北太平洋副热带潜沉率及其变化中海面风的作用

采用中国科学院大气物理研究所的高分辨率逐日风场驱动的全球海洋模式(LICOM1·0)对北太平洋海域的潜沉(Subduction)过程和副热带模态水形成区潜沉率的年际变化进行了数值模拟,并将模拟结果与同化的海洋模式资料(SODA)进行了比较。研究结果表明,该高分辨率的海洋模式对北太平洋的绝大部分海域晚冬混合层底水质点的运动方向和路径的数值模拟结果较好,模式模拟的副热带环流比SODA资料中的副热带环流流速强;模式模拟的混合层深度比SODA资料中的混合层深度深,更接近观测;模式中副热带海域的潜沉率大于SODA资料中的副热带海域的潜沉率。模式结果表明,副热带环流和副极地环流交界处是潜沉过程发生的最主要区,该区气候平均的潜沉率超过100m/a,最大为150m/a,海面风变异引起的海洋平流的年际和年代际变化,是该区潜沉率发生年际和年代际变化的主要原因;在太平洋副热带东部模态水形成区,气候平均的潜沉率超过50m/a,在该区潜沉率的年际变化中,局地风应力旋度决定的Ekman抽吸要比海洋平流效应更加重要。     

太平洋海气界面净热通量的季节、年际和年代际变化

根据 COADS资料 ,使用经验正交分解 (EOF)等分析方法 ,研究了北太平洋海气热通量的季节、年际和年代际变化特征。分析结果表明 :北太平洋海洋夏季净得热 ,冬季净失热 ,且黑潮及其延伸体区失热最大。净热通量年际变化较明显 ,北太平洋西部模态水形成区冬季净热通量和副热带失热区春季净热通量的年际变化都主要依赖于潜热和感热通量的年际变化。夏季净热通量的低频变化中心在热带 ,冬季低频变化中心在黑潮及其延伸体区。冬季赤道东、西太平洋净热通量异常的年际变化相反 ;在热带北太平洋中部年际变化达到最大。夏季热带太平洋是净热通量异常的年际变化最大的海域 ,沿赤道两侧在 16 5°E处呈偶极子型分布。     

北太平洋副热带模态水形成区混合层热动力过程诊断分析

利用NCEP海洋数据和COADS海气通量资料,通过诊断分析,揭示了海表热力强迫、垂直夹卷、埃克曼平流和地转平流效应在北太平洋副热带模态水形成过程中的贡献。研究表明,在北太平洋副热带3个模态水形成海域冬季混合层降温过程中,海表热力强迫和垂直夹卷效应是主导因素,二者的相对贡献分别约为67%和19%(西部模态水)、53%和21%(中部模态水)、65%和30%(东部模态水);并且在东部模态水形成海域,埃克曼平流和地转平流皆是暖平流效应,而在西部和中部模态水形成海域,仅有地转平流是暖平流效应。进一步的分析表明,海洋平流(地转平流、埃克曼平流)对北太平洋副热带模态水形成海域秋、冬季混合层温度的年际、年代际异常有显著影响,在西部模态水形成海域,海表热力强迫(62%)和地转平流(32%)是导致混合层温度年际、年代际变化的主要因子;在中部模态水形成海域,混合层温度的年际、年代际变化是埃克曼平流(32%)、地转平流(30%)和海表热力强迫(25%)共同作用的结果;相对而言,东部模态水形成海域混合层温度的年际、年代际异常主要受海表热力强迫(67%)控制。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅱ.年代际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟,分析了北太平洋海温和环流场的年代际变化特征,同时诊断了1976-77年代际跃变过程中海温场变化的机制.模式模拟出了北太平洋海温年代际异常的主要模态以及1976-77年跃变前后的演变特征,模拟的北太平洋中部、加州沿岸和KOE区的海温异常的强度和演变趋势均和观测比较一致;同时,模式重现了分别始于20世纪70和80年代的中纬度海温异常信号沿等密度面向低纬地区的两次潜沉过程.在表层,流场的异常主要表现为与风应力异常基本符合Ekman关系的一个异常海洋涡旋,而整个上层海洋平均的流场异常则表现为两个海洋涡旋的异常,其中副热带海洋涡旋的异常的强度要显著于副极地海洋涡旋的异常,而副极地海洋涡旋异常出现的时间比副热带海洋涡旋晚3a左右的时间.对1976-77年前后3个区域上层海温各贡献项的诊断结果表明,北太平洋中部变冷主要是水平平流和热通量异常贡献的结果;而加州沿岸变暖主要归因于热通量的贡献;在KOE区,垂直平流、热通量和水平平流三者都起了重要作用,其中水平平流异常对这一区域海温年代际跃变出现的时间起了至关重要的作用.     

