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厄爾尼諾:地表發燒,海洋散熱
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2019-06-21 | 【 【關閉】

  厄爾尼諾和南方濤動(ENSO)是氣候系統中最主要的年際尺度變率。它雖然起源自熱帶太平洋,但對全球天氣系統有極大的影響。厄爾尼諾伴隨著大氣、海表和地表升溫(“發燒”),厄爾尼諾發生之後全球地表溫度達到峰值。然而,平均深度約4000米的海洋到底是和大氣或者海表一樣“發燒”還是會“退燒”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。

  爲了理解ENSO伴隨的全球和局地海洋熱量收支,該研究使用了多套獨立的觀測、再分析和模擬數據。例如大氣所構建的海洋次表層溫度格點觀測數據(IAP數據),目前最優的海洋再分析數據之一(ORAS5)、氣候模式數據(CESM集合模擬數據LENS)、基于間接方法的海表通量觀測數據(Q)。多數據、獨立數據的共同使用和聯合分析突出了各個數據的長處,極大的增加了結論的可靠性。

  研究發現,全球海洋在厄爾尼諾發生時和發生後會失去熱量,使得海洋“退燒”。而全球海洋的的散熱伴隨著不同海盆中複雜的熱量變化和交換。研究也進一步從全球到局地,探討了不同區域的海洋能量變化:例如:徑向平均、緯向平均、不同深度平均、不同海盆熱量變化。最終該研究大致厘清了厄爾尼諾時主要的熱量變化過程(示意圖)。

  在海洋內部,厄爾尼諾導致包括熱帶太平洋和印度洋東西方向相反的熱量異常、包括赤道和赤道外的熱交換、也包括近表層(上層100米)和次表層(100米以下)的相反的熱量變化。海洋同時也和大氣進行大量的熱量交換,在熱帶太平洋,海洋能量被抽取到大氣中,使得海洋降溫,引起了中東太平洋的降水增加。降水伴隨著水從氣態凝結成液態,在大氣中釋放熱量,這些能量激發大氣環流的異常並傳播到全球,調整了全球天氣系統(即“大氣橋”或“遙相關”)。但在東印度洋、西太平洋和大西洋,天氣較爲晴朗少雨,海洋會更多的吸收熱量使得這些地方的海洋變暖。熱帶外的情況更爲複雜,但平均而言,除南太平洋以外,南北緯30度以外的海洋熱量變化都比較小。

  在這些複雜的能量交換中,太平洋整體釋放熱量最大,印度洋和大西洋變暖也並沒有完全彌補太平洋的能量釋放,因此最終導致全球海洋是散熱的(“海洋退燒”)。

  需要指出的是,由于觀測數據限制,該研究只關注于平均情況下ENSO導致的海洋熱收支。對ENSO的非對稱性、ENSO的不同形態下的熱量變化,還有待于數據進一步積累才能得到解答。另外,南北緯30度以外的海域,由于ENSO的信號相互抵消使得淨熱量變化較弱,加上其余氣候系統變率和觀測、模式誤差的共同影響,其淨熱量變化依然誤差較大,有待于更多分析。

圖.厄爾尼諾時低緯度海洋熱量變化和海洋熱量收支示意圖(紅色爲海洋增暖、熱含量增加;藍色爲變冷,熱含量降低)。綠色箭頭爲厄爾尼諾伴隨的熱量轉移。

  論文:

  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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