北太平洋经向翻转环流季节变异机制的模拟研究
刘洪伟;张启龙;段永亮;徐永生
【摘 要】The North Pacific meridional overturning circulation (NPMOC)is the general name of all the North Pacific overturning cells.The tropical cell (TC),subtropical cells (STC)and deep tropical cell (DTC)located in the tropical-subtropical region of the North Pacific are very important for meridional ma-terial and energy exchange.The mechanisms of asonal variation of TC,STC and DTC meridional trans-ports are studied with the NEMO model in this paper.Numerical experiments with strengthened and weakened forcing fields show that the wind stress plays an important role in asonal variations of south-ward and northward transports of TC and STC and southward transport of DTC,heat flux and freshwater flux,however,have much weaker influences.Numerical experiments of the wind stress and heat - salt transport reveal that the asonal changes in the wind stress is the key factor of the asonal variation of NPMOC,while the heat and freshwater fluxes play a minor role.%北太平洋经向翻转环流(NPMOC)是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称。其中,热带环流圈(
TC)、副热带环流圈(STC)和深层热带环流圈(DTC)位于北太平洋热带-副热带海域,是该海域经向物质和能量交换的重要通道。基于 NEMO 模式分别对 TC、STC 和 DTC 经向流量的季节变化特征和机理进行了模拟研究,驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验表明,风应力是 TC 和 STC 南、北向输送以及 DTC 南向输送季节变化的主要影响因素,而热通量和淡水通量的影响较小；风应力和热盐通量季节变化情况下的敏感性试验表明,TC 和 STC 的南、北向输送以及 DTC 的南向输送主要是由风应力的季节振荡引起的,而热通量和淡水通量的影响较小。
【期刊名称】虾仁煎蛋《海洋科学进展》
【年(卷),期】2016(034)003
家务劳动的英文
【总页数】11页(P347-357)
招财方法【关键词】粤语音调北太平洋;经向翻转环流;季节变化;NEMO 模式
【作 者】刘洪伟;张启龙;段永亮;徐永生
【作者单位】中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071; 国家海洋局 第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012; 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071; 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室，山东 青岛 266237;中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071; 国家海洋局 第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012; 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071;国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061;中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071; 国家海洋局 第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012; 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071
【正文语种】中 文
【中图分类】P731传统钓法
