全球變暖停滯的形成機制研究進展

宋斌,智協飛,胡耀興

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

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全球變暖停滯的形成機制研究進展

宋斌1,2,3,智協飛1,2,3,胡耀興1,2,3

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

工業革命以來人類活動帶來的溫室氣體日益增加,導致全球氣溫持續升高。然而,1998年以來全球變暖出現了停滯(hiatus)現象。本文回顧了近年來有關全球變暖停滯的研究進展,著重討論變暖停滯的物理機制。目前有關變暖停滯的機制有兩種觀點:一種觀點認為全球變暖停滯是由于外強迫造成的,另一種則認為是自然變率產生的。外強迫的觀點主要歸結為太陽活動強迫、火山噴發氣溶膠強迫、人類活動產生的氣溶膠強迫以及平流層水汽強迫四種作用。自然變率的觀點則認為人類活動產生的多余熱量進入到深海,尤其是海表700 m以下,且認為主要是由于海洋的作用。持這種觀點的又分兩種意見,一種認為是太平洋年代際振蕩的影響,尤其是赤道東太平洋海表溫度變冷;另一種則認為是大西洋經向翻轉流的影響。目前主流觀點認為,自然變率是產生全球變暖停滯的主要機制,人類活動產生的多余熱量進入到深海,不過多余熱量進入哪些海域尚存爭議。

全球變暖停滯;外強迫;自然變率;機制;綜述

0 引言

工業革命以來,人類活動產生的溫室氣體迅速增加,全球平均地表溫度也隨之升高。近年來,全球變暖已成為經濟、社會等各領域關注的熱點問題(曹楚等,2006;姚潔等,2010;張文君和譚桂容,2012)。政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)認為導致全球變暖的主要原因是人類活動所產生的溫室氣體的排放。正當人們預估全球氣溫會持續上升時,1998年以來全球地表溫度卻并未出現明顯的上升趨勢,甚至出現了停滯,而在此期間溫室氣體的排放卻依然大幅增加。IPCC第五次評估報告中科學家們也未能正確地模擬出此停滯事件。為何在溫室氣體持續增加的情況下,全球氣溫卻停滯不升呢?是什么導致了全球變暖的停滯呢?本文將回顧近幾年來科學家們對1998年以來全球變暖停滯事件的研究進展,以加深對全球變暖的理解。

最早關注這次全球變暖停滯事件的是來自澳大利亞詹姆斯·庫克大學(James Cook University)的Carter。他在評論中指出:“1998—2005年期間,全球地表溫度并未增加,甚至有一點降低,雖然降低幅度接近于零”(Carter,2006)。不過Carter并未對此現象進行深入研究,也未發表論文。之后,科學家們對此現象也沒有給予足夠的重視,一般認為其只是長期氣候變化中的一個小擾動,隨著溫室氣體排放的逐年增加,全球地表氣溫會迅速回升。因此,在Carter提出問題之后的幾年里,科學界并未對此進行深入研究。相反,公眾卻對全球變暖停滯事件產生了濃厚的興趣,眾多網站和博客紛紛發表文章闡述此事件(Mooney,2013;Boykoff,2014;Ward,2014)。直到2009年,美國國家海洋大氣管理局Easterling領導的團隊才開始對此事件進行深入研究(Easterling and Wehner,2009)。之后,全球變暖停滯問題引起了更多的關注,特別是近二年來氣候學家們對此問題的研究投入了極大的熱忱(Franzke,2014;Fyfe and Gillett,2014;Lovejoy,2014),全球變暖停滯問題成為全球變化研究中一個非常熱門的研究方向。最近出版的《Nature》雜志將有關全球氣候變暖停滯的研究評選為2014年十大科學事件之一(Morello et al.,2014)。

