劉洪偉，張啟龍，段永亮，徐永生*

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071；2.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；5.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島 266061)

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北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流季節(jié)變異機(jī)制的模擬研究*

劉洪偉1,2,3,4，張啟龍1,2,3，段永亮5，徐永生1,2,3*

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071；2.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；5.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島 266061)

北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(NPMOC)是北太平洋所有經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流圈的總稱(chēng)。其中，熱帶環(huán)流圈(TC)、副熱帶環(huán)流圈(STC)和深層熱帶環(huán)流圈(DTC)位于北太平洋熱帶-副熱帶海域，是該海域經(jīng)向物質(zhì)和能量交換的重要通道?；贜EMO模式分別對(duì)TC、STC和DTC經(jīng)向流量的季節(jié)變化特征和機(jī)理進(jìn)行了模擬研究，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)增強(qiáng)和減弱情況下的敏感性試驗(yàn)表明，風(fēng)應(yīng)力是TC和STC南、北向輸送以及DTC南向輸送季節(jié)變化的主要影響因素，而熱通量和淡水通量的影響較小；風(fēng)應(yīng)力和熱鹽通量季節(jié)變化情況下的敏感性試驗(yàn)表明，TC和STC的南、北向輸送以及DTC的南向輸送主要是由風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)振蕩引起的，而熱通量和淡水通量的影響較小。

北太平洋；經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流；季節(jié)變化；NEMO模式

北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(NPMOC)是北太平洋所有經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流圈的總稱(chēng)，它擁有4個(gè)環(huán)流圈：副熱帶環(huán)流圈(STC)[1-2]、熱帶環(huán)流圈(TC)、副極地環(huán)流圈(SPC)[3]和深層熱帶環(huán)流圈(DTC)[4]。TC位于200 m以淺、中心在50 m深度處的低緯海域；STC位于7°～18°N，存在著季節(jié)性經(jīng)向運(yùn)動(dòng)，它的中心也在50 m深度處；DTC位于3°～15°N的100 m以深海域。SPC位于35°～50°N 200 m以淺海域[4]。由于STC是連接海洋表層副熱帶下沉和赤道上升的經(jīng)圈環(huán)流，表層的向極流將赤道和熱帶的暖水輸送到副熱帶，而溫躍層中的向赤道流則將副熱帶的冷水向赤道輸送，因此它被認(rèn)為是北太平洋熱帶和副熱帶上層海洋熱鹽交換的橋梁[1,5-6]，而且它的強(qiáng)弱變化不僅能影響到北太平洋熱帶和副熱帶之間的熱鹽結(jié)構(gòu)，還對(duì)熱帶北太平洋海表溫度和ENSO(El Nio-Southern Oscillation)的年代際變化產(chǎn)生重要影響[7-12]，繼而影響到全球的氣候變化[1,5-6,13]。不僅如此，STC還是太平洋赤道潛流水源的貢獻(xiàn)者[3]。TC是一個(gè)在赤道上升、熱帶下沉的經(jīng)向環(huán)流圈，它將表層暖水向下輸送，并為赤道潛流提供水源[3]。由于DTC位于TC和STC之間，并對(duì)STC的向南輸送有阻擋作用，因而DTC的存在和變化直接影響到北太平洋副熱帶冷水到達(dá)赤道的多寡[4]。它們的變化對(duì)北太平洋副熱帶和副極地之間的熱鹽結(jié)構(gòu)和氣候變化皆有重要影響。由于這些環(huán)流圈是北太平洋經(jīng)向物質(zhì)和能量交換的重要通道，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，人們已就某些環(huán)流圈(TC，STC和DTC)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、變化特征和機(jī)制進(jìn)行了較多研究，并取得了一些重要進(jìn)展。但應(yīng)指出的是，在環(huán)流圈的變異機(jī)制方面，仍存在著一些不同的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)。McCreary和Lu[2]基于兩層半海洋模式結(jié)果認(rèn)為，STC的強(qiáng)度是由副熱帶南側(cè)下沉為零的緯度上的風(fēng)應(yīng)力和科氏參數(shù)決定的，而與副熱帶Ekman抽吸速度及熱帶風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這一觀點(diǎn)也得到了Lu等[3]三層半海洋模式結(jié)果的支持。而且他們還指出，TC的強(qiáng)度是由熱帶太平洋的非等密度混合決定的[3]。但后來(lái)的資料分析和數(shù)值模擬研究均得到了與之不同的結(jié)果。Liu等[4]通過(guò)SODA和風(fēng)應(yīng)力資料分析認(rèn)為，TC和STC向極輸送的季節(jié)變化都是由局地緯向風(fēng)異常引起的，而其向赤道輸送則與所在緯度上的海平面東、西向坡度的季節(jié)變化有關(guān)。Lee和Fukumori[14]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，近赤道風(fēng)應(yīng)力異常引起了STC向赤道輸送的變化。而在赤道外海域(13°N線(xiàn)附近)，緯向風(fēng)異常激發(fā)的西傳第一斜壓Rossby波使得溫躍層深度發(fā)生劇烈變化[15]，從而導(dǎo)致STC向赤道輸送的變幅增大。容新堯等[16]的數(shù)值試驗(yàn)顯示，赤道及其北側(cè)的緯向風(fēng)異常對(duì)STC的向赤道輸送變化有重要影響，而赤道外風(fēng)應(yīng)力旋度變化引起的斜壓Rossby波對(duì)STC向赤道輸送變化的影響卻較小。由此可見(jiàn)，關(guān)于北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的季節(jié)變異機(jī)理目前尚無(wú)定論，亟待深入研究。為此，我們運(yùn)用NEMO模式分別探討了風(fēng)應(yīng)力、淡水通量和熱通量對(duì)TC，STC和DTC季節(jié)變化的影響，從而為加深理解北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變異機(jī)制提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1　模式簡(jiǎn)介

