周舒嵐,林霄沛,張進(jìn)樂(lè)
(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院,山東青島,266100;2.國(guó)家海洋局廈門(mén)海洋預(yù)報(bào)臺(tái),福建廈門(mén),361008)
北太平洋冬季SST、風(fēng)場(chǎng)及環(huán)流對(duì)淡水強(qiáng)迫的響應(yīng)*
周舒嵐1,林霄沛1,張進(jìn)樂(lè)2
(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院,山東青島,266100;2.國(guó)家海洋局廈門(mén)海洋預(yù)報(bào)臺(tái),福建廈門(mén),361008)
通過(guò)海氣耦合模式CCSM3(The Community Climate System Model version 3),研究在北大西洋高緯度淡水強(qiáng)迫下,北太平洋冬季的海表溫度SST、風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)的響應(yīng)及其區(qū)域性差異。結(jié)果表明:淡水的注入使北太平洋整體變冷,但有部分區(qū)域異常增暖;在太平洋東部赤道兩側(cè),SST的變化出現(xiàn)北負(fù)南正的偶極子型分布。阿留申低壓北移的同時(shí)中緯度西風(fēng)減弱,熱帶附近東北信風(fēng)增強(qiáng)。黑潮和南赤道流減弱,北太平洋副熱帶逆流和北赤道流增強(qiáng),日本海被南向流控制。風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)的改變共同導(dǎo)致了北太平洋SST異常出現(xiàn)復(fù)雜的空間差異:北太平洋中高緯度SST的降溫主要由大氣過(guò)程決定,海洋動(dòng)力過(guò)程主要影響黑潮、日本海及副熱帶逆流區(qū)域的SST,太平洋熱帶地區(qū)SST異常由大氣與海洋共同主導(dǎo)。
北太平洋;冬季;淡水強(qiáng)迫;海表溫度;風(fēng)場(chǎng);流場(chǎng)
全球氣候變化下區(qū)域氣候變化是目前國(guó)際研究的熱點(diǎn),其中海洋環(huán)流被普遍認(rèn)為是影響氣候變化的關(guān)鍵因子。歷史上曾多次發(fā)生相似的氣候突變事件,如12ka B.P.的新仙女木期。Broecker等根據(jù)格陵蘭冰芯推斷出在末次冰期結(jié)束時(shí),Laurentide冰蓋撤退后將融化的淡水注入大西洋,導(dǎo)致了大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(簡(jiǎn)稱AMOC)中斷[1],這一結(jié)論目前較為公認(rèn);也有研究認(rèn)為,隨著溫室氣體的排放增加,全球氣溫升高,會(huì)最終導(dǎo)致大洋的熱鹽環(huán)流減弱[2-4]。
AMOC是大洋熱鹽環(huán)流的主體部分,其減弱或停止會(huì)引起全球大氣與海洋的變化。大量研究證明,AMOC對(duì)高緯度海區(qū)的表面浮力(特別是鹽度通量)的變化是非常敏感的[5-11]。該海區(qū)冰川所帶來(lái)的淡水會(huì)增加海表面浮力并改變AMOC平衡態(tài)或?qū)е缕鋾簳r(shí)中斷[12-16]。模擬全球氣候變暖時(shí)在北大西洋高緯度地區(qū)可能產(chǎn)生的淡水源,能夠預(yù)測(cè)在淡水強(qiáng)迫條件下未來(lái)氣候可能產(chǎn)生的極端變化。
對(duì)于淡水強(qiáng)迫,全球氣候變化在區(qū)域海洋中的響應(yīng)(溫度、流場(chǎng)等)并不是一致的。在北大西洋高緯度地區(qū)加入淡水強(qiáng)迫后,AMOC迅速減弱或中斷,導(dǎo)致北大西洋顯著變冷;南大西洋略為升溫,大西洋熱帶輻合帶(ITCZ,Intertropical Convergence Zone)南移[17-19]。這些響應(yīng)在古氣候記錄和若干模式運(yùn)行結(jié)果中均得到體現(xiàn)[17-23]。然而,氣候的冷卻并非只局限于北大西洋,而是出現(xiàn)在整個(gè)北半球。當(dāng)AMOC減弱至中斷時(shí),北太平洋溫度顯著降低,各種模式結(jié)果和古氣候記錄也顯示了北太平洋的這種響應(yīng)[7,10,19-28]。