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厄尔尼诺:地表发烧,海洋散热
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2019-06-21 | 【 【关闭】

  厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是气候系统中最主要的年际尺度变率。它虽然起源自热带太平洋,但对全球天气系统有极大的影响。厄尔尼诺伴随着大气、海表和地表升温(“发烧”),厄尔尼诺发生之后全球地表温度达到峰值。然而,平均深度约4000米的海洋到底是和大气或者海表一样“发烧”还是会“退烧”呢?

  这个关键科学问题在学界一直存在争议。例如,著名的海洋Argo浮标之父Dean Roemmich于2011年在GRL发表论文指出:在厄尔尼诺时,海表变暖,但海洋失去热量,即 “海洋退烧”。2016年,著名的物理海洋学家G. Johnson在同一个杂志发表了另一篇论文表示:在厄尔尼诺时,海洋吸收了更多热量,即海洋会“海洋发烧”。争议产生的原因是传统的次表层观测数据质量不足,同时海气界面热通量直接观测数据误差很大。

  大气所成里京副研究员、朱江研究员近期于《Journal of Climate》发表了题为“Evolution of Ocean Heat Content Related to ENSO”的论文,对上述争议进行了系统性解答。论文合作者包括美国NCAR的K.E.Trenberth和J.Fasullo;欧洲中心Michael Mayer和Magdalena Balmaseda。

  为了理解ENSO伴随的全球和局地海洋热量收支,该研究使用了多套独立的观测、再分析和模拟数据。例如大气所构建的海洋次表层温度格点观测数据(IAP数据),目前最优的海洋再分析数据之一(ORAS5)、气候模式数据(CESM集合模拟数据LENS)、基于间接方法的海表通量观测数据(Q)。多数据、独立数据的共同使用和联合分析突出了各个数据的长处,极大的增加了结论的可靠性。

  研究发现,全球海洋在厄尔尼诺发生时和发生后会失去热量,使得海洋“退烧”。而全球海洋的的散热伴随着不同海盆中复杂的热量变化和交换。研究也进一步从全球到局地,探讨了不同区域的海洋能量变化:例如:径向平均、纬向平均、不同深度平均、不同海盆热量变化。最终该研究大致厘清了厄尔尼诺时主要的热量变化过程(示意图)。

  在海洋内部,厄尔尼诺导致包括热带太平洋和印度洋东西方向相反的热量异常、包括赤道和赤道外的热交换、也包括近表层(上层100米)和次表层(100米以下)的相反的热量变化。海洋同时也和大气进行大量的热量交换,在热带太平洋,海洋能量被抽取到大气中,使得海洋降温,引起了中东太平洋的降水增加。降水伴随着水从气态凝结成液态,在大气中释放热量,这些能量激发大气环流的异常并传播到全球,调整了全球天气系统(即“大气桥”或“遥相关”)。但在东印度洋、西太平洋和大西洋,天气较为晴朗少雨,海洋会更多的吸收热量使得这些地方的海洋变暖。热带外的情况更为复杂,但平均而言,除南太平洋以外,南北纬30度以外的海洋热量变化都比较小。

  在这些复杂的能量交换中,太平洋整体释放热量最大,印度洋和大西洋变暖也并没有完全弥补太平洋的能量释放,因此最终导致全球海洋是散热的(“海洋退烧”)。

  需要指出的是,由于观测数据限制,该研究只关注于平均情况下ENSO导致的海洋热收支。对ENSO的非对称性、ENSO的不同形态下的热量变化,还有待于数据进一步积累才能得到解答。另外,南北纬30度以外的海域,由于ENSO的信号相互抵消使得净热量变化较弱,加上其余气候系统变率和观测、模式误差的共同影响,其净热量变化依然误差较大,有待于更多分析。

图.厄尔尼诺时低纬度海洋热量变化和海洋热量收支示意图(红色为海洋增暖、热含量增加;蓝色为变冷,热含量降低)。绿色箭头为厄尔尼诺伴随的热量转移。

  论文:

  Cheng, L., K.E. Trenberth, J.T. Fasullo, M. Mayer, M. Balmaseda, and J. Zhu, 2019: Evolution of Ocean Heat Content Related to ENSO. J. Climate, 32, 3529–3556, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0607.1

 
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