我們所用的海洋模式為法國(guó)LODYC(Laboratoire d′Océanographie DYnamique et de Climatologie)開(kāi)發(fā)的NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean)模式中的全球海洋-海冰耦合環(huán)流模式，它由一個(gè)海洋環(huán)流模式和海冰模式組成。模式采用了其特有的不規(guī)則水平網(wǎng)格系統(tǒng)-ORCA1。在熱帶外海域，水平分辨率約為1°×1°，而在19°36′21″S～19°36′21″N，分辨率則按1°×1°×cos(Φ)改變(Φ為緯度)。在垂向上采用Z坐標(biāo)系，分為46層。時(shí)間差分為蛙跳格式，空間差分采用Arakawa C型網(wǎng)格[17]。下邊界條件使用Beckmann和D?scher[18]的方案。垂直渦動(dòng)擴(kuò)散及黏性系數(shù)通過(guò)一個(gè)基于擾動(dòng)動(dòng)能診斷方程的1.5層擾動(dòng)閉合方案得出[19]。水平動(dòng)量擴(kuò)散的黏性系數(shù)隨經(jīng)緯度和深度而變化?；旌舷禂?shù)取決于斜壓不穩(wěn)定增長(zhǎng)速率。時(shí)間步長(zhǎng)為3 600 s，1 d有24步。模式的外強(qiáng)迫包括風(fēng)應(yīng)力、熱通量和淡水通量，其中的蒸發(fā)和熱通量場(chǎng)是模式內(nèi)部根據(jù)給出的NECP海面通量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。

2　模式性能檢驗(yàn)

首先將Levitus的海溫和鹽度以及模式的外強(qiáng)迫場(chǎng)(風(fēng)應(yīng)力、熱通量和淡水通量)都取為氣候月平均值，然后讓模式從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始積分，一直積分到第100 年。我們?nèi)∽詈?0 a的積分結(jié)果進(jìn)行分析，研究區(qū)域?yàn)楸碧窖?0°～60°N)。

