在当前气候变化的背景下，温室效应导致的气候系统热量盈余中，超过90%被海洋吸收，使得海洋热含量（OHC）成为表征地球系统能量收支的关键指标。海洋增暖加剧海平面上升与海冰融化，加强海洋层结并加重次表层缺氧和酸化，削弱海洋碳汇功能，导致海洋热浪的发生概率提高并威胁海洋生态系统，调控热带气旋、“大气河”和风暴轴，对气候系统及人类社会具有深远影响。然而，OHC的变化具有复杂的时间演变和空间结构。例如，20世纪中南大洋对海洋储热贡献较大，而热带外北半球海洋的贡献相对较小；而在最近几十年中，北半球海洋对全球热量存储的贡献显著上升。该变化现象的成因目前尚无定论，其背后的物理机制亦未厘清。本文结合观测数据、气候模式和海洋模式实验，围绕“北半球热带外海洋热含量变化特征和机理”这一重要科学问题开展了研究。

观测资料分析表明，30°N以北的北半球0-2000米OHC在约1985年之前总体下降，但在其后迅速上升。1965-1985年间，北半球OHC趋势为-5.3±2.2 ZJ/10年（1 ZJ=10²¹ 焦耳）；同期，30°S-30°N的热带海洋与30°S以南的南大洋对全球海洋热量存储的贡献分别达67.0±6.5%和45.3±11.8%。1985年至今，北半球OHC趋势为+20.8±1.0 ZJ/10年，期间北半球、热带和南大洋OHC趋势对全球0-2000米海洋热量存储的贡献分别为23.6±1.5%、42.5±2.1%和33.9±2.7%。第六次耦合模式比较计划（CMIP6）模式集合平均（MMM）结果与观测资料呈现显著差异，1965-1985年北半球OHC趋势为+3.2±6.8 ZJ/10年，占全球海洋热存储的27.8%。CMIP6检测与归因模式间比较计划（DAMIP）实验结果显示，人为气溶胶在1965-1985年期间有利于北半球OHC下降，但不足以抵消温室气体的加热作用，故外部强迫无法完全解释北半球OHC的历史变化。

本文进一步利用CESM1模式的大西洋和太平洋起搏器实验（AOGA和POGA）分析了北大西洋和热带太平洋自然气候变率对北半球OHC演变的作用。其中，AOGA实验基本复现了观测中北半球OHC的时空演变特征，表明北大西洋自然变率的关键作用。具体机制为：1965-1985年期间，大西洋经向翻转环流（AMOC）偏弱，其向北的热输送量减少，导致热带外北大西洋OHC下降；同时， AMO负相位通过大气遥相关过程诱导北太平洋阿留申低压加强，其风应力旋度异常驱动海洋上层辐散，导致热带外北太平洋OHC下降。1980年代之后，相反的过程加速了北半球OHC的上升。基于LICOM3海洋-海冰模式运行的敏感性实验证实了上述过程的作用：浮力强迫驱动的AMOC变化和风场驱动的上层海洋热量再分配分别主导了北大西洋和北太平洋OHC的变化。

本文进一步研究了20世纪后半叶以来北太平洋OHC变化的空间结构。观测分析表明，1970年代以来亚极地北太平洋（SPNP）的三大边缘海，即鄂霍茨克海（OS）、白令海（BS）和阿拉斯加湾（GoA），是整个太平洋的热量吸收和存储“热点”，其0-2000米热存储率分别为0.99±0.08、0.54±0.11和0.61±0.14 W m^-2，均显著高于同期太平洋平均储热速率（0.36±0.22 W m^-2）。结合大气资料的分析表明，SPNP边缘海1970年代后净热通量Q_net显著增加，是这些区域快速增暖的直接原因，而海冰消融、风场和辐射变化等过程均有助于这些区域的热量吸收。其中，SPNP区域表面气温升高速率显著快于海表温度，抑制了感热释放Q_SH，在热通量各分量中贡献最大。

本文利用LICOM3海洋-海冰模式运行了多组敏感性实验，评估了不同过程对SPNP边缘海增暖的贡献。结果显示，海冰减少和风场变化是SPNP边缘海增暖的主要原因，辐射变化的贡献较小。其中，表面气温升高-陆架海冰减少的正反馈过程通过抑制感热释放主导了Q_net的增加，是SPNP表层增暖的主要原因，也是OS北部和BS东北部陆架海区增暖的主要机制。风场变化驱动的海洋热量输运是200米以下次表层增暖的主要原因，也是GoA中部、OS南部和BS西南部等深海区域热量存储的主要机制。1970年代以来，SPNP的西风趋势增强了阿拉斯加海流向北的热量输送，而向西的阿拉斯加急流进一步将暖水沿阿留申岛链南侧向西输送，导致BS西南部和OS南部暖水堆积。

本文揭示了北大西洋自然变率对整个北半球热带外海洋储热的重要调控作用，解释了气候模式与观测资料之间的差异，厘清了北半球海洋对全球热量存储贡献日益增大的深层原因，并凸显了跨大洋相互作用对塑造全球热量存储格局的重要作用。本文还提出了高纬度边缘海陆架区海冰减少产生局地正反馈增强SPNP海洋热吸收的机制，为改进气候模式高纬度 “海-气-冰”耦合演变的模拟提供了参考。

目  录

 

                                        

第1章 绪论... 1

1.1 研究背景与意义... 1

1.2 当前研究进展... 2

1.2.1 全球海洋热含量时空特征... 2

1.2.2 海洋增暖的气候环境效应... 7

1.2.3 影响海洋热含量变化的主要机制... 8

1.3 拟解决的科学问题... 11

1.4 研究内容与论文结构... 12

第2章 数据与方法... 14

2.1 观测资料... 14

2.2 大气再分析资料... 15

2.3 CMIP6气候系统模式... 16

2.4 CESM1起搏器（pacemaker）实验... 17

2.5 LICOM3海洋—海冰模式实验... 18

2.6 海洋热含量定义与计算... 19

2.7 其它数据与定义... 20

第3章 北半球热带外海洋热含量演变特征... 23

3.1 北半球热带外海洋热含量演变的时空特征... 23

3.2 温室气体与气溶胶的作用... 28

3.3 本章小结... 34

第4章 自然变率对北半球海洋热含量演变的影响... 35

4.1 大西洋多年代振荡... 35

4.2 大西洋自然变率影响北半球海洋热含量的数值模拟验证... 46

4.3 本章小结... 55

第5章 亚极地北太平洋增暖特征及驱动因素... 57

5.1 亚极地北太平洋增暖现状及影响... 57

5.2 驱动增暖的气候因素... 66

5.3 本章小结... 70

第6章 亚极地北太平洋边缘海增暖的物理机制... 71

6.1 敏感性实验分析... 71

6.2 海冰和风增强海表热吸收... 76

6.3 环流动力过程促进次表层增暖... 83

6.4 本章小结... 89

第7章 总结与展望... 91

7.1 本文研究内容的总结... 91

7.1.1 北半球海洋热含量长期变化... 91

7.1.2 亚极地北太平洋长期增暖机制... 94

7.2 本文研究结果的创新点... 95

7.3 对未来工作的展望... 95

参考文献... 99

附录 名词缩写表... 115

致 谢... 119

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果... 121