邵星 楊海軍 李洋 姜睿 姚杰 楊千姿

不同分辨率下青藏高原對大西洋經向翻轉流影響的耦合模式研究

邵星 楊海軍?李洋 姜睿 姚杰 楊千姿

北京大學氣候與海?氣實驗室, 北京大學物理學院大氣與海洋科學系, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: hjyang@pku.edu.cn

利用耦合地球系統(tǒng)模式 CESM1.0, 探究不同分辨率下青藏高原對大西洋經向翻轉流(AMOC)的影響。對比有青藏高原地形與無青藏高原地形的試驗, 發(fā)現(xiàn)移除青藏高原后 AMOC 的變化與模式分辨率有關, 不同分辨率下 AMOC 的變化不一致, 低分辨率試驗中 AMOC 強度降低 89%, 高分辨率試驗中僅降低 13%。產生這種差異的原因是, 不同分辨率下對深水形成有重要貢獻的混合層潛沉位置和強度的變化顯著不同: 低分辨率試驗主要位于格陵蘭海?冰島海?挪威海(GIN), 高分辨率試驗主要位于拉布拉多海, 移除青藏高原后, 高、低分辨率試驗中潛沉均減弱, 但低分辨率試驗中減弱幅度大于高分辨率試驗, 高分辨率試驗中位于拉布拉多海的潛沉強度減弱最明顯, 低分辨率試驗中所有海域的潛沉強度均減弱, GIN 海域尤其明顯。模擬結果與觀測風場數據以及北大西洋深水形成最新觀測結果的對比表明, 在所研究海域, 低分辨率耦合模式的模擬結果更接近觀測值。

青藏高原; 大西洋經向翻轉流(AMOC); 潛沉; 模式分辨率

前人通過移除青藏高原地形的試驗研究, 發(fā)現(xiàn)青藏高原對全球大氣和海洋的運動都有重要影響。Wen[1]等發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原后, 北太平洋?？寺槲脑鰪姾秃Ｋ}度的增加促進該海域深水形成, 從而形成太平洋經向翻轉流。Fallah 等[2]發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原后, 赤道太平洋 Walker 環(huán)流減弱, 導致印度和中國東部的季風降雨減少。姚杰等[3]通過模式試驗發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原會使北半球向極地的海洋經向熱量輸送減弱, 北半球高緯度地區(qū)海表水溫明顯下降, 同時北半球熱帶地區(qū)和北大西洋水汽減少, 南半球熱帶地區(qū)水汽增多。

青藏高原平均海拔在 4000m 以上, 其顯著抬升時期發(fā)生在 800 萬到 1000 萬年前[4]。古氣候研究表明, 作為全球氣候系統(tǒng)關鍵因素之一的大西洋經向翻轉流(Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC)最初出現(xiàn)在 1200 萬年前, 完全建立的時間是在距今 300 萬~400 萬年前的上新世晚期, 且其發(fā)生的海盆構造與現(xiàn)今相近[5]。不難看出, 青藏高原顯著抬升的時間與 AMOC 建立的時間大致相近。前人通過地形敏感性試驗研究發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原地形后, 大氣和海洋的相互作用導致 AMOC 的變化[2,6]。Yang 等[6]發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原后, 東亞經向風的減弱使北半球中緯度西風增強, 從而增強副極地北大西洋向南的?？寺骱捅韺訜崃繐p失; 同時, 熱帶太平洋信風減弱使持續(xù)不斷的水汽從該海域輸送到北大西洋, 使北大西洋表層海水變淡, 引起AMOC 減弱, 而 AMOC 與海冰之間的正反饋最終導致 AMOC 關閉。Fallah 等[2]同樣發(fā)現(xiàn), 在大氣和海洋運動的共同影響下, 亞洲季風與 AMOC 之間存在遙相關關系, 移除青藏高原后, 亞洲季風減弱導致北大西洋反氣旋減弱, 同時北大西洋西南至東北部暖平流的減弱導致 AMOC 減弱。

上述研究證實青藏高原對 AMOC 有著顯著的影響。但是, 耦合模式分辨率提高導致 AMOC 的變化情況仍然不清楚, 涉及青藏高原地形的研究更欠缺。因此, 本文利用高、低分辨率的耦合氣候模式, 探究青藏高原對 AMOC 的影響是否一致, 并初步分析其原因, 進一步明確青藏高原對 AMOC 影響的重要性, 探討模式分辨率的不同是否會導致青藏高原對 AMOC 的影響不同。最后, 將本文模擬結果與觀測資料進行對比, 探究分辨率提高后對氣候要素的模擬是否更準確, 以期為耦合模式的發(fā)展提供一定的參考。