經(jīng)向流函數(shù)是研究經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的一個(gè)有效指標(biāo)。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降目煽啃?，我們?duì)模式模擬的北太平洋經(jīng)向流場(chǎng)和SODA數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖1為利用NEMO模式模擬的與SODA數(shù)據(jù)經(jīng)向流速計(jì)算得到的北太平洋經(jīng)向流函數(shù)氣候態(tài)分布?？梢郧逦乜吹?，NEMO模式能夠很好地模擬出TC，STC，DTC和SPC四個(gè)環(huán)流圈。除了模擬的STC，DTC和SPC強(qiáng)度略弱外，4個(gè)環(huán)流圈的范圍和形態(tài)均與用SODA數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相一致[4]。其中，TC是最強(qiáng)的順時(shí)針環(huán)流圈，其最大流函數(shù)值為34.96 Sv；STC為一較弱的順時(shí)針環(huán)流圈，其核心值為20.34 Sv；而DTC和SPC則為較弱的逆時(shí)針環(huán)流圈，DTC的核心流函數(shù)值為-9.26 Sv。

圖1　北太平洋經(jīng)向流函數(shù)氣候態(tài)分布[4]Fig.1　Multiyear averaged meridional stream function in the North Pacific[4]

圖2分別是4個(gè)季節(jié)的NEMO模式模擬的北太平洋經(jīng)向流函數(shù)分布。其中，冬季為12—2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月。從圖中可以看出，NEMO模式可以很好地模擬出TC，STC和DTC的季節(jié)變化。在冬季和春季，STC向南移動(dòng)，并靠近TC，因而在0°～18°N形成了一個(gè)大尺度的順時(shí)針環(huán)流圈，而在夏季和秋季STC則向北移動(dòng)，遠(yuǎn)離TC；TC在冬季最強(qiáng)，而在秋季最弱；STC在冬、春季較強(qiáng)，而在夏、秋季較弱；DTC在夏、秋季較強(qiáng)，而在冬、春季較弱；DTC對(duì)STC的南向輸送有阻礙作用。這與用SODA數(shù)據(jù)得到結(jié)果相吻合[4]。

圖2　模式模擬的北太平洋經(jīng)向流函數(shù)場(chǎng)的季節(jié)變化Fig.2　Simulated meridional stream function of each season in the North Pacific

由以上分析可知，NEMO模式能夠很好地再現(xiàn)北太平洋經(jīng)向流場(chǎng)及其季節(jié)變化特征。實(shí)際上，該模式也很好地模擬出了全球表層溫度場(chǎng)和鹽度場(chǎng)，但因篇幅所限，在此不再贅述。這表明，該模式的模擬結(jié)果是真實(shí)可信的。

3　北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的季節(jié)變異機(jī)理

為了深入探討TC，STC和DTC的季節(jié)變異機(jī)理，本節(jié)重點(diǎn)運(yùn)用NEMO模式對(duì)這3個(gè)環(huán)流圈的季節(jié)變化特征進(jìn)行模擬研究，并與以前的資料分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在研究北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的季節(jié)變異機(jī)理時(shí)，我們進(jìn)行了控制試驗(yàn)和兩類(lèi)敏感性試驗(yàn)。具體設(shè)計(jì)如下：

1)控制試驗(yàn)

選用多年月平均的風(fēng)應(yīng)力、熱通量和淡水通量作為NEMO模式的外強(qiáng)迫場(chǎng)，以此作為評(píng)估北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流季節(jié)變化的控制試驗(yàn)，記為試驗(yàn)A。當(dāng)模式自初始狀態(tài)積分到100 a時(shí)，取最后10 a的氣候月平均結(jié)果作為試驗(yàn)A的結(jié)果。

2)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)增強(qiáng)和減弱情況下的敏感性試驗(yàn)