1 觀測事實

此次全球變暖停滯指的是,1998年全球平均地表氣溫達到歷史最高,而從1998年至今,全球氣溫并未出現明顯的上升趨勢,甚至出現微弱的下降趨勢(Easterling and Wehner,2009)。與此形成鮮明對照的是,工業革命以來至1998年全球地表氣溫急劇增加。全球變暖停滯在北半球冬季比夏季更為明顯(Kosaka and Xie,2013;Trenberth et al.,2014a)。1998年以來全球地表氣溫在冬季呈下降趨勢,而在夏季則呈上升趨勢(Kosaka and Xie,2013)。在陸地上,明顯的降溫區出現在歐亞大陸、美國以及澳大利亞,而北半球降溫幅度比南半球的大,冬季降溫區和強度都要比夏季的大。

對于海表溫度(sea surface temperature,SST),最顯著的特征是在赤道中東太平洋為負距平,負距平向北美洲西岸延伸,而在南北半球中緯度地區則為溫度正距平。對于海平面氣壓,赤道西太平洋海平面氣壓降低,而在南北半球東太平洋則升高(England et al.,2014;Trenberth et al.,2014a),從而導致赤道太平洋信風在此階段穩定增加,Walker環流和Hadley環流也在加強(England et al.,2014)。在全球變暖停滯階段,赤道中東太平洋都有降水負距平,而在赤道西太平洋降水則在增加。冬季降水變化幅度比夏季的大,大西洋在冬季也有明顯的降水負距平(Trenberth et al.,2014a)。

2 物理機制

2.1 外強迫

全球變暖停滯事件發生后,許多科學家都曾嘗試對此進行解釋(Lyman et al.,2010;Held,2013;Ridley et al.，2014)。在起初的研究階段,大部分科學家是從外強迫的角度進行研究,他們主要從這樣幾個方面進行討論:太陽活動強迫、火山噴發氣溶膠強迫、人類活動產生的氣溶膠強迫以及平流層水汽強迫等四種外強迫作用。下面分別對這四種外強迫作用進行介紹。

2.1.1 太陽活動強迫

Lean and Rind(2009)對近年來全球變暖停滯事件的原因進行了分析,他們利用多元線性回歸方法來分離自然變率和人類活動造成的影響,并對每項影響進行了量化。他們把影響因子分成了4項:ENSO、火山爆發、太陽活動以及人類活動的影響。其研究發現,2002—2008年的弱的太陽活動使得人類活動產生的變暖速度放緩,并預計在2009—2014年太陽活動增強和人類活動共同的影響下,全球氣溫會有(0.15±0.03)℃的增幅。然而,到目前為止,人們并未發現如作者所述的那樣出現那么大的升溫。Hansen et al.(2011)計算了地球吸收太陽輻射強迫的幅度大約為0.25 W·m-2,而人類活動產生的溫室氣體強迫為0.6～0.7 W·m-2。也就是說,在評估氣候變化的時候,太陽活動的作用不能被忽略。當太陽黑子處于減弱位相的時候,總太陽輻射也減弱,太陽輻射變率造成的行星尺度的能量不平衡也相應減少,從而導致進入氣候系統的熱量減少,引起全球變暖的減緩。因此他們認為太陽活動是造成此次全球變暖停滯的重要原因。另外,還有許多作者研究了太陽活動對氣候變化的影響(Svensmark et al.,2009;Kirkby et al.,2011;Kopp and Lean,2011)。

2.1.2 火山噴發氣溶膠的強迫

Lean and Rind(2009)還分析了火山噴發對全球變化的影響,他們認為在火山爆發后幾年時間里,全球溫度會進入一個低值期。Solomon et al.(2011)分析了幾組不同的數據,認為2000年以來平流層氣溶膠的總量在增加,因此他們認為火山噴發的氣溶膠不是一個恒量。分析近地面的衛星取得的氣溶膠資料發現,2000年至今火山噴發氣溶膠的輻射強迫可以達到-0.1 W·m-2,從而造成全球變暖的減緩。Hansen et al.(2011)進一步研究了火山氣溶膠顆粒的影響。他們指出火山爆發時噴發出來的氣溶膠可以進入到平流層以上10～30 km的高度,從而對氣候變化造成影響。火山氣溶膠可以影響El Nino產生的概率,但在長時間尺度上不會對深海熱量的變化造成影響。在強火山爆發后,二氧化硫及塵埃會進入到平流層中。在二氧化硫氧化的過程中會形成硫酸氣溶膠,并在平流層中維持好幾年的時間(Robock,2000)。平流層中的氣溶膠會反射太陽光,從而導致在火山爆發后全球地表溫度的降低。

