【海洋在CO2增暖事件中的作用】
海洋和大气之间通过海－气界面上动量、热量和水质量的交换而相互作用。因此，大气中CO2浓度增加所引起的的增暖效应，不仅要受到大气中各种反馈过程的影响，而且会引起大洋环流的变化，并受到由此而产生的反馈过程的制约。
Bryan等(1984)利用单一的大洋模式来模拟海表热异常的传播及其对温盐环流的影响，计算区域为全球，海洋的几何特点比较真实。模式初条件是用规定的表面温度、盐度和风应力所得到的平衡解。表面边界条件是：Q=μρCp(Q*－Q)△Z
P－Z=－μ(S*－S)△Z／S0
其中△Z是表层厚度，S0=35‰，μ－1=30d。温度和盐度的表面参考值Q*和S*取自Levitus(1982)的资料，但沿南极大陆的S*被人为地加大(相当于大陆架的盐水而不是海表盐水)，这是为了模拟出海冰的形成。改变Q*的值就相当于在海表加进热异常。
对于大气－海洋耦合模式来说，由于海洋的热惯性很大，即使经过1000a甚至更长一些时间，也不能达到平衡态。因此，虽然用加速收敛的方法可以得到模式海洋对CO2增加的平衡，但更有意义的是它经历的长时期演变过程——“迁延”响应过程。Bryan等(1982)以及Spelman等(1984)利用一个耦合的大气－海洋模式(其范围相当于北半球)，先对正常的CO2含量积分到一个平衡态，然后将CO2浓度突然增加到4倍，用同步方式进行长时间积分，所得到的时间演变过程称为“第1类迁延响应”。为了将迁延响应和平衡响应(这只能用非同步积分方法得到)加以比较，定义了一个温度的百分比响应
式中T是按面积平均的温度，T0是其初始平衡值，T∞是其“最终”平衡值。
Schlesinger等(1988)对OSU海－气耦合模式模拟结果的分析表明，全球温度变化过程首先是大气迅速增暖，接着是海洋和大气的缓慢增暖。这个模式积分了20a，以后又用一个一维的气候海洋模式积分了200a，得到的平衡温度变化是2．82℃。对迁延响应的分析表明，海表达到平衡温度响应(1～1／e)倍的时间大约是75a，而气温达到平衡温度响应(1～1／e)倍的时间大约是50a。OSU的海－气耦合模式给出的海洋表面增暖是从热带向两半球中纬度增加的，而且在副热带和中纬度比在赤道地区向下穿透的深度大。从海洋动力学的观点来看，应该提出这样一个基本问题：CO2引起的增暖是通过什么途径和哪些物理过程向海洋中渗透的?为回答这个问题，对模拟的第12年全球的和纬圈平均的热通量(包括经向平流和扩散、垂直平流和扩散、以及对流热通量)进行了分析，并同GFDL．模式的第20～30年的结果作了对比。全球分析表明，由于CO2加倍，海洋获得的热量约为3W／m2，相当于整个海洋每年增温0．005℃。不过这种增暖首先从海表开始，逐渐渗透到海洋内部。到第20年末的增温情况是：0～50m，1．2℃；50～250m，0．9℃；250～750m，0．5℃；750～1550m，0．1℃；1550m以下增暖为0。可以看出，存在着一个全球平均的净的向下的热通量，这主要是由于对流的作用。OSU模式和GFDL模式的全球平均热输送状况有许多相似之处(虽然GFDL的4×CO2试验以及OSU的1×CO2和2×CO2试验均未达到平衡)，特别CO2增加引起的热通量是向下的，而且其中对流输送起到了主要作用，这一点甚至在定量上两个模式也是一致的。纬圈平均的热收支分析也表明，CO2诱发的海洋增暖主要是通过向下的热输送产生的，经向热通量只是第2位的。在海洋表面，CO2产生的加热处都是进入海洋的，不过它随纬度分布而不均匀，最大加热产生在60°N，35°N，0，40°S和60°S附近。由于冷水上翻的作用，这种加热在热带向下穿透的深度最小。