試驗(yàn)B～I(xiàn)是在試驗(yàn)A的基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)場(chǎng)增強(qiáng)和減弱情況下進(jìn)行的敏感性試驗(yàn)(表1)，通過(guò)改變部分驅(qū)動(dòng)因素(分增強(qiáng)和減弱兩種情況，為了直觀清晰地看到驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的改變對(duì)其季節(jié)變化的影響，在此增強(qiáng)是將驅(qū)動(dòng)因素增大1倍，減弱是將驅(qū)動(dòng)因素減小50%)，并與試驗(yàn)A進(jìn)行比較，以此來(lái)了解各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流季節(jié)變化的影響。值得指出的是，在以下敏感性試驗(yàn)中，我們將試驗(yàn)A最后一年的結(jié)果作為初始場(chǎng)，Levitus的溫鹽氣候月平均場(chǎng)作為恢復(fù)場(chǎng)。

表1　模式運(yùn)行方案

3)風(fēng)應(yīng)力和熱鹽通量季節(jié)變化情況下的敏感性試驗(yàn)

我們通過(guò)另外2個(gè)敏感性試驗(yàn)來(lái)討論風(fēng)應(yīng)力和熱鹽通量的季節(jié)變化對(duì)3個(gè)流環(huán)圈的影響。需要說(shuō)明的是，在以下2個(gè)試驗(yàn)中，我們均將試驗(yàn)A作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)A中第100年的積分結(jié)果作為初始場(chǎng)。

試驗(yàn)一為熱鹽通量季節(jié)變化情況下的敏感性試驗(yàn)。用多年平均風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)和氣候月平均熱通量、淡水通量場(chǎng)來(lái)強(qiáng)迫NEMO模式，將其記為試驗(yàn)K。試驗(yàn)二為風(fēng)應(yīng)力季節(jié)變化情況下的敏感性試驗(yàn)。用多年平均熱通量和淡水通量場(chǎng)及多年月平均風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)來(lái)強(qiáng)迫NEMO模式，將其記為試驗(yàn)L。

3.1驅(qū)動(dòng)場(chǎng)增強(qiáng)和減弱情況下的敏感性試驗(yàn)

由于當(dāng)移除風(fēng)應(yīng)力時(shí)，TC和STC均不存在(圖略)，因此在討論各環(huán)流圈流量的季節(jié)變異機(jī)理時(shí)，僅作了驅(qū)動(dòng)場(chǎng)(風(fēng)應(yīng)力、熱通量和淡水通量)在增強(qiáng)和減弱兩種情況下的敏感性試驗(yàn)。由表1可以看到，試驗(yàn)B和試驗(yàn)C分別為風(fēng)應(yīng)力增大和減小試驗(yàn)，試驗(yàn)E和試驗(yàn)F分別為淡水通量增大和減小試驗(yàn)，而試驗(yàn)H和試驗(yàn)I則分別為熱通量增大和減小試驗(yàn)。

圖3為由上述數(shù)值試驗(yàn)得到的TC南、北向流量的季節(jié)變化?？梢钥闯觯?dāng)風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)(試驗(yàn)B)和減弱(試驗(yàn)C)時(shí)，TC的南、北向流量不僅顯著增大和減小，而且其季節(jié)變化趨勢(shì)也發(fā)生了一些改變，與試驗(yàn)A的關(guān)系有所減弱，其同期相關(guān)系數(shù)分別為0.83和0.92；當(dāng)熱通量和淡水通量增大或減小(試驗(yàn)E，F(xiàn)，H和I)時(shí)，TC的南、北向流量與試驗(yàn)A皆比較接近，而且其變化趨勢(shì)也頗為一致，其同期相關(guān)系數(shù)分別為0.99，0.99，0.98和0.98。由于風(fēng)應(yīng)力的增強(qiáng)或減弱使得TC的南、北向流量皆出現(xiàn)顯著的增大或減小，而熱通量和淡水通量的增大或減小卻未引起TC南、北向流量出現(xiàn)顯著的變化，因此可以認(rèn)為，TC南、北向流量的季節(jié)變化主要是由風(fēng)應(yīng)力引起的，而熱通量和淡水通量的作用卻非常小。

