气候变化对全球海洋蒸发量的影响

气候变化对全球海洋蒸发量的影响

本文根据1958~2011年OAFlux海洋蒸发量资料，分析了全球海洋蒸发量的时空特征，全球海洋蒸发量在空间上呈现显著的经向分布特征，蒸发高值区主要集中在副热带海域各海域洋流主要路径。而且全球海洋蒸发量在1978年左右发生了明显的转折，80年代之前体现出明显的线性减少趋势，除西太平洋、中印度洋有显著的线性增加趋势外，其他地区主要存在线性减少趋势；而80年代以后则体现出逐年递增的变化特征，尤其是西北、中西、西南太平洋海域以及北印度洋存在着显著的气候增长趋势。本文还分析了蒸发量与海温、海面风速的联系，从而进一步总结了海洋蒸发量趋势变化的主要原因：80年代以前全球大部分地区蒸发量随时间减小，而西太平洋和45°以南的南大洋蒸发量随时间的增大主要是海温的贡献，海温在这一时段随时间明显升高。而在80年代以后，整个太平洋和大西洋蒸发量随时间增大的空间范围更广，受海温增大和风速增强的共同作用：:赤道太平洋地区海温升高，Hadley环流增强，对流层低层东风增强。而在45°以南南大洋蒸发量随时间减少则主要是海温随时间降低。在分析海温与Nino3.4指数的关系时，我们发现Nino3.4指数越大，中东太平洋海温越高，导致该地区蒸发量变强；同时，Nino3.4指数越大，导致赤道东西太平洋温差越大，赤道西太平洋风速增强，导致赤道西太平洋蒸发量也增强。

第一章引言

近百年来，地球气候正经历一场显著的增暖变化【1】，受到国内外许多学者的关注【2】。研究表明，20 世纪70 年代末全球气候态发生了1 次突变，从而导致80 年代开始全球气温出现明显上升趋势，特别是90 年代急剧增暖。海气相互作用越来越成为气候变化背景下的研究热点课题，海气界面和能量的传输是海气相互作用影响气候的重要机制，其中热带海洋是能量的集中区域，也是水汽的主要来源地。蒸发是水循环和状态变化过程中的关键环节。因此，在全球变暖背景下，大尺度海水蒸发成了学者广泛着重关注的话题【3】。研究全球变暖背景下海水蒸发的变化，并揭示蒸发变化的原因，能够使我们深入了解全球气候变化对海水蒸发的改变机制。

全球海洋和大气温度一直有上升的趋势，尤其是过去从80年代到90年代的20年间更加显著【4】。根据Clausius-Clapeyron方程可知，全球变暖的最直接的影响是使得大气的水分保持能力应该上升，从而温暖的大气拥有更多的水分，温暖的海洋更容易蒸发，导致海表盐度升高。Boyer等【5】对海表盐度观测资料进行研究，研究表明：热带和副热带大西洋的大部分海域0~500m深度上盐度升高，这些浅层海水盐度的升高很大程度上是由于海水蒸发变强。Curry等【6】指出，1950-1990年大西洋副热带盐度的升高10%是由于蒸发作用。可见，在全球变暖条件下，海表盐度也发生了很大的改变，进一步会引发海洋大尺度环流的改变【7】。而我们知道，大尺度海洋环流在气候系统中扮演着重要角色，它通过向北输送温暖的热带、副热带表层水和向南输送冷的北大西洋深层水，能够将巨大的热量自热带输送到高纬【8】。因此，海水蒸发量会对海洋的热量输送起着间接作用。海水蒸发不光对海洋环流有重要影响，对大气环流也有不可忽视的作用。大尺度海水蒸发能够将水汽从海洋传送给大气，影响大气降水和热量输送【9】，对全球气候起着不可忽视的作用。

本文分别讨论了全球海洋蒸发量、海温、海表风速的时空和气候趋势变化，通过他们的对应关系初步总结了一般规律。并进一步研究了气候变化背景下ENSO 对全球海洋蒸发量的影响。首先描述了全球海洋蒸发量的空间、年际变化和各海区的蒸发量统计图，研究了海洋蒸发量的时空变化，同时又以1977（1978）年为分界点，探讨了1958~1977、1978~2011年两个时间段的海洋蒸发量、海温、风速气候趋势系数和气候倾向率。最后，再利用全球海洋蒸发量、SST与

1958~2011年逐月Nino3.4指数进行线性回归，研究ENSO 变化全球海洋蒸发量的影响。

第二章 资料与处理方法

2.1 资料

本文主要使用了美国Woods Hole 海洋研究所提供的客观分析海气通量的全球海洋蒸发量（ocean evaporation ）月平均数据以及全球逐月平均风速和海表温度的NCEP 再分析资料。以上资料时段均为1958年1月至2011年12月。海洋蒸发量可以用以下的公式表示：

Udq c q q U c n Evaporatio e a s e =-=)(， （1）

其中s q 是海表面某一海温下的比湿，a q 是近海面空气的比湿，

dq 是s q 和a q 的差，U 是海表面的风速大小，e c 是与大气稳定度、海洋-大气温差以及海表风速有关的湍流交换系数。从公示可以看到海洋蒸发量是由dq 、U 和e c 三者综合作用的结果，而dq 、e c 又是和SST 紧密联系在一起的，所以我们可以通过研究SST 和U 的分布和趋势变化，来研究海洋蒸发量的变化和分布。

2.1 数据处理方法

气候趋势系数rxt 能够反映气候变化过程中某气象要素的升降具体程度。它定义为n 个时刻（年）的要素序列与自然数列1,2，…，n 的相关系数【10】

()()()()∑∑∑===----=

n i n i i n i i xt t i x x t i x x r 11

221， (2) 其中n 为年数，xi 是第i 年要素值，x 为其样均值，2/)1(+=n t 。显然，rx 为正负时表示该要素在所计算的n 年内有线性增（降）的趋势。

气象要素的趋势变化一般用一次线性方程表示，即：

)(,3,2,110年n t t a a x t Λ=+=∧ (3)

1a dt x d t =∧， (4)

1a ·10称为气候倾向率【11】，单位为某要素单位/10a 。

第三章 全球海洋蒸发量时空分布特征

3.1 空间分布特征

图1 1958-2011年全球海洋蒸发量的平均分布场

图1显示的是1958-2011年54年全球海洋平均蒸发量的分布图，由图可总结以下重要特征：一是在无冰海洋上, 供水是充足的，此时影响海洋蒸发量的气象因素主要是饱和水汽压差、空气饱和差、风速、温度和相对湿度等【12，13】，因此各海区蒸发量存在着明显的差异；二是全球海洋蒸发量存在明显的经向分布，中低纬海域蒸发量要明显高于高纬海域，且蒸发量高值区位于副热带海域，蒸发量一般都超过170cm/yr ；蒸发量低值区大多处于南北极等高纬地区，蒸发量一般都低于30cm/yr 。从而说明了低纬高，两级低的能量分布对海洋蒸发量有显著的作用；三是太平洋和大西洋的西边界流路径上，海洋蒸发量出现异常区域（220cm/yr 以上）。从而造成了全球海洋平均蒸发量的几个异常区域：美国以东海域的墨西哥湾流、亚洲东部沿海的黑潮、澳大利亚以东海域的东澳大利亚暖流、