一些模式結(jié)果中,熱帶太平洋東部的海表面溫度(SST,Sea Surface Temperature)異常呈現(xiàn)出厄爾尼諾或拉尼娜的形態(tài),最大異常值出現(xiàn)在赤道附近[17,20];另一些模式則顯示出了類似大西洋北負(fù)南正的偶極子模態(tài)[21-22]。海溫對(duì)氣候變化的響應(yīng)是比較復(fù)雜的。目前在研究北太平洋SST對(duì)淡水強(qiáng)迫的響應(yīng)機(jī)制時(shí),更多聚焦在大氣過(guò)程對(duì)其的影響上,認(rèn)為大氣運(yùn)動(dòng)(如大西洋高緯度地區(qū)與太平洋大氣的遙相關(guān)作用)是北太平洋冷卻的重要原因及驅(qū)動(dòng)力[17,19]。但另一個(gè)原因也不可忽視:北大西洋在淡水輸入下海平面上升,白令海峽的貫通流翻轉(zhuǎn),把冷水和淡水從北冰洋輸入到北太平洋,也顯著地影響了北太平洋的熱鹽平衡[19,29-32]。因此除了大氣過(guò)程,海洋動(dòng)力過(guò)程(如平流熱輸送)也是影響海溫變化,特別是產(chǎn)生溫度分布區(qū)域性差異的重要因素。目前在北太平洋范圍內(nèi)對(duì)這種海洋動(dòng)力過(guò)程的研究較為少見(jiàn),因而系統(tǒng)地研究淡水強(qiáng)迫下北太平洋大氣與海洋的響應(yīng),對(duì)于全面認(rèn)識(shí)并預(yù)測(cè)太平洋區(qū)域氣候變化十分必要。
本文應(yīng)用海氣耦合模式CCSM3(The Community Climate System Model version 3)所執(zhí)行的1組淡水試驗(yàn),主要研究北太平洋冬季海溫、風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)對(duì)北大西洋高緯度淡水強(qiáng)迫的響應(yīng),以期更好地理解認(rèn)識(shí)極端氣候事件下的海洋與大氣變化,提高對(duì)未來(lái)氣候的預(yù)測(cè)能力。
海氣耦合模式CCSM(The Community Climate System Model)包括大氣、海洋、海冰、陸地4個(gè)組成部分,通過(guò)耦合器實(shí)現(xiàn)這4個(gè)子模式間的耦合。本文所用的模式是2004年6月發(fā)布的版本CCSM3,其中大氣模式是CAM3版本,陸地模式是CLM3版本,海冰模式是CSIM5版本,海洋模式是基于POP 1.4.3版本。使用網(wǎng)格為中等分辨率的T42×1,即大氣與陸地模式采用T42網(wǎng)格,海冰與海洋模式為近1°的水平分辨率,海洋垂直為40層[33]。在完全耦合的條件下,該模式完成了1 000a的長(zhǎng)期積分(控制試驗(yàn))。
所謂淡水強(qiáng)迫試驗(yàn)(Water-h(huán)osing experiments)是指在北大西洋50°N~70°N地區(qū)人為地加入持續(xù)的淡水通量,以減弱甚至中斷AMOC,并研究在這個(gè)條件下全球氣候的響應(yīng)[2]。本文所用的數(shù)據(jù)是基于CCSM3模式,加入1Sv(1Sv=106m3·s-1)的淡水通量,持續(xù)積分100a,利用最后30a的結(jié)果進(jìn)行分析。本文所用的淡水試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于CCSM3模式,持續(xù)積分100a,期間注入的淡水通量始終保持1Sv(1Sv=106m3·s-1),此注入量相當(dāng)于全球所有河流的總量,足以使大西洋熱鹽環(huán)流減弱至中斷[18],并且在100a后會(huì)導(dǎo)致全球平均海平面高度增加9m[19]。根據(jù)前人的研究結(jié)果,最初的幾十年里,1Sv的淡水強(qiáng)迫會(huì)使大西洋熱鹽環(huán)流的強(qiáng)度迅速衰減,并出現(xiàn)較大的震蕩;之后其強(qiáng)度逐漸恢復(fù),趨勢(shì)較為平穩(wěn)。本文取最后30年的結(jié)果與控制實(shí)驗(yàn)做比較。
作為淡水試驗(yàn)的參照,控制試驗(yàn)顯示出在當(dāng)今氣候條件下冬季的北太平洋SST、海表面風(fēng)場(chǎng)與海洋上層流場(chǎng),結(jié)果如圖1。