在最新的研究中,Ridley et al.(2014)利用地面觀測、氣球以及衛星獲取的氣溶膠測量資料來研究火山噴發的氣溶膠顆粒的影響。他們估算火山噴發顆粒在平流層以上可達到8～15 km的高度,并且認為火山氣溶膠的影響可能被低估了。Santer et al.(2014)利用觀測和模擬資料研究了平流層氣溶膠光學厚度與衛星估算的大氣層頂的短波通量和對流層溫度之間的相關關系。在他們的模擬研究中,如果不考慮21世紀出現的火山爆發,1998年以來對流層變暖會更大一些,然而加入1991年皮納圖博(Pinatubo)火山爆發后,模擬的1998—2012年期間大氣溫度的變化趨勢與觀測到的氣溫變化趨勢之間的誤差小于15%。當然,他們也承認結果有一些不確定性,需要更加精細的火山爆發氣溶膠觀測數據。此外,還有一些科學家研究了火山噴發氣溶膠對氣候的影響(Fyfe et al.,2013a,2013b;Haywood et al.,2014)。

2.1.3 人類活動產生的氣溶膠

Hansen et al.(2011)指出,人類活動對氣候變化的強迫主要有溫室氣體和氣溶膠。人類活動產生的氣溶膠大部分分布在對流層。氣溶膠強迫包括所有氣溶膠的影響,其中也包含了云和雪的反照率的間接影響。而人類活動造成的大氣成分的變化比土地利用和土地覆蓋的變化要重要得多(Ramankutty and Foley,1999)。Hansen et al.(2011)的研究也表明,人類活動產生的氣溶膠對氣候變化的影響只有溫室氣體排放影響的一半,溫室氣體增加導致全球氣溫上升,而人類活動產生的對流層氣溶膠增加則會減緩全球變暖。Kaufmann et al.(2011)利用一個統計模型分析了1998—2008年期間人類活動對氣候變化的影響。他們認為,人類活動產生的短期的硫排放可以在一定程度上減弱溫室氣體排放造成的影響。在1940—1970年及1998—2008年兩個階段,硫排放的增加帶來的影響要比溫室氣體產生的氣候變暖強。近年來,亞洲,特別是中國,人類活動使煤的消費量大大增加,導致硫排放迅速增加,這可能是全球變暖變慢的重要原因。

2.1.4 平流層水汽強迫

Forster(1999)曾利用1979—1997年的觀測資料進行研究,結果表明平流層水汽對全球變暖也有影響。Solomon et al.(2010)則嘗試研究1998年以后平流層水汽對全球變暖停滯的影響。由于在20世紀90年代中期之前的觀測資料有限,這段時間的資料主要來自美國科羅拉多州(Colorado)博爾德(Boulder)的單點氣球觀測資料;20世紀90年代中期以后,則加入了各種平臺獲取的高質量的全球衛星觀測資料。他們利用觀測資料及數值模擬來研究水汽強迫對氣候變化的影響。研究結果表明,平流層水汽的增加會導致平流層溫度的降低,卻使對流層溫度升高。在1980—2000年期間,平流層水汽在增加,導致全球變暖的速率增加30%。而在2000年之后,平流層水汽減少約10%,導致全球變暖的速率降低25%。也就是說,平流層水汽含量的降低在此次全球變暖停滯中扮演重要角色。

2.2 自然變率

除了外強迫之外,近二年來科學家們對另外一種可能的機制,即自然變率的研究也在深入開展。主要涉及兩個問題:一個是溫室氣體導致的多余的熱量到哪里去了?另一個問題是,到底是什么機制觸發了全球變暖的停滯?

