全球变暖停滞的形成机制研究进展

宋斌,智协飞,胡耀兴

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)



全球变暖停滞的形成机制研究进展

宋斌1,2,3,智协飞1,2,3,胡耀兴1,2,3

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)

工业革命以来人类活动带来的温室气体日益增加,导致全球气温持续升高。然而,1998年以来全球变暖出现了停滞(hiatus)现象。本文回顾了近年来有关全球变暖停滞的研究进展,着重讨论变暖停滞的物理机制。目前有关变暖停滞的机制有两种观点:一种观点认为全球变暖停滞是由于外强迫造成的,另一种则认为是自然变率产生的。外强迫的观点主要归结为太阳活动强迫、火山喷发气溶胶强迫、人类活动产生的气溶胶强迫以及平流层水汽强迫四种作用。自然变率的观点则认为人类活动产生的多余热量进入到深海,尤其是海表700 m以下,且认为主要是由于海洋的作用。持这种观点的又分两种意见,一种认为是太平洋年代际振荡的影响,尤其是赤道东太平洋海表温度变冷;另一种则认为是大西洋经向翻转流的影响。目前主流观点认为,自然变率是产生全球变暖停滞的主要机制,人类活动产生的多余热量进入到深海,不过多余热量进入哪些海域尚存争议。

全球变暖停滞;外强迫;自然变率;机制;综述

0 引言

工业革命以来,人类活动产生的温室气体迅速增加,全球平均地表温度也随之升高。近年来,全球变暖已成为经济、社会等各领域关注的热点问题(曹楚等,2006;姚洁等,2010;张文君和谭桂容,2012)。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)认为导致全球变暖的主要原因是人类活动所产生的温室气体的排放。正当人们预估全球气温会持续上升时,1998年以来全球地表温度却并未出现明显的上升趋势,甚至出现了停滞,而在此期间温室气体的排放却依然大幅增加。IPCC第五次评估报告中科学家们也未能正确地模拟出此停滞事件。为何在温室气体持续增加的情况下,全球气温却停滞不升呢?是什么导致了全球变暖的停滞呢?本文将回顾近几年来科学家们对1998年以来全球变暖停滞事件的研究进展,以加深对全球变暖的理解。

最早关注这次全球变暖停滞事件的是来自澳大利亚詹姆斯·库克大学(James Cook University)的Carter。他在评论中指出:“1998—2005年期间,全球地表温度并未增加,甚至有一点降低,虽然降低幅度接近于零”(Carter,2006)。不过Carter并未对此现象进行深入研究,也未发表论文。之后,科学家们对此现象也没有给予足够的重视,一般认为其只是长期气候变化中的一个小扰动,随着温室气体排放的逐年增加,全球地表气温会迅速回升。因此,在Carter提出问题之后的几年里,科学界并未对此进行深入研究。相反,公众却对全球变暖停滞事件产生了浓厚的兴趣,众多网站和博客纷纷发表文章阐述此事件(Mooney,2013;Boykoff,2014;Ward,2014)。直到2009年,美国国家海洋大气管理局Easterling领导的团队才开始对此事件进行深入研究(Easterling and Wehner,2009)。之后,全球变暖停滞问题引起了更多的关注,特别是近二年来气候学家们对此问题的研究投入了极大的热忱(Franzke,2014;Fyfe and Gillett,2014;Lovejoy,2014),全球变暖停滞问题成为全球变化研究中一个非常热门的研究方向。最近出版的《Nature》杂志将有关全球气候变暖停滞的研究评选为2014年十大科学事件之一(Morello et al.,2014)。

1 观测事实

此次全球变暖停滞指的是,1998年全球平均地表气温达到历史最高,而从1998年至今,全球气温并未出现明显的上升趋势,甚至出现微弱的下降趋势(Easterling and Wehner,2009)。与此形成鲜明对照的是,工业革命以来至1998年全球地表气温急剧增加。全球变暖停滞在北半球冬季比夏季更为明显(Kosaka and Xie,2013;Trenberth et al.,2014a)。1998年以来全球地表气温在冬季呈下降趋势,而在夏季则呈上升趋势(Kosaka and Xie,2013)。在陆地上,明显的降温区出现在欧亚大陆、美国以及澳大利亚,而北半球降温幅度比南半球的大,冬季降温区和强度都要比夏季的大。