1 模式和試驗設計

本研究使用已廣泛應用并得到驗證[3,6?8]的美國國家大氣研究中心開發(fā)的耦合地球系統(tǒng)模式(Com-munity Earth System Model, CESM1.0)(http://www. cesm.ucar.edu/)。低分辨率對比試驗使用的格點為T31_gx3v7, 大氣模塊 CAM5 垂直方向分為 26 層, 水平分辨率為 3.75°×3.75°(緯度×經度, 下同); 海洋模塊 POP2 垂直方向分為 60 層, 水平格點緯向分布均勻, 間隔為 3.6°, 經向分布不均勻, 在赤道附近間隔為 0.6°, 向兩極逐漸增加, 在 35°N 和 35°S 處達到最大值 3.4°, 然后向兩極高緯地區(qū)逐漸減小。高分辨率對比試驗使用的格點為 f19_gx1v6, 大氣模塊 CAM5 垂直方向分為 26 層, 水平分辨率為 1.9° ×2.5°; 海洋模塊 POP2 垂直方向分為 60 層, 水平格點緯向分布均勻, 間隔為 1.125°, 經向分布不均勻, 在赤道附近的間隔為 0.27°, 向兩極逐漸增加, 在60°N 和 60°S 處達到最大值 0.65°, 然后向兩極高緯地區(qū)逐漸減小。Danabasoglu 等[9]對 POP2 模塊的物理過程做過詳細介紹。兩組對比試驗中, 海冰模塊CICE4 均與海洋模塊 POP2 具有相同的水平格點。CESM1.0 中沒有通量調整。

兩組對比試驗中均包括一個 1900 年的參考試驗(Real)以及一個 400 年的敏感性試驗(NoTibet)。Real 試驗積分到 1000 年達到準平衡態(tài)[6?8]。NoTibet試驗從 Real 試驗的第 1501 年開始積分, 去掉青藏高原地形(海拔降至 50m), 其他條件不變, 積分400 年。300 年后, 高、低分辨率試驗均達到準平衡態(tài)。雖然不能達到絕對的平衡狀態(tài), 但可以認為模式最終狀態(tài)基本上與初始條件無關, 氣候漂移非常小。兩組對比試驗均取最后 100 年(1801—1900 年)的月數據進行分析。檢驗結果表明, 在兩種分辨率耦合模式下, NoTibet 試驗中的變量相對 Real 試驗的變化均顯著, 在本文研究海域都超過 95%的顯著性水平(圖略)。

2 AMOC 的變化

AMOC 強度(AMOC Index)是表征 AMOC 的重要指標, 其定義為大西洋 20°—70°N, 300~2000m深度范圍內流函數的最大值[8]。達到準平衡態(tài)后, Real 試驗中, AMOC Index 在低分辨率試驗中為 18Sv (1Sv=106m3/s), 在高分辨率試驗中為 24Sv, 耦合模式中同時提高大氣和海洋分辨率導致 AMOC增強。NoTibet 試驗中, 移除青藏高原地形后, 低分辨率試驗的 AMOC Index 為 2Sv, 比真實地形下的Real 試驗減少 89%, AMOC 幾乎崩潰, 與文獻[6]中AMOC 強度的變化一致; 高分辨率試驗的 AMOC Index 為 21Sv, 比 Real 試驗減少 13%, AMOC 減弱不明顯。從圖 1(a)可見, 300 年后, 兩組試驗達到準平衡態(tài), AMOC Index 在低分辨率試驗中減少約 16Sv, 在高分辨率試驗中減少 3Sv。由此可見, 青藏高原在低分辨率耦合模式中對 AMOC 具有顯著的影響, 在高分辨率耦合模式中對 AMOC 的影響較小。

圖 1(b)和(c)分別為低分辨率和高分辨率試驗中AMOC 空間模態(tài)的變化?？梢钥闯? 移除青藏高原后, 北大西洋全海盆經向翻轉流減弱, 在副極地北大西洋向下的體積輸送明顯減弱, 但是, 高分辨率試驗的減弱幅度明顯小于低分辨率試驗, 與圖 1(a)中 AMOC Index 的變化相呼應。