太平洋副热带东部模态水的年际变化及机制研究

根据2004—2014年的全球海洋Argo网格数据集(BOA_Argo)和ECMWF ERA-Interim再分析资料,计算了冬季太平洋副热带东部海区的水团变性率及水团形成率,对南北太平洋副热带东部新生成模态水的年际变化及其形成机制进行了研究。结果表明:北太平洋副热带东部模态水(NPESTMW)和南太平洋副热带东部模态水(SPESTMW)的新生成体积及核心密度在2004—2014年具有明显的年际变化:NPESTMW主要经历了2005—2009年和2010—2013年2次持续4～5a的体积和密度增加过程,其中体积最大值出现在2009年,最小值则出现在2005和2014年。南半球SPESTMW则经历了2007—2009年和2010—2013年共两次持续3～4a的体积和密度减小过程,其中体积的最小值出现在2009、2013年,最大值出现在2010年。合成分析发现,由冬季海面热通量异常引起的深混合层内与模态水密度相当的水团表层形成率异常,可能是导致NPESTMW和SPESTMW新生成水体积年际变化的重要因素;同时,SPESTMW新生成水的年际变化受局地风应力旋度的年际变化影响明显。     

北太平洋副热带中部模态水潜沉区的热收支———个全球海洋模式数据的结果

使用一个全球海洋环流模式的18 a(1993～2010 年)数据, 对北太平洋副热带中部模态水(CMW)潜沉区混合层内热收支的空间分布状况及其季节和年际变率特征进行了分析, 并重点讨论了热收支与太平洋年代际震荡(PDO)之间的相互关联。结果表明, CMW 潜沉区的热收支是海表热力强迫与海洋动力过程之间的平衡。其中混合作用, 特别是湍流扩散是海洋动力过程的主要分量, 对该海区混合层内部的热量耗散起到关键的作用。该海区的热收支具有显著的季节变化信号, 在春夏季与秋冬季存在明显的差异。热收支的年际变化与PDO 的超前滞后相关性分析表明, 该海区的混合层温度(MLT)具有显著的PDO 信号, 同时 PDO 与 MLT 两者随时间的变化信号( ?[P]/?t 与?[T]/?t )之间也有强相关性。?[P]/?t与海表热力强迫项(SEF)显著的相关性表明, SEF 可能会对PDO信号的产生及变化过程产生重要的影响;?[P]/?t 与夹卷项的高相关性则间接证明潜沉的 CMW 的温度存在 PDO 信号; 作为海洋动力过程的主体, 扩散项和平流项均会对PDO 信号变化做出滞后响应。本研究增进了对CMW 潜沉区混合层内海水温度变化特征的认识。     

