海气界面热通量交换对南海深水海盆SST持续增暖的可能贡献

王 皘,刘秦玉

(中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100)

海气界面热通量交换对南海深水海盆SST持续增暖的可能贡献

王 皘,刘秦玉

(中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100)

20世纪后50年南海深水海盆SST持续增暖了0.64℃,为了探究其持续增暖的机制,使用IPCC模式比较试验CGCM3.1(T47)、CGCM3.1(T63)、CSIRO-Mk3.0、GFDL CM2.0这4个模式输出资料中的辐射通量、湍流热通量、比湿、风、云量、气温、海平面气压及海温数据,计算了各海洋、气象要素的变化趋势,估算了热通量各分量,发现20世纪后50年期间SST的持续增暖似乎不能依据海面热通量的变化来解释。主要证据如下:夏季风的减弱使得海面潜热减少了约4.9 W/m2,但由于海温升高、蒸发加强又使潜热增多了大约同样的值,使得夏季南海深水海盆总的潜热通量变化较小;夏季大气水汽含量的增多促使海面长波辐射增多了约1.8 W/m2,加上感热通量等变化的效应,海洋净得热增多了约3.0 W/m2;但是,20世纪后50年内冬季风的增强和冬季海温升高致使海洋潜热增多了约7.3 W/m2。由于20世纪后50年潜热释放大于海面长波辐射增多,无法只用海面热通量解释SST持续增暖现象,指出了南海海洋动力过程可能在维持南海深水海盆50年来SST持续增暖中的重要性。

南海;热通量;海表面温度;持续增暖

南海(SCS,South China Sea)是西北太平洋最大的半封闭边缘海,具有热带海洋及深水海盆的特征:年均SST高于25℃,其分布呈现自东北探向西南的“冷舌”型;水深>200 m的东北-西南走向的菱形海盆占到总海域面积的1/2[1-3]。

在以变暖为主要特征的气候背景下,观测资料显示自20世纪中期以来南海表层水持续变暖[4]。1989年Betts和Ridgway首次提出变暖背景下的大气对流是减弱的[5],此观点被Betts于1998年再次提出[6]; 2006年Gabriel等人[7]使用IPCC AR4的相关模式研究了21世纪全球大气、海洋环流对于温室气体不同强迫的响应。不断完善的海洋大气耦合模式或气候系统模式为作者研究海洋增暖的机制提供了便利条件。借鉴Bony等人[8]在2006年通过分析大气层顶热通量分量来研究气候反馈的方法,Du and Xie[9]使用多模式数据集资料,研究了大气调整在20世纪热带印度洋增暖中的作用,给出热带印度洋海盆长波净辐射、短波辐射、感热通量以及潜热通量中大气强迫与海洋响应因子对于增暖贡献,解释了净热通量很小的情况下热带印度洋增暖的原因。那么对于同样增暖显著的南海SST的增暖机制如何解释?

通过南海海表热收支的研究可揭示南海SST的部分机制变化;已有的有关热收支的研究多关注南海增暖这一事件的年际与年代际变率,及其与ENSO事件的密切相关关系[10],从热通量变化的角度定量分析增暖机制的研究极少;贾英来等人[11]表明发展阶段的南海暖水范围和厚度的增长主要是因为南海地区受到的局地加热;蒋国荣等人[12]证实了海洋表面热通量研究与季风研究之间的联系;另一方面,Xie等人[13]和Liu等人[2]都指出由于风驱动的海洋平流作用导致的南海夏季冷丝和冬季冷舌,特别是冬季冷舌。

本文研究发现了4个耦合模式都出现自1950年代以来南海表层水温持续变暖的现象,该现象是海表热通量持续异常的结果,还是海洋冷平流作用持续减弱的结果,或其它原因导致的结果,目前还受资料限制无法得出结论。本文通过对气候模式中过去半个世纪海面热通量各项变化的分析,对海表热通量在表层水温持续变暖中起到的作用进行初步的评估,试图探讨海表热通量在南海表层水温持续变暖中的作用。