3 混合層潛沉變化

學界普遍認為, AMOC 主要是由北大西洋深水(North Atlantic Deep Water, NADW)形成維持的, AMOC 下沉支的水源地可以追溯到北大西洋的高緯度地區(qū), 在那里水質點通過混合層的潛沉進入下層水體[10?14], 所以潛沉過程發(fā)生的區(qū)域即可粗略地認為是 NADW 的形成區(qū)。潛沉過程與混合層的分布有關[14], 北大西洋最深的混合層發(fā)生在 3 月[15], 因此本文取北大西洋 3 月氣候態(tài)平均的混合層深度(mixed layer depth, MLD)進行研究(如果沒有特別交代, 本文中數據變量均為 3 月的氣候態(tài)平均值)。采用 Large 等[16]的方法計算 MLD, 結果如圖 2 所示。對比圖 2(a)和(b)可以看出, Real 試驗中, MLD 極大值的分布在低、高分辨率情況下顯著不同, 低分辨率試驗中主要分布在 GIN 海域, 高分辨率試驗中不僅比低分辨率試驗分布范圍廣, 而且 MLD 值更大, 主要分布在 GIN 海域和拉布拉多海。去掉青藏高原后, 低分辨率試驗中 MLD 在原來出現(xiàn)極大值處均變小(圖 2(c)和圖 2(e)), 高分辨率試驗中 MLD 變小的區(qū)域集中在拉布拉多海(圖2(d)和(f))。

混合層潛沉速率的計算公式[12]如下:

= ??/??b??–b, (1)

其中,為潛沉速率,為混合層深度,b和b分別為混合層底的水平速度分量和垂直速度分量。

為了更好地展示潛沉速率的空間分布, 圖 3(a)~ (d)中將所有計算得出的負值(表示潛涌, 本文不討論)區(qū)域設為 0。對比圖 2 和 3 可以看出, 3 月潛沉速率極大值區(qū)域與 MLD 極大值區(qū)域基本上一致。

低分辨率 Real 試驗(圖 3(a))中, 北大西洋潛沉主要發(fā)生在 GIN 海域, 潛沉速率極大值(超過 300 m/月)出現(xiàn)在冰島西南部海域以及挪威海, 大西洋40°—60°N 海域的潛沉速率相對較小。低分辨率NoTibet試驗(圖 3(c))中, 40°N以北的大西洋海域潛沉速率均有一定程度的減小。原有潛沉最強烈的區(qū)域減小幅度最大, GIN海域比Real試驗減少 100m/月以上, 挪威海和冰島西南部的部分海域減小幅度超過 300m/月(圖 3(e))。因此, 移除青藏高原地形后, 低分辨率試驗中北大西洋潛沉幾乎全部減弱, 造成 NADW 減弱, 最終導致 AMOC 崩潰(圖 1(a)中藍色曲線)。

(a)為 AMOC Index 時間序列, 藍線為低分辨率試驗, 紅線為高分辨率試驗, 兩條曲線均為 NoTibet 試驗減去相應Real 試驗平衡態(tài)的平均值; (b)和(c)分別為低分辨率試驗和高分辨率試驗中 AMOC 空間模態(tài)的變化。NoTibet ? Real

(a)低分辨率Real試驗; (b)高分辨率Real試驗; (c)低分辨率NoTibet試驗; (d)高分辨率NoTibet試驗; (e)低分辨率NoTibet試驗相對于Real試驗的變化(NoTibet ? Real); (f)高分辨率NoTibet試驗相對于Real試驗的變化(NoTibet ? Real)。圖3同

圖3 不同試驗中3月潛沉速率分布

與低分辨率 Real 試驗相比, 高分辨率 Real 試驗(圖 3(b))中潛沉分布范圍更廣, 潛沉速率更大。模式分辨率提高導致潛沉增強, 與Liu等[10]的結論相近。高分辨率 Real 試驗中, 潛沉主要分布在 40°N以北的大西洋、拉布拉多海、丹麥海峽和 GIN 海域, 極大值(超過 300m/月)出現(xiàn)在拉布拉多海。高分辨率 NoTibet 試驗(圖 3(d))中, 變化最明顯的是拉布拉多海, 移除青藏高原導致拉布拉多海的潛沉急劇減弱, 但挪威海、丹麥海峽和冰島西南部的部分海域出現(xiàn)新的潛沉區(qū)域, 這種變化在圖 3(f)中更明顯?？傮w來看, 移除青藏高原后, 高分辨率試驗中北大西洋潛沉的強度響應弱于低分辨率試驗, 潛沉減弱的海域主要為拉布拉多海, 因此高分辨率試驗中AMOC強度的減弱幅度也小于低分辨率試驗。

