東中國海海表溫度長期升高的原因分析

東中國海海表溫度長期升高的原因分析

東部水域指海南島、九州島、琉球島鏈、臺灣島內(nèi)渤海、黃海和東海，面積約1.22.06萬公里。渤海和黃海構(gòu)成1個淺的向東敞開的“海灣”,穿過該灣中部偏東有1個淺的海槽,向南一直延伸到東海的沖繩海槽東端。東海大部分位于寬廣的陸架上,東北方面通過朝鮮海峽(或稱對馬海峽)和日本海相接,南面通過臺灣海峽和南海相連,東側(cè)是最深達(dá)到2300m的沖繩海槽。東海等深線大致呈西南-東北分布,平均水深370m。東中國海與西邊界強流黑潮毗鄰,黑潮對其環(huán)流結(jié)構(gòu)有極其重要影響。黑潮有強度和彎曲等顯著的變化,從而把太平洋的信號帶入東中國海。從地理位置上看,渤、黃、東海緊密相連,海水交換必不可少。因此,東中國海溫鹽結(jié)構(gòu)的長期變化應(yīng)該有比較一致的趨勢。隨著全球氣候變暖,海洋平均溫度也逐漸升高,1961～2003年期間上700m共升高了0.1℃。在太平洋,能導(dǎo)致變暖的厄爾尼諾事件從1970年代末開始特征顯著改變,周期變長,強度增大,使得海表溫升高更為突出。作為太平洋的西邊界以及與人類生活的陸地緊密相連的邊緣海,東中國海的長期變化頗受關(guān)注。一些研究表明,在過去的幾十年當(dāng)中,渤、黃、東海SST也表現(xiàn)出相當(dāng)程度的升高。事實上,由于觀測資料的缺乏,關(guān)于東中國海SST長期變化的研究還非常少,已有的研究也不夠全面。閻俊岳和李江龍的研究主要集中在東海中部的1個不大的區(qū)域內(nèi),文獻(xiàn)的結(jié)論則是基于幾個渤海沿岸測站的觀測資料得到的。相關(guān)的衛(wèi)星觀測資料雖然具有很好的空間分辨率,但它們的時間長度有限,多是從1990年代開始,不足以描述東中國海SST在幾十年尺度上的變化情況。另一方面,目前的研究中對東中國海SST長期變化原因的探討幾乎沒有,已有成果基本停留在對數(shù)據(jù)資料分析的層次上。因此,本文選用時空范圍相對理想的資料,對東中國海SST的長期變化趨勢展開討論,并嘗試著從平流輸運、海面凈熱通量、混合層底部的垂向卷夾過程等主要影響因素的作用著手探討引起變化原因。1資料和數(shù)據(jù)來源本文使用的SST數(shù)據(jù)來源于MetOfficeHadleyCentre的海冰和海表溫度資料HadISST1。它是基于觀測結(jié)果進(jìn)行分析處理后得到的,覆蓋全球,空間分辨率為1(°)×1(°)。記錄從1870年開始,每月1次,且更新比較及時。該資料中的SST主要來源于MetOfficeMarineDataBank(MDB),其中1982年以前的部分包含了GlobalTelecommunicationsSystem(GTS)的數(shù)據(jù)。另外,在缺少數(shù)據(jù)的地方,使用了ComprehensiveOcean-AtmosphereDataSet(COADS)的數(shù)據(jù)進(jìn)行補充。為了減少早期觀測手段差異帶來的影響,本文選取了1945～2006年SST用于研究東中國海的長期變化趨勢。文中涉及到的海面凈熱通量資料共有3種,分別來源于NationalCenterforEnvironmentalPrediction(NCEP),COADS以及通過ObjectivelyAnalyzedair-seaFlux(OAFlux)項目的海面感熱、潛熱通量資料和InternationalSatelliteCloudClimatologyProject(ISCCP)的海面長波和短波輻射通量資料計算得到的海面凈熱通量。這3種資料的空間分辨率均為1(°)×1(°),時間上是每月1次。NCEP資料的凈熱通量從1948年開始至2006年,COADS資料的時間范圍是1945～1993年,而OAFlux和ISCCP2種資料的時間交集是1984～2002年。此外,流場資料來自最新的SimpleOceanDataAssimilation(SODA)1.4.2,海面風(fēng)場資料來自NCEP。