2.2.1 多余熱量的去處

早期的研究(Hansen et al.,2005;Trenberth and Fasullo,2010;Loeb et al.,2012)表明20世紀90年代末期以來,觀測到的大氣層頂存在能量不平衡,有大約1 W·m-2的凈能量通量進入氣候系統中,從而導致系統變暖。而氣候系統的變暖有可能誘發大氣溫度或地表溫度的升高、融冰融雪,或者是多余的熱量進入海洋次表層。與大氣和海洋相比,陸地表面、冰雪圈和生物圈的升溫作用相對較小(Trenberth and Fasullo,2010)。而1998年以來全球地表大氣溫度并未出現明顯的增加,那么溫室氣體排放造成的多余的熱量到哪里去了呢?科學家們對此問題進行了探討(Goddard,2014;Hawkins et al.,2014;Johnson and Lyman,2014)。從對Argo浮標資料和其他觀測資料分析來看,21世紀以來海洋700 m深度以上的海洋熱含量并未出現明顯上升,并且在這個階段海表溫度也停止了上升的趨勢(Levitus et al.,2009;Lyman et al.,2010)。

Meehl et al.(2011)利用氣候模式CCSM4研究全球變暖停滯階段深海熱量的變化。他們成功地模擬了數次全球變暖停滯的事件。對模擬結果的分析發現,在變暖停滯階段,海洋300 m深度以上的上層依然會吸收熱量,但吸收量比平時小許多。而大多數增加的熱量進入了深海,對于300～750 m的海洋次表層,大部分熱量進入了太平洋和印度洋,而在750 m以下層次,除了北極地區以外,全球其他海域的熱量都明顯增加。

Balmaseda et al.(2013)則利用歐洲中期天氣預報中心的海洋再分析系統(ORAS4)輸出的再分析資料對1958—2009年的海洋熱含量(ocean heat content,OHC)進行分析。他們的結果與Meehl et al.(2011)的結論既有相同也有不同之處。不同的是,他們認為在全球變暖停滯階段,海洋次表層300 m以上的上層海洋熱含量并未明顯增加;相同的是,他們也認為在1998年之后更多的熱量進入了海洋深處700 m以下。這些結果同樣表明,過去十多年在700 m以下熱帶太平洋和印度洋熱量都出現明顯增加的趨勢,即海洋主要的增暖區域位于熱帶地區(30°S～30°N),特別是在熱帶太平洋海域。

與前人的結果類似,Chen and Tung(2014)分析了Ishii的資料(Ishii et al.,2006;Ishii and Kimoto,2009)發現,多余的熱量主要進入了深海。他們計算得到,1999—2012年間有0.69×1023J的熱量進入了海洋深處300～1 500 m的層中。與前人結果不同的是,他們認為熱含量增加區主要位于大西洋和南半球海域,而不是在太平洋和印度洋,太平洋和印度洋深海吸收的熱量非常少。他們分別對海洋上下層的海洋熱含量進行經驗正交分解(EOF)。對于海洋次表層300 m以上層次,EOF1的空間型與ENSO類似,正負中心分別位于赤道東太平洋和西太平洋。而對于300 m以下的深層,空間型則完全不同,最大變率發生在大西洋海域和南極繞極流(Antarctic circumpolar current,ACC)區域,深海EOF分解的PC1時間序列很好地揭示了海洋變暖的趨勢。1999年之前PC1是負值,而在之后則轉為正值。最近幾年其振幅變大,意味著深海變暖,特別是大西洋海域和南極繞極流(ACC)區域。

到目前為止,大部分科學家都認為多余的熱量進入了深海之中,特別是700 m以下的深海(Smith,2013;Watanabe et al.,2013;Ferrari,2014)。不過有些科學家認為海洋上層的海洋熱含量被低估了(Durack et al.,2014)。目前尚存爭議的地方是多余的熱量到了哪些海域。由于使用不同的資料,科學家們得到的結果也不盡相同(Lyman et al.,2010;Guemas et al.,2013;Trenberth et al.,2014b)。