全球百年海表面温度年际和年代际变化特征分析

利用100 a(1903—2002年)HadiSST的逐月资料,将全球海表面温度异常(SSTA)作为整体进行经验正交函数分解(EOF分解),提取了控制各大洋SSTA的主导模态和各大洋之间的联合模态,分析了相应的空间分布和时间序列。研究结果表明:SSTA变化最剧烈的海区是赤道中东太平洋、西北大西洋湾流海区和北太平洋黑潮延伸体海区。热带太平洋厄尔尼诺和南方涛动是主导模态并具有2~7 a周期的年际变化;SSTA变化第二主模态和第三主模态都是以大约70 a为周期的年代际变化为主的跨大洋联合模态。第二主模态的空间分布主要表现为中纬度北太平洋和北大西洋反位相、热带太平洋与大西洋反位相的太平洋-大西洋双偶极子型分布。SSTA变化的第三模态主要呈现南北半球海洋反位相的特征,为北太平洋-北大西洋-南大洋联合模态。第四模态基本上是反映各个不同海域特有的局地海洋-大气相互作用模态,该模态的时间序列具有1~4 a周期的年际变化和约9 a周期的年代际变化。     

北太平洋副热带模态水盐度的年代际变化

副热带模态水(Subtropical Mode Water;STMW)在气候变化中起着重要作用。本文利用全球高分辨率数值模拟结果,研究了北太平洋STMW核心层盐度(Core Layer Salinity;CLS)的年代际变化及其物理机制。结果表明,CLS存在显著的年代际变化,其空间分布则与背景流场分布特征有关。侵蚀区CLS滞后生成区CLS约1~2年,这主要是海流平流输运引起的。生成区内,STMW的季节循环一般可分为生成期(12-4月)、隔离期(5-6月)和侵蚀期(7-11月),生成期混合层盐度(Mixed Layer Salinity;MLS)决定着隔离期和侵蚀期的CLS,而MLS年代际变化则主要由同太平洋年代际涛动存在负相关性的海表面淡水通量的变化引起。     

太平洋年代际变化研究进展浅析

综述了近几年太平洋年代际变化形成机制或起因的7种代表性观点,对已有观点作了初步评述,并提出未来太平洋年代际变化研究应关注以下方面:太平洋年代际变化的多重模态及相应的多重机制,不同时空尺度海洋现象间的相互作用,南太平洋年代际变化及在全太平洋年代际变化中的作用,ENSO与PDO的预测,海洋环流的年代际变化及其对气候变化的作用,海洋热能、机械能的收支及转换等关键问题.     

南太平洋和南印度洋亚南极模态水潜沉率的长期变化趋势

亚南极模态水(sub-Antarctic mode water,SAMW)的潜沉过程与全球变暖减缓现象密切相关。为了增进对亚南极模态水长期变化特征的认识,使用一个高分辨率长时间序列的海洋模式数据对SAMW的潜沉率变化趋势的空间分布进行了系统地分析。结果显示,在1958~2016年间,SAMW的潜沉量在南太平洋和南印度洋在长时间段上存在着相反的趋势变化,即在南太平洋增大,在南印度洋减少,这与已有研究结果相符。但进一步的分析发现,SAMW潜沉量的空间分布存在着明显的差异。在南印度洋,其北部潜沉区的潜沉率仅有很微弱的上升趋势,而位于南部潜沉区的潜沉率则有明显的下降趋势。与此同时,在南太平洋中,其西部潜沉区的潜沉率趋势非常小,而东部潜沉区的水的潜沉有明显上升的长期趋势。总体而言,密度较大的SAMW潜沉水团比密度较小的潜沉水团表现出更显著的长期变化的趋势。南部变化趋势明显的潜沉水量大概占总潜沉水量的60%,由此可知SAMW的总体趋势更多地来自其南部密度更大的潜沉区的贡献。进一步的分析表明,SAMW潜沉区的混合层的长期变化趋势与潜沉率的长期变化趋势之间存在较为一致的空间分布。其中,在南太平洋,东侧潜沉区的混合层的长期增大趋势,主要由于风应力增大的作用,而西侧潜沉区的混合层的长期减小趋势,则主要因为海表浮力强迫的控制;在南印度洋,南侧潜沉区的潜沉率长期减小趋势更多的是受到浮力强迫的影响,而西北部的潜沉率长期增加趋势则主要由风应力增强导致的。     

Seasonal and interannual variation of North Pacific Subtropical Mode Water in 2003–2006

