(fēng)場氣候態(tài)平均值(a)和2002—2014年緯向風(fēng)場異常值(b)Fig.5 Climatological mean of zonal wind in 1980—2010(a)and anomaly of zonal wind in 2002—2014 (b)

3 討論

SAM 作為影響南半球海洋氣候的重要模態(tài), 近20年來由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相, 并且正位相自2002年至今處于增強(qiáng)趨勢。中高緯度西風(fēng)異常加上低緯度東風(fēng)的異常, 將從諸多方面作用于南半球海洋, 使之增暖趨勢加強(qiáng)。具體表現(xiàn)為: 低緯度地區(qū)東風(fēng)增強(qiáng), 赤道Ekman輻散增強(qiáng), 冷水上翻, 南半球低緯度上翻的冷水隨 Ekman漂流向南輸運, 輸運過程中海洋吸收的凈熱通量增強(qiáng), 同時南太平洋的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流增強(qiáng),這使得南太平洋儲存的熱量增加(Meehlet al, 2011;Englandet al,2014); 另一方面, ACC環(huán)流區(qū)西風(fēng)增強(qiáng),受科氏力作用, 向北的Ekman輸送增強(qiáng), 高緯度深層冷水上翻增強(qiáng), 冷水隨著Ekman漂流向北輸運, 輸運過程中增強(qiáng)海洋凈熱通量的吸收, 將更多表層熱量帶至海洋深層(Lefebvreet al, 2004; Guptaet al, 2006);此外, 驅(qū)動海洋內(nèi)部風(fēng)生環(huán)流的風(fēng)應(yīng)力旋度隨著SAM 增強(qiáng)而增強(qiáng), 使得大洋環(huán)流加速, 溫躍層深度變深, 海洋變暖(Cai, 2006), 同時, 增強(qiáng)的西邊界流將更多暖水輸送至南半球海域, 造成海洋進(jìn)一步增暖(Wuet al, 2012); 此外, 赤道西太平洋暖池的增暖也將導(dǎo)致印尼貫穿流的增強(qiáng), 進(jìn)一步將更多暖水輸送至印度洋。因此, 在 SAM 正位相的調(diào)控下, 這幾者的共同作用導(dǎo)致了南半球海洋的加速增暖。

為了進(jìn)一步驗證SAM正位相增強(qiáng)與南半球海洋加速增暖的關(guān)系, 本文隨機(jī)選取了10個6°×6°區(qū)域進(jìn)行相關(guān)性分析。如表2所示, 在南太平洋和南印度洋的增暖區(qū)域, SAM指數(shù)與Net SLA有0.7以上相關(guān)性, 南大西洋相關(guān)性較低, 為0.2左右; 反之, 赤道東太平洋和ACC環(huán)流的冷水上翻區(qū)則與SAM呈0.7左右的負(fù)相關(guān)。圖 6更加全面地給出了南半球海洋各網(wǎng)格點的相關(guān)系數(shù), 如圖所示, 南半球海洋的增暖區(qū)域與 SAM 指數(shù)有很好的正相關(guān)關(guān)系, 而南半球海洋的變冷區(qū)域則與 SAM指數(shù)有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此, 南半球環(huán)狀模的增強(qiáng)與南半球海洋的增暖是相對應(yīng)的, 南半球環(huán)狀模的正位相增強(qiáng)可以引起南半球西風(fēng)強(qiáng)度和經(jīng)向熱輸送的改變, 導(dǎo)致海洋的增暖。結(jié)果表明, 除南大洋部分區(qū)域外, 各網(wǎng)格點均有很高的正相關(guān)關(guān)系, 這表明, Net SLA可以很好的代表海洋整層熱含量的變化情況。進(jìn)一步的, 計算了南半球Net SLA的趨勢分布, 趨勢的空間分布表明, 南半球的南太平洋、南印度洋和西南極海域存在較快的增暖趨勢。南半球環(huán)狀模作為影響南半球氣候變化的主要模態(tài), 近 20年來處于正位相增強(qiáng)趨勢, 增強(qiáng)的南半球環(huán)狀模使得南半球緯向風(fēng)場有較大改變, 從而通