对于海表温度(sea surface temperature,SST),最显著的特征是在赤道中东太平洋为负距平,负距平向北美洲西岸延伸,而在南北半球中纬度地区则为温度正距平。对于海平面气压,赤道西太平洋海平面气压降低,而在南北半球东太平洋则升高(England et al.,2014;Trenberth et al.,2014a),从而导致赤道太平洋信风在此阶段稳定增加,Walker环流和Hadley环流也在加强(England et al.,2014)。在全球变暖停滞阶段,赤道中东太平洋都有降水负距平,而在赤道西太平洋降水则在增加。冬季降水变化幅度比夏季的大,大西洋在冬季也有明显的降水负距平(Trenberth et al.,2014a)。

2 物理机制

2.1 外强迫

全球变暖停滞事件发生后,许多科学家都曾尝试对此进行解释(Lyman et al.,2010;Held,2013;Ridley et al.，2014)。在起初的研究阶段,大部分科学家是从外强迫的角度进行研究,他们主要从这样几个方面进行讨论:太阳活动强迫、火山喷发气溶胶强迫、人类活动产生的气溶胶强迫以及平流层水汽强迫等四种外强迫作用。下面分别对这四种外强迫作用进行介绍。

2.1.1 太阳活动强迫

Lean and Rind(2009)对近年来全球变暖停滞事件的原因进行了分析,他们利用多元线性回归方法来分离自然变率和人类活动造成的影响,并对每项影响进行了量化。他们把影响因子分成了4项:ENSO、火山爆发、太阳活动以及人类活动的影响。其研究发现,2002—2008年的弱的太阳活动使得人类活动产生的变暖速度放缓,并预计在2009—2014年太阳活动增强和人类活动共同的影响下,全球气温会有(0.15±0.03)℃的增幅。然而,到目前为止,人们并未发现如作者所述的那样出现那么大的升温。Hansen et al.(2011)计算了地球吸收太阳辐射强迫的幅度大约为0.25 W·m-2,而人类活动产生的温室气体强迫为0.6～0.7 W·m-2。也就是说,在评估气候变化的时候,太阳活动的作用不能被忽略。当太阳黑子处于减弱位相的时候,总太阳辐射也减弱,太阳辐射变率造成的行星尺度的能量不平衡也相应减少,从而导致进入气候系统的热量减少,引起全球变暖的减缓。因此他们认为太阳活动是造成此次全球变暖停滞的重要原因。另外,还有许多作者研究了太阳活动对气候变化的影响(Svensmark et al.,2009;Kirkby et al.,2011;Kopp and Lean,2011)。

2.1.2 火山喷发气溶胶的强迫

Lean and Rind(2009)还分析了火山喷发对全球变化的影响,他们认为在火山爆发后几年时间里,全球温度会进入一个低值期。Solomon et al.(2011)分析了几组不同的数据,认为2000年以来平流层气溶胶的总量在增加,因此他们认为火山喷发的气溶胶不是一个恒量。分析近地面的卫星取得的气溶胶资料发现,2000年至今火山喷发气溶胶的辐射强迫可以达到-0.1 W·m-2,从而造成全球变暖的减缓。Hansen et al.(2011)进一步研究了火山气溶胶颗粒的影响。他们指出火山爆发时喷发出来的气溶胶可以进入到平流层以上10～30 km的高度,从而对气候变化造成影响。火山气溶胶可以影响El Nino产生的概率,但在长时间尺度上不会对深海热量的变化造成影响。在强火山爆发后,二氧化硫及尘埃会进入到平流层中。在二氧化硫氧化的过程中会形成硫酸气溶胶,并在平流层中维持好几年的时间(Robock,2000)。平流层中的气溶胶会反射太阳光,从而导致在火山爆发后全球地表温度的降低。