SODA資料每月1次,從1958～2001年,空間分辨率為0.5(°)×0.5(°)。NCEP的風(fēng)場資料也是每月1次,從1948～2006年,空間分辨率為2.5(°)×2.5(°)。對于變量y而言,其線性變化趨勢可以通過對{xi}時刻的時間序列{yi}采用如下關(guān)系進(jìn)行線性擬合而得到:yi=y0+kxi+εi(1-a)其中,y0和k是所要求的未知參數(shù),k即是y的線性變化趨勢;εi是擬合結(jié)果的誤差,可以用來估計擬合的不確定性。根據(jù)k和y0重新構(gòu)建出的變量時間序列{y*i}滿足:y*i=y0+kxi(1-b)由(1-b)可以得到變量隨時間按線性趨勢發(fā)展的改變量,即后面時刻和前面時刻對應(yīng)的y*i之差。2太平洋和東中國海sst變化的趨勢對東中國海每個網(wǎng)格點上的SST,先根據(jù)(1-a)計算出其1945～2006年之間隨時間的線性變化趨勢,再由(1-b)可以確定按照這種趨勢發(fā)展下去2006年相對于1945年的改變量,得到的結(jié)果如圖1所示。整個空間的等值線幾乎全部為正,說明在這62年當(dāng)中東中國海SST具有長期升高的趨勢。變化最為突出的部分是東海,絕大部分海區(qū)都被1℃等值線所包圍,其中從福建和浙江(閩浙)兩省沿岸向東北方向擴(kuò)展的大片區(qū)域,SST的升高幅度更是達(dá)到了1.4℃。在東海與太平洋相鄰的一側(cè),等值線的分布與黑潮的路徑基本一致。在黃海和渤海SST的改變量小于1℃,隨著海水向陸地的深入,SST的升高幅度呈現(xiàn)出逐漸減小的態(tài)勢。當(dāng)然,考慮到HadISST1資料的分辨率對黃海特別是渤海而言顯得較為粗糙,圖1中東海以外SST改變量空間分布的可信度受到影響。對整個太平洋的SST做同樣的分析,發(fā)現(xiàn)雖然北太平洋中部大片區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢,而在包圍這片區(qū)域的陸架邊緣即包括東中國海在內(nèi)的海區(qū)和赤道太平洋區(qū)域SST則是顯著的長期升高,南太平洋熱帶以外即15°S以南地區(qū)的變化相對較弱。類似的結(jié)果也出現(xiàn)在Lau和Weng的研究中。這說明東中國海SST的這種變化趨勢并不是孤立的,而是屬于太平洋的一部分。為了進(jìn)一步明確東中國海SST隨時間的變化過程,及其與太平洋SST之間的關(guān)系,本文分別計算了東中國海和太平洋每年空間平均的SST。鑒于太平洋SST長期變化幅度相對突出的區(qū)域主要分布在15°S以北,選用這一區(qū)域除去東中國海之后空間平均的SST代表太平洋的SST。圖2是太平洋和東中國?？臻g平均的SST隨時間的變化,可以看出2處的SST具有比較一致的長期升高趨勢。值得注意的是,不論是太平洋還是東中國海,以1970年代末和1980年代初為分界,SST出現(xiàn)一次顯著的氣候態(tài)躍遷。正是這次躍遷的存在,使得SST表現(xiàn)出長期升高的趨勢。此前的幾十年當(dāng)中,SST基本上是圍繞著一個相對較低的數(shù)值上下起伏;躍遷之后,年平均的SST一直保持著相對較高的數(shù)值,并且有非常明顯的持續(xù)升高趨勢。關(guān)于太平洋的這次氣候躍遷,已經(jīng)有了大量的研究。根據(jù)(1-a)和(1-b)的計算,從1945～2006年,整個東中國海年平均的SST增加了0.9℃,平均每年升高0.015℃,與Lin等和方國洪等的結(jié)果在量級上一致;太平洋年平均的SST增加了0.4℃(見圖2)。可見,相對與太平洋這個大背景,東中國海海面的升溫趨勢更為突出。太平洋和東中國海SST發(fā)生氣候態(tài)躍遷的時間是不相同的,前者是從1976,1977年開始的,而后者稍晚,是進(jìn)入1980年代之后才開始的。太平洋的SST最高值出現(xiàn)在1997年,東中國海的則出現(xiàn)在1998年。