热带西北太平洋0～300 m热含量的年代际变化

蒋佳茗，汪亦蕾

(1.上海交通大学海洋学院，上海 201100； 2.卫星海洋动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012； 3.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

工业革命以来，全球变暖已是一个不争的事实。全球变暖是地球能量失衡的表现形式[1]，地球中增加的能量会以不同的方式影响气候系统，比如全球平均表面温度和海表温度上升[2]、陆地和海洋内部温度升高[3]、海平面升高[4]、极地冰雪融化[5]、大气循环和海洋环流改变[6]、热带地区出现更强的降水[7]等。海洋面积占地球总面积的71%，体积大，海水比热容大。在地球系统中，海洋存储热量的能力相对陆地和大气更强。

具有巨大储热能力的深层海洋可以吸收大量的热量，在全球气候变化中起着重要作用[2,8-11]，同时它受气候系统自然波动的影响远小于全球平均地表温度[12]。因此，海洋热含量是衡量全球变暖的有力指标[1]。

1999—2013年期间，全球平均表面温度和海表温度上升缓慢[8,13-21]，但这个现象并不意味着由温室气体上升引起的全球变暖发生了停滞。部分研究把1999—2013年温度缓慢上升现象归因于海洋年际变化、年代际变化、多年代际变化和全球变暖间的相互作用[13,22-23]。

太平洋的年代际变化一般指太平洋年代际涛动(PDO)。PDO有正、负相位，在不同的时间内处于不同的相位。处于不同的相位时，海洋热含量会有不同的变化特征：处于正相位时，深海吸收的热量减少，在一定程度上增强了海表变暖；处于负相位时，更多的热量在海洋更深处积累，不仅使海洋整体变暖，还降低了大气温度和海表温度上升速率[16]。

太平洋的年代际变化在1999—2013年期间海表的温度变化中起着重要作用[24-25]。将1999—2013年的海表温度变化时间序列与1976—1998年的时间序列进行对比，发现PDO的负相位在温度上升缓慢现象中的作用非常明显[16]。一种以辐射强迫和热带太平洋海面温度作为输入项的气候模型[13]也进一步验证了该结论。

CHENG et al[1]把年际变化指数(Nio3.4指数)、年代际变化指数(PDO指数)和多年代际变化指数(AMO指数)与海洋的热含量进行回归分析，结果显示，1999—2013年的海表温度上升缓慢现象是由这3种不同频率的海洋变化共同作用引起的，单一的年际变化、年代际变化或者多年代际变化都不足以解释这十几年的温度变化。海表温度经集合经验模态分解，得到年际、年代际和多年代际温度变化特征，1999—2013年期间，年际变化和年代际变化共同作用消减了全球表面温度上升[21]。

1982/1983年、1997/1998年和2015/2016年的超级厄尔尼诺虽然都使太平洋海表温度发生比较明显的变化，但是也存在一定程度上的不同。例如，相比于1982/1983年和1997/1998年的两次超级厄尔尼诺，2015/2016年的超级厄尔尼诺发生时，赤道太平洋上层海洋热含量的变化没有明显的异常[26]；1997/1998年超级厄尔尼诺发生之后，海表温度上升缓慢，而在2015/2016年超级厄尔尼诺发生之后，海表温度恢复之前的增长速率。

本文从海洋热含量的角度，分析在全球变暖的背景下，1997/1998年和2015/2016年两次超级厄尔尼诺之间发生的海表温度上升缓慢现象，探讨太平洋0～300 m的热含量在1980—2020年之间的年际变化和年代际变化、热带西北太平洋的热含量时空变化特征。

1 数据与方法

太平洋区域是海表温度年际、年代际变化发生的主要区域，本文选用大气物理研究所提供的IAP数据(Institute of Atmospheric Physics)[27]进行研究。该格点数据为月平均数据，空间分辨率为1°×1°，垂直方向上把海洋0～300 m深度分为41层。本文选取数据的时间范围为1980年1月—2020年12月，共41年，492个月。其中，温度数据中选取深度为1 m的数据作为海表温度，热含量数据选取0～300 m。该格点数据使用集合最优插值方法和CMIP5多模式的历史模拟，能够更准确地定义不同格点之间的相关性。