對圖 3(a)~(d)中北大西洋 40°—80°N, 60°W—20°E范圍內的潛沉海域進行區(qū)域求和, 該區(qū)域潛沉強度(向下的總體積通量)在高分辨率 Real 試驗中為448Sv, 在低分辨率 Real 試驗中為 123Sv, 在高分辨率 NoTibet 試驗中為 300Sv, 在低分辨率 NoTibet試驗為 8Sv。移除青藏高原后, 潛沉強度在高分辨率試驗中減弱 33%, 在低分辨率試驗中減弱 93%, 導致 AMOC 在高分辨率試驗中變化較小, 在低分辨率試驗中幾乎崩潰, 與前面的結論相符。

式(1)中, 右邊第一項?/?表示瞬時混合層深度變化, 第二項b??表示混合層底水平通量, 第三項b表示混合層底的垂直運動。通過計算可知, Real 試驗中, ?/?為潛沉速率的主要貢獻項, 高、低分辨率情況下, 潛沉過程主要由混合層深度的變化控制; 移除青藏高原后, NoTibet 試驗中?/?項仍處于主導地位, 但是占比減少(表1)。

圖 4 和 5 分別展示式(1)中各分量在 Real 和NoTibet 試驗中的空間分布。對比圖 4(a)~(b)與圖3(a)~(b)以及圖 5(a)~(b)與圖 3(c)~(d)可以發(fā)現(xiàn), 由?/?項計算得出的潛沉分布與?/?,b??和b三項相加得出的潛沉分布情況基本上一致。從表 1看出, 對于該海域 3 月的潛沉過程, 高分辨率 Real 試驗中,b??項的貢獻僅次于?/?項, 移除青藏高原后,b??項的貢獻占比減少,b項的貢獻略有增加; 低分辨率 Real 試驗中,b項的貢獻占次要地位, 移除青藏高原后,b項的貢獻占比減少,b??項的貢獻占據次要地位。

已有研究表明, 在高緯地區(qū), 對潛沉影響較大的是b??項[11?12], 上述研究主要針對年潛沉速率, 忽略了?/?項的作用。本文僅粗略地計算北大西洋3月的潛沉速率(潛沉速率極大值在北大西洋主要發(fā)生在3—4月很短的時間內[12?14]), 不僅?/?項占主導地位, 3月的潛沉速率也明顯比前人得出的年潛沉速率大, 與Thomas等[14]計算月潛沉速率得出的結論相似。Thomas等[14]進一步指出, 潛沉的強度取決于MLD, 存在強烈的季節(jié)循環(huán), 年潛沉強度明顯比月潛沉強度小。同時, 數據的選取范圍不同或時間不同, 也會導致?/?,b??和b三項的主次地位不同[10]。

4 海表浮力變化

移除青藏高原后, 在 40°—80°N 的大面積海域, 高、低分辨率試驗中均出現(xiàn)海表溫度(sea surface temperature, SST)降低(圖 6(a)和(b))、海表鹽度(sea surface salinity, SSS)減小(圖 6(c)和(d))以及海表密度(sea surface density, SSD)減小(圖 6(e)和(f))的現(xiàn)象, 但是低分辨率試驗中海表浮力變化幅度大于高分辨率試驗, 這與前面 AMOC 在高、低分辨率試驗中變化幅度不同的結果相呼應。

低分辨率試驗中, SST 降低的海域主要為挪威海至北大西洋東北部, 降溫極大值出現(xiàn)在冰島東南部海域, 降低幅度超過 10℃; SSS 減小的海域為挪威海、冰島東部至北海, 極大值出現(xiàn)在北海, 減小幅度超過 4 PSU; SSD 減小的海域與 SSS 相似, 極大值在北海。