1 数据

本文使用拓展重建的海表面温度数据ERSST[14](1854—2000年月平均的海温数据,水平分辨率为2(°)× 2(°))。

将Hm=130 m，Rm=6 371 km，ym=123 075 m 代入式(2)可求得H0=148 9 m。

表1 使用模式介绍Table 1 An introduction to the used models

使用美国商业部门(U.S.Department of Commerce),国家海洋和大气管理局(NOAA),国家地球物理数据中心(NGDC,National Geophysical Data Center)的地形再分析产品ETOPO2v2,其水平分辨率为2(′)×2(′),垂直方向精度为1 m。

2 方法

参考前人对海面热通量的研究海洋表面的热量平衡方程可表述如式(1),本文中提到的热通量以海洋得热为正。

其中:Qnet为海洋表面净热通量(N HF,NetHeat Flux),正值表示收入,即海洋得热;QLR为海洋表面净长波辐射通量);QSR为海洋表面吸收的短波辐射;QE为海洋表面潜热通量;QS为海洋表面感热通量。热通量的分离及计算方法请参考文献[9]。

任意变量Q可表示为Q=¯Q+Q′,其中¯Q为平均值,Q′为变化量。本文中计算平均值¯Q取1951—2000年50 a的平均。(1)式的每一项均可分离为平均值与变化量,即有Q′net=Q′LR+Q′SR+Q′E+Q′S。

长波辐射通量的变化Q′LR包含温室气体强迫Q′GHG及海温-水汽-云反馈作用Q′WV。

4.基本农田保护区。全市基本农田保护区面积为63204公顷，约占全市国土面积的29.27%。分布于10个镇（办事处）。

这样一来，如芸省心又省力，她开心到不行，在茶水间碰到他的时候，她拦住他，跟他说谢谢，完全忘了之前对他咬牙切齿的誓言。

使用上述4个模式输出资料,选取时间尺度为1951—2000年,根据地形资料选取水深>200 m的模式数据点,计算得到各模式变量海盆平均的时间序列。根据文献[9]中的计算方法,由各模式变量得到热通量及其分量的线性趋势,统一量纲换算得到热通量的所有分量对SST增暖的各自贡献(即各量Q的变化值Q′),本文计算了净热通量的趋势Q′net以及Q′LR、Q′GHG、Q′WV、Q′SR、Q′E、Q′EO、Q′EA、Q′EW、Q′ERH、Q′EΔT、Q′S。

加强养老服务队伍建设：2020年末，全省培训在岗养老护理员1万名，省级培训养老机构负责人和师资人员2000人。养老机构护理员持证上岗率达到100%。

利用式（1）计算胜利油田胜坨地区原油黏度为4.338和2.257Pa·s的两处普通稠油油藏的水驱动用程度，结果分别为41.8%和51.4%，水驱动用程度较低。

综上分别对夏、冬季热通量趋势的探讨,针对夏季SST增暖0.76℃,冬季增暖0.52℃的现象,SST增暖致使蒸发加强、导致海洋潜热失热增多抑制增暖,其抑制作用在夏季(-4.9 W/m2)和冬季(-5.1 W/m2)相差不大,大气调整项的作用在夏、冬季不同。夏季大气调整的作用是促进SST增暖(7.9 W/m2),与海洋的响应相抵,使得夏季净热通量变化有利于增暖;与此相反,冬季大气调整的作用阻尼SST增暖(-2.2 W/m2),与海洋响应同为负反馈过程,使得净热通量变化为抑制增暖。

3 数据SST增暖的观测事实与模式模拟

观测资料ERSST显示:南海200 m以深的海盆平均SST 1965—1995年表现为持续增长趋势(见图1b),增幅达0.64℃。CGCM3.1(T47)、CGCM3.1 (T63)、CSIRO-Mk3.0、GFDL CM2.0 4个模式的SST也呈现一致增暖的趋势,尽管有明显的年代际变化。

