劉秦玉，張 琪，2

（1.中國海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東青島266100；2.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，天津30000）

東海海表溫度持續(xù)增溫的機(jī)制?

劉秦玉1，張 琪1，2

（1.中國海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東青島266100；2.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，天津30000）

本文依據(jù)第5次耦合模式比較計(jì)劃（CMIP5）中的8個(gè)模式歷史模擬與典型濃度（RCP4.5）試驗(yàn)的結(jié)果，探討了1980—1999年東海海表溫度（SST）持續(xù)增加的原因，預(yù)估了未來東海SST對(duì)溫室氣體持續(xù)增加的響應(yīng)。研究表明：這8個(gè)模式都能模擬東海在1980—1999年有顯著的SST持續(xù)增暖現(xiàn)象，集合平均后這20年增暖的速率為2.25℃／100 a。而在RCP4.5試驗(yàn)中，8個(gè)模式集合平均后在2006—2055年這50年期間東海SST增暖的速率為2.32℃／100 a。在歷史模擬中，在1980—1999年期間東海SST持續(xù)增長(zhǎng)的主要原因是海洋平流熱輸送加強(qiáng)，而大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量影響比海洋平流熱輸送的影響小一個(gè)量級(jí)。在單純溫室氣體增加的RCP4.5試驗(yàn)中，除了海洋平流熱輸送外，由于大氣調(diào)整導(dǎo)致海面潛熱、感熱釋放減少也是SST持續(xù)升溫的主要原因之一，其貢獻(xiàn)可以與海洋平流熱輸送加強(qiáng)同量級(jí)。對(duì)比分析模式對(duì)過去的模擬和未來單一強(qiáng)迫的情景試驗(yàn)結(jié)果，可以初步確定，在1980—1999年期間由于太平洋年代際變化導(dǎo)致的東海黑潮平流熱輸送增加是該階段東海SST持續(xù)增加的主要機(jī)制。

東海；海表溫度（SST）；增暖；機(jī)制；黑潮

東海（也被稱為東中國海、中國東海）是指介于23° 00′N～33°10′N，117°11′E～131°00′E之間的整個(gè)海區(qū)，該海區(qū)既有陸架淺海，又有深度超過2000m的沖繩海槽。

郭其偉等［1］使用東海沿海8個(gè)海洋觀測(cè)站1960—1999年的資料研究海溫變化，發(fā)現(xiàn)呈上升趨勢(shì)，并且冬季更明顯。張秀芝等［2］使用Hadley中心1（°）×1（°）的SST資料，研究渤海、黃海、東海和南海各海區(qū)海溫的長(zhǎng)期變化，結(jié)果顯示，我國各海區(qū)近100年來均呈增溫趨勢(shì)，明顯的增暖出現(xiàn)在1980年代以后。Belkin［3］利用衛(wèi)星資料指出，在1982—2003年期間位于東海的長(zhǎng)江口處的海溫增長(zhǎng)最快達(dá)到2℃，該速率之大引起了許多科學(xué)家的關(guān)注。Liu和Zhang［4］比較了SST原始資料和重構(gòu)資料之間的差異，指出重構(gòu)資料中包含了上個(gè)世紀(jì)衛(wèi)星資料的信息后會(huì)高估東海SST的增溫；同時(shí)也指出，即使不考慮衛(wèi)星資料，東海也出現(xiàn)百年持續(xù)增溫，并在上世紀(jì)后20年增溫速率最快，本世紀(jì)后出現(xiàn)增溫停滯現(xiàn)象，該結(jié)果也被最近的研究所證實(shí)［5］。