SST等溫線呈緯向帶狀分布,平均溫度22℃,最高溫度可達(dá)31℃,位于西太平洋赤道附近海域。黑潮和北太平洋副熱帶逆流從熱帶地區(qū)流向較高緯度地區(qū),將熱量向北輸送,導(dǎo)致北太平洋西邊界及夏威夷島以西,等溫線均偏離帶狀分布向極地彎曲。
北太平洋冬季風(fēng)場(chǎng)(見(jiàn)圖1b)顯示,在高緯度地區(qū)存在1個(gè)強(qiáng)大的氣旋式大氣環(huán)流,其低壓中心約在178°W、55°N,稱為阿留申低壓。北太平洋副高壓則位于大洋東部,34°N附近,強(qiáng)度較弱;位于緯度帶0°N~25°N盛行東南風(fēng),32°N~45°N盛行西風(fēng)。
圖1 無(wú)淡水強(qiáng)迫下冬季北太平洋的SST(a)(等值線間隔為2℃)、海表面風(fēng)場(chǎng)(b)(等值線表示風(fēng)速,間隔0.5m/s;箭頭表示風(fēng)向)和上層579m平均流場(chǎng)(c)(等值線表示流速,間隔1cm/s;箭頭表示流向)Fig.1 The SST(a)(contour interval is 2℃),sea surface wind(b)(contour is wind speed and its interval is 0.5m/s,arrow shows its direction)and mean ocean current in upper 579mof North Pacific in boreal winter in the control run(c)(contour is current velocity and its interval is 1cm/s,arrow shows its direction)
從圖1c的流場(chǎng)圖上可以清楚地分辨出太平洋上層主要的環(huán)流,如強(qiáng)勁的東風(fēng)作用下的南北赤道流以及赤道逆流;北太平洋西邊界流黑潮及其延伸體;黑潮向日本海的分支對(duì)馬暖流。同時(shí)還能看到夏威夷島以西存在一支東北向逆風(fēng)流,其位置與北太平洋副熱帶逆流相符[34-35]。
綜上所述,模式結(jié)果基本合理,能大致再現(xiàn)北太平洋的主要環(huán)流結(jié)構(gòu)。模式結(jié)果是合理可靠的?;谠撃J竭M(jìn)行的淡水強(qiáng)迫試驗(yàn)結(jié)果,可以用來(lái)研究北太平洋大氣與海洋動(dòng)力過(guò)程與海溫變化的關(guān)系。
圖2是淡水試驗(yàn)對(duì)比控制試驗(yàn)得出的北太平洋冬季SST異常。可以看出,SST對(duì)1Sv的淡水強(qiáng)迫有明顯的響應(yīng)并具有復(fù)雜的空間分布特征。SST異常在赤道兩端呈現(xiàn)出偶極子形態(tài):赤道以北地區(qū)(0°N~60°N)溫度降低,平均降幅1.7℃,赤道以南地區(qū)(0°S~20°S)SST平均升溫0.3℃。
北太平洋中高緯度地區(qū)(35°N~60°N、150°E~150°W)是降溫幅度最大的地區(qū),平均降溫3.2℃。其中降幅最高值出現(xiàn)在日本海,超過(guò)7℃。次高值在40°N、160°E附近,幅度可達(dá)5℃以上。黑潮流域降溫信號(hào)相對(duì)較弱,SST異常值在-2℃左右;特別是黑潮上游20°N~24°N附近,SST異常值只有-1℃左右。同樣的,北赤道流及北太平洋副熱帶逆流區(qū)域的降溫相對(duì)不明顯,幅度在1℃以下。在北半球總體變冷的背景下,靠近夏威夷島西北側(cè)的副熱帶逆流區(qū)域還出現(xiàn)了異常增暖的現(xiàn)象,增幅最大可達(dá)1℃。從圖2還可以看出,太平洋赤道以南(0°~20°S)東西溫差加大略有減小,升溫主要集中在南美洲西側(cè)5°S~20°S附近海域,最大值為1℃左右。
圖2 淡水強(qiáng)迫下冬季北太平洋海表溫度(SST)與控制試驗(yàn)的差異Fig.2 SST anomaly of North Pacific in boreal winter
圖3是冬季北太平洋風(fēng)場(chǎng)對(duì)淡水強(qiáng)迫的響應(yīng)??梢钥闯?,阿留申低壓北移至172°W、56°N,其原來(lái)所在區(qū)域的風(fēng)速平均增加0.4m/s,最大增幅2.2m/s。增強(qiáng)的風(fēng)速引起北太平洋高緯度的冷水加速向東輸送,使中高緯海域出現(xiàn)較強(qiáng)的冷信號(hào)。在25°N~45°N間的西風(fēng)減弱,風(fēng)速平均減小0.6m/s,最小值出現(xiàn)的地區(qū)靠近日本島,降幅在1.8m/s左右。