1976年，对河床段坝基采用反滤排水加围封，对一级台地段安设排水暗管及减压井，培厚下游坝坡16 m。反滤排水加围封处理范围在地基高程24.4～24.8 m处，设置排水褥垫，并设砂坑，砂坑间距5.0 m，直径2.0 m，深2.0 m。砂坑中靠坑壁和坑底处回填细砂，中部回填粗砂，填好砂坑后铺设砂褥垫。底部和上部是厚0.2 m的细砂，中间是厚0.4的粗砂，褥垫以1/100坡度将液化层排出的孔隙水引向下游堆石排水棱体。堆石棱体不但起排水作用，同时起到围封作用，可将高程21.0 m以上的轻壤土堵住，防止遇8度地震时砂土液化流失。

图1 a 由ERSST计算得到1951—2000年南海SST的增暖趋势Fig.1 a The warming trend of SCS SST during 1951—2000 by using ERSST data

1b 观测及模式模拟的南海深海海盆(>200 m)SST增暖距平值Fig.1b Observed and simulated SST deviation(℃) over the SCS basin(depth>200 m)

图2 观测及模式模拟的南海深海海盆(>200 m)SST增暖距平值Fig.2 Observed and simulated SST deviation(℃)over the SCS basin(depth>200 m)

4 海气界面通量交换的变化

通过对20世纪后50年内模式输出资料中辐射通量、湍流热通量、比湿、风、云量、气温、海平面气压及海温数据的处理,得到SST增暖背景下全年、夏季、冬季的气象要素和各通量的变化趋势。

在对热通量进行分析时,考虑由于SST增加致使蒸发加强、导致海洋潜热失热增多的负反馈过程为海洋自身的响应项Q′EO,剔除该项后,潜热通量剩余的由风速(Wind)、海气温差(ΔT)、相对湿度(RH)等气象因子调控的部分为大气强迫项(Q′EA);长波净辐射(Q′LR)的作用可分离为温室气体强迫(Q′GHG)、水汽反馈(Q′WV);文中的分析将长波净辐射、潜热通量中大气强迫项、短波辐射(Q′SR)、感热通量(Q′S)的作用归类为大气调整作用,与海洋自身响应的作用之和为净热通量的趋势(Q′net)。

4个模式模拟的结果显示:20世纪后50年南海200 m以深的海盆平均SST表现为一致增长(0.3～1.0℃),针对SST的增暖,结合气象要素的变化趋势,分别考察海面热通量及其分量的贡献(见图3)。

图3 1951—2000年模式平均的全年海表面热通量及其分量的变化量(单位:W/m2)Fig.3 Yearly model ensemble heat flux trend(Unit:W/m2)during 1951 to 2000

由图3得知,一方面在SST增暖的同时海洋的响应会阻尼其增暖,该贡献大约为-4.9 W/m2;另一方面SST增暖背景下南海上空大气的相对湿度增大,使得海洋面长波辐射散失的热量减少,对SST的增暖有利,贡献为1.6 W/m2,其中长波辐射中水汽反馈对于增暖的正的贡献占主导;潜热通量的大气强迫项促进SST增暖(1.1 W/m2),这其中,由于该50年内年平均的风速基本不变,风对于增暖的贡献很小,而海气温差(1.05℃)的增高(在50年内有0.01℃的升高趋势)表现为对增暖正的贡献(1.5 W/m2),大气湿度的增加抑制增暖(-0.4 W/m2);感热通量的作用是个小量;太阳短波辐射减少。综之,各项之和的净热通量表现为抑制增暖(-2.7 W/m2)。

使用世界气候研究机构第三代耦合模式多模式数据集(WCRP-CMIP3,The World Climate Research Program’s Third Coupled Model Inter-comparisondataset)中CGCM3.1(T47)、CGCM3.1(T63)、CSIRO M K3.0、GFDL CM2.0模式(见表1)4个模式输出的与海-气界面相关的海洋、气象要素及热通量的逐月数据。

由上述分析得到:20世纪后50年中,尽管大气气温升高,由于蒸发加强、导致海洋潜热失热增多的负反馈过程超过大气加热海洋过程,南海深水海盆净得热减少了2.7 W/m2,然而海盆平均SST表现为0.64℃的显著增暖,这说明仅通过海面热通量的变化无法解释南海深水海盆SST的增暖。SST的增暖可能是海洋动力过程例如海峡热交换等其他原因所致。

