东海海表温度持续增温的机制❋

刘秦玉，张 琪，2

（1.中国海洋大学物理海洋实验室，海洋-大气相互作用与气候实验室，山东青岛266100；2.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津30000）

东海海表温度持续增温的机制❋

刘秦玉1，张 琪1，2

（1.中国海洋大学物理海洋实验室，海洋-大气相互作用与气候实验室，山东青岛266100；2.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津30000）

本文依据第5次耦合模式比较计划（CMIP5）中的8个模式历史模拟与典型浓度（RCP4.5）试验的结果，探讨了1980—1999年东海海表温度（SST）持续增加的原因，预估了未来东海SST对温室气体持续增加的响应。研究表明：这8个模式都能模拟东海在1980—1999年有显著的SST持续增暖现象，集合平均后这20年增暖的速率为2.25℃／100 a。而在RCP4.5试验中，8个模式集合平均后在2006—2055年这50年期间东海SST增暖的速率为2.32℃／100 a。在历史模拟中，在1980—1999年期间东海SST持续增长的主要原因是海洋平流热输送加强，而大气调整导致的海面热通量影响比海洋平流热输送的影响小一个量级。在单纯温室气体增加的RCP4.5试验中，除了海洋平流热输送外，由于大气调整导致海面潜热、感热释放减少也是SST持续升温的主要原因之一，其贡献可以与海洋平流热输送加强同量级。对比分析模式对过去的模拟和未来单一强迫的情景试验结果，可以初步确定，在1980—1999年期间由于太平洋年代际变化导致的东海黑潮平流热输送增加是该阶段东海SST持续增加的主要机制。

东海；海表温度（SST）；增暖；机制；黑潮

东海（也被称为东中国海、中国东海）是指介于23° 00′N～33°10′N，117°11′E～131°00′E之间的整个海区，该海区既有陆架浅海，又有深度超过2000m的冲绳海槽。

郭其伟等［1］使用东海沿海8个海洋观测站1960—1999年的资料研究海温变化，发现呈上升趋势，并且冬季更明显。张秀芝等［2］使用Hadley中心1（°）×1（°）的SST资料，研究渤海、黄海、东海和南海各海区海温的长期变化，结果显示，我国各海区近100年来均呈增温趋势，明显的增暖出现在1980年代以后。Belkin［3］利用卫星资料指出，在1982—2003年期间位于东海的长江口处的海温增长最快达到2℃，该速率之大引起了许多科学家的关注。Liu和Zhang［4］比较了SST原始资料和重构资料之间的差异，指出重构资料中包含了上个世纪卫星资料的信息后会高估东海SST的增温；同时也指出，即使不考虑卫星资料，东海也出现百年持续增温，并在上世纪后20年增温速率最快，本世纪后出现增温停滞现象，该结果也被最近的研究所证实［5］。

有关东海持续增暖机制也引起众多科学家的关注。蔡榕硕等［6］指出，我国近海上空的冬、夏季风在1976年之后变弱，有利于SST的上升，在中国东海地区海温升高得最明显。Yeh和Kim［7］在研究中也指出，在1950—2009年冬季黄东海海温上升的主要原因是由于北风的减弱。但是，还有另一种不同的观点：冯琳和林霄沛［8］指出，自台湾海峡向北的海洋热平流的增加和海洋垂向夹卷过程有利于海温升高，海面净热通量却抑制SST的增加。Zhang等［9］也认为海洋平流对温度的增长起正贡献，海面总的净热通量可能对其起抑制作用。Wu等［10］对1900—2008年的8个海表温度和海表气温数据集进行趋势分析，结果显示，上个世纪沿着全球西边界流路径（如黑潮、湾流等）海表温度增长率是全球平均的海表温度增长率的2～3倍，形成“热斑”现象，东海也是该“热斑”之一。