在最新的研究中,Ridley et al.(2014)利用地面观测、气球以及卫星获取的气溶胶测量资料来研究火山喷发的气溶胶颗粒的影响。他们估算火山喷发颗粒在平流层以上可达到8～15 km的高度,并且认为火山气溶胶的影响可能被低估了。Santer et al.(2014)利用观测和模拟资料研究了平流层气溶胶光学厚度与卫星估算的大气层顶的短波通量和对流层温度之间的相关关系。在他们的模拟研究中,如果不考虑21世纪出现的火山爆发,1998年以来对流层变暖会更大一些,然而加入1991年皮纳图博(Pinatubo)火山爆发后,模拟的1998—2012年期间大气温度的变化趋势与观测到的气温变化趋势之间的误差小于15%。当然,他们也承认结果有一些不确定性,需要更加精细的火山爆发气溶胶观测数据。此外,还有一些科学家研究了火山喷发气溶胶对气候的影响(Fyfe et al.,2013a,2013b;Haywood et al.,2014)。

2.1.3 人类活动产生的气溶胶

Hansen et al.(2011)指出,人类活动对气候变化的强迫主要有温室气体和气溶胶。人类活动产生的气溶胶大部分分布在对流层。气溶胶强迫包括所有气溶胶的影响,其中也包含了云和雪的反照率的间接影响。而人类活动造成的大气成分的变化比土地利用和土地覆盖的变化要重要得多(Ramankutty and Foley,1999)。Hansen et al.(2011)的研究也表明,人类活动产生的气溶胶对气候变化的影响只有温室气体排放影响的一半,温室气体增加导致全球气温上升,而人类活动产生的对流层气溶胶增加则会减缓全球变暖。Kaufmann et al.(2011)利用一个统计模型分析了1998—2008年期间人类活动对气候变化的影响。他们认为,人类活动产生的短期的硫排放可以在一定程度上减弱温室气体排放造成的影响。在1940—1970年及1998—2008年两个阶段,硫排放的增加带来的影响要比温室气体产生的气候变暖强。近年来,亚洲,特别是中国,人类活动使煤的消费量大大增加,导致硫排放迅速增加,这可能是全球变暖变慢的重要原因。

2.1.4 平流层水汽强迫

Forster(1999)曾利用1979—1997年的观测资料进行研究,结果表明平流层水汽对全球变暖也有影响。Solomon et al.(2010)则尝试研究1998年以后平流层水汽对全球变暖停滞的影响。由于在20世纪90年代中期之前的观测资料有限,这段时间的资料主要来自美国科罗拉多州(Colorado)博尔德(Boulder)的单点气球观测资料;20世纪90年代中期以后,则加入了各种平台获取的高质量的全球卫星观测资料。他们利用观测资料及数值模拟来研究水汽强迫对气候变化的影响。研究结果表明,平流层水汽的增加会导致平流层温度的降低,却使对流层温度升高。在1980—2000年期间,平流层水汽在增加,导致全球变暖的速率增加30%。而在2000年之后,平流层水汽减少约10%,导致全球变暖的速率降低25%。也就是说,平流层水汽含量的降低在此次全球变暖停滞中扮演重要角色。

2.2 自然变率

除了外强迫之外,近二年来科学家们对另外一种可能的机制,即自然变率的研究也在深入开展。主要涉及两个问题:一个是温室气体导致的多余的热量到哪里去了?另一个问题是,到底是什么机制触发了全球变暖的停滞?