有關(guān)東海持續(xù)增暖機(jī)制也引起眾多科學(xué)家的關(guān)注。蔡榕碩等［6］指出，我國近海上空的冬、夏季風(fēng)在1976年之后變?nèi)?，有利于SST的上升，在中國東海地區(qū)海溫升高得最明顯。Yeh和Kim［7］在研究中也指出，在1950—2009年冬季黃東海海溫上升的主要原因是由于北風(fēng)的減弱。但是，還有另一種不同的觀點(diǎn)：馮琳和林霄沛［8］指出，自臺(tái)灣海峽向北的海洋熱平流的增加和海洋垂向夾卷過程有利于海溫升高，海面凈熱通量卻抑制SST的增加。Zhang等［9］也認(rèn)為海洋平流對(duì)溫度的增長(zhǎng)起正貢獻(xiàn)，海面總的凈熱通量可能對(duì)其起抑制作用。Wu等［10］對(duì)1900—2008年的8個(gè)海表溫度和海表氣溫?cái)?shù)據(jù)集進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果顯示，上個(gè)世紀(jì)沿著全球西邊界流路徑（如黑潮、灣流等）海表溫度增長(zhǎng)率是全球平均的海表溫度增長(zhǎng)率的2～3倍，形成“熱斑”現(xiàn)象，東海也是該“熱斑”之一。

為什么不同的研究有不同的結(jié)論？主要原因：（1）歷史觀測(cè)資料自身的不確定性；（2）歷史觀測(cè)資料中既包含海洋-大氣耦合系統(tǒng)本身的自然變化，還包含海洋對(duì)溫室氣體增加、氣溶膠增加等其他外強(qiáng)迫的響應(yīng)，很難區(qū)分自然變化和人類活動(dòng)的影響；（3）SST的長(zhǎng)期變化是個(gè)小量［11］，要比海面凈熱通量與海洋動(dòng)力過程對(duì)溫度影響這2個(gè)大量小2～3個(gè)量級(jí)，很難確定海面凈熱通量與海洋動(dòng)力過程哪一項(xiàng)占主。為了解決第3個(gè)問題，Du和Xie［12］曾用氣候模式的結(jié)果研究了熱帶印度洋的增暖成因，特別指出，海面熱通量可以分為兩項(xiàng)：一項(xiàng)是因SST變化導(dǎo)致的潛熱通量的變化；另一項(xiàng)是大氣對(duì)海溫異常調(diào)整后導(dǎo)致的海面熱通量（本文中稱大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量）的變化。Xie等［11］在研究全球SST對(duì)溫室氣體增加的響應(yīng)時(shí)，論證了SST變化與海洋動(dòng)力過程變化的密切關(guān)系。

觀測(cè)資料表明，東海上世紀(jì)后20年增溫速率最快，本世紀(jì)東海的SST又出現(xiàn)增溫停滯甚至開始降溫的現(xiàn)象［4-5］。但目前有關(guān)東海增溫的機(jī)制有不同的認(rèn)識(shí)，本文將參考文獻(xiàn)［12］對(duì)熱帶印度洋的研究，依據(jù)Xie等［11］提出的理論，基于第5次耦合模式比較計(jì)劃（CMIP5，the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project）中的歷史模擬與典型濃度途徑試驗(yàn)的結(jié)果，試圖回答以下科學(xué)問題：究竟什么是東海SST在上個(gè)世紀(jì)后20年顯著增溫的主要機(jī)制？如果僅有溫室氣體的影響，未來東海增溫的速率多大，主要機(jī)制是否與上個(gè)世紀(jì)后20年的機(jī)制相同？

依據(jù)前人研究結(jié)果，特別是參考我們對(duì)氣溶膠影響北太平洋海溫和模態(tài)水的研究［13］，我們初步猜想：在上個(gè)世紀(jì)后20年，東海SST的升溫可能主要是太平洋年代際變化（PDO）的結(jié)果，因?yàn)樵谶@個(gè)階段，PDO處于正位相。盡管在這個(gè)階段溫室氣體也是增加的，但是東海不僅受溫室氣體增加的影響，而且也受到氣溶膠增加的影響，SST對(duì)兩者的響應(yīng)是相反的［13-14］。IPCC AR5中的CMIP5氣候模式的歷史模擬結(jié)果和未來的情景試驗(yàn)給了我們解決上述問題和證實(shí)我們猜想的可能性。