高分辨率試驗中, SST 降低的海域主要為 GIN海域、拉布拉多海、北大西洋中部至丹麥海峽, 降溫極大值出現(xiàn)在拉布拉多海和 60°N 的大西洋中部, 降低幅度達到 8℃; SSS 減小的海域主要為 GIN 海域、拉布拉多海、北大西洋中部至丹麥海峽, 極大值出現(xiàn)在拉布拉多海和 60°N 的大西洋中部, 減小幅度約為 2 PSU; SSD 減小的海域同樣與 SSS 相似。

從圖 6 不難看出, 在 SST 和 SSS 的共同作用下, SSD 減小, 導致海水變輕, 混合層深度變小(圖 2(e)和(f))。在高緯度地區(qū), 與 SST 相比, SSS 對 SSD 的影響更大[6]。由于 3 月的潛沉速率主要受?/?項的影響, 移除青藏高原使得 MLD 變小, 因此潛沉變弱(圖 3(e)和(f)), NADW 形成減弱, 從而導致 AMOC減弱。對比圖 6(e)~(f)與圖 3(a)~(b)發(fā)現(xiàn), SSD 減弱區(qū)域在主要潛沉區(qū)域(低分辨率試驗中為 GIN 海域, 高分辨率試驗中為拉布拉多海)最明顯, 且高分辨率試驗的減小幅度小于低分辨率試驗, 故高分辨率試驗中潛沉強度的減弱幅度也小于低分辨率試驗, 導致 AMOC 的減弱幅度小于低分辨率試驗(圖1)。

表1 不同試驗中潛沉速率各分量強度(Sv)

(a)低分辨率試驗中?h/?t 項; (b)高分辨率試驗中?h/?t 項; (c)低分辨率試驗中 ub??h項; (d)高分辨率試驗中 ub??h項; (e)低分辨率試驗中 wb項; (f)高分辨率試驗中wb項。圖5同

圖5 NoTibet試驗中式(1)各分量的分布

5 海冰和風應力變化

模式格點內海冰面積的占比為 15%的等值線即為海冰邊界線[6,8]。對比圖 7(a)~(b)與圖 3(a)~(b)可以發(fā)現(xiàn), 海冰邊界出現(xiàn)在潛沉極大值附近, 在高分辨率試驗中表現(xiàn)尤其明顯。移除青藏高原后, 兩組試驗中北大西洋海冰均向南擴張。

低分辨率試驗中, 冰島南部海域海冰邊界(圖7(c)和(e)中紅線)向南擴張顯著, 由于增強的西風(圖 8(c)和(e)中矢量箭頭), 導致該海域產生偏南方向的 Ekman 輸送增強, 海冰向東南方向移動(圖 7 (c)中矢量箭頭)。海冰攜帶冷而淡的海水進入北大西洋, 使得該海域 SSS 減小, 進而導致 SSD 減小, 潛沉過程減弱, 最終 AMOC 減弱。同時, 海冰運動到溫度略為升高的海面后進一步融化(圖 7(c)中填色區(qū)域), 海水密度減小, 從而導致潛沉繼續(xù)減弱, AMOC 進一步減弱。這種 AMOC 和海冰之間的正反饋過程與前人的研究結果[6,8]相似。GIN 海域海冰邊界向南擴張, 主要由 AMOC 減弱后向北的經向熱量輸送減弱導致[2?3]。由此可見, 海冰的變化并不是導致 AMOC 變化的直接原因, 而是移除青藏高原后 AMOC 變化的結果。

(a)低分辨率試驗中 SST; (b)高分辨率試驗中 SST; (c)低分辨率試驗中 SSS; (d)高分辨率試驗中 SSS; (e)低分辨率試驗中 SSD; (f)高分辨率試驗中 SSD。NoTibet ? Real

(a)低分辨率Real試驗; (b)高分辨率Real試驗; (c)低分辨率NoTibet試驗; (d)高分辨率NoTibet試驗; (e)低分辨率 NoTibet 試驗相對于Real試驗的變化(NoTibet ? Real); (f)高分辨率 NoTibet 試驗相對于 Real試驗的變化(NoTibet ? Real)。填色區(qū)域正值表示海冰生成, 負值表示海冰融化; 綠線為 Real 試驗中海冰邊界, 紅線為NoTibet試驗中海冰邊界