2.2.1 多余热量的去处

早期的研究(Hansen et al.,2005;Trenberth and Fasullo,2010;Loeb et al.,2012)表明20世纪90年代末期以来,观测到的大气层顶存在能量不平衡,有大约1 W·m-2的净能量通量进入气候系统中,从而导致系统变暖。而气候系统的变暖有可能诱发大气温度或地表温度的升高、融冰融雪,或者是多余的热量进入海洋次表层。与大气和海洋相比,陆地表面、冰雪圈和生物圈的升温作用相对较小(Trenberth and Fasullo,2010)。而1998年以来全球地表大气温度并未出现明显的增加,那么温室气体排放造成的多余的热量到哪里去了呢?科学家们对此问题进行了探讨(Goddard,2014;Hawkins et al.,2014;Johnson and Lyman,2014)。从对Argo浮标资料和其他观测资料分析来看,21世纪以来海洋700 m深度以上的海洋热含量并未出现明显上升,并且在这个阶段海表温度也停止了上升的趋势(Levitus et al.,2009;Lyman et al.,2010)。

Meehl et al.(2011)利用气候模式CCSM4研究全球变暖停滞阶段深海热量的变化。他们成功地模拟了数次全球变暖停滞的事件。对模拟结果的分析发现,在变暖停滞阶段,海洋300 m深度以上的上层依然会吸收热量,但吸收量比平时小许多。而大多数增加的热量进入了深海,对于300～750 m的海洋次表层,大部分热量进入了太平洋和印度洋,而在750 m以下层次,除了北极地区以外,全球其他海域的热量都明显增加。

Balmaseda et al.(2013)则利用欧洲中期天气预报中心的海洋再分析系统(ORAS4)输出的再分析资料对1958—2009年的海洋热含量(ocean heat content,OHC)进行分析。他们的结果与Meehl et al.(2011)的结论既有相同也有不同之处。不同的是,他们认为在全球变暖停滞阶段,海洋次表层300 m以上的上层海洋热含量并未明显增加;相同的是,他们也认为在1998年之后更多的热量进入了海洋深处700 m以下。这些结果同样表明,过去十多年在700 m以下热带太平洋和印度洋热量都出现明显增加的趋势,即海洋主要的增暖区域位于热带地区(30°S～30°N),特别是在热带太平洋海域。

与前人的结果类似,Chen and Tung(2014)分析了Ishii的资料(Ishii et al.,2006;Ishii and Kimoto,2009)发现,多余的热量主要进入了深海。他们计算得到,1999—2012年间有0.69×1023J的热量进入了海洋深处300～1 500 m的层中。与前人结果不同的是,他们认为热含量增加区主要位于大西洋和南半球海域,而不是在太平洋和印度洋,太平洋和印度洋深海吸收的热量非常少。他们分别对海洋上下层的海洋热含量进行经验正交分解(EOF)。对于海洋次表层300 m以上层次,EOF1的空间型与ENSO类似,正负中心分别位于赤道东太平洋和西太平洋。而对于300 m以下的深层,空间型则完全不同,最大变率发生在大西洋海域和南极绕极流(Antarctic circumpolar current,ACC)区域,深海EOF分解的PC1时间序列很好地揭示了海洋变暖的趋势。1999年之前PC1是负值,而在之后则转为正值。最近几年其振幅变大,意味着深海变暖,特别是大西洋海域和南极绕极流(ACC)区域。

到目前为止,大部分科学家都认为多余的热量进入了深海之中,特别是700 m以下的深海(Smith,2013;Watanabe et al.,2013;Ferrari,2014)。不过有些科学家认为海洋上层的海洋热含量被低估了(Durack et al.,2014)。目前尚存争议的地方是多余的热量到了哪些海域。由于使用不同的资料,科学家们得到的结果也不尽相同(Lyman et al.,2010;Guemas et al.,2013;Trenberth et al.,2014b)。