在下面第1節(jié)中我們將介紹有關(guān)模式和分析方法；第2節(jié)中首先討論模式是否有能力模擬上個(gè)世紀(jì)后20年東海海溫的變化，然后分析什么是決定該時(shí)期海溫變化的最主要因素；第3節(jié)中介紹在溫室氣體增加的未來情景下，SST可能的變化趨勢(shì)和成因；第4節(jié)是對(duì)比分析；第五節(jié)是結(jié)論。

1 模式和方法

本文主要使用了CMIP5耦合模式中的8個(gè)氣候模式的歷史模擬和典型濃度途徑試驗(yàn)（RCP 4.5）的結(jié)果。這8個(gè)氣候模式是依據(jù)以下原則篩選出來：（1）2013年IPCC第5次評(píng)估報(bào)告中有關(guān)東亞的海洋-大氣各個(gè)要素歷史模擬與觀測(cè)較接近；（2）能代表各個(gè)發(fā)達(dá)國家水平的模式；（3）氣候模式的海洋水平分辨率相對(duì)較高。關(guān)于各模式基本信息可直接查看表1。詳細(xì)的信息可以到IPCC報(bào)告（2013）（http：／／www.ipcc.ch／index.htm）中查找。觀測(cè)資料使用Hadley中心的HadSST3數(shù)據(jù)，HadSST3數(shù)據(jù)主要包括船測(cè)數(shù)據(jù)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)于缺測(cè)的數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行補(bǔ)充［16-17］。

在使用模式輸出資料分析時(shí)，由于混合層溫度長(zhǎng)期變化率通常只有0.01℃／a，而海洋動(dòng)力過程和凈熱通量對(duì)溫度變化貢獻(xiàn)的量級(jí)為1～10℃／a，依據(jù)Xie等［11］提出的理論，則：其中：Q′a=Q′S+Q′L+Q′H+Q′d，是因大氣調(diào)整導(dǎo)致的熱通量的長(zhǎng)期變化，其包含短波輻射（QS），長(zhǎng)波輻射（QL）、海面感熱（QH）與因大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱通量（Qd）的長(zhǎng)期變化。因?yàn)槲闹兴小睗摕帷焙汀备袩帷倍际秦?fù)值，其正（負(fù)）異常意味著該值是減少（增加）。公式（1）中的D0是代表海洋動(dòng)力過程對(duì)混合層溫度的影響項(xiàng)，Q′h= -αˉQET′就表示由于SST變化導(dǎo)致的潛熱通量的變化。公式（1）中各物理量上的撇號(hào)，表示該物理量的一階導(dǎo)數(shù)（變化率）。該公式意味著在混合層溫度變化率相對(duì)較小，海洋動(dòng)力過程的變化會(huì)與凈熱通量項(xiàng)的變化項(xiàng)達(dá)到近似的平衡，而凈熱通量項(xiàng)的變化項(xiàng)中包含著因SST變化導(dǎo)致的潛熱通量。因此，我們通過計(jì)算方程（1）中各項(xiàng)的相對(duì)大小來討論混合層溫度變化的成因［11-12］。

表1 氣候模式基本信息Table 1 Information of some climate models used in this paper

2 上世紀(jì)后20年中國近海海表溫度持續(xù)增溫的成因

為了確定氣候模式是否能模擬上世紀(jì)后20年東海持續(xù)增溫的現(xiàn)象，我們對(duì)所用的8個(gè)模式模擬的東海海域（24°N～33°N，117°E～128°E）SST（1900—2006）進(jìn)行了分析。圖1是8個(gè)模式歷史模擬的東海區(qū)域平均的SST異常時(shí)間序列和觀測(cè)的SST異常時(shí)間序列。首先可以確定，在模式的歷史模擬結(jié)果中，東海的SST在1900—2006年期間無論是冬天還是夏天都是升溫的，特別是1980年以后出現(xiàn)持續(xù)升溫的現(xiàn)象，8個(gè)模式集合平均后在1980—1999年這20年升溫約為0.45℃，速率約為2.25℃／100a（見圖1c中的黑粗線）。同時(shí)可以看到，無論冬季、夏季，還是年平均的時(shí)間序列，1950年以前對(duì)SST異常的模擬模式之間相差較大，而且與觀測(cè)的SST異常（紅色粗線）相差也大（冬季差別最大），這可能與船測(cè)資料在1950年前較少，特別北半球冬季船測(cè)資料較少有關(guān)。

