北半球中纬度大陆东部海域升温、差异及成因研究

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全球气候在经历了自1950s末以来的快速升温后,于1990s末进入了变暖的暂缓期(warming hiatus),北半球大陆东部的多处海域特别是东中国海(渤海、黄海和东海)对此有显著的响应。为此,本文基于多套海温再分析资料和卫星遥感数据,评估了中纬度亚洲大陆东部的东中国海及相邻海域(以下简称东中国海)在上述不同时期(变暖期和暂缓期)海温的变化趋势,研究了东亚大气环流和海洋动力过程对东中国海海温变化的影响过程,并与中纬度北美大陆东部的西北大西洋边缘海域(主要范围为斯科舍陆架及纽芬兰浅滩附近海域,以下简称美东北陆架海)海温做了比较,最后利用IPCC CMIP5输出结果预估了未来百年中国近海海温的变化趋势,主要的结论有以下几点:  (1)亚洲大陆东部中国近海区域在过去几十年(1958-2014年)春、夏、秋和冬四个季节均表现出显著的升温趋势。其中,中纬度东中国海是变暖最强的区域,以冬季增温尤为显著,主要位于台湾海峡至长江口的东海,平均升温速率超过0.5℃/10年。其次,10年滑动趋势结果表明东中国海海温在全球变暖加速期和暂缓期表现出加强的响应特征。即,在全球气候升温最快的1980s和1990s,东中国海海温以更快的速率上升,升温速率(>0.6℃/10年)是全球平均升温速率的5倍以上,而在变暖的暂缓期,其海温降低的速率也明显低于全球平均水平。再者,东中国海海温的年代际变化与太平洋年代际涛动(PDO)位相转换关系密切,东中国海升温最迅速的两个时期分别是PDO处于正位相最大值的时期,1990s末以后东中国海海温下降也与PDO进入负位相的时期是基本一致的。  (2)东中国海海温的变化与东亚近海上空低层大气环流具有密切的关系。海温和风场的主要模态在年际和年代际尺度上均具有非常显著的负相关关系。在年际尺度上,东中国海的海气相互作用主要表现为大气通过扰动热通量强迫海洋,而在年代际甚至更长时间尺度上,则主要表现为海温对热通量变化的主导作用而影响大气。东亚冬季风在1980s中期出现迅速的减弱(10年滑动趋势为负的最大值),主要表现为风速的迅速减小和气温的快速上升,导致海洋向大气释放的潜热和感热通量迅速减少,从而使得海温迅速上升。东亚冬季风在2000年之后的反弹也成为东中国海海温在该时期下降的重要原因。  (3)海洋动力过程中经向平流输送对东中国海海温有明显的作用。这主要是由异常经向流的输运项决定的,显著区域主要位于东海和台湾海峡,而纬向平流和垂直混合作用与东海海温的关系不明显。对海温倾向方程各项贡献的定量分析结果表明,东中国海海温的局地变化主要是由经向平流的输运和净热通量引起的,而纬向平流和垂直混合对海温变化起到阻尼作用。黑潮经向流量(台湾以东23°N断面)的增强会有利于暖水向东海的输入同时会不利于高纬度沿岸流冷水南下使得东海海温上升。分析结果还表明,黑潮(23°N断面)经向流量在1980s中期夏季和1990s中期冬季分别有显著的加强,这可能是东中国海在上述两个时期快速升温的重要原因之一。  (4)中纬度北美大陆东部的美东北陆架海在过去几十年里也有显著的升温,最显著的区域位于美洲大陆东北部陆架海和50°N附近的纽芬兰浅滩区域,主要表现为1990s中期的快速升温和2000年以后的持续升温。这与东中国海和全球海洋的平均变化有所不同,尤其是2000年以后美东北陆架海未出现明显的变暖暂缓现象。这主要与其海面气温、感热通量以及西北大西洋湾流的经向输送变化有关。  (5)通过评估34个CMIP5模式对于亚洲大陆东部中国近海历史海温(1970-2005年)的模拟性能,选择了模拟结果较好的9个模式,利用这些模式的集合平均结果预估了未来不同情景下(RCP4.5和RCP8.5)中国近海海温的变化趋势。结果表明,按照当前的CO2排放速度(RCP4.5),中国近海大部分区域在2030年以后普遍的升温将会接近或超过1℃(相对于历史海温)。其中,东中国海的升温速率最为明显,且增温幅度明显高于南海,在2030-2039年、2060-2069年和2090-2099年间升温将会分别超过1℃、2℃和3℃左右。在CO2加倍排放的情景下(RCP8.5),东中国在21世纪末最大升温可能接近5℃,有可能将成为全球升温幅度最大的区域之一。
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