圖3　模式模擬的TC流量的季節(jié)變化Fig.3　Seasonal variation of simulated TC transport

由各數(shù)值試驗(yàn)(試驗(yàn)A～I(xiàn))得到的STC南、北向流量的季節(jié)變化(圖4)可以看到，除了風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)(試驗(yàn)B)和減弱(試驗(yàn)C)引起了STC南、北向流量的季節(jié)變幅與試驗(yàn)A有較大差異外，其他試驗(yàn)結(jié)果均與試驗(yàn)A比較接近，而且各試驗(yàn)所得的STC南、北向流量的季節(jié)變化趨勢(shì)也比較一致。相關(guān)分析結(jié)果表明，除了試驗(yàn)B和試驗(yàn)I與試驗(yàn)A得到的STC北向流量之間的關(guān)系略弱(其同期相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.85)外，其他試驗(yàn)(試驗(yàn)C，E，F(xiàn)和H)和試驗(yàn)A得到的STC北向流量之間的關(guān)系都很密切，其同期相關(guān)系數(shù)分別為0.98，0.95，0.98和0.97；由各敏感性試驗(yàn)與試驗(yàn)A得到的STC南向流量之間的同期相關(guān)系數(shù)分別為0.97，0.97，0.96，0.97，0.90和0.96。由此可見(jiàn)，STC的季節(jié)變化是由風(fēng)應(yīng)力引起的，而熱通量和淡水通量的作用卻較小。

圖4　模式模擬的STC流量的季節(jié)變化Fig.4　Seasonal variation of simulated STC transport

由于DTC的北向流量很小，且無(wú)明顯的季節(jié)變化，因此我們僅討論DTC南向流量的季節(jié)變化機(jī)理。圖5為由各數(shù)值試驗(yàn)得到的DTC南向流量的季節(jié)變化。可以看到，當(dāng)風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)時(shí)(試驗(yàn)B)，DTC南向流量的季節(jié)變幅顯著增大，而且其季節(jié)變化趨勢(shì)也有所改變，與試驗(yàn)A的關(guān)系較弱，其同期相關(guān)系數(shù)為0.67；與之相反，當(dāng)風(fēng)應(yīng)力顯著減弱時(shí)(試驗(yàn)C)，DTC南向流量的季節(jié)變幅隨之變小，但其季節(jié)變化趨勢(shì)卻與試驗(yàn)A比較一致，其同期相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.96。當(dāng)熱通量和淡水通量分別增大或減小(試驗(yàn)E，F(xiàn)，H和I)時(shí)，DTC南向流量的季節(jié)變幅并無(wú)顯著的改變，而且其季節(jié)變化趨勢(shì)與試驗(yàn)A也非常一致，其同期相關(guān)系數(shù)均為0.99。由此可以認(rèn)為，風(fēng)應(yīng)力是DTC南向流量季節(jié)變化的主要影響因素，而熱通量和淡水通量的影響卻較小，這與TC和STC的結(jié)果相一致。

圖5　模式模擬的DTC南向流量的季節(jié)變化Fig.5　Seasonal variation of simulated DTC southward transport

還應(yīng)指出的是，由于各驅(qū)動(dòng)場(chǎng)皆存在著不同的季節(jié)變化，而這些驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的季節(jié)差異將對(duì)TC，STC和DTC產(chǎn)生怎樣的影響迄今尚不清楚，因此，下面將分別討論各驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的季節(jié)變化對(duì)這3個(gè)環(huán)流圈的影響，從而進(jìn)一步揭示TC，STC和DTC的季節(jié)變異機(jī)理。

3.2風(fēng)應(yīng)力和熱鹽通量季節(jié)變化情況下的敏感性試驗(yàn)

我們通過(guò)對(duì)比2個(gè)敏感性試驗(yàn)(試驗(yàn)K和L)和基準(zhǔn)試驗(yàn)A對(duì)比來(lái)討論風(fēng)應(yīng)力和熱鹽通量的季節(jié)變化對(duì)3個(gè)流環(huán)圈的影響。