圖1 基于8個(gè)模式的歷史模擬和觀測(cè)（HadSST3）得到的東海區(qū)域平均的SST異常時(shí)間序列（單位：℃）Fig.1 Time series of the regional mean SST anomalies（℃）in the East China Sea based on historical simulation of 8 models and observation（HadSST3）

海洋動(dòng)力過程影響SST變化中包含水平平流熱輸送效應(yīng)和混合層底垂直熱交換效應(yīng)，后者很難依據(jù)現(xiàn)有的模式結(jié)果確定，因此本文暫不討論。在1980—1999年期間因SST持續(xù)增暖必然導(dǎo)致的潛熱的變化（Q′h）為負(fù)（海洋放熱增加），8個(gè)模式的集合平均海洋平流熱輸運(yùn)的變化（H′t）和大氣調(diào)整導(dǎo)致的熱通量的變化（Q′a）各自的空間分布用圖2所示。由圖2可以看出：無論是冬季還是夏季，H′t的貢獻(xiàn)在東海大部分海區(qū)為正，且冬季大于夏季（見圖2（a），（b），說明海洋平流熱輸送作用增加，促進(jìn)海溫升高。值得注意的現(xiàn)象是：年平均H′t要比Q′a大一個(gè)量級(jí)（海洋平流熱輸送變化約為1 w·m-2·a-1，而大氣變化調(diào)整的熱通量變化約為0.2 w·m-2·a-1）（見圖2），無論在冬季還是夏季，東海都出現(xiàn)由于大氣調(diào)整導(dǎo)致的熱通量變化為負(fù)的海域（見圖2（d），（e），這意味著在這些海域大氣調(diào)整導(dǎo)致的熱通量變化將不利于SST升溫。因此，我們可以確定海洋平流熱輸送作用是1980—1999年東海SST持續(xù)增溫的最主要機(jī)制。由于冬季SST的水平梯度大，該機(jī)制的效應(yīng)最明顯。

我們知道，海面熱通量的變化在這8個(gè)模式之間會(huì)有較大的差異。為了進(jìn)一步了解模式之間的差異，確定上述結(jié)論的正確性，圖3給出了東海8個(gè)模式Q′a各項(xiàng)和Q′h的平均值（灰柱）以及模式之間的差異（標(biāo)準(zhǔn)差）?？梢钥闯?，盡管海面熱通量各項(xiàng)變化都比海洋熱平流輸送小一個(gè)量級(jí)，且SST持續(xù)增暖導(dǎo)致的潛熱的變化總為負(fù)，但是在不同季節(jié)，各要素變化的模式之間差異很大：冬季，大氣調(diào)整導(dǎo)致潛熱釋放的變化（AtF）模式之間的差異最大，也就意味這一項(xiàng)作用的不確定性最大；而在夏季該項(xiàng)在8個(gè)模式中都表現(xiàn)為正，表明大氣調(diào)整導(dǎo)致潛熱釋放（平均值為負(fù)）減少，抵消了海洋增溫導(dǎo)致的潛熱釋放（NtC）增加，使得區(qū)域平均的凈熱通量在夏天為正（見圖3（b））。從圖3中，可以看出，在東海，不能僅用凈熱通量的變化來解釋SST變化，因?yàn)閮魺嵬康淖兓屑劝髿庾兓瘜?dǎo)致海面熱通量變化，也包含SST變化導(dǎo)致的潛熱釋放的變化。