Temperature and salinity data from 2003 through 2006 from Argo profiling floats have been analyzed to examine the formation and circulation of the North Pacific Subtropical Mode Water (STMW) and the interannual variation of its properties over the entire distribution region. STMW is formed in late winter in the zonally-elongated recirculation gyre south of the Kuroshio and its extension, which extends north of ∼28°N, from 135°E to near the date line. The recirculation gyre consists of several anticyclonic circulations, in each of which thick STMW with a characteristic temperature is formed. After spring, the thick STMW tends to be continually trapped in the respective circulations, remaining in the formation region. From this stagnant pool of thick STMW, some portion seeps little by little into the southern region, where southwestward subsurface currents advect relatively thin STMW as far as 20°N to the south and just east of Taiwan to the west. The STMW formed in the recirculation gyre becomes colder, less saline, and denser to the east, with an abrupt change of properties across 140°E and a gradual change east of 140°E. The STMW formed east of 140°E exhibits coherent interannual variations, increasing its temperature by ∼1°C from 2003 through 2006 and also increasing its salinity by ∼0.05 from 2003 through 2005. These property changes are clearly detected in the southern region as far downstream as just east of Taiwan, with reasonable time lags.     

Long-term change and variation of salinity in the western North Pacific subtropical gyre revealed by 50-year long observations along 137°E

The 137°E repeat hydrographic section for 50 winters during 1967–2016 has been analyzed to examine interannual to interdecadal variations and long-term changes of salinity and temperature in the surface and intermediate layers of the western North Pacific, with a particular focus on freshening in the subtropical gyre. Rapid freshening on both isobars and isopycnals began in the mid-1990s and persisted for the last 20 years in the upper main thermocline/halocline in the western subtropical gyre. In addition, significant decadal variability of salinity existed in the subtropical mode water (STMW), as previously reported for the shallower layers. An analysis of the 144°E repeat hydrographic section during 1984–2013 supplemented by Argo profiling float data in 2014 and 2015 revealed that the freshening trend and decadal variability observed at 137°E originated in the winter mixed layer in the Kuroshio Extension (KE) region and was transmitted southwestward to 137°E 1–2 years later in association with the subduction and advection of STMW. The mechanism of these changes and variations in the source region was further investigated. In addition to the surface freshwater flux in the KE region pointed out by previous studies, the decadal KE variability in association with the Pacific Decadal Oscillation likely contributes to the decadal salinity variability through water exchange between the subtropics and the subarctic across the KE. Interdecadal change in both the surface freshwater flux and the KE state, however, failed to explain the rapid freshening for the last 20 years.     

北太平洋副热带西部模态水年代际变化特征及其机制分析

采用来自大洋环流模式ECCO2 (the estimating the circulation and climate of the ocean, phase II project)的再分析数据对1992—2019年北太平洋副热带西部模态水(subtropical mode water, STMW)的年代际变化特征及机制进行了分析。结果表明:STMW形成体积具有显著的年代际变化,于1992—1997年、2000—2005年和2011—2017年期间为正异常,而于1998—1999年和2006—2010年期间为负异常,由晚冬生成区混合层体积的年代际变化引起。STMW形成厚度和面积均呈现类似的年代际变化。合成分析表明, STMW形成体积正异常期间,黑潮延伸体上游南侧STMW生成区,海表涡动能相对负异常期间减小,同时预先层结相对负异常期间减弱,并伴随着海表高度异常。通过混合层收支分析发现,混合层形成体积年代际变化与海洋预先层结调控的混合层底卷吸作用变化同步且大小相当,而与海气形成率变化无关。增强(减弱)的海洋预先层结通过调控STMW形成区冬季混合层底卷吸过程,阻碍(促进)冬季混合层加深,最终使得STMW形成体积减少(增加)。进一步分析表明, STMW形成体积年代际变化受与太平洋年代际涛动相关的风应力旋度异常的远场调控。     