高分辨率試驗中, 海冰邊界變化最明顯的區(qū)域為拉布拉多海和 GIN 海域(圖 7(d)和(f)中紅線), 丹麥海峽變化較小。對比圖 7(e)與(f)可知, 除拉布拉多海外, 高分辨率試驗中其余海域的海冰向南擴張的程度均小于低分辨率試驗, 與前面移除青藏高原后高分辨率試驗中 AMOC 減弱幅度小于低分辨率試驗相呼應。從圖 7(f)看出, 移除青藏高原后, 拉布拉多海的海冰向東南移動速度增大, 海冰擴張并融化, 導致該區(qū)域 SSD 減小, 進一步減弱AMOC。

(a)低分辨率Real試驗; (b)高分辨率Real試驗; (c)低分辨率NoTibet試驗; (d)高分辨率NoTibet試驗; (e)低分辨率NoTibet試驗相對于Real試驗的變化(NoTibet ? Real); (f)高分辨率NoTibet試驗相對于Real試驗的變化(NoTibet ? Real)。填色區(qū)域正值表示向上, 負值表示向下

移除青藏高原后, 北大西洋出現(xiàn)西風異常(圖8(e)和(f)中矢量箭頭), 加強的西風導致向南的Ekman 輸送將更多的高緯度地區(qū)冷水向低緯度地區(qū)輸送, 并導致該海域的海冰向南運動。這一結果與Cessi[17]的結論基本上相似, 不同的是高分辨率試驗中西風強度的變化幅度大于低分辨率試驗, 導致海冰的移動速度大于低分辨率試驗(圖 7(e)和(f))。西風加強的同時, 表層海水混合作用加強。對比圖 8 (e)~(f)與圖 7(e)~(f)可以發(fā)現(xiàn), 向上的?？寺槲惓е孪聦优蛏蠑U散, 海冰融化增強。同時, 從圖 8(a)~(d)可以看出, 移除青藏高原后, 海表風應力和埃克曼抽吸的空間分布變化不明顯。

6 模式數據和觀測數據

圖 9(a)為美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)國家環(huán)境預測再分析信息中心(National Center for Environmental Prediction Reanalysis Information) (https://www.esrl.noaa.gov/psd/)的近地面風場(水平分辨率: 2.5°×2.5°; 時間: 1979—2018 年)以及國際海洋大氣綜合數據集(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) (http://www.esrl.noaa. gov/psd/)中由海表風應力(水平分辨率: 2°×2°; 時間: 1979—2018 年)計算得到的?？寺槲哪昶骄怠Ρ葓D 9(b)與(c)可知, 低分辨率 Real 試驗中近地面風場更接近觀測值, 高分辨率 Real 試驗中近地面風場與實測結果差距較大, 格陵蘭島高壓系統(tǒng)明顯增強; 與觀測值相比, 高分辨率 Real 試驗中?？寺槲膹姸让黠@增大, 尤其是拉布拉多海最為明顯。海表風場和埃克曼抽吸的變化會對深水形成造成一定的影響, 高分辨率試驗中拉布拉多海域的?？寺槲M偏差較大, 這可能是該海域深水形成比低分辨率試驗模擬結果差異大的原因之一。

(a)觀測值; (b)低分辨率Real試驗; (c)高分辨率Real試驗

另外, 一項 2014 年開始部署的副極地北大西洋翻轉觀測計劃(OSNAP)[18]中較長時間的實際觀測資料表明, 影響 AMOC 變化的 NADW 形成區(qū)域不在拉布拉多海, 而在伊爾明厄和冰島海域, 即本文中低分辨率試驗中的主要潛沉區(qū)域。

綜上所述, 在本文研究海域, 同時提高大氣和海洋分辨率的高分辨率耦合模式試驗結果與觀測結果的偏差較大, 而低分辨率耦合模式的試驗結果與觀測結果更接近。

7 結論和討論

7.1 結論

本研究利用耦合地球系統(tǒng)模式 CESM1.0, 設計高、低分辨率兩組對比試驗, 探析不同分辨率耦合模式下青藏高原對 AMOC 的影響, 并初步解釋其原因, 結論如下。

1)青藏高原對 AMOC 的影響與耦合模式的分辨率有關, 在低分辨率耦合模式中, 青藏高原對AMOC有顯著的影響; 在同時提高大氣和海洋分辨率的高分辨率耦合模式中, 青藏高原對 AMOC 的影響較小。移除青藏高原后, AMOC 強度在低分辨率試驗中減弱 89%, AMOC 幾乎崩潰; 在高分辨率試驗中減弱不明顯, 只有 13%。