通過上述分析驗(yàn)證了前人有關(guān)海洋熱平流作用是主要增溫機(jī)制的一些猜測(cè)和某些研究結(jié)果。但在此我們所用的分析方法與前人不同，將海面熱通量分為不同的若干項(xiàng)，從而得到夏季大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱釋放減少也會(huì)起到一定作用的新結(jié)果。為什么在1980—1999年海洋平流熱輸送變化為正？到底是溫室氣體作用的結(jié)果，還是自然變化的結(jié)果。為了進(jìn)一步找到該問題的答案，我們下面將利用同樣模式，審查在單獨(dú)溫室氣體增加的試驗(yàn)中東海增溫成因，通過該試驗(yàn)結(jié)果和歷史模擬的結(jié)果的對(duì)比來解決該問題。

3 單純溫室氣體增加背景下東海持續(xù)增溫的成因

我們知道，RCP4.5試驗(yàn)中2006—2055年CO2增加的速率遠(yuǎn)大于20世紀(jì)后20年歷史模擬中CO2增加的速率（大約為1.7倍），而且在RCP4.5試驗(yàn)中還沒有氣溶膠等其他會(huì)使SST降溫的外強(qiáng)迫，因此，通過對(duì)RCP4.5試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到溫室氣體增加影響SST的單獨(dú)效應(yīng)；我們選取了RCP 4.5試驗(yàn)中2006—2055年（共50年）的變化來分析，也極大程度地降低了周期約為20～50年的年代際自然變化的影響。

圖2 8個(gè)模式集合平均的海洋平流熱輸運(yùn)項(xiàng)（（a）～（c））和大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量項(xiàng)（（d）～（f））在1980—1999年間的線性趨勢(shì)（單位為w·m-2·（20a）-1）Fig.2 Linear trends of ocean horizontal heat advection（a～c）and heat flux by atmospheric adjustment（d～f）from 8 models ensemble mean during 1980—1999（unit：w·m-2·（20a）-1）

圖3 基于8個(gè)模式歷史模擬的東海區(qū)域平均的海面熱通量各項(xiàng)在1980—1999年間的線性趨勢(shì)Fig.3 Linear trends of sea surface heat flux components in the east China seas during 1980—1999 based on 8 models historical simulation

從8個(gè)模式在RCP4.5試驗(yàn)中東海SST異常變化的時(shí)間序列（見圖4）可以看出，2006—2055年間年平均SST增溫大約是1.16℃，增溫的速率約為2.32℃／100a，冬季與夏季沒有明顯的差異。盡管各模式RCP4.5試驗(yàn)中東海SST異常的年際變化不同，但其長(zhǎng)期變化在各個(gè)模式的結(jié)果中都呈現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)的規(guī)律，從SST異常變化的時(shí)間序列中已經(jīng)看不到在這50年中有任何明顯的年代際變化。

圖4 基于8個(gè)模式RCP4.5試驗(yàn)中東海區(qū)域平均的SST異常時(shí)間序列（單位：℃）Fig.4 Time series of the regional mean SST anomalies（℃）in the East China Sea based on the RCP4.5 experiment of 8 models

