海洋在气候系统中的作用

学术论坛中国科技纵横ChinaScience&Technology2672010NO.24海洋在气候系统中的作用马浩1,2忠辉3*1中国海洋大学物理海洋实验室山东青岛266100;2中国海洋大学海洋-大气相互作用与气候实验室山东青岛266100;3国家海洋局北海预报中心山东青岛266033【摘要】海洋是气候系统的重要组成部分。从海洋对全球气候的调制和海洋对各种时间尺度气候变率的贡献两个方面，梳理了海洋动力学过程在气候系统中的作用，并对全球变暖背景下与海洋动力学有关的关键科学问题进行了展望。【关键词】海洋气候海-气相互作用海洋覆盖了地球表面积的71%，储存着97%的水资源，是气候系统的关键组成部分之一。海洋是地球气候系统最有力和最直接的调节器，对气候平均态的形成和各种尺度的气候变率都发挥着显著的调制作用，特别是在当前全球变暖的气候背景下，由于海洋对温室气体有着显著的吸收作用而在很大程度上减缓了全球变暖，海洋在全球变暖中的作用已经成为全球变化研究的中心议题之一。了解气候系统，必须了解海洋，对海洋环流演变规律的把握是理解气候变异的一把金钥匙。随着观测资料的不断积累、数值模式的不断改进和海-气相互作用研究的不断深入，人们对海洋在气候系统中作用的认识也不断加深，得到了许多重要的知见，丰富了气候动力学的内涵。1、海洋在气候系统中的作用概述全球海洋吸收的太阳辐射量约占进入地球大气层顶的总辐射量的70%左右，其中约有85%被贮存在混合层中，以长波辐射、感热和潜热交换等形式传递给大气，有力地驱动了大气环流，因此，海洋尤其是热带海洋，是大气运动的重要热源。同时，海洋环流在很大程度上维持着地球气候系统的能量平衡。由于太阳辐射存在纬度间差异，热带和两极分别存在辐射盈余和辐射亏损，为保持整个系统的能量平衡，在低纬与高纬之间，必须存在强的经向能量输送。以往人们认为，这种输送主要通过大气过程即Hadley环流来实现；现在的研究表明：海洋的极向热输送约占海气耦合系统中极向热输送的50%，其作用并不亚于大气。海洋经向环流将低纬的热量源源不断地向高纬输送，在当前气候系统中，大西洋经向翻转环流（AtlanticMeridionalOverturningCirculation,AMOC）是主要的热输送器，AMOC贯通南北大西洋，在海洋表层将热量自南向北输运，热量在盛行西风带的平流作用下向东输送，给西欧各国带来温暖湿润的气候。因此，总体而言，海洋经向热输送强度的变化，将对全球气候产生重要影响[1]。海水巨大的热惯性，为气候系统的低频变异提供了重要的时间尺度来源。海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性，从而使海洋具有较强的“记忆”功能，可以把大气环流的变化信息通过海气相互作用贮存在海洋中，再反过来对大气环流产生影响，在这一过程中，海洋将大气中较高频的变化转化为较低频的变化，将大气中均一的“白噪声”变率转化为具有明显低频特征的“红噪声”变率[2]，从而为气候系统的低频变异提供了时间尺度来源。观测和数值模拟结果均表明：海洋对大气运动的调谐作用是气候年代际变率产生的重要原因之一。同时，对古气候资料的分析也揭示出海洋中强大而缓慢的温盐环流（ThermohalineCirculation,THC）对千年尺度气候变率的重要作用。不仅如此，海洋在全球水循环中也发挥着重要作用。全球蒸发量的86%、降雨量的78%集中在海洋上，海洋是水汽之源，其蒸发和降水形势的微小变化，将引起陆表水循环的巨大变化[1]。与大气中的水汽输送相比，海洋中的淡水通量大致补充了大气中的相应通量，而河流的输送量要小1~2个量级，也就是说，海洋通过输送淡水而闭合了地球系统的水循环。此外，海洋还是全球巨大的碳储库，吸收了自工业革命以来人类活动排放的CO2的48%左右[3]，成为人为CO2最大的汇，对大气中CO2的增加和温室效应的加剧起到重要的缓冲作用，特别是两半球的中高纬度地区，混合作用和深对流将海洋表层的CO2源源不断地带入深海，成为全球最为重要的碳汇之一。