为什么不同的研究有不同的结论？主要原因：（1）历史观测资料自身的不确定性；（2）历史观测资料中既包含海洋-大气耦合系统本身的自然变化，还包含海洋对温室气体增加、气溶胶增加等其他外强迫的响应，很难区分自然变化和人类活动的影响；（3）SST的长期变化是个小量［11］，要比海面净热通量与海洋动力过程对温度影响这2个大量小2～3个量级，很难确定海面净热通量与海洋动力过程哪一项占主。为了解决第3个问题，Du和Xie［12］曾用气候模式的结果研究了热带印度洋的增暖成因，特别指出，海面热通量可以分为两项：一项是因SST变化导致的潜热通量的变化；另一项是大气对海温异常调整后导致的海面热通量（本文中称大气调整导致的海面热通量）的变化。Xie等［11］在研究全球SST对温室气体增加的响应时，论证了SST变化与海洋动力过程变化的密切关系。

观测资料表明，东海上世纪后20年增温速率最快，本世纪东海的SST又出现增温停滞甚至开始降温的现象［4-5］。但目前有关东海增温的机制有不同的认识，本文将参考文献［12］对热带印度洋的研究，依据Xie等［11］提出的理论，基于第5次耦合模式比较计划（CMIP5，the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project）中的历史模拟与典型浓度途径试验的结果，试图回答以下科学问题：究竟什么是东海SST在上个世纪后20年显著增温的主要机制？如果仅有温室气体的影响，未来东海增温的速率多大，主要机制是否与上个世纪后20年的机制相同？

依据前人研究结果，特别是参考我们对气溶胶影响北太平洋海温和模态水的研究［13］，我们初步猜想：在上个世纪后20年，东海SST的升温可能主要是太平洋年代际变化（PDO）的结果，因为在这个阶段，PDO处于正位相。尽管在这个阶段温室气体也是增加的，但是东海不仅受温室气体增加的影响，而且也受到气溶胶增加的影响，SST对两者的响应是相反的［13-14］。IPCC AR5中的CMIP5气候模式的历史模拟结果和未来的情景试验给了我们解决上述问题和证实我们猜想的可能性。

在下面第1节中我们将介绍有关模式和分析方法；第2节中首先讨论模式是否有能力模拟上个世纪后20年东海海温的变化，然后分析什么是决定该时期海温变化的最主要因素；第3节中介绍在温室气体增加的未来情景下，SST可能的变化趋势和成因；第4节是对比分析；第五节是结论。

1 模式和方法

本文主要使用了CMIP5耦合模式中的8个气候模式的历史模拟和典型浓度途径试验（RCP 4.5）的结果。这8个气候模式是依据以下原则筛选出来：（1）2013年IPCC第5次评估报告中有关东亚的海洋-大气各个要素历史模拟与观测较接近；（2）能代表各个发达国家水平的模式；（3）气候模式的海洋水平分辨率相对较高。关于各模式基本信息可直接查看表1。详细的信息可以到IPCC报告（2013）（http：／／www.ipcc.ch／index.htm）中查找。观测资料使用Hadley中心的HadSST3数据，HadSST3数据主要包括船测数据和浮标数据，对于缺测的数据没有进行补充［16-17］。

在使用模式输出资料分析时，由于混合层温度长期变化率通常只有0.01℃／a，而海洋动力过程和净热通量对温度变化贡献的量级为1～10℃／a，依据Xie等［11］提出的理论，则：其中：Q′a=Q′S+Q′L+Q′H+Q′d，是因大气调整导致的热通量的长期变化，其包含短波辐射（QS），长波辐射（QL）、海面感热（QH）与因大气调整导致的潜热通量（Qd）的长期变化。因为文中所有”潜热”和”感热”都是负值，其正（负）异常意味着该值是减少（增加）。公式（1）中的D0是代表海洋动力过程对混合层温度的影响项，Q′h= -α¯QET′就表示由于SST变化导致的潜热通量的变化。公式（1）中各物理量上的撇号，表示该物理量的一阶导数（变化率）。该公式意味着在混合层温度变化率相对较小，海洋动力过程的变化会与净热通量项的变化项达到近似的平衡，而净热通量项的变化项中包含着因SST变化导致的潜热通量。因此，我们通过计算方程（1）中各项的相对大小来讨论混合层温度变化的成因［11-12］。