Variability in upper-ocean salinity stratification in the tropical Pacific Ocean

Using a gridded array for real-time geostrophic oceanography(Argo) program float dataset, the features of upperocean salinity stratification in the tropical Pacific Ocean are studied. The salinity component of the squared Brunt-V?is?l? frequency N~2( N_S~2) is used to represent salinity stratification. Layer-max N_S~2(LMN), defined as the N_S~2 maximum over the upper 300 m depth, and halocline depth(HD), defined as the depth where the N_S~2 maximum is located, are used to specifically describe the intensity of salinity stratification. Salinity stratification in the Topical Pacific Ocean has both spatial and temporal variability. Over the western and eastern equatorial Pacific, the LMN has a large magnitude with a shallow HD, and both have completely opposite distributions outside of the equatorial region. An obvious seasonal cycle in the LMN occurs in the north side of eastern equatorial Pacific and freshwater flux forcing dominates the seasonal variations, followed by subsurface forcing.At the eastern edge of the western Pacific warm pool around the dateline, significant interannual variation of salinity stratification occurs and is closely related to the El Ni?o Southern Oscillation event. When an El Ni?o event occurs, the precipitation anomaly freshens sea surface and the thermocline shoaling induced by the westerly wind anomaly lifts salty water upward, together contribute to the positive salinity stratification anomaly over the eastern edge of the warm pool. The interannual variations in ocean stratification can slightly affect the propagation of first baroclinic gravity waves.     

中国多金属结核开辟区仔稚鱼的分布特征

利用 1 997年～ 1 999年“大洋一号”调查船在中国多金属结核开辟区用邦哥网所采集的样品 ,对仔稚鱼的种类组成、密度的平面分布和年间变化及其与环境因子的关系进行了研究。结果表明 :中国开辟区共有 2 2科 6 1种仔稚鱼 ,其中大洋性发光鱼类灯笼鱼科的种类最多 ,达1 7种 ,约占总种类数的 2 8% ,其次是钻光鱼科 (6种 )、金枪鱼科 (6种 )和拟白鲑科 (5种 ) ,分别约占总种类数的 1 0 %、 1 0 %和 8%。东、西两区的种类组成有较大的差异 ,共有种仅为 1 7种 ,东区种类数 (48种 )明显多于西区种类数 (3 0种 )。仔稚鱼的密度有明显的空间和时间变化 ,东区仔稚鱼的密度高于西区 ,东区 1 999年仔稚鱼的密度约为 1 997年的 5倍 ,西区 1 999年仔稚鱼的密度约为 1 998年的 3倍。仔稚鱼密度的年间变化可能与 El Nino事件有关     

Remote effects of mixed layer development on ocean acidification in the subsurface layers of the North Pacific

Using the outputs of projections under the highest emission scenario of the representative concentration pathways performed by Earth system models (ESMs), we evaluate the ocean acidification rates of subsurface layers of the western North Pacific, where the strongest sink of atmospheric CO₂ is found in the mid-latitudes. The low potential vorticity water mass called the North Pacific Subtropical Mode Water (STMW) shows large dissolved inorganic carbon (DIC) concentration increase, and is advected southwestward, so that, in the sea to the south of Japan, DIC concentration increases and ocean acidification occurs faster than in adjacent regions. In the STMW of the Izu-Ogasawara region, the ocean acidification occurs with a pH decrease of ~0.004 year^?1 , a much higher rate than the previously estimated global average (0.0023 year^?1), so that the pH decreases by 0.3–0.4 during the twenty-first century and the saturation state of calcite (Ω_Ca) decreases from ~4.8 down to ~2.4. We find that the ESMs with a deeper mixed layer in the Kuroshio Extension region show a larger increase in DIC concentration within the Izu-Ogasawara region and within the Ryukyu Islands region. Comparing model results with the mixed layer depth obtained from the Argo dataset, we estimate that DIC concentration at a depth of ~200 m increases by 1.4–1.6 μmol kg^?1 year^?1 in the Izu-Ogasawara region and by 1.1–1.4 μmol kg^?1 year^?1 in the Ryukyu Islands region toward the end of this century.     