圖6分別為由試驗(yàn)K，L和A得到的TC南、北向流量的季節(jié)變化?？梢钥吹剑囼?yàn)K對(duì)TC南、北向流量季節(jié)變化的影響較試驗(yàn)L大。就TC的北向流量而言，由試驗(yàn)K得到的流量的季節(jié)變化趨勢(shì)與試驗(yàn)A并不完全一致，而是存在著一定的差異(圖6a)，因此兩者間的關(guān)系也較弱，其同期相關(guān)系數(shù)為0.82；由試驗(yàn)L得到的結(jié)果與試驗(yàn)A比較接近，其季節(jié)變化趨勢(shì)較為一致(圖6a)，兩者間的同期相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99。對(duì)于TC的南向流量，由試驗(yàn)K得到的流量與試驗(yàn)A的結(jié)果具有反位相的季節(jié)變化，兩者間的同期相關(guān)系數(shù)為-0.57，而由試驗(yàn)L得到的南向流量的季節(jié)變化與試驗(yàn)A的結(jié)果頗為一致(圖6b)，兩者間的同期相關(guān)系數(shù)為0.96。由此可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)應(yīng)力固定不變而熱鹽通量發(fā)生季節(jié)振蕩時(shí)，TC南、北向流量的季節(jié)變化均與試驗(yàn)A有所不同，而當(dāng)熱通量和淡水通量固定不變而風(fēng)應(yīng)力出現(xiàn)季節(jié)振蕩時(shí)，TC南、北向流量的季節(jié)變化卻與試驗(yàn)A非常一致。這進(jìn)一步表明，TC南、北向流量的季節(jié)變化主要是由風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)振蕩引起的，而熱通量和淡水通量的影響卻較小。

圖6　模式模擬的TC流量的季節(jié)變化Fig.6　 Seasonal variation of simulated TC transport

如圖7所示，由試驗(yàn)K得到的STC南、北向流量的季節(jié)變化均較小，而且與試驗(yàn)A的結(jié)果大相徑庭，但由試驗(yàn)L得到的STC南、北向流量的季節(jié)變化卻比較顯著，并與試驗(yàn)A的結(jié)果非常一致。相關(guān)分析結(jié)果表明，對(duì)STC的北向流量而言，試驗(yàn)K與試驗(yàn)A的同期相關(guān)系數(shù)為0.30，而試驗(yàn)L與試驗(yàn)A的同期相關(guān)系數(shù)則為0.81；對(duì)于STC的南向流量而言，試驗(yàn)K與試驗(yàn)A的同期相關(guān)系數(shù)為0.70(但其流量差值較大)，而試驗(yàn)L與試驗(yàn)A的同期相關(guān)系數(shù)則高達(dá)0.94。很顯然，當(dāng)風(fēng)應(yīng)力固定不變、熱鹽通量發(fā)生季節(jié)振蕩時(shí)，STC南、北向流量的季節(jié)變化與試驗(yàn)A的結(jié)果明顯不同，而當(dāng)熱通量和淡水通量固定不變、風(fēng)應(yīng)力發(fā)生季節(jié)振蕩時(shí)，STC南、北向流量的季節(jié)變化卻與試驗(yàn)A較為一致。因此可以認(rèn)為，STC南、北向流量的季節(jié)變化也是由風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)振蕩引起的，而熱通量和淡水通量的影響也較小。

