影响气候系统辐射强迫的主要因子包括总太阳辐射的变化、二氧化碳浓度的变化和气溶胶含量的影响。我们对于太阳总辐照度的观测, 开始于1979年, 相对来说时间还比较短, 因此准确的总太阳辐射的观测资料时间序列也比较短, 观测显示总太阳辐射有11年的周期, 但是它的最大值与最小值仅相差0.1%, 进入21世纪以来, 太阳黑子处于减弱位相, 总的太阳辐射有所减弱, 但是太阳活动11年周期峰值与低谷年可产生的最大降温差大约是0.1℃。另外AR5, 指出太阳辐射的强迫0.08-0.18 W/m², 范围内, 比CO2辐射强迫( 1. 66 W/m² )小了一个数量级还要多。显然, 太阳活动不可能对气候变化有足够大的贡献。对于大气中的二氧化碳, 观测资料已经显示自工业化以来, 大气中的二氧化碳一直是线性增加的, 研究发现近年来由温室气体增加产生的辐射一直在增加, 如1951—2011年由温室气体产生的辐射平均是0.3 W/m²/10a, 而在1998—2011近10年由温室气体产生的辐射比1951—2011年增加了30%, 近十几年的大气层顶的能量观测数据表明, 从大气顶层进入的净能量是增加的, 大约有1 W/m²的净能量通量进入气候系统, 这种能量不平衡势必需要地球气候系统变暖来适应这种不平衡。而由前述全球温度的变化来看, 1998—2011年的全球温度变暖趋势远远小于1951—2011年全球温度变暖趋势, 那么这种不平衡的能量去那里了呢?有人认为火山爆发抵消了这部分能量^{[ 12, 13]}。2000年以来, 已有包括厄立特里亚境内的纳布诺火山、阿拉斯加的卡萨托齐火山和印度尼西亚的默拉皮火山在内的至少17座火山爆发。火山爆发释放的硫磺不仅具有减弱日光的作用, 还有抵消温室气体的效果, 从而起到减缓全球变暖速度的作用。另外, 水汽浓度也可能改变辐射平衡, 从而引起温度异常。前人研究指出平流层水汽浓度的减小可能引起全球表面温度增速hiatus^{[ 14, 15, 16, 17]}。但是事实上人们对于火山爆发产生的气溶胶的观测还存在很大的不确定性。因此, 全球平均地表气温的变率远非净能量增加这个因素来决定, 因为净能量输入的效应不仅仅可以表现在大气或陆地变暖, 还可以包括海洋和陆地冰的融化以及海洋的增暖, 有很多科学家认为这些增加的能量很有可能已经进入到大洋深层^{[ 18, 19, 20, 21, 22]}。

3.2.1 中深层海洋对hiatus的可能调控

观测资料研究发现21世纪的hiatus现象, 主要表现在全球表面温度和海洋上层的海水温度的增温趋缓, 而在700~2000m的海洋中下层, 海温并没有出现hiatus现象, 而是仍然持续上升（图2）。来自Argo浮标和其他来源的观测数据表明, 在全球平均地表温度几乎没有变化趋势的21世纪初期, 海洋700, m以上的热含量的增暖速度放缓^{[ 23, 24, 25]}。于是有一些科学家认为hiatus现象与海气系统的自然变率有关, 特别是与ENSO, IPO(PDO), 北大西洋经向翻转流、南大洋底层水和NAO等海气相互作用的年际、年代际变率有关^{[ 26, 27, 51, 52, 53, 54]}。由此有人推测由温室气体导致的气候系统富裕的热量有可能传输到了下层海洋, 而这种热量向深海的传输, 主要通过气候系统内部海气相互作用的自然变率来实现。

图2

Fig.2

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	图2 基于观测的海洋热状况随时间的变化（a）SST距平（b）次表层和深层海洋热含量[ 11]Fig.2 Temporal changes in observationalbased estimates of ocean heat (a)SST anomaly, (b)subsurface and deep ocean content[ 11]

Meehl 等^{[ 27]}的研究表明, 在hiatus现象发生的期间, 大气顶部1W/m²的净能量失衡与750m以下的下层海水热含量的增加密切相关, 另外在气候模式的模拟结果中, 这种几乎没有增速的hiatus 年代是非常普遍的^{[ 2, 4, 27, 28, 29, 30]}。在年代际尺度上, 这些巨大的能量被次表层的海水所“扣押”的观点与全球耦合气候模型结果的分析是一致的^{[ 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37]}。Meehl认为hiatus的主要驱动因素是气候系统的内部变率。他利用CCSM4进行模拟的结果表明, 与non-hiatus时期相比, 在8个全球平均地表温度有轻微的负趋势的hiatus时期中, 300 m以上的海洋吸收热量显著减少, 而300 m以下的海洋明显吸收了更多热量。8个Hiatus时期合成的海温线性趋势（图3）表明在热带太平洋地区有明显负的趋势, 而在南北纬30˚~ 40˚的太平洋和大西洋海区则是明显正的趋势, 这种海温分布模态正好与典型的太平洋年代际振荡IPO的负位相类似^{[ 21]}（图4）。Meehl等^{[ 27]}研究了与海温加速增暖年代密切相关的物理过程, 并分析了由于温室气体增加导致的相对外部强迫与太平洋年代际振荡IPO相联系的气候系统内部年代际气候变率之间的关系, 从而揭示了在hiatus现象发生的年代有可能造成深层海洋热含量增多的3个过程。2个与深海混合的减弱有关, 其一是大西洋经向翻转环流（Atlantic meridional overturning circulation, AMOC）的减弱, 其二是南极底层水（Antarctic bottom water, AABW）的形成的减少, 第3个则与内部的年代际气候变率有关, 即太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific oscillation, IPO）的负位相时期。加速变暖的年代对应的是全球平均地表气温的快速增加, 和更多的上层海洋热含量的增加以及更少的深层海洋的热量含量增加, 其成因与AABW的形成、AMOC以IPO正位相这些气候系统内部的气候变率密切相关, 而在hiatus年代, 情况正好相反。另外, 有人^{[ 29]}从NAO的年代际变化与太阳黑子11年周期的锋值关系出发, 来研究近期的hiatus现象得到在太阳黑子的低谷期, 对应NAO的正位相, 而NAO的正位相对全球温度的下降产生贡献。