西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量初步研究

基于2001年1月～2014年7月期间的Argo温盐剖面资料，利用循环平稳经验正交函数（CSEOF）分解、最大熵谱分析和相关分析等方法，研究了西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量的空间分布、季节和年际变化特征，并探讨了其影响机制。结果表明，暖池海域近表层与次表层热含量逐年变化呈反位相变化模态，同样盐含量变化趋势也不尽相同。无论热含量还是盐含量，都存在着明显的季节和年际变化。CSEOF分析表明，暖池海域热含量第一模态空间场具有显著的东—西反相位年际振荡，盐含量第一模态则呈正-负-正的三极子模态，但时间序列显示，热含量在2007年以后经过3次位相调整，而盐含量2007年以后只经过一次位相调整，且这种年际变化都与ENSO事件有关，且热含量相比于盐含量受ENSO影响更大。El Niño期间，暖池海域西部热含量减少， 东部增加，La Niña期间则相反；研究海域南北部盐含量在El Niño期间增加，中部（暖池高温中心）减少，La Niña期间则相反；进一步分析表明，热含量变化主要受到局地风场以及纬向流的影响，而盐含量变化则受淡水通量和纬向流的影响。     

热带西北太平洋0~300 m热含量的年代际变化

太平洋是海表温度年际变化和年代际变化发生的主要区域,但对太平洋海洋热含量变化的研究相对较少。为此, 本文分析了1980—2020年太平洋上层(0~300 m)热含量的时空变化特征。基于IAP数据,本文首先利用集合经验模态分解法(EEMD)提取不同时间尺度的海洋热含量信号,并利用正交经验分解法(EOF)对不同时间尺度的海洋热含量进行时空特征分析,得到了太平洋0~300 m海洋热含量的年际变化、年代际变化以及长期变暖的时空特征。结果表明,除了年际变化之外,热带西北太平洋上层热含量还存在明显的年代际变化和长期变暖趋势。在东太平洋和高纬度西太平洋,热含量的年代际变化特征并不突出。热带西北太平洋热含量的年代际变化在1980—1988年和1999—2013年较高,而在1989—1998年和2014—2020年期间较低。此外,针对热带西北太平洋热含量的经向、纬向和垂向特征分析,发现这种年代际变化主要发生在5°N—20°N,120°E—180°E,次表层50~200 m范围内。热带西北太平洋热含量的年代际变化对全球海表温度的年代际变化有着重要作用。     

Effects of Interannual Variability in the Eastern Indian Ocean on the Indonesian Throughflow

The influences of the large-scale interannual variations in the eastern Indian Ocean on the variability of the Indonesian throughflow are investigated by using an ocean general circulation model, driven by the ERS satellite winds from July 1992 to June 1997. The empirical orthogonal function (EOF) analysis of the simulated surface dynamic height variability captures two dominant modes on an interannual time scale, which are quite consistent with the available observations. The first mode indicates large amplitude in the western tropical Pacific and has a strong relation to the El Niño events, while the second EOF exhibits the large amplitude in the eastern Indian Ocean. The simulated net Indonesian throughflow shows an interannual variation of amplitude of about 15 Sv, with large transport from the Pacific to the Indian Ocean during 1994/95 and small transport during 1992 and 1997. It turns out that the net throughflow variation shows a high correlation with the second EOF mode (r = 0.51) for the whole five-year simulation. On the other hand, the correlation with the first mode is rather low (r = ?0.07). However, the relative importance of the EOF modes to the throughflow variability changes with time. The upper-layer transport above a depth of 230 m in the Indonesian archipelago is also affected by the second mode. The difference in the upper-layer transport across 1°S and 110°E generates warm water convergence/divergence with a magnitude of 4 Sv within the Indonesian Seas on the interannual time scale, which shows good correspondence with sea surface temperature variation averaged over the Indonesian archipelago.