為了探討RCP4.5試驗(yàn)中2006—2055年東海SST為什么持續(xù)增長(zhǎng)，我們分析了RCP4.5試驗(yàn)中2006—2055年期間東海的海洋平流熱輸送作用的變化H′t和大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量的變化的空間分布（見圖5），與1980—1999期間的歷史模擬不同之處是在RCP4.5試驗(yàn)中H′t和這兩項(xiàng)的差距減少，幾乎都是同一個(gè)量級(jí)（約為0.3～0.5 w·m-2·（a）-1）（見圖5）。這表明，僅在溫室氣體增加背景下，海洋平流熱輸送的作用是無法達(dá)到1980—1999年期間的量級(jí)，而大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量的變化則顯著增加。主要原因還是在RCP4.5試驗(yàn)中溫室氣體增加的速率比歷史模擬中快，將會(huì)導(dǎo)致季風(fēng)減弱，大氣中水汽增多和海-氣溫差減小等大氣的調(diào)整；再加上試驗(yàn)中沒有氣溶膠等其他會(huì)使SST降溫的外強(qiáng)迫作用。而且在RCP4.5試驗(yàn)中冬季海洋平流熱輸送作用的貢獻(xiàn)還為正（見圖5（a）），但該項(xiàng)在夏季有一部分模式中為負(fù)，故夏季集合平均的結(jié)果為負(fù)，抑制SST升高（見圖5（b）），導(dǎo)致該項(xiàng)年平均的增溫作用相比于歷史模擬的20年作用減弱。相反，由于RCP4.5試驗(yàn)中冬季大氣調(diào)整導(dǎo)致海面熱通量的貢獻(xiàn)較大（見圖5（d）），提高了大氣調(diào)整導(dǎo)致海面熱通量變化的相對(duì)貢獻(xiàn)?？傊?，依據(jù)這8個(gè)模式的結(jié)果，冬季和年平均SST持續(xù)增長(zhǎng)過程中，還是海洋熱平流效應(yīng)占主。但是，大氣調(diào)整導(dǎo)致海面熱通量的變化幾乎與海洋平流熱輸送作用在同一個(gè)量級(jí)。就年平均而言，2項(xiàng)的貢獻(xiàn)大約都為0.3 w·m-2·a-1（見圖5（c），（f））。

我們下面重點(diǎn)討論大氣調(diào)整導(dǎo)致海面熱通量變化各項(xiàng)的貢獻(xiàn)及其在不同模式之間的差異。冬季大氣調(diào)整導(dǎo)致海面熱通量的貢獻(xiàn)為正（見圖6（a）），這主要是短波輻射增加，大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱（AtF）和感熱（SHF）釋放減少的結(jié)果（潛熱和感熱的平均值為負(fù)，正異常意味著該值是減少）。各模式表現(xiàn)了顯著的一致性：無論冬季、夏季和年平均所有模式中大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱、感熱釋放變化這兩項(xiàng)的貢獻(xiàn)都是正（見圖6）；但是在夏季短波輻射各個(gè)模式之間的差異較大，甚至反號(hào)，這是由于模式之間云量的不確定性導(dǎo)致。另一方面海洋響應(yīng)導(dǎo)致的潛熱釋放也非常一致：各個(gè)模式在不同季節(jié)都是不利于SST升高（見圖6）。

以上結(jié)果表明：在溫室氣體顯著增加的情景下，在東海，對(duì)冬季和年平均而言，大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱、感熱釋放的減少和海洋水平平流熱輸送的增加都是SST增長(zhǎng)的主要原因，這些項(xiàng)的貢獻(xiàn)平均而言大約為0.3 w·m-2·a-1。

4 對(duì)比分析

圖5 RCP4.5試驗(yàn)中8個(gè)模式集合平均的海洋平流熱輸運(yùn)項(xiàng)（a～c）和大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量項(xiàng)（d～f）在2006—2055年間的線性趨勢(shì)，單位為w·m-2·50a-1Fig.2 Linear trends of ocean horizontal heat advection（a～c）and heat flux by atmospheric adjustment（d～f）from 8 models ensemble mean in RCP4.5 experiment during 2006—2055，unit：w·m-2·50a-1

圖6 基于8個(gè)模式歷史模擬的東海區(qū)域平均的海面熱通量各項(xiàng)在2006—2055年間的線性趨勢(shì)Fig.6 Linear trends of sea surface heat flux components in the east China seas during 2006—2055 based on 8 models historical simulation