2.2.2 海洋影響機制

除了外強迫,自然變率是另外一個解釋全球變暖停滯事件的機制。研究表明,海洋在全球變暖停滯事件中扮演重要的角色(Watanabe et al.,2014)。

2.2.2.1 太平洋

Meehl et al.(2011)在成功模擬了數次全球變暖停滯事件后,對全球海表溫度(SST)進行了合成分析,結果顯示在全球變暖停滯階段,空間結構與太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation,PDO)的類La Nia型相似,即赤道中東太平洋海表溫度為負距平,而在中緯度中西太平洋則為正距平。其數值模擬結果為理解氣候變暖的停滯現象提供了可能,即全球變暖停滯現象是與PDO的負位相聯系在一起的。他們對20 ℃等溫線進行了分析,也得到了類似的結果。此外還發現,1997—1998年的強El Nio事件對全球變暖停滯也產生了影響。在El Nio期間,赤道中東太平洋變暖向大氣輻射熱量,使得赤道中東太平洋海溫在接下來的若干年都處于負距平,導致該海域未能向大氣輻射多余的熱量,使得全球變暖停滯(Balmaseda et al.,2013;Meehl et al.,2013;Risbey et al.,2014)。

圖1 PDO指數與全球氣溫的對應關系(PDO正位相且東太平洋暖時,全球氣溫急劇上升;PDO負位相時,全球氣溫上升停滯;引自Tollefson(2014)) a.PDO指數;b.全球氣溫Fig.1 The corresponding relation between the PDO index and global temperatures(During periods when the PDO index is positive and the eastern Pacific is warm,global temperatures have risen quickly.During spells when the PDO index is negative,the warming has stagnated.From Tollefson(2014)) a.PDO index;b.global temperatures

為了量化自然變率對氣候變暖停滯的影響,Kosaka and Xie(2013)利用氣候模式GFDL2.1模擬了近年來全球氣溫變化情況。他們做了三組試驗:第一組試驗(HIST)使用歷史觀測資料作為外強迫,用來分析外強迫的影響;第二組試驗(POGA-H)中SST使用的是赤道中東太平洋的歷史資料,而外強迫則使用的是歷史資料;第三組試驗(POGA-C)中的SST與POGA-H的資料相同,但外強迫則使用的是1990年的固定外強迫資料。POGA-H試驗再現了20世紀70年代到20世紀末的全球溫度迅速增長的階段以及1998年以來的全球變暖停滯階段;而HIST試驗模擬的20世紀70年代到現在的全球氣溫都是直線上升的。加入赤道東太平洋海溫后,模擬的全球地表溫度的時間序列與觀測資料的時間序列的相關系數從0.90提高到了0.97,并且對其年際變化也模擬得相當好。POGA-H試驗也成功模擬了Walker環流的增強,而這個結果與Meehl et al.(2011)的研究結果是一致的。另外,Kosaka and Xie(2013)還再現了全球變暖停滯階段的季節和局地特征。他們成功模擬了氣溫在冬季的變冷而在夏季稍微有所變暖的趨勢。對于全球變暖停滯的局地特征,他們成功地模擬出了北半球冬季美國及澳大利亞的變冷,但對歐亞大陸的大范圍變冷的模擬結果不太理想,他們對此的解釋是歐亞大陸的變冷不是由于赤道太平洋SST的變冷造成的。另外對于降水的模擬也比較好,成功再現了赤道中東太平洋的降水減少及西太平洋降水增多的趨勢。因此,他們認為太平洋年代際振蕩(PDO),尤其是赤道中東太平洋的變冷是導致此次氣候變暖停滯的主要原因(圖1)。

在Kosaka and Xie(2013)提出赤道中東太平洋變冷的觀點之后,科學家們就“什么原因造成了赤道中東太平洋的變冷?”這個問題進行了研究。England et al.(2014)在研究歷史資料時發現,1992年以來赤道太平洋的信風一直處于增強的階段。他們通過分析觀測資料和數值模擬來揭示其中的物理機制。試驗結果表明,當信風增強時,太平洋淺層翻轉流將會增強,即在北半球會形成順時針方向的異常翻轉流,而在南半球則為逆時針方向的異常翻轉流。于是在赤道太平洋次表層形成輻合,海水在赤道下方上升進入到表層,之后向兩極方向輻散,在較高緯度,海水下沉進入次表層。同時,在赤道信風的影響下,表層海水向西流動并在赤道西太平洋下沉,然后通過赤道潛流向中東太平洋輸送,底層偏冷的海水到達中東太平洋,導致SST變冷。在北半球中緯度地區氣壓升高,導致大氣中Hadley環流和Walker環流增強。因此,他們認為信風的增強是赤道中東太平洋變冷的直接原因。