表2 SAM指數(shù)與Net SLA的相關(guān)性檢驗Tab.2 Correlation of SAM index and Net SLA

圖6 Net SLA與SAM指數(shù)的相關(guān)性Fig.6 Correlation of Net SLA and SAM index

4 結(jié)論

本文為研究全球變暖停滯期間海洋的增暖趨勢,從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)入手, 采用衛(wèi)星高度計和GRACE重力衛(wèi)星反演水質(zhì)量變化相結(jié)合的方法, 從海平面高度異常中扣除了水質(zhì)量變化的部分, 得到由熱膨脹導(dǎo)致的海平面高度變化部分(Net SLA)。將 Net SLA與Ishii數(shù)據(jù)計算的海洋上層1500m熱含量進(jìn)行對比,過對海洋環(huán)流的調(diào)控, 海洋表面熱通量的改變, 經(jīng)向熱輸送等多方面影響南半球海洋。Net SLA與 SAM指數(shù)的相關(guān)性分析表明, 南半球海洋的增暖區(qū)域與SAM 指數(shù)有很好的正相關(guān)關(guān)系, 而南半球海洋的小部分變冷區(qū)域則與SAM指數(shù)有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明, 在全球變暖停滯時期, 南半球海洋的這一增暖趨勢是受南半球環(huán)狀模的調(diào)控作用。因此, 南半球環(huán)狀模的正位相增強(qiáng)趨勢導(dǎo)致的熱量加速進(jìn)入南半球海域, 可能是導(dǎo)致全球增暖停滯的原因之一。

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THE STUDY OF OCEAN WARMING TREND BASED ON SEA LEVEL CHANGE IN 2002—2014

LI Ya-Jiao1,2,3, XU Yong-Sheng1,3
(1.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao266071,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China; 3.Laboratory for Ocean and Climate Dynamics,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao266237,China)

Since the 21th century, global warming has turned into hiatus.Studies have shown that large amounts of heat sank into deeper ocean, which led to the global average surface temperature keeping constant.In order to detect the changes of ocean heat content, we estimated and studied the sea level anomaly caused by thermal expansion in the period of 2002.4—2012.12.In this paper, we used GRACE CSR RL05 data to calculate the ocean mass change.Combining the SLA data and ocean mass change, we calculated the thermal expansion component of sea level anomaly (Net SLA).The correlation analysis between ocean heat content and Net SLA shows a high correlation, the maximum correlation coefficient is 0.95.Considering that ocean observations could only represent the upper 2000m ocean heat content, whereas Net SLA can reflects the change in whole ocean column; therefore, Net SLA is a good tool to estimate the trend of ocean warming.We found that, South Pacific and South Indian have an enhanced warming trend from 2002 to 2014.And the enhancement of Southern Annual Mode in recent 20 years is the main reason for the Southern Hemisphere Ocean warming.

GRACE satellite; sea level; ocean heat content; SAM

P732

10.11693/hyhz20170100008

* 國家自然科學(xué)基金項目, 41676168號, 41376028號; 國家重點研發(fā)計劃項目, 2016YFC1401004號, 2016YFC1401008號; 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目, 2013CB956202號; 國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目, 41421005號; 國家自然科學(xué)基金-山東省-海洋科學(xué)研究中心聯(lián)合資助項目, U1406401號; 遙感科學(xué)國家重點實驗室開放研究基金項目, OFSLRSS201504號; 青島市創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃項目, 13-CX-26號; 山東省自然科學(xué)基金項目, ZR2014DQ027號。李亞姣, 碩士研究生, E-mail:liyajiao92@163.com

① 通訊作者: 徐永生, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: yongsheng.xu@qdio.ac.cn

2017-01-11, 收修改稿日期: 2017-03-27