厄爾尼諾伴隨的海洋熱量收支研究獲進展

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？

這個關鍵科學問題在學界一直存在爭議。例如，著名的海洋Argo浮標之父Dean Roemmich於2011年在GRL發表論文指出：在厄爾尼諾時，海表變暖，但海洋失去熱量，即「海洋退燒」。2016年，著名物理海洋學家G. Johnson在同一個雜誌發表了另一篇論文表示：在厄爾尼諾時，海洋吸收了更多熱量，即海洋會「海洋發燒」。爭議產生的原因是傳統的次表層觀測數據質量不足，同時海氣界面熱通量直接觀測數據誤差很大。

中國科學院大氣物理研究所副研究員成里京、研究員朱江近期於Journal of Climate發表了題為Evolution of Ocean Heat Content Related to ENSO的論文，對上述爭議進行了系統性解答。論文合作者包括美國NCAR的K.E.Trenberth和J.Fasullo，歐洲中心Michael Mayer和Magdalena Balmaseda。

為了理解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）、基於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，極大地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。最終該研究大致釐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，天氣較為晴朗少雨，海洋會更多地吸收熱量使得這些地方的海洋變暖。熱帶外的情況更為複雜，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，由於觀測數據限制，該研究只關注於平均情況下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，還有待於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，由於ENSO的信號相互抵消使得凈熱量變化較弱，加上其餘氣候系統變率和觀測、模式誤差的共同影響，其凈熱量變化依然誤差較大，有待於更多分析。

厄爾尼諾時低緯度海洋熱量變化和海洋熱量收支示意圖（紅色為海洋增暖、熱含量增加；藍色為變冷，熱含量降低）。綠色箭頭為厄爾尼諾伴隨的熱量轉移。

來源：中國科學院大氣物理研究所

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