本文利用集合经验模态分解(EEMD)的方法从温度、热含量等数据中分离出其年际和年代际的时空变化特征。年代际变化信号的振幅比年际变化更小，在时间、空间上都需要更加准确的数据。本研究采用的这套数据在分析太平洋区域的温度、热含量等时空特征时，可以有效避免温度、盐度长期变化的不准确性。在海洋中，温度、热含量等数据都是非线性、非平稳信号，集合经验模态分解法不受数据的长度限制，可以把温度、热含量的时间序列最终分解成季节性变化、年际变化和年代际变化。太平洋区域每个格点的热含量时间序列经EEMD分解后可得到7个本征函数(IMFs)和1个余项：IMF1为外界干扰噪音；IMF2为季节性变化；IMF3、IMF4和IMF5相加为年际变化；IMF6和IMF7相加为年代际变化；余项为温度、热含量在1980—2020年间的整体变化趋势。温度和热含量数据提取季节性波动后，剩余的部分称为温度异常和热含量异常。

单独的EEMD分析只能体现数据的时间特征，无法体现出温度、热含量的空间分布特征。对太平洋的温度、热含量进行分析，除了把原数据在时间上分解成年际、年代际变化和长期趋势之外，还需要对其空间变化特征做进一步分析。经验正交函数分解(EOF)是一种经典的时空特征分析方法，本文利用EOF和EEMD相结合的方法，提取了1980年1月—2020年12月太平洋海域的温度、热含量时空变化信息，并排除了外来的随机干扰。

2 结果

2.1 1980—2020年太平洋热含量变化

图1a为1980—2020年期间太平洋区域平均海表温度异常(SSTA)的时间序列。SSTA整体上波动上升，1997/1998年和2015/2016年超级厄尔尼诺期间，太平洋的温度异常皆出现了较为明显的极大值，分别为0.2 ℃和0.42 ℃，后者温度达到了前者的两倍。而在这两次超级厄尔尼诺之间，太平洋SSTA上升缓慢，这与在该段时间内全球海表温度上升缓慢一致。前人对于1999—2013年SSTA上升缓慢的现象做了大量研究，有学者认为，这种暂停期是由太平洋的年代际变化PDO引起的。PDO在1999—2013年期间处于负相位，对海表温度的变化起着重要作用[1,8,13,16,28]。2015/2016年超级厄尔尼诺之后，海表温度上升速率增加。

图1b为1980—2020年太平洋区域0～300 m总热含量异常(OHCA)的变化。从图中可以看出，整个太平洋区域热含量虽然很好地展示了全球变暖的现象，但是不能很明显地体现其年际和年代际变化。在时间序列中：热含量最小值出现在1983年左右，约为-2.8×108J/m2；最大值出现在2020年，约为2.4×108J/m2。虽然太平洋0～300 m的热含量波动较小，但是整体呈现稳定增长的趋势。事实上，热含量的空间变化受海流、风场等一些因素的影响，不同区域的热含量变化趋势并不相同。也有研究认为：1999—2013年温度上升缓慢是因为热带西北太平洋储存了大量的热量，这些热量在2015/2016年被释放出来，促使SSTA恢复以前的增长态势[29]。

图1 1980—2020年太平洋海表温度异常(a)及0～300 m海洋热含量异常(b)Fig.1 Sea surface temperature anomaly(a) and ocean heat content anomaly at depth of 0-300 m (b) in Pacific Ocean from 1980 to 2020

根据太平洋区域海表温度在1980—2020年的年代际变化特点以及前人的研究结果[8,13-21]，本文把1980—2020年的温度、热含量数据划分为3个时间段，用以对太平洋区域热含量的空间特征和年代际变化做进一步探究：1980—1998年为第1个时间段，1999—2013年为第2个时间段，2014—2020年为第3个时间段。

2.2 太平洋热含量分布的时空特征

2.2.1 热含量在不同时期平均态之差

图2是太平洋0～300 m热含量相邻时间段气候态之差。由图所示，在1999—2013年期间，西太平洋热含量相对较高，而东太平洋热含量比前后两个阶段都低；东太平洋表面温度在第2阶段较低，是全球海表温度缓慢上升的一个原因[13]；西北太平洋低纬度区域0～300 m的热含量变化最明显。