2)在不同分辨率耦合模式中, AMOC 對移除青藏高原地形的響應不一致, 主要是由對 NADW 形成有重要貢獻的潛沉過程不一致造成的。低分辨率試驗中, 3 月的潛沉過程主要發(fā)生在 GIN 海域, 移除青藏高原后, GIN 海域潛沉速率均有一定程度的減小; 高分辨率試驗中, 3 月的潛沉主要發(fā)生在 40°N以北的大西洋、拉布拉多海、丹麥海峽和 GIN 海域, 移除青藏高原后, 拉布拉多海的潛沉減弱最明顯。移除青藏高原后, 高分辨率試驗中潛沉強度減弱 33%, 低分辨率試驗中減弱 93%, 與 AMOC 強度的變化相呼應。

3)移除青藏高原后, 北大西洋 3 月 SST, SSS和 SSD 均下降, 北大西洋海表變冷, 變淡, 變輕, 海冰邊界向南擴張, 但是高分辨率試驗中變化幅度均小于低分辨率試驗, 與 AMOC 在高、低分辨率試驗中的變化幅度不同相呼應。北大西洋海表西風異常, 在風應力作用下, 海冰攜帶淡水向南擴張進入北大西洋, SSD 進一步減小, 潛沉作用進一步變弱, 從而導致 AMOC 進一步減弱。

4)在本文研究海域, 低分辨率耦合模式的試驗結果與觀測結果更接近, 更加可信。

7.2 討論

青藏高原使 AMOC 得以存在, 移除青藏高原后, 不同研究者得到的結果中 AMOC 的變化卻不盡相同。Fallah 等[2]的研究中 AMOC 強度約減弱 30%, 而 Yang 等[6]的研究中 AMOC 幾乎崩潰。這種差異的產生可能與試驗設置有關, 同樣使用 CESM1.0 模式, 前者將青藏高原海拔降低為 500m, 后者將青藏高原海拔降低為 50m; 也可能與模式的分辨率有關, 兩者使用的大氣分辨率相同(均為 3.75°×3.75°), 海洋分辨率略有不同(前者緯向分布均勻(2.8125°), 經向分布不均勻, 10°N—10°S 之間約為 0.5°, 其余約為 2.8125°; 后者與本文低分辨率試驗相同)。然而, 兩者均得出移除青藏高原后 AMOC 減弱、北大西洋 SST 降低的結論。姚杰等[3]采用與 Yang 等[6]相同的地形設置和模式分辨率, 得出移除青藏高原后北大西洋 SST 降低的結論。本文低分辨率試驗模式和設置與姚杰等[3]和 Yang 等[6]相同, 同樣得出移除青藏高原后北大西洋 SST 降低、AMOC 幾乎崩潰的結論。

本文在低分辨率試驗的基礎上, 高分辨率試驗中同時提高大氣和海洋的分辨率, 發(fā)現(xiàn)移除青藏高原后 AMOC 變化較小。AMOC 在不同分辨率耦合模式中對移除青藏高原的響應不一致, 主要是因為移除青藏高原地形后高、低分辨率試驗中混合層潛沉變化不一致造成的。在本文 Real 試驗中, 同時提高大氣和海洋的分辨率導致 AMOC 增強。Sein 等[19]利用比本文高分辨率試驗更高分辨率(低分辨率: 大氣為 1.9°×1.9°, 海洋在全球大部分區(qū)域為 1°, 在赤道帶為 1/3°, 在 50°N 以北為 25km; 高分辨率: 大氣為 0.9°×0.9°, 海洋在局部渦旋解析分辨率的基礎上, 水平分辨率根據觀測到的海面高度變化而變化, 最粗約為 60km, 最細約為 10km)的模擬數據進行研究, 發(fā)現(xiàn)耦合模式分辨率提高導致 AMOC 增強需要在提高海洋分辨率的同時降低大氣分辨率, 而大氣分辨率的提高會使 AMOC 減弱。不難看出, 海洋和大氣分辨率的提高對 AMOC 的影響是非常復雜的, 可能是相互獨立的。

在本文研究海域以及試驗設置下, 低分辨率耦合模式的試驗結果更接近觀測值。然而, 本研究也存在一定的局限性, 試驗設置中同時提高大氣和海洋的分辨率, 未探討單獨提高大氣或海洋分辨率對AMOC 的影響。同時, 將兩組試驗的風場數據與觀測結果進行比較時, 試驗結果與實測數據分辨率的不同, 也可能是產生誤差的原因之一。