Trenberth et al.(2014a)對全球變暖停滯的季節特征進行了研究,發現不管在夏季還是冬季,赤道中東太平洋的降水都明顯減少,而在西太平洋降水卻在增加。在觀測資料分析中,他們發現上層大氣中存在從低緯向兩極傳播的遙相關型。利用氣候模式CAM3進行模擬,他們在赤道加入半徑為750 km的負熱量距平(加入負熱量距平的位置與負降水異常的位置基本重合),結果成功模擬出了冬季和夏季的上層大氣的波列。因此,他們推斷熱帶太平洋的負降水異常以及負的潛熱異常是導致大氣上層遙相關波列產生的重要原因。而遙相關型又將對一些地區的氣候產生影響,例如歐洲的冷冬。而在Kosaka and Xie(2013)的模擬中,對歐洲氣溫的負距平未能成功模擬出來。Trenberth et al.(2014a)堅持認為,最近的全球變暖停滯事件是由于太平洋的作用產生的。當然,還有其他一些研究也持同樣的觀點(Trenberth and Fasullo,2013;Heffernan,2014;Huber and Knutti,2014;Meehl et al.,2014)。

2.2.2.2 大西洋

2013年之前有關大西洋對全球變暖減緩的研究非常少。在Meehl et al.(2013)的研究中,提到AMOC(Atlantic meridional overturning circulation,大西洋經向翻轉環流)可能對全球變暖停滯有影響。Balmaseda et al.(2013)也注意到了北大西洋深海環流的變化,不過他們沒有對此進行深入的研究。不久前,Chen and Tung(2014)在《Science》上發表關于大西洋在全球變暖停滯中起關鍵作用的文章,為全球變暖停滯的研究打開了一扇新的大門。

Chen and Tung(2014)在分析Ishii的海洋熱含量資料(Ishii et al.,2006;Ishii and Kimoto,2009)時發現,雖然在1997/1998年的El Nio事件中,赤道太平洋上層向大氣中釋放了許多熱量(0.42×1023J),但深海并未參與其中,而其時間尺度只有3～4 a。在1982年的El Nio事件中,海洋雖然也向大氣釋放了熱量,但并未導致全球氣溫降低。因此,他們認為1997/1998年的 El Nio事件并不是導致全球變暖停滯的主要原因。同樣,他們也反對全球氣候變暖停滯和PDO負位相有關的觀點,他們認為多余的熱量并未進入太平洋深海,而太平洋表層海溫的降低不足以導致全球氣溫降低。Chen and Tung(2014)認為導致全球變暖停滯的真正原因不是太平洋,而是大西洋。他們發現多余的熱量是向北大西洋和南大洋深海輸送,而太平洋0～1 500 m層的熱含量并未明顯增加。從圖2c、d中可以看到,太平洋熱含量的變率主要發生在海洋上層(0～300 m)的淺薄層中,呈東西向分布,結構與ENSO的結構類似。但在深海(300～1 500 m)卻沒有明顯的變化。與太平洋形成鮮明對照的是大西洋在1999—2012年間,相比之前的幾十年,熱量急劇向1 500 m深海輸送,并同時向北大西洋高緯度地區輸送(圖2a、b)。他們的結果與以前的北大西洋熱鹽環流變率的研究相似。為了理解大西洋中熱含量能輸送到深海的原因,他們重點研究了北大西洋副極地(45～65°N)區域的平均鹽度和海洋熱含量特征。由圖3可以看出,21世紀鹽度變成正異常,并迅速向1 500 m深度輸送。而在20世紀70年代至20世紀末,鹽度為負異常,這段時間是全球溫度迅速增加的階段。在20世紀50年代至70年代,鹽度變成正異常,這個階段是另一個全球變暖停滯的階段。也就是說,當全球變暖停滯時,北大西洋鹽度表現為正異常,而當全球氣溫迅速增加時,北大西洋鹽度表現為負異常。接下來再看看海洋熱含量的情況。21世紀熱含量為正異常,而在20世紀70年代至20世紀末,熱含量為負異常;20世紀50年代至70年代,熱含量變成正異常。海洋熱含量和鹽度對應得非常好,即當全球變暖停滯時,北大西洋呈現高溫高濕的情況;全球增暖時,北大西洋的情況正好相反。