图2 太平洋热含量相邻时期平均态之差Fig.2 The average value differences of ocean heat content between two adjacent periods in the Pacific Ocean

2.2.2 太平洋区域热含量的时空特征

图3为太平洋0～300 m热含量异常的EOF分析结果。图3a、3c和3e分别为第一、第二和第三模态，各自的解释方差为32.23%、13.44%和7.23%；图3b、3d和3f为第一、第二和第三模态的时间序列。第一模态显示了ENSO信号：海洋热含量主要变化区域为热带太平洋，有明显的东-西向反位相震荡[30]；受信风影响，热带东太平洋冷水上涌，热带东太平洋和中太平洋的海表温度降低，并抵消了其他海域的升温效应，导致升温速度较小[1]。第二模态和第三模态受EOF正交性的影响，存在虚假模态。图3b显示，太平洋低纬度区域在1982/1983年、1987/1988年、1997/1998年和2015/2016年出现了比较强的厄尔尼诺现象。图3d的时间序列显示，热含量除了长期变化趋势外，也存在年际变化。为了解决这种模态混合现象，有效去除太平洋区域的年际变化，研究其热含量的年代际变化情况，本文用集合经验模态分解(EEMD)去除太平洋区域热含量的年际变化，探讨其年代际变化。

图3 太平洋区域去除季节变化热含量空间EOF分析Fig.3 EOF of ocean heat content in the Pacific Ocean after removing the seasonal signal

将去除年际变化的太平洋热含量再次做EOF分析，结果如图4所示。在第一模态中西太平洋及高纬度地区0～300 m呈现明显的长期变暖趋势，在东太平洋低纬度和中纬度区域，有略微的变冷趋势，第一模态的解释方差为52.93%(图4a)。第一模态的时间序列存在微小的波动，这种波动可能和模态中东太平洋中低纬度较冷的空间特征有关(图4b)。

第二模态主要变化区域为热带西北太平洋。在热带西北太平洋(5°N—20°N,120°E—180°E)区域存在明显的年代际变化。1980—1988年和1999—2013年为暖相位，1989—1998年和2014—2020年为冷相位。值得注意的是，在图4d中，PC2 在 2010—2015 年出现大幅降低，并在2016年左右回落到1993/1994年的水平。该现象在前人的研究中也出现过。YIN et al[29]分析了0～700 m海洋热含量在1993—2012年和2013—2015年两个时间段内的变化趋势，研究结果表明：1993—2012年期间积累在热带西北太平洋区域的热含量在2013—2015年期间释放了出来，强烈的热量释放导致2013—2015年热带西北太平洋的海平面急剧下降了 300 mm[29]。热带西北太平洋0～700 m范围不同深度的平均温度时间序列显示，有大部分热量存储在该区域的次表层50～300 m处；海洋热含量从2014年开始释放，与海表温度上升速率增加时间吻合。前人对该区域的热含量也做过相关研究，在多年代际尺度上，该区域的热含量在1945—2006年呈现出负增长趋势[31]。年代际尺度上，热含量在北赤道流区域出现极值，在北赤道逆流区变化幅度减小[32]。前人的研究指出，热带太平洋的低频变化伴随着沃克环流加剧，阿留申低压减弱和美国南部的长期干旱[13]。热带西北太平洋的这种低频变化与热带太平洋低频变化之间的关系有待进一步研究。

值得注意的是，在1997/1998年和2015/2016年，都发生了超级厄尔尼诺现象，在厄尔尼诺的后期，部分热量会从上层海洋中释放出来，使大气发生微小的变暖，并伴随着海洋变冷[33]。然而，1997/1998年的厄尔尼诺之后的近15年，海表温度上升缓慢，而在2015/2016年超级厄尔尼诺之后的5年里，海表温度的增长速率明显增加。这或许和PDO的相位在2015/2016年发生了变化有关。