本文有青藏高原地形的 Real 試驗中, 潛沉過程仍然存在顯著的差別, 高分辨率試驗中潛沉主要發(fā)生在拉布拉多海, 低分辨率試驗中主要發(fā)生在 GIN海域。由此可見, 因耦合模式分辨率不同, 造成潛沉過程模擬結果存在差異, 從而導致深水形成的差異。Hodson 等[20]對比兩組試驗數據(低分辨率大氣為 1.25°×1.875°, 海洋緯向分布均勻, 為 1°, 經向分布不均勻, 從 30°N 和 30°S 至極地為 1°, 從 30°N 和30°S 向赤道逐漸增加到 1/3°; 高分辨率大氣為 0.83° ×1.25°, 海洋為 1/3°×1/3°)后發(fā)現(xiàn),北大西洋的深水形成區(qū)域在高分辨率試驗中位于拉布拉多海和 GIN海域北部, 在低分辨率試驗中位于 GIN 海域和拉布拉多海, 拉布拉多海在兩種分辨率模式中都有深水形成。雖然 Hodson 等[20]用更高分辨率的耦合模式模擬出深水形成的位置, 但與 Lozier 等[18]最新的觀測結果仍然存在顯著的差異, 尤以拉布拉多海最為明顯。

耦合模式水平分辨率的提高會使海岸線和海底地形的模擬更準確。本文高分辨率試驗中, 由于將GIN 海域的部分海脊模擬出來, 導致海域之間的連通性變差, 海水的流動受到地形的阻擋(圖略)。冰島海和挪威海在移除青藏高原后出現(xiàn)異常的深水區(qū)域可能與此有關, 而低分辨率耦合模式中不存在這種異常情況。另外, Jung 等[21]發(fā)現(xiàn), 在大氣模式中, 提高水平分辨率有助于更好地模擬溫帶氣旋, 但在墨西哥灣流地區(qū), 此結論并不成立, 并且隨著分辨率的提高, 研究對象對分辨率的敏感性將降低。由此可見, 模式分辨率的精細化并不一定能將所有大氣或海洋運動模擬得更準確。分辨率提高產生的效果可能取決于初始分辨率的選取范圍, 也可能與模式的選取、研究區(qū)域的范圍以及時間尺度有關。當前, 氣候模式的分辨率對其保真度產生根本性的限制, 耦合模式分辨率的提高是否意味著對真實世界的氣候模擬更準確? 究竟哪一種分辨率模式的結果更可信? 了解分辨率的提高如何影響氣候模擬結果是一個值得深入研究的問題, 對耦合模式的發(fā)展具有重要意義。

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Coupled Model Studies of the Tibetan Plateau Effect on the Atlantic Meridional Overturning Circulation under Different Resolutions

SHAO Xing, YANG Haijun?, LI Yang, JIANG Rui, YAO Jie, YANG Qianzi

Laboratory for Climate and Ocean-Atmosphere Studies, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: hjyang@pku.edu.cn

The effect of Tibetan Plateau on the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) under different resolutions is studied using the coupled Community Earth System Model (CESM1.0). Comparation of the results with and without the Tibetan Plateau tests shows that the changes of AMOC after the removal of the Tibetan Plateau are related to the resolution of the model. Under different resolutions, the changes of AMOC are inconsistent: AMOC Index decreases by 89% in the low resolution test, but only by 13% in the high resolution test. The reason for this difference is that there are significant differences in the changes of location and strength of the mixed layer subduction, which contributes to the deep water formation under different resolution test:the low resolution test is mainly located in the GIN seas, while the high resolution test is mainly located in the Labrador Sea.After removing the Tibetan Plateau, the subduction of both tests decreases, but the decrease of the low resolution test is larger than that of high resolution test.The subduction in the Labrador Sea of high resolution test decreases the most obviously, while the subduction in all sea areas decreases in the low resolution test, especially in the GIN seas. Comparation of the observed wind data and latest observational studies of deep water formation area over the North Atlantic shows that the results of low resolution coupled model are more similar to the actual observations in the seas studied in this paper.

Tibetan Plateau; Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC); subduction; model resolution

10.13209/j.0479-8023.2020.092

2020?01?10;

2020?05?14

國家自然科學基金(91737204, 41376007, 41725021)資助