热带印度洋SST对全球变暖的慢响应过程

Global mean sea surface temperature (SST) displays distinct responses with fast and slow time scales to global warming, which are associated with fast response of ocean mixed layer to external forcing and slow evolution of the deep ocean, respectively. Indian Ocean plays an important role in East Asian climate system. Response of Indian Ocean to global warming is unique compared to other basins due to regional differences in geographical and hydrological distributions. Most of current studies focus on the fast response of Indian Ocean SST to increasing radiative forcing, while ocean processes associated with its slow response is unclear in detail. This project plans to study this issue using diagnostic method proposed by our previous study to separate the fast and slow responses of SST to global warming. We aim to distinguish key ocean processes dominating the slow response of Indian Ocean SST and explain associated ocean thermal structure changes and dynamical adjustments by comparing the slow response with the fast slow response in simulations of climate models under global warming. This project will help to understand Indian Ocean response to global warming at different time scales, and serve as theoretical basis for fully illustrating the role of regional ocean in regulating climate change.

在全球变暖背景下，全球平均海表面温度（SST）存在快、慢两种时间尺度的变化，分别与上混合层海洋对外辐射强迫的快速响应和深层海洋的缓慢响应有关。热带印度洋对东亚气候有重要影响，其地理水文环境的特殊性决定了其对全球变暖的响应具有独特性。现有的研究主要集中于该海域SST在外辐射强迫快速增长下的快响应，而其慢响应中所涉及到的具体海洋过程尚未清楚。本项目拟基于申请人在前期研究工作中给出的分离SST对全球变暖快、慢响应的诊断方法，研究上述科学问题。通过研究最新的气候模式在全球变暖情景下对印度洋的模拟，对比研究热带印度洋SST的快、慢响应，辨别主导其SST对全球变暖慢响应中的关键海洋过程，阐明相应的海洋热力结构和动力过程的变化特征。本项目对理解全球变暖下热带印度洋在不同时间尺度的具体响应过程有重要意义，并为全面揭示区域海洋对气候系统的调控作用提供理论基础。

在近几十年中，印度洋SST表现出长时间的持续增暖现象，这与太平洋和大西洋等洋盆的中SST存在显著的年代际波动截然不同，因此印度洋海表面温度(SST)的长期变化原因受到科学界的广泛关注。本项目从热带印度洋对全球变暖的混合层快速响应和深层海洋的慢响应的角度出发来认识印度洋SST的长期变化问题，明确了由于热带印度洋缺乏强烈的海洋深对流等动力学过程将上层海洋集聚的热量传递到中深层，因此热带印度洋深层海温慢响应的强度较弱，其涉及到的深度也相对于大西洋和南大洋较浅，从而导致印度洋SST慢响应的强度远远弱于南大洋和北大西洋的SST慢响应。此外，本项目揭示了影响热带印度洋深层海温缓慢增暖的主要原因是垂直热扩散作用，此外浅层经圈翻转环流和沿岸上升流也起着一定的作用。由于印度洋与太平洋通过印尼贯穿流直接相连，与南大洋也直接连通，与太平洋和南大洋之间的海洋环流热输运作用的变化也对印度洋SST慢响应有重要影响。北大西洋经向翻转环流的减弱会导致流入北大西洋的水体减少，相应的印度洋的水体会增多，洋盆尺度水体的辐合通过位涡守恒等调整会使得整个洋盆的等温线下压，从而引起深层海温垂向的增暖，而这种增暖信号在200m-2000m左右最显著，进而可以影响印度洋SST的慢响应。本项目进一步揭示了碳中和背景下，在辐射强迫下降的低增温目标情景中，海洋慢响应对全球平均温度变化的贡献在2100年和2300年分别为0.2℃和0.6℃，贡献率分别为12%和40%。在辐射强迫下降阶段，印度洋和整个热带范围内SST空间结构的变化很小，这是因为海洋SST慢响应和辐射强迫下降的冷却效应在大部分地区基本相互抵消，但印度洋SST慢响应模式间的差异性非常大，这意味着印度洋SST慢响应的模式间不确定也较强，未来气候预估仍存在较大挑战性。研究海洋慢响应对认识碳中和背景下的气候变化有重要意义，未来制定与温升目标相关的碳排放路径、气候变化适应性政策等时，需要考虑海洋慢响应的贡献，包括其对全球平均温度增长的贡献以及对区域气候变化的影响。