表1 气候模式基本信息Table 1 Information of some climate models used in this paper

2 上世纪后20年中国近海海表温度持续增温的成因

为了确定气候模式是否能模拟上世纪后20年东海持续增温的现象，我们对所用的8个模式模拟的东海海域（24°N～33°N，117°E～128°E）SST（1900—2006）进行了分析。图1是8个模式历史模拟的东海区域平均的SST异常时间序列和观测的SST异常时间序列。首先可以确定，在模式的历史模拟结果中，东海的SST在1900—2006年期间无论是冬天还是夏天都是升温的，特别是1980年以后出现持续升温的现象，8个模式集合平均后在1980—1999年这20年升温约为0.45℃，速率约为2.25℃／100a（见图1c中的黑粗线）。同时可以看到，无论冬季、夏季，还是年平均的时间序列，1950年以前对SST异常的模拟模式之间相差较大，而且与观测的SST异常（红色粗线）相差也大（冬季差别最大），这可能与船测资料在1950年前较少，特别北半球冬季船测资料较少有关。

图1 基于8个模式的历史模拟和观测（HadSST3）得到的东海区域平均的SST异常时间序列（单位：℃）Fig.1 Time series of the regional mean SST anomalies（℃）in the East China Sea based on historical simulation of 8 models and observation（HadSST3）

海洋动力过程影响SST变化中包含水平平流热输送效应和混合层底垂直热交换效应，后者很难依据现有的模式结果确定，因此本文暂不讨论。在1980—1999年期间因SST持续增暖必然导致的潜热的变化（Q′h）为负（海洋放热增加），8个模式的集合平均海洋平流热输运的变化（H′t）和大气调整导致的热通量的变化（Q′a）各自的空间分布用图2所示。由图2可以看出：无论是冬季还是夏季，H′t的贡献在东海大部分海区为正，且冬季大于夏季（见图2（a），（b），说明海洋平流热输送作用增加，促进海温升高。值得注意的现象是：年平均H′t要比Q′a大一个量级（海洋平流热输送变化约为1 w·m-2·a-1，而大气变化调整的热通量变化约为0.2 w·m-2·a-1）（见图2），无论在冬季还是夏季，东海都出现由于大气调整导致的热通量变化为负的海域（见图2（d），（e），这意味着在这些海域大气调整导致的热通量变化将不利于SST升温。因此，我们可以确定海洋平流热输送作用是1980—1999年东海SST持续增温的最主要机制。由于冬季SST的水平梯度大，该机制的效应最明显。

我们知道，海面热通量的变化在这8个模式之间会有较大的差异。为了进一步了解模式之间的差异，确定上述结论的正确性，图3给出了东海8个模式Q′a各项和Q′h的平均值（灰柱）以及模式之间的差异（标准差）。可以看出，尽管海面热通量各项变化都比海洋热平流输送小一个量级，且SST持续增暖导致的潜热的变化总为负，但是在不同季节，各要素变化的模式之间差异很大：冬季，大气调整导致潜热释放的变化（AtF）模式之间的差异最大，也就意味这一项作用的不确定性最大；而在夏季该项在8个模式中都表现为正，表明大气调整导致潜热释放（平均值为负）减少，抵消了海洋增温导致的潜热释放（NtC）增加，使得区域平均的净热通量在夏天为正（见图3（b））。从图3中，可以看出，在东海，不能仅用净热通量的变化来解释SST变化，因为净热通量的变化中既包含大气变化导致海面热通量变化，也包含SST变化导致的潜热释放的变化。