考虑到南海受季风控制[16-17],潜热通量、感热通量的季节转换特征明显,加之南海中部海区(与本文研究的深水海盆区域相符)是潜热通量、感热通量季节变化最剧烈的关键区[18],作者有理由怀疑气象要素的季节变化幅度不同甚至效果相反,导致全年平均的分析不能有效地捕捉气象要素的季节变化,故分别分析了20世纪后50年逐年夏季(6、7、8月)及冬季(11、12月及次年1月)热通量对增暖的贡献情况。

夏季大气调整作用中,相对湿度的增幅(在84.19%的基础上增大了0.13%)使得长波辐射中水汽反馈对于增暖的正的贡献为1.5 W/m2,;然而使海洋潜热的变化很小,这是因为夏季风的减弱(在平均风速4.96 m/s的基础上变化了-0.21 m/s)极大地促使增暖(4.9 W/m2),但由于海温升高、蒸发加强致使海洋潜热失热增多(海洋的响应)抵消了夏季风减弱的贡献。此外,包含于该项中的夏季海气温差(0.76℃)的增大(0.06℃)抑制增暖(-1.2 W/m2);夏季感热通量的作用是个小量,太阳短波辐射的贡献是2.7 W/m2。

模式输出资料显示(见图2),20世纪后50年内南海深水海盆逐年夏季SST的增暖幅度为0.76℃。分别给出夏季模式平均的海面热通量的各个分量在这50年中的变化(见图4)。这其中海洋的响应是抑制增暖(-4.9 W/m2),大气调整作用是促进增暖(7.9 W/m2)。

孙家栋 中国航天科技集团有限公司高级技术顾问，风云二号卫星工程总设计师，北斗二号卫星工程和中国第二代卫星导航系统重大专项高级顾问，原航空航天工业部副部长

图4 1951—2000年模式平均的夏季海表面热通量及其分量的变化量(单位:W/m2)Fig.4 Yearly model ensemble heat flux trend(Unit:W/m2)in summers during 1951 to 2000

4.1 夏季分析

4.2 冬季分析

十二指肠损伤属于腹部比较严重的一类损伤,在临床中较为少见,站在解剖结构角度看,十二指肠可以分为球部、水平部、降部以及升部,其中球部下部以及前外侧存在腹膜覆盖,剩余部位全部处于腹膜后,十二指肠表现为C形弯曲包绕胰腺头部,十二指肠后部存在腰背肌,四周和胆总管、肝脏、胰腺以及胃部相连[1]。因为十二指肠位置比较深,和胃部、胰腺以及胆道的关系密切,血供相对比较差,所以十二指肠损伤之后开展手术治疗的难度较大,愈合能力不理想,产生的并发症较多[2]。本文回顾性分析我院在以往六年之内所接诊的十二指肠损伤患者资料80例,总结所选80例患者的手术治疗方法以及治疗效果,现做如下汇报。

20世纪后50年内南海深水海盆逐年冬季SST一直表现为增暖,平均幅度为0.52℃。分析各热通量及其分量对于增暖的定量贡献(见图5),得到模式平均的净热通量趋势为南海失热增多(-7.3 W/m2)。这其中海温升高、蒸发加强导致的海洋响应和大气调整作用均是抑制增暖的(分别为-5.1 W/m2、-2.2 W/m2)。

本文计算了南海深水海盆SST在1951—2000年50 a的夏季、冬季的增暖趋势(见图2)。文中对于季节的讨论以6月至8月为夏季、11月至次年1月为冬季。模式平均结果与观测事实均显示夏季南海深水海盆平均SST表现为增长趋势,冬季观测资料和部分模式输出结果也表现深水海盆平均SST的增长。观测资料给出20世纪后50年夏季SST的增幅为0.76℃,冬季0.52℃。依据该增暖幅度可以推测,海洋动力过程对混合层温度的影响是与海面净热通量相平衡的(量级相同,符号相反),而SST的变化与上述2个量比较是个小量[15]。