東中國海SST的變化似乎是落后于太平洋但又隨之改變的。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)東中國海SST與太平洋SST具有很好的相關(guān)性,前者1年滯后的相關(guān)最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.6(置信度高于99%)。如果使用月平均的SST分析,得到的這種1年左右滯后的相關(guān)更高,達(dá)到了0.92(置信度高于99%)。由此可見,東中國海SST的變化相對于太平洋具有一定的滯后性,氣候躍遷信號極有可能是從太平洋傳進(jìn)東中國海的。3溫度t的表征?Τ?t+u?Τ?x+v?Τ?y+w?Τ?z=-1ρcΡ?Ι?z+??z(k?Τ?z)(2)ρcΡ(??t0∫-ΗΤdz+advection)=Qnet-Ι-Η+ρcΡk?Τ?Ζ|-Η(3)?T?t+u?T?x+v?T?y+w?T?z=?1ρcP?I?z+??z(k?T?z)(2)ρcP?????t∫?H0Tdz+advection???=Qnet?I?H+ρcPk?T?Z∣∣∣∣?H(3)(2)式是海水溫度T的控制方程,其中ρ和cP分別是海水的密度和定壓比熱容,I是來自外界的熱強迫(主要通過上下界面作用),k是垂向湍擴(kuò)散系數(shù)。將該方程在垂直方向從混合層底部積分到海表面,得到的(3)式便是混合層的熱量收支方程,其中H表示混合層的厚度。由該方程可以看出,混合層的溫度即SST是由平流輸運advection、海面凈熱通量Qnet、混合層底部的垂向卷夾過程I-H以及湍擴(kuò)散ρcΡk?Τ?Ζ|-ΗρcPk?T?Z|?H這四項所控制的。前2項的作用是可以大致估算的,第3項的作用也可以進(jìn)行定性的討論,至于最后1項湍擴(kuò)散的作用則比較難以確定而且相對其它項貢獻(xiàn)較小。因此,接下來將分別討論平流輸運、海面凈熱通量和混合層底部的垂向卷夾過程對東中國海SST長期變化的作用。3.1東中國海sst的年際變化圖3反映的是東中國海SST和上30m流場氣候態(tài)的空間分布。SST的分布大致從南向北遞減,但是在東海SST等值線的分布趨于與黑潮路徑平行。值得注意的是在臺灣島的東北側(cè),有部分黑潮水穿越等溫線進(jìn)入東中國海。此外,在臺灣海峽存在著常年向北的流動,一直延伸到浙江沿岸,流速達(dá)到20cm/s左右。從平流對熱量輸運的角度,這2支向北的流動能夠?qū)⒋罅康臒崃繌哪虾霒|中國海。對照圖1,可以發(fā)現(xiàn)東中國海SST升高最突出的區(qū)域正是這2支海流流經(jīng)的區(qū)域,從而證明它們對東中國海SST的變化具有非常重要的影響。除此之外,基本上沒有向北穿越等溫線進(jìn)入東中國海的流動。平流輸運所引起的月平均SST的變化ΔT1可以簡化成(4)式的右邊一項。ΔΤ1=(?v?Δθ)Δt(4)其中,?v是海流的速度,Δθ是研究區(qū)域SST分布的梯度,Δt是1個月的時間間隔。由此,能引起SST長期變化的應(yīng)該是流速和SST等值線沿海流方向梯度的長期變化。圖4是通過(1-a)(1-b)求得的東中國海上30m的流場按照線性變化的改變情況。在閩浙沿岸表示海水運動方向的箭頭大多是指向北的,說明從1945～2006年向北的沿岸流有所增加,增幅約為2～3cm/s。在臺灣島的東北側(cè),黑潮的北向入侵也有一定程度的增加,大約是2cm/s左右。圖5是利用(1-a)(1-b)求出的東中國海SST在1945～2006年的分布,即按照線性變化趨勢重新擬合出的SST的空間分布。這2年的SST均呈現(xiàn)出與圖3相似的條帶狀分布,相比于1945年,2006年整個東海SST等值線分布的疏密程度改變微弱,即SST梯度幾乎沒有改變。因此,對東中國海而言,由于臺灣海峽向北的海流和臺灣島東北側(cè)向北的黑潮入侵流速增大,平流輸運的作用是使得東中國海SST長期升高的。若臺灣海峽向北的海流流速從1945～2006年的增量取為2.5cm/s,沿其流向的SST梯度是0.5℃每100km,那么,它能夠引起月平均的SST升高0.3℃。