圖7　模式模擬的STC流量的季節(jié)變化Fig.7　Seasonal variation of simulated STC transport

圖8為由試驗(yàn)K，L和A得到的DTC南向流量的季節(jié)變化?？梢钥闯?，由試驗(yàn)K得到的DTC流量值較小，且其季節(jié)變化趨勢(shì)與試驗(yàn)A的結(jié)果也有所不同，兩者間的同期相關(guān)系數(shù)為0.85；由試驗(yàn)L得到的DTC流量值較大，而且其季節(jié)變化趨勢(shì)與試驗(yàn)A的結(jié)果頗為一致，兩者間的同期相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.95。由此可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)應(yīng)力固定不變、熱鹽通量存在季節(jié)變化時(shí)，DTC南向流量的季節(jié)變化與試驗(yàn)A的結(jié)果有所不同，而當(dāng)熱通量和淡水通量固定不變、風(fēng)應(yīng)力出現(xiàn)季節(jié)振蕩時(shí)，DTC南向流量的季節(jié)變化卻與試驗(yàn)A非常一致。這表明，DTC南向流量的季節(jié)變化也是由風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)振蕩引起的，而熱通量和淡水通量的作用也較小。

圖8　DTC南向流量輸送的季節(jié)變化Fig.8　Seasonal variation of simulated DTC southward transport

綜上所述可知，TC和STC的南、北向輸送以及DTC的南向輸送主要是由風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)振蕩引起的，而熱通量和淡水通量的影響較小。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文基于NEMO模式分別對(duì)TC，STC和DTC經(jīng)向流量的季節(jié)變異機(jī)制進(jìn)行了模擬研究。為了確保模式的可靠性和實(shí)用性，我們首先對(duì)模式的模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，然后運(yùn)用該模式進(jìn)行了一系列敏感性試驗(yàn)，詳細(xì)地模擬研究了風(fēng)應(yīng)力、淡水通量和熱通量場(chǎng)對(duì)TC，STC和DTC季節(jié)變化的影響。敏感性試驗(yàn)表明，TC和STC的南、北向輸送以及DTC的南向輸送主要是由風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)振蕩引起的，而熱通量和淡水通量的影響較小。

[1]LIU Z, PHILANDER S G H, PACANOWSKI R C. A GCM study of tropical-subtropical upper-ocean water exchange[J].Journal of Physical Oceanography, 1994, 24(12): 2606-2623.

[2]MCCREARY J, LU P. Interaction between the subtropical and equatorial ocean circulations: The subtropical cell[J].Journal of Physical Oceanography, 1994, 24(2): 466-497.

[3]LU P, MCCREARY J P, KLINGER B A. Meridional circulation cells and the source waters of the Pacific equatorial undercurrent[J].Journal of Physical Oceanography, 2010, 28(1): 62-84.

[4]LIU H W, ZHANG Q L, DUAN Y L, et al. The three-dimensional structure and seasonal variation of the North Pacific meridional overturning circulation[J].Acta Oceanologica Sinica, 2011, 30(3): 33-42.

[5]MCCREARY J， YU Z. Equatorial dynamics in the 2.5 layer model[J].Progress in Oceanography, 1992, 29(1): 61-132.

[6]WANG Q, LIU Q Y. The study on the Pacific subtropical cell[J].Bulletin of National Science Foundation of China,2000,14(1):1-5. 王啟, 劉秦玉. 太平洋副熱帶經(jīng)圈環(huán)流的研究[J].中國(guó)科學(xué)基金, 2000, 14(1): 1-5.

[7]GU D， PHILANDER S G H. Interdecadal climate fluctuations that depend on exchanges between the tropics and extratropics[J].Science, 1997, 275(5301): 805-807.

[8]KLEEMAN R, MCCREARY J P, KLINGER B A. A mechanism for generating ENSO decadal variability[J].Geophysical Research Letters, 1999, 26(12): 1743-1746.

[9]NONAKA M, XIE S P, MCCREARY J P. Decadal variations in the subtropical cells and equatorial Pacific SST[J].Geophysical Research Letters, 2002, 29(7): 1116, doi:10.1029/2001GL013717.

[10]MCPHADENM, ZHANG D. Slowdown of the meridional overturning circulation in the upper Pacific Ocean[J].Nature, 2002, 415(6872): 603-608.