2.2.2 海洋影响机制

除了外强迫,自然变率是另外一个解释全球变暖停滞事件的机制。研究表明,海洋在全球变暖停滞事件中扮演重要的角色(Watanabe et al.,2014)。

2.2.2.1 太平洋

Meehl et al.(2011)在成功模拟了数次全球变暖停滞事件后,对全球海表温度(SST)进行了合成分析,结果显示在全球变暖停滞阶段,空间结构与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)的类La Nia型相似,即赤道中东太平洋海表温度为负距平,而在中纬度中西太平洋则为正距平。其数值模拟结果为理解气候变暖的停滞现象提供了可能,即全球变暖停滞现象是与PDO的负位相联系在一起的。他们对20 ℃等温线进行了分析,也得到了类似的结果。此外还发现,1997—1998年的强El Nio事件对全球变暖停滞也产生了影响。在El Nio期间,赤道中东太平洋变暖向大气辐射热量,使得赤道中东太平洋海温在接下来的若干年都处于负距平,导致该海域未能向大气辐射多余的热量,使得全球变暖停滞(Balmaseda et al.,2013;Meehl et al.,2013;Risbey et al.,2014)。

图1 PDO指数与全球气温的对应关系(PDO正位相且东太平洋暖时,全球气温急剧上升;PDO负位相时,全球气温上升停滞;引自Tollefson(2014)) a.PDO指数;b.全球气温Fig.1 The corresponding relation between the PDO index and global temperatures(During periods when the PDO index is positive and the eastern Pacific is warm,global temperatures have risen quickly.During spells when the PDO index is negative,the warming has stagnated.From Tollefson(2014)) a.PDO index;b.global temperatures

为了量化自然变率对气候变暖停滞的影响,Kosaka and Xie(2013)利用气候模式GFDL2.1模拟了近年来全球气温变化情况。他们做了三组试验:第一组试验(HIST)使用历史观测资料作为外强迫,用来分析外强迫的影响;第二组试验(POGA-H)中SST使用的是赤道中东太平洋的历史资料,而外强迫则使用的是历史资料;第三组试验(POGA-C)中的SST与POGA-H的资料相同,但外强迫则使用的是1990年的固定外强迫资料。POGA-H试验再现了20世纪70年代到20世纪末的全球温度迅速增长的阶段以及1998年以来的全球变暖停滞阶段;而HIST试验模拟的20世纪70年代到现在的全球气温都是直线上升的。加入赤道东太平洋海温后,模拟的全球地表温度的时间序列与观测资料的时间序列的相关系数从0.90提高到了0.97,并且对其年际变化也模拟得相当好。POGA-H试验也成功模拟了Walker环流的增强,而这个结果与Meehl et al.(2011)的研究结果是一致的。另外,Kosaka and Xie(2013)还再现了全球变暖停滞阶段的季节和局地特征。他们成功模拟了气温在冬季的变冷而在夏季稍微有所变暖的趋势。对于全球变暖停滞的局地特征,他们成功地模拟出了北半球冬季美国及澳大利亚的变冷,但对欧亚大陆的大范围变冷的模拟结果不太理想,他们对此的解释是欧亚大陆的变冷不是由于赤道太平洋SST的变冷造成的。另外对于降水的模拟也比较好,成功再现了赤道中东太平洋的降水减少及西太平洋降水增多的趋势。因此,他们认为太平洋年代际振荡(PDO),尤其是赤道中东太平洋的变冷是导致此次气候变暖停滞的主要原因(图1)。

在Kosaka and Xie(2013)提出赤道中东太平洋变冷的观点之后,科学家们就“什么原因造成了赤道中东太平洋的变冷?”这个问题进行了研究。England et al.(2014)在研究历史资料时发现,1992年以来赤道太平洋的信风一直处于增强的阶段。他们通过分析观测资料和数值模拟来揭示其中的物理机制。试验结果表明,当信风增强时,太平洋浅层翻转流将会增强,即在北半球会形成顺时针方向的异常翻转流,而在南半球则为逆时针方向的异常翻转流。于是在赤道太平洋次表层形成辐合,海水在赤道下方上升进入到表层,之后向两极方向辐散,在较高纬度,海水下沉进入次表层。同时,在赤道信风的影响下,表层海水向西流动并在赤道西太平洋下沉,然后通过赤道潜流向中东太平洋输送,底层偏冷的海水到达中东太平洋,导致SST变冷。在北半球中纬度地区气压升高,导致大气中Hadley环流和Walker环流增强。因此,他们认为信风的增强是赤道中东太平洋变冷的直接原因。