通过上述分析验证了前人有关海洋热平流作用是主要增温机制的一些猜测和某些研究结果。但在此我们所用的分析方法与前人不同，将海面热通量分为不同的若干项，从而得到夏季大气调整导致的潜热释放减少也会起到一定作用的新结果。为什么在1980—1999年海洋平流热输送变化为正？到底是温室气体作用的结果，还是自然变化的结果。为了进一步找到该问题的答案，我们下面将利用同样模式，审查在单独温室气体增加的试验中东海增温成因，通过该试验结果和历史模拟的结果的对比来解决该问题。

3 单纯温室气体增加背景下东海持续增温的成因

我们知道，RCP4.5试验中2006—2055年CO2增加的速率远大于20世纪后20年历史模拟中CO2增加的速率（大约为1.7倍），而且在RCP4.5试验中还没有气溶胶等其他会使SST降温的外强迫，因此，通过对RCP4.5试验结果的分析，可以得到温室气体增加影响SST的单独效应；我们选取了RCP 4.5试验中2006—2055年（共50年）的变化来分析，也极大程度地降低了周期约为20～50年的年代际自然变化的影响。

图2 8个模式集合平均的海洋平流热输运项（（a）～（c））和大气调整导致的海面热通量项（（d）～（f））在1980—1999年间的线性趋势（单位为w·m-2·（20a）-1）Fig.2 Linear trends of ocean horizontal heat advection（a～c）and heat flux by atmospheric adjustment（d～f）from 8 models ensemble mean during 1980—1999（unit：w·m-2·（20a）-1）

图3 基于8个模式历史模拟的东海区域平均的海面热通量各项在1980—1999年间的线性趋势Fig.3 Linear trends of sea surface heat flux components in the east China seas during 1980—1999 based on 8 models historical simulation

从8个模式在RCP4.5试验中东海SST异常变化的时间序列（见图4）可以看出，2006—2055年间年平均SST增温大约是1.16℃，增温的速率约为2.32℃／100a，冬季与夏季没有明显的差异。尽管各模式RCP4.5试验中东海SST异常的年际变化不同，但其长期变化在各个模式的结果中都呈现出明显的线性增长的规律，从SST异常变化的时间序列中已经看不到在这50年中有任何明显的年代际变化。

图4 基于8个模式RCP4.5试验中东海区域平均的SST异常时间序列（单位：℃）Fig.4 Time series of the regional mean SST anomalies（℃）in the East China Sea based on the RCP4.5 experiment of 8 models

为了探讨RCP4.5试验中2006—2055年东海SST为什么持续增长，我们分析了RCP4.5试验中2006—2055年期间东海的海洋平流热输送作用的变化H′t和大气调整导致的海面热通量的变化的空间分布（见图5），与1980—1999期间的历史模拟不同之处是在RCP4.5试验中H′t和这两项的差距减少，几乎都是同一个量级（约为0.3～0.5 w·m-2·（a）-1）（见图5）。这表明，仅在温室气体增加背景下，海洋平流热输送的作用是无法达到1980—1999年期间的量级，而大气调整导致的海面热通量的变化则显著增加。主要原因还是在RCP4.5试验中温室气体增加的速率比历史模拟中快，将会导致季风减弱，大气中水汽增多和海-气温差减小等大气的调整；再加上试验中没有气溶胶等其他会使SST降温的外强迫作用。而且在RCP4.5试验中冬季海洋平流热输送作用的贡献还为正（见图5（a）），但该项在夏季有一部分模式中为负，故夏季集合平均的结果为负，抑制SST升高（见图5（b）），导致该项年平均的增温作用相比于历史模拟的20年作用减弱。相反，由于RCP4.5试验中冬季大气调整导致海面热通量的贡献较大（见图5（d）），提高了大气调整导致海面热通量变化的相对贡献。总之，依据这8个模式的结果，冬季和年平均SST持续增长过程中，还是海洋热平流效应占主。但是，大气调整导致海面热通量的变化几乎与海洋平流热输送作用在同一个量级。就年平均而言，2项的贡献大约都为0.3 w·m-2·a-1（见图5（c），（f））。