冬季大气调整作用中,相对湿度的增加(在80.28%的基础上增大了0.68%)使得长波辐射中水汽反馈对于增暖的正的贡献(0.8 W/m2)占主导,并且使得海洋潜热失热的增加(-2.3 W/m2),同时,冬季风的增强(在平均风速7.29 m/s的基础上增强了0.14 m/s)也使得海洋潜热失热增多,抑制增暖(-3.3 W/m2),冬季海气温差(1.50℃)的减小(0.01℃)促进增暖(3.7 W/m2);冬季感热通量与太阳短波辐射的作用分别为-0.7 W/m2、2.7 W/m2,且模式间差异较大。

图5 1951—2000年模式平均的冬季海表面热通量及其分量的变化量(单位:W/m2)Fig.5 Yearly model ensemble heat flux trend(Unit:W/m2)in winters during 1951 to 2000

文中热通量各项统一单位为W/m2,某变量对增暖贡献为正(负)的意义为:海洋在该变量作用下得(失)热增多,对SST增暖有促进(抑制)作用。

针对夏季SST增暖0.76℃,较冬季增幅大0.24℃。夏季近海面大气湿度大于冬季,且在50年中均表现为增加的趋势,冬季增幅(0.68%)大于夏季(0.13%),由其贡献的长波辐射中的水汽反馈项是促进增暖的,在4个模式中表现一致。冬季的海气温差(1.50℃)高于夏季的海气温差(0.76℃),且前者在50年间仅减小了0.01℃,显示冬季SST的增暖幅度小于近海面大气温度的增暖幅度,与此相反,夏季SST的增暖幅度比近海面大气温度的增暖幅度大0.06℃,这解释了潜热通量中海气温差作用项在冬季是促进增暖的,而在夏季起抑制增暖作用;冬季云覆盖率小于夏季,其变化是个小量,且具有不确定性,CGCM3.1(T47)/(T63)的结果显示云量是增加的,然而另两个模式给出了相反的结果。

所有模式一致显示这50年间夏季风减弱,冬季风增强。夏季风在平均风速4.96 m/s的基础上减弱了0.21 m/s,冬季风在平均风速7.29 m/s的基础上增强了0.14 m/s。由此使得潜热通量中风的作用在夏、冬季截然相反,在这一点上,4个模式的结果十分统一。

大气相对湿度的增加抑制SST的增暖,且冬季的作用(-2.3 W/m2)胜于夏季(-0.2 W/m2)。除此之外,夏季海气温差的增大(0.06℃)抑制增暖(-1.2 W/m2),冬季海气温差的减小(-0.01℃)促使增暖(3.7 W/m2)。

水牛乳中免疫球蛋白主要包括IgG，也包括IgM、IgA，其含量分别为8.71,1.91,和0.04 mg/mL。Campanella等[18]通过免疫传感器测得水牛乳与荷斯坦牛乳中的IgG平均含量分别为0.67和0.77 mg/mL。值得注意的是，据El-Loly等[19]的报道，水牛乳中IgG与IgM在水牛乳加热到88℃时并没有完全变性，这可能是由于水牛乳具有较高的蛋白质含量起到了保护作用。

海洋经由感热通量交换丧失热量的变化很小。海洋得到的太阳短波辐射在夏季增加(2.7 W/m2),在冬季稍有减少(-0.4 W/m2);长波辐射通量的变化对于SST增暖的贡献在夏、冬季是相同的,大气水汽含量的增多促使海面吸收长波辐射得热增多,促使SST增暖,温室气体强迫的作用表现为抑制SST的增暖。

感热和潜热通量的变化可以分离出与大气的变化有关的部分(与风、海气温差、相对湿度3个因子有关的部分)和SST增暖后本身会通过放热冷却(称为海洋的响应)部分。

羽毛球一直是我国的传统优势体育项目。虽然我们的实力强劲，但也不能掉以轻心。这不，泰国便出了一个天才羽毛球运动员——昆拉武特·威提讪。在11月19日举行的2018年世界青年羽毛球锦标赛中，年仅17岁的他夺得男子单打冠军，被泰国总理盛赞为“泰国人民的希望”。