北太平洋经向翻转环流(NPMOC)是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称，它拥有4个环流圈：副热带环流圈(STC)[1-2]、热带环流圈(TC)、副极地环流圈(SPC)[3]和深层热带环流圈(DTC)[4]。TC位于200 m以浅、中心在50 m深度处的低纬海域；STC位于7°～18°N，存在
着季节性经向运动，它的中心也在50 m深度处；DTC位于3°～15°N的100 m以深海域。SPC位于35°～50°N 200 m以浅海域[4]。由于STC是连接海洋表层副热带下沉和赤道上升的经圈环流，表层的向极流将赤道和热带的暖水输送到副热带，而温跃层中的向赤道流则将副热带的冷水向赤道输送，因此它被认为是北太平洋热带和副热带上层海洋热盐交换的桥梁[1,5-6]，而且它的强弱变化不仅能影响到北太平洋热带和副热带之间的热盐结构，还对热带北太平洋海表温度和ENSO(El Nio-Southern Oscillation)的年代际变化产生重要影响[7-12]，继而影响到全球的气候变化[1,5-6,13]。不仅如此，STC还是太平洋赤道潜流水源的贡献者[3]。TC是一个在赤道上升、热带下沉的经向环流圈，它将表层暖水向下输送，并为赤道潜流提供水源[3]。由于DTC位于TC和STC之间，并对STC的向南输送有阻挡作用，因而DTC的存在和变化直接影响到北太平洋副热带冷水到达赤道的多寡[4]。它们的变化对北太平洋副热带和副极地之间的热盐结构和气候变化皆有重要影响。由于这些环流圈是北太平洋经向物质和能量交换的重要通道，自20世纪90年代以来，人们已就某些环流圈(TC，STC和DTC)的结构形态、变化特征和机制进行了较多研究，并取得了一些重要进展。但应指出的是，在环流圈的变异机制方面，仍存在着一些不同的观点和认识。McCreary和Lu[2]基于两层半海洋模式结果认为，STC的强度是由副热带南侧下沉为零的纬
度上的风应力和科氏参数决定的，而与副热带Ekman抽吸速度及热带风场的强度无关。这一观点也得到了Lu等[3]三层半海洋模式结果的支持。而且他们还指出，TC的强度是由热带太平洋的非等密度混合决定的[3]。但后来的资料分析和数值模拟研究均得到了与之不同的结果。Liu等[4]通过SODA和风应力资料分析认为，TC和STC向极输送的季节变化都是由局地纬向风异常引起的，而其向赤道输送则与所在纬度上的海平面东、西向坡度的季节变化有关。Lee和Fukumori[14]的数值模拟结果表明，近赤道风应力异常引起了STC向赤道输送的变化。而在赤道外海域(13°N线附近)，纬向风异常激发的西传第一斜压Rossby波使得温跃层深度发生剧烈变化[15]，从而导致STC向赤道输送的变幅增大。容新尧等[16]的数值试验显示，赤道及其北侧的纬向风异常对STC的向赤道输送变化有重要影响，而赤道外风应力旋度变化引起的斜压Rossby波对STC向赤道输送变化的影响却较小。由此可见，关于北太平洋经向翻转环流的季节变异机理目前尚无定论，亟待深入研究。为此，我们运用NEMO模式分别探讨了风应力、淡水通量和热通量对TC，STC和DTC季节变化的影响，从而为加深理解北太平洋经向翻转环流的变异机制提供可靠的科学依据。
我们所用的海洋模式为法国LODYC(Laboratoire d′Océanographie DYnamique et de Climatologie)开发的NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean)模式中的全球快乐飞翔
海洋-海冰耦合环流模式，它由一个海洋环流模式和海冰模式组成。模式采用了其特有的不规则水平网格系统-ORCA1。在热带外海域，水平分辨率约为1°×1°，而在19°36′21″S～19°36′21″N，分辨率则按1°×1°×cos(Φ)改变(Φ为纬度)。在垂向上采用Z坐标系，分为46层。时间差分为蛙跳格式，空间差分采用Arakawa C型网格[17]。下边界条件使用Beckmann和Döscher[18]的方案。垂直涡动扩散及黏性系数通过一个基于扰动动能诊断方程的1.5层扰动闭合方案得出[19]。水平动量扩散的黏性系数随经纬度和深度而变化。混合系数取决于斜压不稳定增长速率。时间步长为3 600 s，1 d有24步。模式的外强迫包括风应力、热通量和淡水通量，其中的蒸发和热通量场是模式内部根据给出的NECP海面通量数据计算得到的。
首先将Levitus的海温和盐度以及模式的外强迫场(风应力、热通量和淡水通量)都取为气候月平均值，然后让模式从静止状态开始积分，一直积分到第100 年。我们取最后10 a的积分结果进行分析，研究区域为北太平洋(0°～60°N)。
经向流函数是研究经向翻转环流的一个有效指标。为了检验模式的可靠性，我们对模式模拟的北太平洋经向流场和SODA数据分析结果进行了对比。
图1为利用NEMO模式模拟的与SODA数据经向流速计算得到的北太平洋经向流函数气候态分布。可以清晰地看到，NEMO模式能够很好地模拟出TC，STC，DTC和SPC四个环流圈。除了模拟的STC，DTC和SPC强度略弱外，4个环流圈的范围和形态均与用SODA数据得到的结果相一致[4]。其中，TC是最强的顺时针环流圈，其最大流函数值为34.96 Sv；STC为一较弱的顺时针环流圈，其核心值为20.34 Sv；而DTC和SPC则为较弱的逆时针环流圈，DTC的核心流函数值为-9.26 Sv。