海洋碳循环过程是生物地球化学循环研究的热点课题和中心内容。值得注意的是，除了海水之外，海洋生态系统通过生物颗粒的沉降作用也可以有效吸收CO2，其气候效应不容忽视。2、海洋对各种尺度气候变率的调节作用基于海洋在气候变化中的重要作用，上个世纪80年代以来，国际科学界组织了一系列重大研究计划。80年代组织的热带海洋与全球大气实验（TropicalOceanGlobalAtmosphere,TOGA），为ENSO的预测奠定了基础；90年代又组织了历史上规模最大的全球大洋环流实验（WorldOceanCirculationExperiment,WOCE），展开了对全球海洋环流的全面调查，旨在取得大量全球大洋环流的观测数据，用以了解其基本特征和验证描述大洋环流的数值模式。TOGA、WOCE计划的成功实施，为气候变异及可预测性（ClimateVariabilityandPredictability,CLIVAR）计划的建立奠定了基础，并直接推动了全球Argo计划的实施。与CLIVAR同期，国际科学界也在实施全球海洋观测系统（GlobalOceanObservingSystem,GOOS）、全球海洋资料同化试验（GlobalOceanDataAssimilationExperiment,GODAE）等计划，旨在构建集观测、通讯、模式与同化为一体的全球海洋监测与预测系统，以期全方位、多视角、多尺度、综合性地了解全球海洋环流的演变。这些计划的实施，提高了人们对海洋在气候变化中作用的认识，为气候短期变化预测奠定了重要的基础。2.12.12.12.1年际尺度研究进展年际尺度研究进展年际尺度研究进展年际尺度研究进展由于海水运动的多变性和复杂性，海洋对气候的调节方式也并不是一成不变的，而是在多个时间尺度上以不同方式影响着气候，表现出显著的时空特征。在年际尺度上，热带东太平洋的ENSO循环是海-气相互作用最典型的产物[4]。ENSO是全球海洋-大气耦合系统中最强的年际变化信号，一般从夏秋季节开始发展，冬季达到成熟。在ENSO发生期间，信风张弛与海温梯度的建立和海洋温跃层的调整结合在一起，最终形成和维持了赤道中东太平洋的海温暖异常；在ENSO衰减期间，海洋波动过程和低纬度海洋热容量的变化被认为对ENSO振幅的减小起了至关重要的作用。整体而言，在ENSO循环的各个阶段，海洋动力学的作用都是极为显著的。ENSO的意义不仅在于对热带太平洋局地气候的影响，更在于它可以通过大气和海洋遥相关过程对全球的各个海区产生影响[5]，因此成为近几十年来科学界研究的热点问题。2.22.22.22.2年代际尺度研究进展年代际尺度研究进展年代际尺度研究进展年代际尺度研究进展人们很早就发现太平洋气候与阿拉斯加的三文鱼产量在年代际尺度上有很密切的联系。1976/1977年北太平洋出现了一次显著的年代际突变现象，从此掀起了北太平洋年代际变化的研究高潮。北太平洋海温变化在年代际尺度上的主导模态是“太平洋年代际涛动”（PacificDecadalOscillation,PDO）。PDO可分为冷、暖两种位相：在PDO暖位相时，热带中东太平洋异常增暖，北太平洋中部异常变冷，而北美西海岸却异常增暖；冷位相时的海温空间结构与之相反。关于PDO的起源现在还在争论之中，主流的观点大致有三种：（1）PDO起源于热带；（2）PDO起源于中纬度；（3）PDO是热带与中纬度相互作用的产物，但无论何种观点，都认为海气耦合在PDO形成中起着至关重要的作用。2.32.32.32.3百年以上时间尺度研究进展百年以上时间尺度研究进展百年以上时间尺度研究进展百年以上时间尺度研究进展谈到海-气耦合系统中的长周期运动，最突出的就是热盐环流。