同樣的,當(dāng)臺灣島東北側(cè)黑潮北向入侵流速增大了2cm/s,沿其流向的SST梯度是0.9℃每100km時,月平均的SST能夠升高0.5℃。因此,對東中國海而言,平流輸運的總體作用使得東中國海的SST在過去62a中總共升高了0.8℃。最新的研究表明,臺灣海峽向北的這支海流的存在與黑潮密不可分,它的流速和流向基本上都是由黑潮決定的。從這個角度看,平流輸運對東中國海SST長期變化趨勢的影響是由黑潮的變化所控制的。按照Deser等的推斷,在太平洋發(fā)生氣候躍遷之后的1977～1988年期間,黑潮的體積輸運比1968～1976年期間增加了約15%。隨著黑潮的加強,臺灣島兩側(cè)向北的流動——臺灣海峽向北的海流和臺灣島東北側(cè)黑潮北向入侵都會得到加強。前面基于SODA資料的估算結(jié)果也證明了這一點。由此可見,東中國海SST的長期升高趨勢是深受太平洋氣候躍遷的影響。3.2東中國海的海底凈熱通量及其長期變化當(dāng)穿過溫躍層的垂向熱通量較弱時,SST變暖和溫躍層變淺之間有很好的相關(guān)性。海面凈熱通量引起的月平均SST的變化ΔT2大致可以用下面的關(guān)系表示:ΔΤ2=ΔtρcΡQnetΗ(5)方程右端各個變量的含義與前面相同。用NCEP資料、COADS資料以及WHOI和ISCCP資料計算了東中國?？臻g平均的海面凈熱通量及其長期變化趨勢(見圖6)。盡管3種資料得到的結(jié)果在數(shù)值上有所不同,但它們都反映了1個共同的信息,那就是東中國海幾乎是一直失熱的,并且隨著SST的不斷升高所失去的凈熱呈現(xiàn)出越來越多的趨勢。與SST的通過(1-a)和(1-b)的計算,NCEP資料的結(jié)果顯示2006年比1948年多失去22W/m2的熱量,COADS資料的結(jié)果是從1945～1993年海面凈熱通量減少了19W/m2,WHOI和ISCCP資料的結(jié)果是從1984～2002年減少了7W/m2。以上的結(jié)果表明,東中國海的海面凈熱通量大致上以每年0.4W/m2的速度遞減。按照這個速率,從1945～2006年共減少了24.8W/m2。如果東中國海的平均混合層厚度取30m,那么海面凈熱通量的長期變化將使得SST在過去的62a中共減小了0.5℃,抑制了SST的長期升高趨勢。3.3東中國海sst長期線性變化的空間分布混合層底部的垂向卷夾過程對SST的影響是由混合層底部的垂向速度決定的。向上的運動會將混合層下面相對冷的海水帶入混合層,引起SST的降低;向下的運動則有利于阻止下面冷水的進(jìn)入,從而導(dǎo)致SST升高。混合層底部垂向速度中由風(fēng)生海流導(dǎo)致的部分是Ekman抽吸速度,可以利用海面風(fēng)應(yīng)力資料對這部分速度做出估計。圖7是基于NECP風(fēng)場資料,先計算出東中國海Ekman抽吸速度,然后通過(1-a)和(1-b)得到的其長期線性變化的空間分布。相比于1948年,到2006年東中國海向下的Ekman抽吸速度有所增大。其中,在東海南部向下的Ekman抽吸速度增幅最為突出,更有利于當(dāng)?shù)豐ST升高。事實上,圖2的結(jié)果也顯示了此處正是東中國海SST長期升高趨勢非常明顯的所在。由此可見,Ekman抽吸的作用也是導(dǎo)致東中國海SST表現(xiàn)出長期升高趨勢的因素之一。不過,它所引起的SST的升高尚不能夠給出一個定量的估計。按照上面的估算,平流輸運的作用能引起東中國海SST升高0.8℃,而海洋向大氣釋放的凈熱的增加能夠使得SST降低0.5℃。這樣一來,為了維持整個東中國海0.9℃的SST升高,垂向卷夾過程和湍擴(kuò)散兩者作用之和需要使SST升高達(dá)到0.6℃,要小于平流輸運的貢獻(xiàn)。由此,東中國海SST的長期升高趨勢主要是得益于平流輸運的熱量的增加。當(dāng)然,這樣的結(jié)果只是在前面已有結(jié)果基礎(chǔ)上的1種推測。同時,對平流輸運和海面凈熱通量作用的估計,因為黑潮