跨越中美洲海峽的大氣響應(yīng)顯著,0°~18°N之間的東北信風(fēng)增強(qiáng)并略為南移,促進(jìn)了北太平洋東南部低緯度的冷水加速向西輸送,導(dǎo)致低緯度海區(qū)的SST下降。6°S~12°N附近風(fēng)速平均增加0.8m/s,最大值出現(xiàn)在南美洲海岸附近,大于4m/s。這是由于淡水的注入,使得AMOC中斷,熱帶大西洋的冷異常加強(qiáng)了跨越中美洲的東北信風(fēng)。風(fēng)場(chǎng)的增強(qiáng)使熱帶太平洋大氣與大西洋的干冷空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的深對(duì)流,加強(qiáng)了海表面湍流熱通量、海洋上層混合及上升流。通過(guò)觸發(fā)東北太平洋風(fēng)—蒸發(fā)—海表溫度反饋(WES feedback),冷卻了北太平洋熱帶東部,造成了圖2中太平洋赤道以南SST異常的東西差異。
圖3 淡水強(qiáng)迫下冬季北太平洋海表面風(fēng)場(chǎng)與控制試驗(yàn)的差異Fig.3 Sea surface wind speed anomaly of North Pacific in boreal winter
日本海海域的風(fēng)速減小了0.2~0.6m/s,在黑潮流域風(fēng)速略為增強(qiáng),幅度在1m/s以下;黑潮形成區(qū)域(18°N附近)的風(fēng)場(chǎng)減弱0.8m/s左右。副熱帶逆流所在區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng),幅度在1m/s左右。但在這些區(qū)域,風(fēng)場(chǎng)的變化不足以解釋SST的響應(yīng)機(jī)制,仍需結(jié)合流場(chǎng)進(jìn)行分析。
分析1Sv淡水強(qiáng)迫下的北半球冬季及夏季流場(chǎng)(圖未列)可以發(fā)現(xiàn),白令海峽貫通流均由控制試驗(yàn)的南向流翻轉(zhuǎn)為北向流,與其他模式運(yùn)行結(jié)果相符合[30-32]。這種翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致北冰洋相對(duì)較冷的海水及試驗(yàn)中所加入的部分淡水流入北太平洋,是聯(lián)系A(chǔ)MOC在淡水強(qiáng)迫條件下的中斷與北太平洋的冷卻現(xiàn)象的重要原因之一[19]。
北太平洋上層流場(chǎng)異常(見(jiàn)圖4)顯示,在北太平洋的35°N~60°N地區(qū),流速相對(duì)于控制試驗(yàn)變化較小,基本在1cm/s以下,不足以解釋圖2中該區(qū)域SST的劇烈降低,猜測(cè)主要是大氣冷卻的作用所導(dǎo)致。流速對(duì)淡水強(qiáng)迫的響應(yīng)并不顯著,對(duì)比圖3中該區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)異常,可以推斷北太平洋高緯度地區(qū)SST的響應(yīng)主要由大氣過(guò)程控制。
在北太平洋的西邊界,黑潮中上游流軸略向西移,平均流速約減少6~10cm/s,最大值在20°N附近,可達(dá)15cm/s以上;黑潮延伸體平均流速約減少2~5 cm/s。分別在24°N和132°E取2個(gè)斷面計(jì)算黑潮的流量,位置如圖5。結(jié)果表明,在淡水強(qiáng)迫下,黑潮在斷面1上的流量比控制試驗(yàn)減少3.1Sv;斷面2上減少了4.3Sv。由此可見(jiàn),淡水強(qiáng)迫減弱了黑潮及黑潮延伸體的強(qiáng)度,使黑潮攜帶的熱量更多的滯留在斷面1和2之間,這與圖2中黑潮中上游地區(qū)降溫相對(duì)不明顯的位置相吻合。黑潮延伸體的減弱,可以解釋其影響區(qū)域在西風(fēng)減弱背景下依然冷卻的現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。受黑潮減弱的影響,其分支對(duì)馬暖流在對(duì)馬海峽處流速減小10~19cm/s。對(duì)馬暖流向日本海輸送的熱量減少,導(dǎo)致了日本海SST出現(xiàn)強(qiáng)烈的負(fù)異常。因此,在黑潮流域和日本海,SST對(duì)淡水強(qiáng)迫的響應(yīng)主要受到海洋熱平流作用的影響。