Trenberth et al.(2014a)对全球变暖停滞的季节特征进行了研究,发现不管在夏季还是冬季,赤道中东太平洋的降水都明显减少,而在西太平洋降水却在增加。在观测资料分析中,他们发现上层大气中存在从低纬向两极传播的遥相关型。利用气候模式CAM3进行模拟,他们在赤道加入半径为750 km的负热量距平(加入负热量距平的位置与负降水异常的位置基本重合),结果成功模拟出了冬季和夏季的上层大气的波列。因此,他们推断热带太平洋的负降水异常以及负的潜热异常是导致大气上层遥相关波列产生的重要原因。而遥相关型又将对一些地区的气候产生影响,例如欧洲的冷冬。而在Kosaka and Xie(2013)的模拟中,对欧洲气温的负距平未能成功模拟出来。Trenberth et al.(2014a)坚持认为,最近的全球变暖停滞事件是由于太平洋的作用产生的。当然,还有其他一些研究也持同样的观点(Trenberth and Fasullo,2013;Heffernan,2014;Huber and Knutti,2014;Meehl et al.,2014)。

2.2.2.2 大西洋

2013年之前有关大西洋对全球变暖减缓的研究非常少。在Meehl et al.(2013)的研究中,提到AMOC(Atlantic meridional overturning circulation,大西洋经向翻转环流)可能对全球变暖停滞有影响。Balmaseda et al.(2013)也注意到了北大西洋深海环流的变化,不过他们没有对此进行深入的研究。不久前,Chen and Tung(2014)在《Science》上发表关于大西洋在全球变暖停滞中起关键作用的文章,为全球变暖停滞的研究打开了一扇新的大门。

Chen and Tung(2014)在分析Ishii的海洋热含量资料(Ishii et al.,2006;Ishii and Kimoto,2009)时发现,虽然在1997/1998年的El Nio事件中,赤道太平洋上层向大气中释放了许多热量(0.42×1023J),但深海并未参与其中,而其时间尺度只有3～4 a。在1982年的El Nio事件中,海洋虽然也向大气释放了热量,但并未导致全球气温降低。因此,他们认为1997/1998年的 El Nio事件并不是导致全球变暖停滞的主要原因。同样,他们也反对全球气候变暖停滞和PDO负位相有关的观点,他们认为多余的热量并未进入太平洋深海,而太平洋表层海温的降低不足以导致全球气温降低。Chen and Tung(2014)认为导致全球变暖停滞的真正原因不是太平洋,而是大西洋。他们发现多余的热量是向北大西洋和南大洋深海输送,而太平洋0～1 500 m层的热含量并未明显增加。从图2c、d中可以看到,太平洋热含量的变率主要发生在海洋上层(0～300 m)的浅薄层中,呈东西向分布,结构与ENSO的结构类似。但在深海(300～1 500 m)却没有明显的变化。与太平洋形成鲜明对照的是大西洋在1999—2012年间,相比之前的几十年,热量急剧向1 500 m深海输送,并同时向北大西洋高纬度地区输送(图2a、b)。他们的结果与以前的北大西洋热盐环流变率的研究相似。为了理解大西洋中热含量能输送到深海的原因,他们重点研究了北大西洋副极地(45～65°N)区域的平均盐度和海洋热含量特征。由图3可以看出,21世纪盐度变成正异常,并迅速向1 500 m深度输送。而在20世纪70年代至20世纪末,盐度为负异常,这段时间是全球温度迅速增加的阶段。在20世纪50年代至70年代,盐度变成正异常,这个阶段是另一个全球变暖停滞的阶段。也就是说,当全球变暖停滞时,北大西洋盐度表现为正异常,而当全球气温迅速增加时,北大西洋盐度表现为负异常。接下来再看看海洋热含量的情况。21世纪热含量为正异常,而在20世纪70年代至20世纪末,热含量为负异常;20世纪50年代至70年代,热含量变成正异常。海洋热含量和盐度对应得非常好,即当全球变暖停滞时,北大西洋呈现高温高湿的情况;全球增暖时,北大西洋的情况正好相反。