依據(jù)前2節(jié)的分析，我們可以知道20世紀(jì)后20年歷史模擬中年平均H′t要比Q′a大一個(gè)量級(jí)（海洋平流熱輸送變化約為1 w·m-2·a-1，而大氣變化調(diào)整的熱通量變化約為0.2 w·m-2·a-1，而且在冬季，東海出現(xiàn)大氣變化調(diào)整的熱通量變化為負(fù)的海域（見圖2（d））。對(duì)比來看，在RCP4.5試驗(yàn)中2006—2055年CO2增加的速率遠(yuǎn)大于20世紀(jì)后20年歷史模擬中CO2增加的速率（大約為1.7倍），大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱、感熱釋放的減少和海洋水平平流熱輸送的增加都是SST增長(zhǎng)的主要原因，這些項(xiàng)的大約為0.3 w·m-2·a-1。如果1980—1999年東海SST增溫主要是溫室氣體增多導(dǎo)致，那么，在冬季東海都不會(huì)出現(xiàn)大氣變化調(diào)整的熱通量變化為負(fù)的海域。因此，可以推測(cè)，20世紀(jì)后20年歷史模擬中由于溫室氣體增加，大氣調(diào)整導(dǎo)致的潛熱、感熱釋放的減少的作用肯定被其他作用抵消，出現(xiàn)大氣變化調(diào)整的熱通量變化為負(fù)的現(xiàn)象。考慮到歷史模擬中還包含氣溶膠的冷卻效應(yīng)，該效應(yīng)能完全抵消溫室氣體的增溫效應(yīng)［13］。另外，20世紀(jì)后20年東海SST的變化速率約為2.25℃／100a，RCP4.5試驗(yàn)中2006—2055年東海SST的變化速率約為2.32℃／100a，兩者幾乎相同，但RCP4.5試驗(yàn)中CO2增加的速率大約為20世紀(jì)后20年1.7倍。從這個(gè)角度來看，溫室氣體增加絕不是20世紀(jì)后20年東海升溫主要原因。

為什么在1980—1999年會(huì)有強(qiáng)的熱平流效應(yīng)出現(xiàn)呢？考慮到該時(shí)段太平洋年代際振蕩（PDO）處于正位相，我們可以推斷在歷史試驗(yàn)這20年中，東中國海海溫升高，尤其是東海黑潮區(qū)海溫升高的主要原因是太平洋年代際振蕩（PDO）導(dǎo)致的東海黑潮水平平流熱輸送增加。這可以從PDO正位相時(shí)期海洋-大氣相互作用來解釋：1980—1999年正處于PDO正位相時(shí)期，熱帶太平洋處于類似El Nino的SST異常分布，熱帶印度洋SST正異常，并導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓西伸［15］，這將引起臺(tái)灣以東的太平洋海平面上升和作為西邊界流的臺(tái)灣以東黑潮加速，海洋水平平流熱輸送增加。從以上的比對(duì)還可以看出，由于溫室氣體增加，大氣調(diào)整導(dǎo)致的海面熱通量的增溫效應(yīng)（見圖5（d），（e），（f））在1980—1999年歷史模擬的結(jié)果中似乎沒有體現(xiàn)，該效應(yīng)在歷史模擬有時(shí)為負(fù)（見圖2（d），（e）），這是因?yàn)闅v史模擬的結(jié)果中包含了降溫的氣溶膠效應(yīng)［13］。

因此，20世紀(jì)后20年中國近海SST持續(xù)增溫的現(xiàn)象主要是太平洋年代際振蕩（PDO）處于正位相，黑潮加速導(dǎo)致的海洋平流作用加強(qiáng)的結(jié)果。正是這個(gè)原因，在PDO自1999年轉(zhuǎn)為負(fù)位相后，東海SST出現(xiàn)了突然的降溫現(xiàn)象［4］。

5 結(jié)論和討論

本文針對(duì)前人有關(guān)上個(gè)世紀(jì)東海SST持續(xù)增溫的機(jī)制觀點(diǎn)不同，研究結(jié)果有爭(zhēng)議的問題，通過對(duì)8個(gè)氣候模式的歷史模擬和RCP4.5試驗(yàn)結(jié)果的診斷分析和對(duì)比研究，得到了以下結(jié)論：