圖4 淡水強(qiáng)迫下冬季北太平洋上層579m平均流場(chǎng)與控制試驗(yàn)的差異Fig.4 Mean ocean current velocity anomaly in upper 579mof North Pacific in boreal winter
從圖4的流場(chǎng)變化上還可以清楚地看到,淡水強(qiáng)迫使北太平洋副熱帶逆流增強(qiáng),在175°W附近其流量比控制試驗(yàn)增加約1.3Sv,在169°W左右其流軸向北移動(dòng)約2°。這支逆風(fēng)流主要是由西北太平洋模態(tài)水導(dǎo)致的上層海洋密度梯度的改變而產(chǎn)生的[36]。副熱帶逆流從西向東,從低緯度流向高緯度,攜帶出低緯度西太平洋溫度相對(duì)較高的海水,導(dǎo)致其流域的SST在風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)的背景下出現(xiàn)異常增暖(見(jiàn)圖2,3)。因此,在北太平洋副熱帶逆流區(qū)域,SST的變化同樣由海洋的動(dòng)力過(guò)程控制。
在熱帶地區(qū),由于東風(fēng)的加強(qiáng)(見(jiàn)圖3),北赤道流平均流速增加15~23cm/s,在160°E的斷面處流量增加29.9Sv左右。盡管流量增加,對(duì)應(yīng)北赤道區(qū)域的SST異常卻為負(fù)值(見(jiàn)圖2)。相反地,南赤道流平均流速減少10~14cm/s,在120°W處的斷面流量減少17.4Sv左右,對(duì)應(yīng)南赤道流區(qū)域的SST異常為正值。由于WES反饋的存在,熱帶太平洋地區(qū)大氣與海洋的相互作用極為更為強(qiáng)烈[17,19,37],因此該區(qū)域的SST響應(yīng)可以被視作大氣過(guò)程和海洋過(guò)程共同起主導(dǎo)作用。
圖5 淡水強(qiáng)迫下冬季黑潮流域上層579m平均流速異常及斷面位置Fig.5 Mean ocean current velocity anomaly in upper 579mof Kurshio in winter and the position of the selected section
本文基于海氣耦合模式CCSM3的淡水強(qiáng)迫試驗(yàn),分別從海表溫度SST、風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)幾個(gè)角度分析了冬季北太平洋對(duì)淡水強(qiáng)迫的響應(yīng)。主要結(jié)論有:
(1)北大西洋高緯度淡水的注入使北太平洋整體變冷,但SST的變化并非一致,而是呈現(xiàn)復(fù)雜的區(qū)域性差異:SST異常在太平洋東部赤道兩側(cè)形成北負(fù)南正的偶極子型分布;在北太平洋中高緯度及日本海地區(qū)冷卻信號(hào)最強(qiáng);黑潮中上游的SST降溫相對(duì)不明顯;在副熱帶逆流部分流域出現(xiàn)升溫。這些差異是由大氣和海洋動(dòng)力共同作用決定的。
(2)阿留申低壓向北移動(dòng);北太平洋中緯度西部西風(fēng)減弱;黑潮及北太平洋副熱帶逆流區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng);東北信風(fēng)增強(qiáng)且南移。
(3)北太平洋熱帶地區(qū)南北赤道流呈現(xiàn)相反的變化,北赤道流增強(qiáng),南赤道流減弱。黑潮流速及流量均減少,日本海內(nèi)部的南向流增強(qiáng),北向流減弱;北太平洋副熱帶逆流增強(qiáng)。
(4)北太平洋中高緯度地區(qū)的SST異常主要受大氣過(guò)程影響,而黑潮、日本海及副熱帶逆流區(qū)域主要受海洋動(dòng)力過(guò)程影響;熱帶太平洋則受大氣和海洋動(dòng)力過(guò)程的共同影響。
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The Response of North Pacific Sea Surface Temperature,Wind Speed and Ocean Circulation to the Freshwater Forcing in Boreal Winter