图2 大西洋(a,b)与太平洋(c,d)海洋热含量变化的比较(引自Chen and Tung(2014)) a,c.全球变暖停滞阶段;b,d.全球温度迅速升高阶段Fig.2 Contrasting the change in heat content in (a,b)the Atlantic versus (c,d)the Pacific(From Chen and Tung(2014)) a,c.during spells when the global warming has stagnated(averaged over the recent 14 years);b,d.during periods when global temperatures have risen quickly(averaged over the previous 14 years)

图3 大西洋盐度(a)和海洋热含量(b)的气候变化(盐度和海洋热含量的对应关系非常好;在全球变暖停滞阶段(1950s—1970s以及2000s至今),盐度和海洋热含量为正距平;在全球变暖阶段(1970s—2000s),盐度和海洋热含量为负距平;引自Chen and Tung(2014))Fig.3 Climate shifts in (a)salinity and (b)OHC in the Atlantic(The corresponding relation between the salinity and OHC is very good.During spells(1950s—1970s and 2000s to now) when the global warming has stagnated,the salinity and OHC anomalies are positive.During periods(1970s—2000s) when the global temperatures have risen quickly,the salinity and OHC anomalies are negative.From Chen and Tung(2014))

那么出现这种现象的物理机制是什么呢?他们认为主要是AMOC的作用。AMOC又被称为“墨西哥湾流”,它通过将温暖的表面水传送到高纬度地区,从而让这些水在寒冷的北大西洋深层进行冷却、渗透,并向南返程流动。由于太阳辐射的作用导致海水蒸发,使得热带海表水的盐度增加,速度更快的AMOC将热带高盐度的海水输送到北大西洋副极地区域,在此过程中热量会向大气输送。热带的高温海水在遇到高纬度的海冰时,会将海冰融化,使得副极地的海水盐度减小。这两个方面共同起作用,最终副极地盐度低的海水占主导地位,若干年之后导致AMOC速度减缓。速度变慢的AMOC携带低盐度的热带海水向北输送,进入相反的位相。

而对于太平洋在全球变暖停滞中起作用的观点,Chen and Tung(2014)认为在全球变暖停滞阶段,赤道东太平洋确实存在海水变冷的现象,但他们不同意England et al.(2014)的观点。他们认为,信风增强是这个阶段的特征,而不是赤道东太平洋海水变冷的原因。同时,他们还认为在全球变暖停滞的前半阶段,AMOC的增强将热带高温高盐的海水输送到北大西洋,导致那里的海水热含量增加,作为补偿,势必会造成别的海域热含量减少。AMOC增强,大气传输的热量将会减弱,进而影响PDO。

与此同时,Mcgregor et al.(2014)也发现,北大西洋在全球变暖停滞现象中扮演重要角色。不过,与Chen and Tung (2014)不同的是,他们承认Kosaka and Xie(2013)的关于赤道太平洋变冷的理论,也认为信风的增强是导致赤道太平洋变冷的原因(England et al.,2014)。Mcgregor et al.(2014)尝试解释信风增强的原因。他们利用CAM4模式进行了几组数值模拟,当加入大西洋海表温度异常的趋势、太平洋的混合层厚度以及印度洋的海表温度设置为气候平均时,可以很好地模拟出赤道中太平洋信风的增强、赤道东太平洋海水变冷以及太平洋—大西洋海平面气压的“跷跷板”现象。因此,他们认为北大西洋增暖及其相应的大气气压中心的跨海区移动(trans-basin displacement)是导致赤道东太平洋变冷和大气环流异常的主要原因。与Chen and Tung(2014)的观点类似,他们不认为仅仅太平洋变率就可以导致全球变暖停滞,他们相信全球变暖停滞是太平洋和大西洋共同作用的结果(Jaccard,2012)。他们进一步指出,太平洋对北大西洋增暖的响应是导致全球变暖停滞的主要原因。持类似观点的还有Liu and Sui(2014),他们认为大西洋和太平洋都对全球变暖停滞有贡献。

