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海洋角度分析全球气候变暖停滞原因

时间:2022-11-06 11:38:11

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海洋角度分析全球气候变暖停滞原因

引言

全球气候变暖的背景下,实测资料表明在1998-全球表面温度出现一个放缓停滞的现象。这一现象引起国内外学者的对全球气候变化讨论的热潮,尤其是对其成因有很大的争议。地球上绝大部分热量存储在海洋中,因此海洋在气候系统中扮演重要的角色。在已有大量研究工作的基础上,本文主要从海洋角度总结全球气候变暖停滞的原因。

1 全球气候变暖停滞的事实

讨论全球气候变暖停滞之前首先要弄清楚在过去一百多年来,标准是如何评判全球气候处于变暖状态。只有知道如何判断气候变暖,才有标准来判断气候变暖停滞的现象。从海洋角度来看,衡量全球气候变暖的因子主要包括海表面温度、海洋热含量、海平面高度。图1给出衡量全球变暖观测的指标随时间的变化序列。蓝线代表海洋表面年平均温度距平曲线,草绿色代表海洋上层800m的热含量。图中最下方是每9年温度变化趋势的滑动值。从图中可见,1960年到1997年海表面温度与上层海洋热含量有上升趋势;1998年到,海表面温度与上层海洋热含量有下降趋势。从图中定性可以得出,在1998年到,海洋的确有变暖停滞的事实(Met office, )。

为定量的描述结果,根据HadCRUT3资料,图2表明,1999-年平均温度增量为0.070.07°C/10a,显著低于1979-的0.18°C/10a。通过对ENSO信号处理,得出ENSO在1999-对全球变暖贡献为0.080.07°C/10a,移除ENSO贡献,全球温度变化为0.000.05°C/10a(Knight, ; Gibert, )。因此,从定量上也可以证实,过滤掉气候系统内部变率对气候系统的扰动,气候变暖在此阶段的确出现停滞的事实。

2 海洋在全球气候变暖停滞中扮演的角色

研究学者认为,气候变暖停滞与海气系统的自然变率有关,如太平洋年代际振荡(PDO)、ENSO、热量向深海传输、北大西洋经向翻转环流(AMOC)、南大洋底层水(AABW)和北大西洋涛动(NAO)等相关(Meel, ; Tollefson, . Brix, ; Rahmstorf, ; Chen, )。本文主要从PDO、ENSO与热量传输角度分析。

2.1 太平洋年代际振荡

太平洋年代际振荡( PDO) ,尤其是赤道中东太平洋的变冷是导致此次气候变暖停滞的主要原因。图3给出19到全球表面温度距平与PDO指数相对应的时间序列,表明当PDO处于暖位相时,全球表面温度距平为上升趋势;当PDO处于负位相时,全球表面温度距平处于放缓停滞状态。1998年至期间,恰好PDO总体进入一个负的位相,在此阶段也就意味着,全球变暖进入一个放缓停滞状态(Tollefson, )。

通过模式分析,图4显示在停滞期间,热带太平洋地区有明显的负趋势,而在南北纬30°~40°的太平洋和大西洋海区则是明显的正趋势。这种海温分布模态正好与典型的PDO的负位相类似。即赤道中东太平洋海表温度为负距平,而在中纬度中西太平洋则为正距平(Meehl, )。该模式结果给出了8个明显的停滞时期与非停滞时期的比较,在8个全球平均地表温度有轻微负趋势的停滞时期中,300m以上的海洋吸收热量显著减少,而300m以下的海洋明显吸收了更多热量。因此,很有可能在停滞期间,由于内部变率的原因使得热量向海洋下层输送。

2.2 ENSO

ENSO是海气系统之间相互作用最完美的一个例子,赤道东西太平洋海表面压强与温度异常的现象与全球气候状态间存在很强的相关性关系。图5中橘黄色为El Nino事件,天蓝色为La Nina事件,给出全球平均表面温度距平的极值与El Nino和La Nina事件之间的关系。表明在El Nino发生时,全球表面温度距平一般对应极大值,而在La Nina事件发生时,全球温度距平一般对应极小值。所以,El Nino和La Nina与全球平均气温具有很强的相关关系,在年际尺度变化上ENSO能够解释全球表面温度的短期波动范围可达0.39℃(Trenberth, )。图6是对数据进一步处理,移除ENSO信号后,得出1970年以后全球平均气温表现出线性增加的结果(Gilbert, )。同时观测结果也给出一个很好的佐证,图7为太平洋在过去海气环流与海洋中温度趋势的一个趋势图。97-98年超强El Nino事件发生后,大量的热量从海洋被输送至大气中,因此赤道太平洋进入一个持续很久的低温状态,此时的海洋就相当于一个巨大的冷源,抑制了全球变暖的速率,使得全球表面温度进入一个放缓停滞状态。

2.3 热量向深海传输

海洋是地球上最大的能量存储体,1955年-0-2000m深海水的热含量增加了,这相当于水温上升0.09°C,如果把这个热量加热大气,大气温度降上升36°C(Levitus, )。正因如此,若是有某种过程使得大气中的热量向深海输送,那么深海吸收的热量可能是导致气候变暖停滞的最主要原因。

通过对各种深海热含量(OHC)观测资料整理,发现进入深海中的热量有明显上升的趋势。图8给出大西洋在1985-1998、1998-两个时间段内热含量的变化趋势(Chen, )。可以看出在全球变暖上升期间大西洋OHC明显小于全球变暖停滞期间的OHC,在1999—间,大气中热量急剧向1500m的大西洋深海输送,热含量为正异常。在停滞期间深海OHC主要发生在大西洋和南大洋深海区域,而对于太平洋,并没有显著上升趋势。那究竟是什么原因使得大量的大气热量向深海传输呢?图9为Chen通过分析大洋的盐度给出了直观的解释。表明:在20 世纪50 年代至70 年代,盐度为正异常,与此相对应的大西洋OHC也为正异常,恰好对应全球变暖停滞阶段;在20 世纪70 年代至20 世纪末,盐度为负异常,相对应的大西洋OHC也为负异常,对应全球温度迅速增加阶段;1999年到盐度变成正异常,说明有大量的热量向深海传送,从而全球变暖进入相对停滞阶段。北大西洋副极地盐度的正异常是引起热量向深层输送的直接原因。正异常的盐度扰动导致垂直密度差异,进而引起垂直对流,热量向深层输送。

3 总结

全球气候变暖存在停滞现象的说法是没问题的,但要注意以下事实。

1)全球变暖停滞期间,温度本身的值仍然是很高的。因为,温度并没有剧烈的下降,2000年代,平均温度距平是1850年观测以来最高的,而-又是达到有史记录以来最高值。

2)深层海洋热含量仍在增加,海平面仍在上升,北极海冰减少速度仍在增加,南极与格陵兰冰盖的减少均在继续,这与变暖停滞并不存在矛盾,因为整个气候系统仍处于温暖状态。

3)1998到出现的变暖停滞现象并不唯一,20世纪中1900年代与1960年代都出现温度的负距平即气候变暖停滞。

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