[11]ZHANG Q, YANG H J, ZHONG Y F, et al. An idealized study of the impact of extratropical climate change on El Nio Southern Oscillation[J].Climate Dynamic, 2005, 25(7): 869-880.

[12]ZHANG L P, WU L X, YU L S. Oceanic origin of a recent La Nia-Like trend in the tropical Pacific[J].Advances in Atmospheric Sciences, 2011，28(5): 1109-1117.

[13]WANG Q， HUANG R X. Decadal variability of pycnocline flows from the subtropical to the equatorial Pacific[J].Journal of Physical Oceanography, 2005, 35(10): 1861-1875.

[14]LEE T, FUKUMORI I. Interannual-decadal variations of tropical-subtropial exchange in the Pacific Ocean: Boundary versus interior pycnocline transport[J].Journal of Climate, 2003, 16(24): 4022-4041.

[15]CAPOTONDI A, ALEXANDER M, DESER C. Why are there Rossby wave maxima in the Pacific at 10°S and 13°N[J]?Journal of Physical Oceanography, 2003, 33(8): 1549-1563.

[16]RONG X Y, ZHANG R H, SU J Z. Numerical study of interannual variations of the subtropical-tropical pycnocline mass exchange in the Pacific Ocean[J].Acta Oceanologica Sinica(in chinese),2011,33(5):9-22. 容新堯, 張人禾, 蘇京志. 副熱帶-熱帶太平洋密躍層水量交換年際變化的模擬研究[J].海洋學(xué)報(bào)(中文版), 2011, 33(5): 9-22.

[17]ARAKAWA A. Computational design for long-term numerical integrations of the equations of atmospheric motion[J].Journal of Computational Physics, 1966, 1(1): 119-143.

[18]BECKMANN A, D?SCHER R. A method for improved representation of dense water spreading over topography in geopotential-coordinate models[J]. Journal of Physical Oceanography, 1997, 27(4): 581-591.

[19]BLANKE B, DELECLUSE P. Variability of the tropical Atlantic ocean simulated by a general circulation model with two different mixed layer physics[J]. Journal of Physical Oceanography, 1993, 23(7):1363-1388.

Numerical Study on the Mechanism of Seasonal Variation of Meridional Overturning Circulation in the North Pacific

LIU Hong-wei1,2,3,4, ZHANG Qi-long1,2,3, DUAN Yong-liang5, XU Yong-sheng1,2,3

(1.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences, Qingdao 266071, China;2.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou 310012, China; 3.KeyLaboratoryofOceanCirculationandWaves,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao 266071, China; 4.LaboratoryforOceanDynamicsandClimate,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao 266237, China;5.CenterforOceanandClimateResearch,TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

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 material and energy exchange. The mechanisms of seasonal variation of TC, STC and DTC meridional transports 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 seasonal variations of southward 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 seasonal changes in the wind stress is the key factor of the seasonal variation of NPMOC, while the heat and freshwater fluxes play a minor role.

North Pacific； meridional overturning circulation； seasonal variation； NEMO

May 11, 2015

2015-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的熱鹽輸送研究(41406012)；衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目——北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的熱量輸送研究(SOED1613)；國(guó)家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目——南海上層海洋熱含量變異對(duì)我國(guó)旱澇的影響研究(GCMAC1501)；中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目——東印度洋爪哇沿岸上升流的變化特征研究(KLOCAW1405)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目——東南印度洋爪哇上升流區(qū)局地海氣耦合過(guò)程對(duì)海表溫度季節(jié)變化的影響研究(ZR2014DP011)；國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目——物理海洋與氣候(U1406401)

劉洪偉(1985-)，女，河北衡水人，助理研究員，博士，主要從事物理海洋方面研究. E-mail: liuhongwei@qdio.ac.cn

徐永生(1970-)，男，山東青島人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事物理海洋、海洋遙感方面研究. E-mail: yongsheng.xu@qdio.ac.cn

(李燕編輯)

P731

A

1671-6647(2016)03-0347-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.004