由于质量守恒的约束，在赤道上翻区的两侧的洋流是指向极地的，它们把一部分CO2引起的热带海洋加热向极地方向输送，到副热带地区又被下沉流向下输送。由于两半球西风带和赤道东风带的驱动，副热带地区海流是反气旋性的，磨擦作用使得洋流向反气旋性涡流的中心流动(Ekman输送过程)，质量守恒要求产生下沉运动。正是这种下沉流使得从热带海表输送来的热量进入副热带海洋的内部，这就是Charney提出的向下热输送的机理。Charney认为只考虑这种发生在混合层海洋中的过程就可以使得气候系统的平衡响应被推迟。然而，海－气耦合模拟的结果表明：CO2引起的海表加热在两半球的高纬度比其它地方向海洋的穿透深得多。在高纬地区，受到抑制的对流过程对于CO2引起的加热向海洋的穿透起了重要作用。在正常的CO2浓度下，海洋在热带地区从大气获得热量，又在高纬地区将热量还给大气，后者正是通过对流过程与海表冷却的平衡来实现的。可是，当CO2浓度增加时，高纬地区海表增暖使海洋层结不稳定性减弱，从而减少了对流翻腾的强度。这样就减少了海洋在高纬度把热量还给大气的能力，或者换句话说，增加了全球海洋获热量的能力。Washington和Meehl(1989)利用NCAR的九层大气环流模式和四层大洋环流(包括热力学海冰)模式，以同步方式互相耦合研究了海－气耦合系统对CO2突然加倍和逐渐增加的迁延响应。为了将CO2浓度突然增加和逐渐增加这两种情况加以区别，一般称海洋对后者的响应为“第2类迁延响应”。先将海洋模式用观测的大气强迫积分约50a，其中第一年用观测的随纬度分布的温度和盐度分布来强迫，这种人为的强迫减少了从带状温、盐分布到大体同观测一致的分布而所要求的时间。同时，9层大气模式先同一个厚50m的混合层模式耦合，积分15a；然后将9层大气模式和4层大洋(包括海冰)模式耦合，在正常的CO2浓度下积分16a，大气模式提供给海洋的是年平均风应力(在模式的底层上)、降水与蒸发之差以及向下的净热通量；海洋提供大气的是年平均海表温度和海冰范围。大气模式(时间步长40min)和海洋模式(时间步长30min)之间的这种相作用每天进行一次。在16a积分过程中，海洋的扩散系数有几次调整。最后，再用耦合模式分别对1×CO2，2×CO2和CO2浓度以每年1%的速率线性增加这3种情况分别积分30a，得到控制试验、第1类迁延响应和第2类迁延响应。在这过程中，海洋的扩散系数不再改变。在第30年末，2×CO2试验中全球平均的地面气温增加了1．6℃，而CO2逐渐增加的试验的增温是0．7℃。同先前的用50m深的混合层海洋模式所得到结果(平衡增温是3．5℃)相比，耦合模式的敏感性偏低，这与海温和海冰模拟的误差有关。气候系统对于CO2加倍的实际敏感性可能介于二者之间。海洋的大部分增暖限于水深1250m以内，而最大增暖则在海表50°S～60°N之间。第2类迁延响应的第26～30年平均的海洋增暖甚至只限于上层275m以内，增暖范围和幅度比2×CO2试验第6～10年的平均状况还小。2×CO2试验结果，两半球高纬度盐度降低，副热带盐度升高。高纬度地区暖而淡的表层海水使层结变稳并且削弱了温盐环流，使得响应可在较短的时间内达到较深的海洋中。虽然第2类和第1类迁延响应有许多相似之处，但也有明显的区别，以海温变化为例，第2类迁延响应的增温仅限于上层海洋的一个薄层内，而且从30°N以北都是相对较冷的，最大降冷为－0．4℃，在65°N附近。这可能同大气－海洋－海冰系统对于CO2浓度逐渐增加的调整过程有关。当CO2缓慢增加时，它给予气候系统的是一个长时间尺度的连续演变的强迫，结果气候系统中不同时间尺度运动之间可能产生重要的非线性作用。因此，了解CO2引起的气候变化不能完全依靠从CO2突然加倍试验给出的信息。(中国科学院大气物理研究所张学洪撰)