图4 太平洋区域去除季节变化和年际变化后的热含量EOF分析Fig.4 EOF of ocean heat content in the Pacific Ocean after removing the seasonal signal and interannual signal(图c中黑色框区域为5°N—20°N, 120°E—180°E，有比较明显的年代际变化。)(The black box area in fig.c is 5°N—20°N, 120°E—180°E. There are obvious decadal changes. )

2.3 热带西北太平洋热含量三维分布

2.3.1 海洋热含量年际变化与年代际变化

图5为热带西北太平洋(5°N—20°N, 120°E—180°E)区域平均热含量异常数据及其EEMD分解结果。图5b中阴影部分为负的Nio3.4指数，该区域热含量经EEMD分解后提取的年际变化信号与Nio3.4指数相关性为-0.89，说明通过EEMD方法得到的该区域的年际变化为ENSO信号。图5c是利用EEMD在该区域提取的年代际信号，其时间序列与图4中第二模态的时间序列存在一定的相关性，相关系数达到了0.899，表明在太平洋的低频变化中，热带西北太平洋是太平洋年代际变化的主要区域。图5d 表明该区域存在长期变暖的趋势，但在数值上，其变化幅度比年际变化、年代际变化更小，该结果与太平洋0～300 m热含量的低频信号EOF分析的第一模态的时间序列(图4b)存在一定程度的相关性。图4b和图5d的时间序列都呈现了长期变暖趋势，不同之处在于，前者的时间序列存在一些波动，后者不存在波动，这和研究区域(前者针对太平洋，后者针对热带西北太平洋)以及研究方法(前者采用EOF分解，后者采用EEMD分解)有关。

图5 热带西北太平洋(0°—20°N，120°E—180°E)平均热含量异常的EEMD分解Fig.5 EEMD decomposition of averaged ocean heat content anomaly in the tropical northwest Pacific (0°-20°N,120°E-180°E)(图5b中的阴影部分为-Nio3.4指数。)(The shaded part in fig.5b is -Nio3.4 index.)

2.3.2 海洋温度垂向分布

图6为热带西北太平洋各层水温进行EEMD分解后的结果。图6b中显示的温度年际变化主要发生在50～200 m之间。在1982/1983年、1997/1998年和2015/2016年的超级厄尔尼诺发生时，表层的温度变化幅度大约在-0.5～0.5 ℃之间，而次表层温度变化则达到了±2 ℃。次表层温度变化比表层温度变化幅度更大。在年代际变化中(图6c)，次表层温度出现了明显的冷暖交替现象：1981—1988年、1999—2013年为暖相位；1989—1998年、2014—2020年为冷相位。巢纪平[34]提出：在几乎所有的厄尔尼诺和拉尼娜事件中，海温距平都起源于暖池的次表层温跃层附近，在一定的大气条件下，在赤道沿着温跃层向东、向上传输，到赤道东太平洋传到海洋表层，形成传统观点认为的El Nio/La Nia事件。2014—2016 年，全球平均表面温度屡次打破记录，主要原因是2015/2016年的厄尔尼诺现象从海洋释放了大量异常的海洋热量[29]。图6d表明：长期变暖趋势在200 m以上的深度比较明显；在50～180 m之间，全球海洋变暖现象最明显。

图6 热带西北太平洋各层温度异常的EEMD分解Fig.6 EEMD decomposition of temperature anomaly in different depths in the tropical northwest Pacific

相关研究表明海表温度的变化和海洋次表层的热含量相关[35-37]。在1999—2013年期间，海洋表层的热含量在减少，而次表层的热含量在增加。海洋内部这种年代际热含量的变化可以解释温度上升缓慢的现象。热带西北太平洋在1999—2013年额外储存了大量的热量没有释放出来[8,10,22,28,38]，使得全球表面温度上升缓慢，而温室气体是导致这种热量积累的主要原因[22]。图6c验证了这个观点，该区域的热含量自2013年之后逐渐降低。TRENBERTH et al[16]研究发现太平洋风场的变化使得超过 30%的海洋热含量渗透到 700 m 以下的深度。这说明全球变暖并未停止,它只是以不同的方式表现出来。