圖2 大西洋(a,b)與太平洋(c,d)海洋熱含量變化的比較(引自Chen and Tung(2014)) a,c.全球變暖停滯階段;b,d.全球溫度迅速升高階段Fig.2 Contrasting the change in heat content in (a,b)the Atlantic versus (c,d)the Pacific(From Chen and Tung(2014)) a,c.during spells when the global warming has stagnated(averaged over the recent 14 years);b,d.during periods when global temperatures have risen quickly(averaged over the previous 14 years)

圖3 大西洋鹽度(a)和海洋熱含量(b)的氣候變化(鹽度和海洋熱含量的對應關系非常好;在全球變暖停滯階段(1950s—1970s以及2000s至今),鹽度和海洋熱含量為正距平;在全球變暖階段(1970s—2000s),鹽度和海洋熱含量為負距平;引自Chen and Tung(2014))Fig.3 Climate shifts in (a)salinity and (b)OHC in the Atlantic(The corresponding relation between the salinity and OHC is very good.During spells(1950s—1970s and 2000s to now) when the global warming has stagnated,the salinity and OHC anomalies are positive.During periods(1970s—2000s) when the global temperatures have risen quickly,the salinity and OHC anomalies are negative.From Chen and Tung(2014))

那么出現這種現象的物理機制是什么呢?他們認為主要是AMOC的作用。AMOC又被稱為“墨西哥灣流”,它通過將溫暖的表面水傳送到高緯度地區,從而讓這些水在寒冷的北大西洋深層進行冷卻、滲透,并向南返程流動。由于太陽輻射的作用導致海水蒸發,使得熱帶海表水的鹽度增加,速度更快的AMOC將熱帶高鹽度的海水輸送到北大西洋副極地區域,在此過程中熱量會向大氣輸送。熱帶的高溫海水在遇到高緯度的海冰時,會將海冰融化,使得副極地的海水鹽度減小。這兩個方面共同起作用,最終副極地鹽度低的海水占主導地位,若干年之后導致AMOC速度減緩。速度變慢的AMOC攜帶低鹽度的熱帶海水向北輸送,進入相反的位相。

而對于太平洋在全球變暖停滯中起作用的觀點,Chen and Tung(2014)認為在全球變暖停滯階段,赤道東太平洋確實存在海水變冷的現象,但他們不同意England et al.(2014)的觀點。他們認為,信風增強是這個階段的特征,而不是赤道東太平洋海水變冷的原因。同時,他們還認為在全球變暖停滯的前半階段,AMOC的增強將熱帶高溫高鹽的海水輸送到北大西洋,導致那里的海水熱含量增加,作為補償,勢必會造成別的海域熱含量減少。AMOC增強,大氣傳輸的熱量將會減弱,進而影響PDO。

與此同時,Mcgregor et al.(2014)也發現,北大西洋在全球變暖停滯現象中扮演重要角色。不過,與Chen and Tung (2014)不同的是,他們承認Kosaka and Xie(2013)的關于赤道太平洋變冷的理論,也認為信風的增強是導致赤道太平洋變冷的原因(England et al.,2014)。Mcgregor et al.(2014)嘗試解釋信風增強的原因。他們利用CAM4模式進行了幾組數值模擬,當加入大西洋海表溫度異常的趨勢、太平洋的混合層厚度以及印度洋的海表溫度設置為氣候平均時,可以很好地模擬出赤道中太平洋信風的增強、赤道東太平洋海水變冷以及太平洋—大西洋海平面氣壓的“蹺蹺板”現象。因此,他們認為北大西洋增暖及其相應的大氣氣壓中心的跨海區移動(trans-basin displacement)是導致赤道東太平洋變冷和大氣環流異常的主要原因。與Chen and Tung(2014)的觀點類似,他們不認為僅僅太平洋變率就可以導致全球變暖停滯,他們相信全球變暖停滯是太平洋和大西洋共同作用的結果(Jaccard,2012)。他們進一步指出,太平洋對北大西洋增暖的響應是導致全球變暖停滯的主要原因。持類似觀點的還有Liu and Sui(2014),他們認為大西洋和太平洋都對全球變暖停滯有貢獻。