热盐环流被称为全球输送带[9]：南极和格陵兰地区通过深对流过程下沉的南极底层水（AntarcticBottomWater,AABW）和北大西洋深层水（NorthAtlanticDeepWater,NADW）通过垂向混合过程和风应力的抽吸作用在热带和南极绕极流（AntarcticCircumpolarCurrent,ACC）以南得以上升，再沿着表层路径回流到北大西洋和学术论坛ChinaScience&Technology中国科技纵横2682010NO.24南大洋，从而构建了全球尺度的一支庞大的子午翻转环流。热盐环流是个古老而常新的问题，围绕其驱动力是“冷却下沉”还是“混合上升”已经辩论了百年之久，虽然至今依然没有结论，但“海洋不是热机”的观念已被人们广泛接受，混合上升和南大洋的风应力抽吸被认为是经向翻转环流的两种重要驱动力。2.42.42.42.4海洋在全球变暖中的作用海洋在全球变暖中的作用海洋在全球变暖中的作用海洋在全球变暖中的作用作为气候系统中的重要因子，海洋不可避免地要参与全球变暖进程并在其中发挥调节作用，海洋在全球变暖中的作用既是当前气候动力学研究的前沿领域，也为海-气相互作用研究提出了许多崭新课题。随着全球变暖的加剧，海洋也在逐渐升温。海洋温度的升高有助于加强海洋的层结，从而抑制垂向混合过程。同时，升温有利于海冰的融化。NASA的卫星图片显示，自1979年以来，北极海冰已经减少20%，海冰消融将不可避免地为高纬海洋注入淡水，在海洋表层形成“淡水帽”而抑制深对流，从而促进热盐环流的减弱。一旦热盐环流减弱或崩溃，将对全球气候产生怎样的影响？这一问题激起了气候学家的广泛兴趣，使“热盐环流的气候效应”成为继ENSO之后气候学界的又一热门问题。3、全球变暖背景下的几个关键科学问题当前，鉴于海洋对全球变暖具有减缓作用，同时在气候变化的大背景下产生了许多新的海洋-大气耦合调整动力学过程，大大加深了人们对气候系统演变规律的认识，海洋在气候系统中的作用得到了空前的重视，围绕全球变暖下的海-气耦合响应开展了一系列研究，然而很多问题迄今为止并未形成定论或共识，这一领域的研究空间和研究潜力仍然很大。（1）热带海洋是全球大气的热量和水汽源地，在很大程度上调节着全球的水循环系统。全球变暖如何影响热带气候系统，至今仍然充满了争议，其中的核心问题是耦合模式结果表明热带比副热带增暖更多，且南北半球信风（特别是南半球的信风）得到了明显的加强，其中的动力学机制迄今并不完全清楚。（2）西边界流是全球海洋中的强流，对沿海国家的气候和生态系统至关重要。西边界流和近岸地区如何响应全球变化，这一问题尚未得到解决。值得注意的是：西边界流的模拟效果强烈地受到模式分辨率的影响，因此这一问题的解决要点之一在于提高耦合模式中海洋模块的分辨率，以获取与观测较为一致的西边界流分布型。（3）气候变率对于长期气候预测具有重要意义，全球增暖如何影响包括ENSO在内的气候变率，这一问题的研究仍显得十分缺乏，其原因是我们不知道在全球变暖场景下，各种模式中气候变率的响应为何存在如此大的偏差，以及解决这种偏差的方法和途径是什么。（4）热盐环流全球输送带是全球气候的重要“开关”，它的未来演变趋势究竟如何，至今没有得到一致的结论。尽管热盐环流的气候效应是不言而喻的，然而长期以来，由于缺少有效的观测，人们对热盐环流仅有概念性的认识，而缺少定量的了解，热盐环流的全球输运带路径至今仍然存在很多不确定的地方（特别是太平洋和印度洋海盆），热盐环流的精确数值模拟更是难上加难，因此这一问题的完全解决还有相当长的路要走。（5）海洋能在多大程度上抑制全球变暖？这是全球变化中最核心、也最复杂的问题之一。这一问题的回答很大程度上依赖于海-气耦合模式，然而现在大多数耦合模式仅能用来作机制研究和定性分析，尚未达到定量研究的程度，多样本集合预报的结果也难尽人意。从定性走向定量是一个相对艰难的过程，需要不断地完善模式的动力学框架和参数化方案，因此尽管这一问题对于气候预测具有重要意义，目前尚难给出准确的答案。以上列出了全球变暖背景下的若干重要科学问题，解决上述问题的过程将是一个系统工程。首先，需要观测资料的不断积累。高分辨率、长时间序列海洋观测资料的获取和积累，是海洋环流气候效应研究不断走向深入的重要基础。其次，