当然,除了太平洋和大西洋的观点外,还有其他一些观点,如Song et al.(2014)认为印度洋也扮演着重要的角色。此外,Meehl et al.(2013)认为,南极底层海水(Antarctic Bottom Water,AABW)也在全球变暖停滞中起作用。

3 结论和讨论

1998年以来的全球变暖停滞事件主要发生在北半球,且在北半球冬季比夏季明显。在海洋中SST呈现出热带中东太平洋变冷,副热带变暖的特征。

对于全球变暖停滞的原因目前主要有两种观点:外强迫和自然变率。外强迫观点主要分为太阳活动、火山喷发气溶胶、人类活动气溶胶以及平流层水汽强迫四种。而自然变率观点则认为全球变暖停滞主要来自海洋的影响,温室气体排放导致的多余的热量进入了海洋深处,尤其是700 m以下的海域,但具体进入哪些海域目前还存有较大分歧,利用不同的海洋热含量资料所得结果不尽相同。

关于海洋的影响也有两种观点,一种认为是太平洋的影响,另一种则认为大西洋的影响起主要作用。前者认为是PDO,尤其是热带东太平洋变冷导致全球变暖停滞的发生;而后者则认为AMOC或者北大西洋变暖是其发生的根本原因。

目前,大家普遍认为自然变率是产生全球变暖停滞的主要机制,外部强迫作用则被认为是次要的(陈幸荣等,2014)。虽然相对于之前的迅速增暖,目前全球变暖速度变缓,但从更长时间尺度来看,全球气温还将继续升高(王绍武等,2014a,2014b)。

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(责任编辑：张福颖)

A review of recent studies on global warming hiatus

SONG Bin1,2,3,ZHI Xie-fei1,2,3,HU Yao-xing1,2,3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;3.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Since the industrial revolution,the content of anthropogenic greenhouse gas is increasing.As a result,the global surface air temperature grows rapidly.However,the global surface air temperature has stalled since 1998,despite the greenhouse gas steadily increases.This paper reviewed the latest research progress on this phenomenon,especially the mechanism of the global warming hiatus.There are two main viewpoints on the mechanism,namely,the external forcing and natural variability.The former includes the influence of solar activity,volcanic aerosol particles,man-made aerosol particles and stratospheric water vapor forcing.Scientists in the opinion of natural variability hold the idea that the missing heat produced by human activity has entered the deep ocean,especially the layer below 700 m.They believe that the oceans play a key role in the global warming hiatus.There are two main ideas for that:Pacific Decadal Oscillation(PDO),especially the cooling in the eastern tropical Pacific,and the Atlantic Meridional Overturning Circulation(AMOC).The widely accepted idea on the mechanism of recent global warming hiatus is natural variability.The missing heat has entered the deep ocean.But it still remains controversial which ocean basins gain the missing heat.

global warming hiatus;external forcing;natural variability;mechanism;review

2015-01-05；改回日期：2015-03-09

国家重大科学研究计划项目(2012CB955200);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD);江苏省“青蓝工程”(东亚季风与区域气候变化)

智协飞,博士,教授,研究方向为短期气候预测、数值天气预报,zhi@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150105002.

1674-7097(2015)02-0145-10

P46

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150105002

宋斌,智协飞,胡耀兴.2015.全球变暖停滞的形成机制研究进展[J].大气科学学报,38(2):145-154.

Song Bin,Zhi Xie-fei,Hu Yao-xing.2015.A review of recent studies on global warming hiatus[J].Trans Atmos Sci,38(2):145-154.(in Chinese).