考虑到冬季混合层相对夏季较厚,且海峡水交换及沿岸流的作用强盛[19-20],针对模式资料得到的冬季的海面净热通量变化为负(即海洋得热减少),然而仍对应SST的增暖这一结果,得出冬季SST增暖应考虑海洋内其他动力过程的影响,不能单纯由热通量理论解释。

5 结论

本文首次使用IPCC模式比较试验中4个模式的输出资料,对20世纪后50年内南海深水海盆海气界面处相关气象要素、各通量交换的变化趋势做出定量分析,分别给出辐射通量、湍流热通量对海盆平均SST持续增暖的定量贡献,主要得出如下结论:

(1)对应50年内海面净得热减少2.7 W/m2,SST仍持续增暖0.64℃,说明仅通过热通量的变化无法解释SST的持续增暖,海洋动力过程对SST的贡献不能忽略。

(2)50年来南海深水海盆夏季得热增多(3.0 W/m2),冬季失热增多(-7.3 W/m2)。由于SST增高致使蒸发加强、导致海洋潜热失热增多的负反馈过程,在夏季(-4.9 W/m2)和冬季(-5.1 W/m2)的相差不大;大气调整对于SST的增暖在夏季表现为正贡献(7.9 W/ m2),在冬季起到相反的作用(-2.2 W/m2)。

(3)大气调整在夏季、冬季截然相反的作用取决于风的变化,在这50年中,夏季风的减弱使得海洋经由潜热失热减少(4.9 W/m2),而冬季风增强的作用相反,抑制SST增暖(-3.3 W/m2)。风、海气温差的变化对增暖的贡献恰恰相反,此外,大气相对湿度的增加抑制增暖。

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(4)感热项的变化是小量。太阳短波辐射在夏季增加(促进增暖),在冬季稍有减少(抑制增暖);长波辐射通量的变化在夏、冬季均促进增暖。

本文仅是对50年内海面热通量各项进行了初步的估计。下一步将利用更精准、高精度的模式模拟资料,以及对海洋混合层动力学和热收支的分析,进一步确定增暖机制。

致谢:本文应用的理论方法、成文过程中行文逻辑等诸多方面均得到傅刚教授的悉心指点,分离及计算热通量趋势方面得到秦婷的帮助,在此表示衷心的感谢!

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Abstract: There is a SST boost of 0.64℃in the deep basin(>200 m)of the South China Sea(SCS) during the last half of 20th century.Aim at the mechanism of warming,this paper separates each surface heat flux component and calculates its quantificational contribution to the warming respectively,by using the output data of CGCM3.1(T47),CGCM3.1(T63),CSIRO-Mk3.0 and GFDL CM2.0.It tells that the persistent warming seems cannot be explained by the change of surface heat flux.The weakened wind in summers cuts down the released latent heat of the SCS,about 4.9 W/m2.However,the stronger evaporation caused by the warming leads to an equivalent loss in latent heat,resulted in a small change of total latent heat flux in general.With sensible heat flux effect and other terms,SCS gains approximately 3.0 W/m2increased net heat.In contrast,the strengthened wind in winters along with the negative ocean response damping the warming and causing a deficit in net heat flux(-7.3 W/m2).Thus the effect of dynamical processes in SCS is considerable in explaining the persistent warming of the basin-mean SST during the last half of 20th century.

Key words: South China Sea;heat flux;SST;warming

责任编辑 庞 旻

Contribution of Air-Sea Interface Heat Flux to the Sea Surface Temperature Persistence Warming in South China Sea

WANG Qian,LIU Qing-Yu
(College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P733.4

A

1672-5174(2011)06-009-07

国家自然科学基金项目(40830106);国家重点基础研究发展计划项目(2007CB411803;2010CB428904)资助

2010-09-20;

2010-12-10

王 皘(1989-),女,硕士生,主要从事海气相互作用及中尺度气象学的研究。E-mail:wangqian8916@ouc.edu.cn