我们下面重点讨论大气调整导致海面热通量变化各项的贡献及其在不同模式之间的差异。冬季大气调整导致海面热通量的贡献为正（见图6（a）），这主要是短波辐射增加，大气调整导致的潜热（AtF）和感热（SHF）释放减少的结果（潜热和感热的平均值为负，正异常意味着该值是减少）。各模式表现了显著的一致性：无论冬季、夏季和年平均所有模式中大气调整导致的潜热、感热释放变化这两项的贡献都是正（见图6）；但是在夏季短波辐射各个模式之间的差异较大，甚至反号，这是由于模式之间云量的不确定性导致。另一方面海洋响应导致的潜热释放也非常一致：各个模式在不同季节都是不利于SST升高（见图6）。

以上结果表明：在温室气体显著增加的情景下，在东海，对冬季和年平均而言，大气调整导致的潜热、感热释放的减少和海洋水平平流热输送的增加都是SST增长的主要原因，这些项的贡献平均而言大约为0.3 w·m-2·a-1。

4 对比分析

图5 RCP4.5试验中8个模式集合平均的海洋平流热输运项（a～c）和大气调整导致的海面热通量项（d～f）在2006—2055年间的线性趋势，单位为w·m-2·50a-1Fig.2 Linear trends of ocean horizontal heat advection（a～c）and heat flux by atmospheric adjustment（d～f）from 8 models ensemble mean in RCP4.5 experiment during 2006—2055，unit：w·m-2·50a-1

图6 基于8个模式历史模拟的东海区域平均的海面热通量各项在2006—2055年间的线性趋势Fig.6 Linear trends of sea surface heat flux components in the east China seas during 2006—2055 based on 8 models historical simulation

依据前2节的分析，我们可以知道20世纪后20年历史模拟中年平均H′t要比Q′a大一个量级（海洋平流热输送变化约为1 w·m-2·a-1，而大气变化调整的热通量变化约为0.2 w·m-2·a-1，而且在冬季，东海出现大气变化调整的热通量变化为负的海域（见图2（d））。对比来看，在RCP4.5试验中2006—2055年CO2增加的速率远大于20世纪后20年历史模拟中CO2增加的速率（大约为1.7倍），大气调整导致的潜热、感热释放的减少和海洋水平平流热输送的增加都是SST增长的主要原因，这些项的大约为0.3 w·m-2·a-1。如果1980—1999年东海SST增温主要是温室气体增多导致，那么，在冬季东海都不会出现大气变化调整的热通量变化为负的海域。因此，可以推测，20世纪后20年历史模拟中由于温室气体增加，大气调整导致的潜热、感热释放的减少的作用肯定被其他作用抵消，出现大气变化调整的热通量变化为负的现象。考虑到历史模拟中还包含气溶胶的冷却效应，该效应能完全抵消温室气体的增温效应［13］。另外，20世纪后20年东海SST的变化速率约为2.25℃／100a，RCP4.5试验中2006—2055年东海SST的变化速率约为2.32℃／100a，两者几乎相同，但RCP4.5试验中CO2增加的速率大约为20世纪后20年1.7倍。从这个角度来看，温室气体增加绝不是20世纪后20年东海升温主要原因。

为什么在1980—1999年会有强的热平流效应出现呢？考虑到该时段太平洋年代际振荡（PDO）处于正位相，我们可以推断在历史试验这20年中，东中国海海温升高，尤其是东海黑潮区海温升高的主要原因是太平洋年代际振荡（PDO）导致的东海黑潮水平平流热输送增加。这可以从PDO正位相时期海洋-大气相互作用来解释：1980—1999年正处于PDO正位相时期，热带太平洋处于类似El Nino的SST异常分布，热带印度洋SST正异常，并导致西太平洋副热带高压西伸［15］，这将引起台湾以东的太平洋海平面上升和作为西边界流的台湾以东黑潮加速，海洋水平平流热输送增加。从以上的比对还可以看出，由于温室气体增加，大气调整导致的海面热通量的增温效应（见图5（d），（e），（f））在1980—1999年历史模拟的结果中似乎没有体现，该效应在历史模拟有时为负（见图2（d），（e）），这是因为历史模拟的结果中包含了降温的气溶胶效应［13］。

