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气候变化的“开关”和“引擎”-- 严晓海团队科研新进展
发布日期:2018-3-5      浏览次数:856

厦门大学千人计划严晓海教授团队一直致力于研究气候变化在海洋中的动力机制及海洋遥感方法的拓展。严教授也是厦门大学-特拉华大学联合遥感中心的负责人,在国际海洋学研究领域知名于厄尔尼诺/西太洋暖池卫星遥感跟踪、发展全球气候变化监测技术和海岸带气候响应、以及深海遥感等方面的研究。但是,对海洋环流如何变化以及海表以下的现象的认识并不能一蹴而就,需要长期的工作积累,并不断地从新的视角去看待科学问题,同时还要不断研究开发新的工具和技术。近来,严教授领导的厦大研究团队发表了一系列的学术论文,解释了西太平洋暖池、北大西洋副极地环流海域和海洋中深层三个重要的海域如何影响全球气候系统。

 

气候系统的开关引擎

严教授研究团队发现,西太平洋暖池——印度-太平洋中一个比周围水体更轻、更暖的大型水团,在过去三十年中不断地向西迁移(这与其他的相关研究的发现相一致),且其水体体积自1982年以来增长了近14%。科学家们认为暖池是驱动气候变化的引擎,因为其巨大水体具有相当大的吸热和储热能力,而且在厄尔尼诺期间还可以在太平洋中发生大范围移动。暖池的一个标志性特征就是其海表温度高于28摄氏度。因为水体较暖,其温度的轻微变化都会对全球海洋产生显著影响,尤其是风和海洋环流的模式以及水团的体积。同时,海洋上层的冗余热量也会向下传递到深海,引起海表以下约300-2000米的海水增暖(《Scientific Reports》见以下论文连接)。

严教授认为,由于海洋深层海域的热量再分配、存储,在1998-2013年间观测到的全球海表增暖停滞期间,全球几乎所有的海盆都出现了增暖。很难说到底是哪一个洋盆对全球深海变暖起到最大的贡献,但我们的数据显示印度洋对全球深海变暖起到很重要的作用,因为在全球表面变暖停滞期间,印度洋占据了全球次表层海洋和深海热量增幅的30%(《Journal of Geophysical Research - Oceans》见以下论文连接)。

温度可以作为热量变化的指数,而海水温度变化而引起的涡动动能(也称为湍流能量)是大洋环流的指标,它导致了海水产生对流运动。通过研究1998年到2013年间的数据,团队发现在全球表面变暖停滞时期,北大西洋副极地地区的增暖现象出现极端变化。为解释这种变化现象,团队骨干,近海海洋环境科学国家重点实验室杰出博士后张玮玮博士对拉布拉多海上观测到的海表温度和与海洋洋流模式相关的湍流能量进行了研究。拉布拉多海是与北大西洋相连的海湾,地处格陵兰岛与拉布拉多半岛之间,除东南方向外,全部被大陆架环绕。研究人员发现在停滞时期,在西格陵兰洋流附近的湍流能量有着明显的年际变化,这可能是受北大西洋涛动和副极地环流变化所驱动。涡的数量越多,拉布拉多海中央出现的湍流数量也越多,这使热量加速向深海传输,从而引起海表冷却效应。这些成果近期发表于《Journal of Geophysical Research -Oceans》与《Scientific Reports》期刊上(见以下论文连接)。

在另一项研究中,严教授和他的同事们整合大量海面高度,温度,盐度,和风场等卫星遥感数据和“Argo”浮子(目前主要的海洋热容量监测手段)的温度数据,利用机器学习领域的随机森林算法来估算次表层温度异常。严教授说,常规的海洋卫星遥感技术在海洋内部的研究中并不是一种很有效的手段,因为电磁波无法穿透海表。我们的深海遥感-机器深度学习-数据挖掘技术把空间遥感对海观测有效地拓展到深海(《Journal of Geophysical Research - Oceans》,见以下论文连接)。

通过将温度的变化分解为自然升降(起伏)和由风和海洋混合作用造成的变暖,研究人员确定,在北大西洋副极地环流西部的温度变化主要是由海表热量从表面转移到深海造成的。严教授研究团队的廖恩惠博士解释说,“这就是为什么我们把它叫做开关,因为它把热量从海表面转移到深层海域

 

加强全球对气候变化的理解

随着科学家们对气候变化更深入的研究,严教授认为他的研究团队正在进行的工作可能具有跨学科应用价值前景。例如,严教授和该领域其他科学家最近在《Earth Future》联合发表的一篇论文,被美国地球物理联盟(AGU)引用为2016-2017年十大(Top 10)最多下载的论文之一(下载已超过万次)。

严教授说:我们的工作主要集中于气候变化以及海洋温度变化对物理过程的影响,但是也能应用于生物地球化学过程,比如海洋酸化和碳循环。

严晓海教授发表了300多篇科学论文和技术报告,指导了超过50名研究生和博士后。这些学生毕业后活跃于国际学术界、政府和产业界,包括普林斯顿大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、美国国家和国家海洋大气局、澳大利亚CSIRO、中科院遥感所、厦门大学、中山大学、香港中文大学、台湾海洋大学等等。此外,严教授一直致力于加强厦门大学和特拉华大学在海洋研究与管理联合研究所、孔子学院和海洋学双博士学位项目中的伙伴关系。在其职业生涯中,严教授获得过许多知名荣誉,包括美国国家总统奖、NASA杰出中心奖、以及中国国家外国专家局海外名师、教育部长江讲座教授等。

 

有关文章链接(*为通讯作者):

1. Xiao-Hai Yan*, Tim Boyer, Kevin Trenberth, Thomas R. Karl, Shang-Ping Xie, Veronica Nieves, Ka-Kit Tung, Dean Roemmich. (2016). The global warming hiatus: Slowdown or redistribution? Earth's Future, DOI: 10.1002/2016EF000417. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016EF000417/full.

2. Hua Su, Xiangbai Wu, Wenfang Lu, Weiwei Zhang, Xiao-Hai Yan* (2017): Inconsistent subsurface and deeper ocean warming signals during recent global warming and hiatus. Journal of Geophysical Research - Oceans 122. https://doi.org/10.1002/2016JC012481.

3. Hua Su, Wene Li, Xiao-Hai Yan* (2018): Retrieving temperature anomaly in the global subsurface and deeper ocean from satellite observations. Journal of Geophysical Research – Oceans, 122. DOI: https://doi.org/10.1002/2016JC013631.

4. Weiwei Zhang and Xiao-Hai Yan* (2018): Variability of the Labrador Sea Surface Eddy Kinetic Energy Observed by Altimeter from 1993 to 2012. Journal of Geophysical Research – Oceans, Jan, 2018. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JC013508/full.

5. Autumn Noel Kidwell, Lu Han, Young-Heon Jo, Xiao-Hai Yan* (2017): Decadal Western Pacific Warm Pool Variability: A Centroid and Heat Content Study. Scientific Reports, 20420. http://www.nature.com/articles/s41598-017-13351-x.

6. Weiwei Zhang* and Xiao-Hai Yan* (2017): The Subpolar North Atlantic Ocean Heat Content Variability and its Decomposition. Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-017-14158-6, https://www.nature.com/articles/s41598-017-14158-6.