（1）這8個(gè)模式都能模擬東海在1980—1999年有顯著的SST持續(xù)增暖現(xiàn)象速率為2.25℃／100a，盡管模擬的SST增長(zhǎng)速率略小于觀測(cè)資料刻畫的SST增長(zhǎng)速率；東海在1980—1999年SST持續(xù)增長(zhǎng)的主要原因是海洋平流熱輸送加強(qiáng)，而大氣調(diào)整導(dǎo)致海面熱通量的貢獻(xiàn)比海洋平流熱輸送小一個(gè)量級(jí)。

（2）在溫室氣體持續(xù)增加的試驗(yàn)中，東海SST增溫的速率為2.32℃／100a，海洋平流熱輸送增加和大氣調(diào)整導(dǎo)致海面潛熱、感熱釋放減少都是SST持續(xù)升溫的主要原因。

（3）對(duì)比分析模式對(duì)過去的模擬和未來單一強(qiáng)迫的情景試驗(yàn)結(jié)果，可以確定20世紀(jì)后20年東海SST增溫最快的主要原因是太平洋年代際變化導(dǎo)致的東海黑潮熱輸送效應(yīng)的加強(qiáng)。

上述結(jié)論再次證實(shí)了黑潮熱平流效應(yīng)在氣候變化中的重要地位。氣候模式的系統(tǒng)誤差，特別是對(duì)海洋平流項(xiàng)的誤差可能對(duì)本文的結(jié)論有一定的影響，尤其是本文僅討論了我們自己選定的8個(gè)模式結(jié)果。如果將所有模式結(jié)果合成會(huì)加大模式之間的不確定性，帶來一些錯(cuò)誤的信息。目前的氣候模式也許會(huì)低估年代際變化導(dǎo)致西邊界流的作用；特別是目前氣候模式中沒有包含海洋渦旋對(duì)西邊界流和溫度平流效應(yīng)的影響，這是應(yīng)該在下一步研究中進(jìn)一步關(guān)注的問題。

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Mechanism of Sea Surface Temperature Sustained Warming in the East China Seas

LIU Qin-Yu1，ZHANG Qi1，2
（1.Physical Oceanography Laboratory&Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Tianjin Marine Environment Monitoring Central Station，SOA，Tianjin 30000，China）

The mechanism of sea surface temperature（SST）warming during 1980—1999 and SST responses to greenhouse gas sustained increases in the East China Sea are analyzed based on historical simulation and representative concentration pathway 4.5（RCP4.5）experiments of eight climate models from the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project（CMIP5）.The results show that the significant SST sustained warming in the East China Sea can be simulated by the eight models during 1980—1999 and ensemble SST warming rate is 2.25℃／100a.In RCP4.5 experiments SST warming rate is 2.32℃／100a during 2006—2055.In the East China Sea，during 1980—1999，the SST warming is mainly caused by the increase of ocean heat advection，and the effect of the sea surface heat flux induced by atmospheric adjustments is smaller one order of magnitude than effect of ocean heat advection.In RCP4.5 experiments，where is only greenhouse gas forcing，the decrease of sea surface latent and sensible heat by atmospheric adjustments and the increase of ocean heat advection are the major reasons of SST warming，and their contributions have the same order of magnitude.The comparative analysis of historical simulation and RCP4.5 experiments conforms primarily that the dominate mechanism of SST warming in the East China Sea from 1980 to 1999 is increased ocean heat advection of the Kuroshio in East China Sea，because of the Pacific Decadal Qscillation.

East China Sea；sea surface temperature（SST）；warming；mechanism；Kuroshio

P731.11

A

1672-5174（2014）10-001-08

責(zé)任編輯 龐 旻

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB955600）；國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目（U1406401）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41176006；41221063）資助

2014-08-26；

2014-09-09

劉秦玉（1946-），女，教授，博導(dǎo)。E-mail：liuqy＠ouc.edu.cn