图3

Fig.3

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	图3 Hiatus时期合成的海温线性趋势[ 27, 28]点刻代表5%显著性水平Fig.3 Composite average SST linear trends for hiatus decades[ 27, 28]Stippling indicates 5% significance

图4

Fig.4

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	图4 1999—2012年和1976—1998年年平均表面温度的差值 （单位：℃）（a）全球分布;(b)纬向平均分布（蓝线：海洋, 红线：陆地, 黑线：纬向平均）[ 21]Fig.4 Differences in annual mean surface temperature from GISS for 1999-2012 and 1976-1998 (unit: ℃)(a)Global distribution;（b）Zonal mean distribution for ocean (blue), land (red), and zonal mean (black)[ 21]

3.3.2 ENSO与hiatus的关联研究

Trenberth^{[ 19, 20, 21]}也研究了全球表面温度与ENSO, PDO等的关系, 他的研究表明, 在年际尺度变化上ENSO能够解释全球表面温度的短期波动的范围可达0.39℃, 一旦ENSO信号被移除, 1970年后全球平均气温时间序列表现出线性变化, 没有明显的中断, 从而也证实了自然变率在全球平均气温中的作用。另外他指出1997—1998年的厄尔尼诺现象这个目前已知的最强事件的影响, 我们看到在此事件发生后的1998年, 全球平均温度显著上升, 但是自此之后, 全球变暖趋于停止。其原因是大量来自海洋的热量被输送至大气中, 这已足够使赤道太平洋进入一个持续很久的低温状态, 从而抑制了全球变暖的速度。关于PDO与全球表面温度的关系, 他得到的结论与Meehl是一致的。

由于hiatus现象表现出来的年代际时间尺度和以及在海洋中体现的空间分布特征, Meehl^{[ 27, 28]}、Yu Kosaka等^{[ 38]}和Trenberth^{[ 21]}的研究工作均将hiatus现象研究的重点聚焦于PDO及与之密切相关的热带太平洋海区（图4中的蓝色示意框）。

Yu Kosaka等^{[ 38]}利用近几十年实际的表层海水温度设计出一个赤道东太平洋模型, 并将此模型和全球气候模型相嵌套, 其研究成果表明仅占全球表面积8.2%的赤道东太平洋海域的海表面温度冷异常引起了hiatus年代的出现, 并认为该现象是受到气候系统的年代际自然变率控制。因此, 他们认为当前全球变暖的“间断”现象只是暂时的, 全球平均气温将会随着赤道太平洋自然变率的位相转变而重新上升。他们还研究了hiatus现象存在明显的季节不均匀性, 北半球的冬季气温存在较明显的下降趋势, 而在夏季热带效应减弱, 温室气体效应仍然造成北半球中高纬地区的持续增温。这可以解释夏季北冰洋海冰的快速融化和我国的热浪天气。但是该研究没有探讨导致热带太平洋异常变冷现象的原因。

3.3.3 风场和经向环流对hiatus的调控

Trenberth等^{[ 19, 20, 21]}从风场和经向环流的角度对该问题进行了研究。他们分析了海表风场和海洋的热含量的变化, 发现近年来赤道太平洋中部和东部太平洋信风明显强于正常年份, 导致热带西太平洋中更深的温跃层的热含量增加, 而在30˚N~ 30˚S的东太平洋则变冷。海表风场的变化也导致了海平面的变化, 异常东风驱动的海水“堆积”在西太平洋, 这种效应使西太平洋一些地区近几十年来海平面上升速度高达全球平均速度的3倍。异常强大的信风会产生一个更强大的风驱动的经向翻转流, 在太平洋赤道附近产生上升流而在亚热带海域产生下沉, 从而导致赤道外西部和中部太平洋热量的积聚, 东赤道区域海底较冷的海水向表层海水流动, 这些年份正好对应于PDO的负位相期, 这表示更多的热量被沉积在更深的海洋中下层, 从而导致了海洋整体变暖但表层冷却的现象。而在PDO的正位相期, 情况正好相反, 海表面变暖而减少热量传递到深海。因此, 虽然在全球的年代际变化中太平洋影响比重似乎最大^{[ 39]}, 但是太平洋的年代际变化无疑也会影响大西洋, 印度洋和南大洋。另外由于PDO本质上是气候系统内部的自然变率, 所以目前的hiatus并不意味着全球变暖的停止。仍然有证据支持气候系统在继续加热, 如北极、格陵兰岛的海冰和冰川的融化, 但是大部分的热量进入海洋并且越来越多的进入深海, 导致海平面上升^{[ 40]}。由此可见, 全球变暖并非已经消失了, 相反它是非常活跃, 只是其体现方式不再只是简单的全球平均地表温度的增加而已。

图5

Fig.5

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	图5 CMIP5 RCP4.5中未来全球表面温度预测, 起始年为2006年[ 11]Fig.5 The projects of global surface mean temperature in CMIP5 RCP4.5 from 2006[ 11]