图2分别是4个季节的NEMO模式模拟的北太平洋经向流函数分布。其中，冬季为12—2月，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月。从图中可以看出，NEMO模式可以很好地模拟出TC，STC和DTC的季节变化。在冬季和春季，STC向南移动，并靠近TC，因而在0°～18°N形成了一个大尺度的顺时针环流圈，而在夏季和秋季STC则向北移动，远离TC；TC在冬季最强，而在秋季最弱；STC在冬、春季较强，而在夏、秋季较弱；DTC在夏、秋季较强，而在冬、春季较弱；DTC对STC的南向输送有阻碍作用。这与用SODA数据得到结果相吻合[4]。
由以上分析可知，NEMO模式能够很好地再现北太平洋经向流场及其季节变化特征。实际
上，该模式也很好地模拟出了全球表层温度场和盐度场，但因篇幅所限，在此不再赘述。这表明，该模式的模拟结果是真实可信的。
为了深入探讨TC，STC和DTC的季节变异机理，本节重点运用NEMO模式对这3个环流圈的季节变化特征进行模拟研究，并与以前的资料分析结果进行对比。在研究北太平洋经向翻转环流的季节变异机理时，我们进行了控制试验和两类敏感性试验。具体设计如下：
1)控制试验
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选用多年月平均的风应力、热通量和淡水通量作为NEMO模式的外强迫场，以此作为评估北太平洋经向翻转环流季节变化的控制试验，记为试验A。当模式自初始状态积分到100 a时，取最后10 a的气候月平均结果作为试验A的结果。
2)驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验
试验B～I是在试验A的基础上驱动场增强和减弱情况下进行的敏感性试验(表1)，通过改变部分驱动因素(分增强和减弱两种情况，为了直观清晰地看到驱动场的改变对其季节变化的影响，在此增强是将驱动因素增大1倍，减弱是将驱动因素减小50%)，并与试验A进行比较，
以此来了解各驱动因素对北太平洋经向翻转环流季节变化的影响。值得指出的是，在以下敏感性试验中，我们将试验A最后一年的结果作为初始场，Levitus的温盐气候月平均场作为恢复场。
3)风应力和热盐通量季节变化情况下的敏感性试验
我们通过另外2个敏感性试验来讨论风应力和热盐通量的季节变化对3个流环圈的影响。需要说明的是，在以下2个试验中，我们均将试验A作为标准试验，并将试验A中第100年的积分结果作为初始场。
试验一为热盐通量季节变化情况下的敏感性试验。用多年平均风应力场和气候月平均热通量、淡水通量场来强迫NEMO模式，将其记为试验K。试验二为风应力季节变化情况下的敏感性试验。用多年平均热通量和淡水通量场及多年月平均风应力场来强迫NEMO模式，将其记为试验L。
3.1 驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验
由于当移除风应力时，TC和STC均不存在(图略)，因此在讨论各环流圈流量的季节变异机
理时，仅作了驱动场(风应力、热通量和淡水通量)在增强和减弱两种情况下的敏感性试验。由表1可以看到，试验B和试验C分别为风应力增大和减小试验，试验E和试验F分别为淡水通量增大和减小试验，而试验H和试验I则分别为热通量增大和减小试验。
邻近色对比
图3为由上述数值试验得到的TC南、北向流量的季节变化。可以看出，当风应力增强(试验B)和减弱(试验C)时，TC的南、北向流量不仅显著增大和减小，而且其季节变化趋势也发生了一些改变，与试验A的关系有所减弱，其同期相关系数分别为0.83和0.92；当热通量和淡水通量增大或减小(试验E，F，H和I)时，TC的南、北向流量与试验A皆比较接近，而且其变化趋势也颇为一致，其同期相关系数分别为0.99，0.99，0.98和0.98。由于风应力的增强或减弱使得TC的南、北向流量皆出现显著的增大或减小，而热通量和淡水通量的增大或减小却未引起TC南、北向流量出现显著的变化，因此可以认为，TC南、北向流量的季节变化主要是由风应力引起的，而热通量和淡水通量的作用却非常小。
由各数值试验(试验A～I)得到的STC南、北向流量的季节变化(图4)可以看到，除了风应力增强(试验B)和减弱(试验C)引起了STC南、北向流量的季节变幅与试验A有较大差异外，其他试验结果均与试验A比较接近，而且各试验所得的STC南、北向流量的季节变化趋势也
比较一致。相关分析结果表明，除了试验B和试验I与试验A得到的STC北向流量之间的关系略弱(其同期相关系数分别为0.81和0.85)外，其他试验(试验C，E，F和H)和试验A得到的STC北向流量之间的关系都很密切，其同期相关系数分别为0.98，0.95，0.98和0.97；由各敏感性试验与试验A得到的STC南向流量之间的同期相关系数分别为0.97，0.97，0.96，0.97，0.90和0.96。由此可见，STC的季节变化是由风应力引起的，而热通量和淡水通量的作用却较小。