2.3.3 海洋热含量经向分布

图7是热带西北太平洋经向总热含量异常 EEMD 分解，图7a是热带西北太平洋区域经向总热含量异常，图7b为EEMD分解后的年际变化，图7c为年代际变化，图7d为长期变化趋势。图7a显示：在1982/1983年、1997/1998年和2015/2016年该区域发生了明显的冷异常，分别对应了3次超级厄尔尼诺现象；在1999—2013年期间，暖异常次数比1982—1998年更多，表明在21世纪初的15年里，大时间尺度下，类拉尼娜现象比以往多，1999—2013年间温度上升缓慢与15年间发生的拉尼娜现象有关[21]。CCSM4 的模式模拟结果显示：太平洋上空的风场可以改变赤道附近的上升流以及低纬度西太平洋和中太平洋的热量[8-9]。

图7b显示，1999—2013年期间，有多次暖异常，表明热带西北太平洋发生了多次拉尼娜现象。由 图7c 可见，在120°E—180°E之间，0～300 m的热含量存在明显的冷暖相位交替现象：1980—1988年、1999—2013年为暖相位；1989—1998年、2014—2020年为冷相位。图7d显示该区域具有长期变暖的特征，但在1999—2013年期间，出现了全球海洋平均升温的停滞现象。相关研究认为SSTA上升的停滞是由这段时间内该区域吸收了大量的热量引起的[29]。图7b 中较多的拉尼娜事件和 图7c 中1999—2013年出现的热含量的暖相位也验证了这个观点。值得注意的是，热带西北太平洋热含量年代际的变化幅度比其年际变化要小得多。

图7 热带西北太平洋经向总热含量异常EEMD分解Fig.7 EEMD decomposition of meridional total ocean heat content anomaly in the tropical northwest Pacific

2.3.4 海洋热含量纬向分布

把热带西太平洋0～300 m的热含量进行纬向(120°E—180°E)积分，EEMD分解后结果如图8所示，其中图8a显示了该区域纬向热含量异常的时间序列。热含量异常主要发生在20°S—20°N之间，变化幅度约为 (-2.7～1.8)×1021J。图8b则反映了该区域的ENSO信号，在1982/1983年、1997/1998年和2015/2016年3次超级厄尔尼诺现象中，最大的冷异常出现在0°—15°N之间，且热带北太平洋冷异常出现时间总是领先于热带南太平洋。

图8c体现了热带西太平洋的年代际变化，从整体上看，变化幅度比厄尔尼诺期间要小很多，年代际出现冷暖交替现象，且主要发生在5°N—20°N之间。在1983—1998年为冷相位，在1999—2013年为暖相位，而在2015—2020年又转变为冷相位。虽然1997—1998 年的厄尔尼诺与 2015—2016 年的厄尔尼诺一样强，然而就西太平洋，尤其是热带西北太平洋释放的热量而言，2013—2015年释放的热量明显比之前1981/1982年和1996/1997年的更多[29]。

图8d显示，热带西太平洋整体上呈现长期变暖的趋势。

图8 热带西太平洋纬向总热含量异常EEMD分解Fig.8 EEMD decomposition of zonal total ocean heat content anomaly in the tropical west Pacific

3 结论

本文分析了1980年1月—1998年12月、1999年1月—2013年12月和2014年1月—2020年12月这3个时间段内太平洋0～300 m热含量气候态变化的不同点，发现热带西北太平洋(5°N—20°N, 120°E—180°E)区域的热含量存在明显的不同。该区域在1980年1月—1998年12月和2014年1月—2020年12月这两个时间段内的热含量较低，而在1999年1月—2013年12月期间，热含量较高。

1980年1月—2020年12月期间太平洋0～300 m 热含量的年际变化、年代际变化以及长期变化趋势的结果表明1980—2020年期间，热带西北太平洋是太平洋区域热含量变化最明显的区域。该区域0～300 m 的热含量除了年际变化之外，还存在明显的年代际变化和长期变暖的趋势。年代际变化中，该区域在1999—2013年期间热含量较高，而从2014年至今热含量较低。针对热带西北太平洋热含量进行经向、纬向和垂向分析，结果表明，这种年代际变化主要发生在 5°N—20°N, 120°E—180°E, 次表层50～200 m处。这种年代际变化对全球海表温度的年代际变化有着重要作用。