因此，20世纪后20年中国近海SST持续增温的现象主要是太平洋年代际振荡（PDO）处于正位相，黑潮加速导致的海洋平流作用加强的结果。正是这个原因，在PDO自1999年转为负位相后，东海SST出现了突然的降温现象［4］。

5 结论和讨论

本文针对前人有关上个世纪东海SST持续增温的机制观点不同，研究结果有争议的问题，通过对8个气候模式的历史模拟和RCP4.5试验结果的诊断分析和对比研究，得到了以下结论：

（1）这8个模式都能模拟东海在1980—1999年有显著的SST持续增暖现象速率为2.25℃／100a，尽管模拟的SST增长速率略小于观测资料刻画的SST增长速率；东海在1980—1999年SST持续增长的主要原因是海洋平流热输送加强，而大气调整导致海面热通量的贡献比海洋平流热输送小一个量级。

（2）在温室气体持续增加的试验中，东海SST增温的速率为2.32℃／100a，海洋平流热输送增加和大气调整导致海面潜热、感热释放减少都是SST持续升温的主要原因。

（3）对比分析模式对过去的模拟和未来单一强迫的情景试验结果，可以确定20世纪后20年东海SST增温最快的主要原因是太平洋年代际变化导致的东海黑潮热输送效应的加强。

上述结论再次证实了黑潮热平流效应在气候变化中的重要地位。气候模式的系统误差，特别是对海洋平流项的误差可能对本文的结论有一定的影响，尤其是本文仅讨论了我们自己选定的8个模式结果。如果将所有模式结果合成会加大模式之间的不确定性，带来一些错误的信息。目前的气候模式也许会低估年代际变化导致西边界流的作用；特别是目前气候模式中没有包含海洋涡旋对西边界流和温度平流效应的影响，这是应该在下一步研究中进一步关注的问题。

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Mechanism of Sea Surface Temperature Sustained Warming in the East China Seas

LIU Qin-Yu1，ZHANG Qi1，2
（1.Physical Oceanography Laboratory&Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Tianjin Marine Environment Monitoring Central Station，SOA，Tianjin 30000，China）

The mechanism of sea surface temperature（SST）warming during 1980—1999 and SST responses to greenhouse gas sustained increases in the East China Sea are analyzed based on historical simulation and representative concentration pathway 4.5（RCP4.5）experiments of eight climate models from the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project（CMIP5）.The results show that the significant SST sustained warming in the East China Sea can be simulated by the eight models during 1980—1999 and ensemble SST warming rate is 2.25℃／100a.In RCP4.5 experiments SST warming rate is 2.32℃／100a during 2006—2055.In the East China Sea，during 1980—1999，the SST warming is mainly caused by the increase of ocean heat advection，and the effect of the sea surface heat flux induced by atmospheric adjustments is smaller one order of magnitude than effect of ocean heat advection.In RCP4.5 experiments，where is only greenhouse gas forcing，the decrease of sea surface latent and sensible heat by atmospheric adjustments and the increase of ocean heat advection are the major reasons of SST warming，and their contributions have the same order of magnitude.The comparative analysis of historical simulation and RCP4.5 experiments conforms primarily that the dominate mechanism of SST warming in the East China Sea from 1980 to 1999 is increased ocean heat advection of the Kuroshio in East China Sea，because of the Pacific Decadal Qscillation.

East China Sea；sea surface temperature（SST）；warming；mechanism；Kuroshio

P731.11

A

1672-5174（2014）10-001-08

责任编辑 庞 旻

国家重大科学研究计划项目（2012CB955600）；国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目（U1406401）；国家自然科学基金项目（41176006；41221063）资助

2014-08-26；

2014-09-09

刘秦玉（1946-），女，教授，博导。E-mail：liuqy＠ouc.edu.cn