ZHOU Shu-Lan1,LIN Xiao-Pei1,ZHNAG Jin-Le2
(1.College of Physical and Environment Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Xiamen Marine Forecasting Center,State Oceanic Administration,Xiamen 361008,China)
The changes and its regional differences of sea surface temperature,wind speed and ocean circulation in North Pacific Ocean induced by freshwater input in North Atlantic Ocean are investigated using The Community Climate System Model version 3(CCSM 3).The analyses are based on boreal winter responses.The results demonstrate as follow:warming in particular areas on North Pacific Ocean although cooling is dominated;SST increases on south of the equator in the eastern tropical Pacific and causes tropical SST dipole.Aleutian low is shifted northward while midlatitude westerlies are weakened;the northeast trades are intensified in tropical Pacific.Kurshio and south equatorial current are weakened while subtropical countercurrent and north equatorial current are intensified.The southward currents play a crucial role in Japan Sea.The changing of wind and ocean current together cause SST in north Pacific anomaly distributes in a complex space variability.The cooling in North Pacific mid and high latitudes are dominated by atmospheric processes.Ocean dynamic process mainly affects the area of Kuroshio,Japan Sea and subtropical countercurrent.But tropical Pacific SST anomaly results from a mixed effect of atmosphere and ocean.
North Pacific Ocean;winter;freshwater forcing;SST;wind speed;sea water velocity
P722
A
1672-5174(2012)05-014-06
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40976004,40921004,40930844);國(guó)家基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目(2007CB411804);高等學(xué)校創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(B07036);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項(xiàng)目(NECT-07-0781)資助
2011-04-11;
2011-05-07
周舒嵐(1986-),女,碩士生。E-mail:zsl516@gmail.com
責(zé)任編輯 龐 旻