當然,除了太平洋和大西洋的觀點外,還有其他一些觀點,如Song et al.(2014)認為印度洋也扮演著重要的角色。此外,Meehl et al.(2013)認為,南極底層海水(Antarctic Bottom Water,AABW)也在全球變暖停滯中起作用。

3 結論和討論

1998年以來的全球變暖停滯事件主要發生在北半球,且在北半球冬季比夏季明顯。在海洋中SST呈現出熱帶中東太平洋變冷,副熱帶變暖的特征。

對于全球變暖停滯的原因目前主要有兩種觀點:外強迫和自然變率。外強迫觀點主要分為太陽活動、火山噴發氣溶膠、人類活動氣溶膠以及平流層水汽強迫四種。而自然變率觀點則認為全球變暖停滯主要來自海洋的影響,溫室氣體排放導致的多余的熱量進入了海洋深處,尤其是700 m以下的海域,但具體進入哪些海域目前還存有較大分歧,利用不同的海洋熱含量資料所得結果不盡相同。

關于海洋的影響也有兩種觀點,一種認為是太平洋的影響,另一種則認為大西洋的影響起主要作用。前者認為是PDO,尤其是熱帶東太平洋變冷導致全球變暖停滯的發生;而后者則認為AMOC或者北大西洋變暖是其發生的根本原因。

目前,大家普遍認為自然變率是產生全球變暖停滯的主要機制,外部強迫作用則被認為是次要的(陳幸榮等,2014)。雖然相對于之前的迅速增暖,目前全球變暖速度變緩,但從更長時間尺度來看,全球氣溫還將繼續升高(王紹武等,2014a,2014b)。

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(責任編輯：張福穎)

A review of recent studies on global warming hiatus

SONG Bin1,2,3,ZHI Xie-fei1,2,3,HU Yao-xing1,2,3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;3.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Since the industrial revolution,the content of anthropogenic greenhouse gas is increasing.As a result,the global surface air temperature grows rapidly.However,the global surface air temperature has stalled since 1998,despite the greenhouse gas steadily increases.This paper reviewed the latest research progress on this phenomenon,especially the mechanism of the global warming hiatus.There are two main viewpoints on the mechanism,namely,the external forcing and natural variability.The former includes the influence of solar activity,volcanic aerosol particles,man-made aerosol particles and stratospheric water vapor forcing.Scientists in the opinion of natural variability hold the idea that the missing heat produced by human activity has entered the deep ocean,especially the layer below 700 m.They believe that the oceans play a key role in the global warming hiatus.There are two main ideas for that:Pacific Decadal Oscillation(PDO),especially the cooling in the eastern tropical Pacific,and the Atlantic Meridional Overturning Circulation(AMOC).The widely accepted idea on the mechanism of recent global warming hiatus is natural variability.The missing heat has entered the deep ocean.But it still remains controversial which ocean basins gain the missing heat.

global warming hiatus;external forcing;natural variability;mechanism;review

2015-01-05；改回日期：2015-03-09

國家重大科學研究計劃項目(2012CB955200);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD);江蘇省“青藍工程”(東亞季風與區域氣候變化)

智協飛,博士,教授,研究方向為短期氣候預測、數值天氣預報,zhi@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150105002.

1674-7097(2015)02-0145-10

P46

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150105002

宋斌,智協飛,胡耀興.2015.全球變暖停滯的形成機制研究進展[J].大氣科學學報,38(2):145-154.

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