大西洋热盐环流年代际变化机制研究Ⅲ.北大西洋海气要素对热盐环流年代际振荡的影响

基于该系列文章前文研究中构建的海气耦合气候模式和所揭示的北大西洋热盐环流年代际振荡机制,针对海气要素对该振荡机制的影响问题进行了重点的探讨。为细致准确的研究北大西洋海洋要素同北大西洋热盐环流年代际振荡的关系,有针对性的定义了副极地海区表层密度指数和北大西洋暖流强度指数并对模式结果进行了全面分析。分析结果表明副极地海区表层密度变化领先大西洋径向翻转环流(MOC)变化7 a,北大西洋暖流的变化领先 MOC变化4 a,格陵兰－苏格兰海脊溢流水强度(包括丹麦海峡溢流水和法鲁海峡溢流水,是北大西洋深层水的重要来源)的变化领先 MOC的变化3 a;北大西洋大气要素变化对北大西洋热盐环流年代际振荡有非常重要的调制作用,当副极地流环和北大西洋暖流(NAC)达到最强的2 a之前,高纬度地区大气为气旋式环流异常,中纬度地区大气为反气旋式环流异常,海表热通量在大西洋副极地海区是负异常,这都有利于副极地流环和NAC的加强,更多高盐度的北大西洋水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,由此可以导致GIN海域表层密度上升,使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生,同时大气变化通过风应力旋度和海表热通量也直接影响GIN海域深层水的生成,进而导致格陵兰－苏格兰海脊溢流水的强度增加。     

大西洋热盐环流年代际变化机制研究Ⅱ．热盐环流年际和年代际变化机制研究

基于德国Max-Planck气象研究所的最新大气海洋环流模式(ECHAM5/MPI-OM),对控制试验(control run)下热盐环流(THC)年际及年代际变化进行了分析,揭示了年代际变率的产生机制。研究表明:(1)THC年际振荡的主导周期是4 a,年代际振荡的主导周期是24 a,THC的年代际振荡信号最强,是第一主成分。(2)THC的年代际振荡机制为:首先从大西洋径向翻转环流(MOC)强度最小开始,由于MOC强度处于较弱状态,从低纬度向高纬度输送的热量偏少,副极地海区海表温度出现负异常,持续5 a之后,北大西洋副极地海区海表温度达到最大负异常。此时副极地流环中心(北大西洋)的表层海水变冷,密度增加,海表面下降,产生从副极地流环边缘指向副极地流环的中心的压强梯度力,根据地转平衡关系,北大西洋副极地海区的上层海洋会出现一个气旋式的环流异常(副极地流环得到加强),北大西洋暖流(NAC)同时得到加强。在副极地海区海表温度达到最大负异常的3 a之后,副极地流环和NAC达到最强。由此,作为NAC延伸的法鲁海峡入流水增强,更多的高盐法鲁海峡入流水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,使GIN海域层结稳定性减弱。1 a后,GIN海域深层对流增强,格陵兰-苏格兰海脊溢流水增加。在GIN海域深层对流达到最强的3 a之后,MOC强度达到最大。整个状态翻转过程完成的时间大约为12 a,THC年代际振荡的整个周期大约是24 a。     

大西洋热盐环流年代际变化机制研究 Ⅰ.气候模式的建立和验证

大气环流与热盐环流(THC)变化之间的因果关系,是海气相互作用研究领域的一个悬而未决的问题。本文为研究大西洋热盐环流的年际和年代际变化机制以及北大西洋海气要素对热盐环流年代际振荡的响应过程,以德国Max-Planck气象研究所的最新大气海洋环流模式(ECHAM5/MPI-OM)为基础,构建了重点针对北大西洋的海气耦合气候模式。利用此海气耦合气候模式,首先进行了CO₂浓度固定在1860年前工业化以前水平-280 μl/m³(ppmv)的500 a的数值模拟控制试验,然后以1860-2000年间的实测和替代资料反演所得CO₂浓度为强迫进行了气候回报试验。依照观测资料和再分析数据集对气候模式回报的基本环流结构、深层水形成过程以及热盐环流和水团的空间结构进行了系统验证和分析。结果表明该气候模式具有相当的气候变化模拟能力,为后续的相关研究奠定了基础。     

风生涡旋对热盐环流年代际变率的影响——基于盒子模型的分析

大洋热盐环流（Thermohaline Circulation,简称THC）是主要源于北大西洋的深海环流,对全球经向水和热平衡具有重要的作用,是影响长期气候变化的一个重要因素。采纳了Longworth等的观点,通过添加扩散项的形式在经典的Stommel盒子模型中引进了风驱洋涡（Wind-Driven Ocean Gyre,简称WDOG）,并借鉴Sun等的研究方法,讨论了WDOG对THC年代际变率的影响。通过数值计算发现,WDOG的引入会缩短（延长）处于TH型（SA型）平衡态时的THC在扰动作用下的恢复时间。结合Wu and Mu文章的结论,可知正是由于WDOG对处于不同平衡态下THC的环流强度产生了不同的作用,因而导致了上述现象的出现。     

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。     

温盐环流稳定性以及年代际变率的研究进展

对近期国内外有关温盐环流的模拟研究作了综合评述,着重介绍温盐环流的稳定性、多平衡态及其转化以及年代际变率问题的研究进展。     

亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡冷暖位相的对称和非对称响应

利用NCEP大气环流模式,模拟了亚洲季风区气候对北大西洋正、负海温异常的响应。研究表明:亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡(AMO)的影响存在线性和非线性响应;AMO的暖位相造成欧亚大陆增温以及印度地区北暖南冷的偶极子型分布,主要是线性因素的作用;夏季、秋季印度半岛降雨增多,是线性因素和非线性因素共同作用的结果,且非线性因素带给印度半岛的降水多集中在西部。     

区域海气耦合模式FROALS模拟的西北太平洋环流及其年际变率

本文利用区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System)对西北太平洋地区1984-2007年连续积分结果,对比SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化资料讨论了西北太平洋海表温度和表层洋流的气候态及年际变率。结果表明,FROALS基本能够再现冬、夏季季节平均的海温型,但均存在一个明显的冷偏差;FROALS对气候平均态的表层洋流有较高的模拟技巧,对于冬、夏季的表层洋流型都能够再现。另外,表层洋流的模拟偏差与海表高度的模拟偏差直接相关。由于模式模拟的黑潮热输送较观测偏强,使得模式模拟的海洋热输送倾向于使黑潮路径上的海温呈现正偏差。从表层洋流的年际变率来看,模式模拟的与ENSO(El Nio-South Oscillation)相联系的年际变率信号与观测相似:在El Nio年,北赤道流和棉兰老流增强,低纬度西太平洋海表高度降低,而在La Nia年则呈现出相反的形态,但是在模式中这种信号稍强于观测。     

不同辐射背景下大西洋热盐环流下沉区混合层深度变化

基于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)4种最新辐射强迫情景,利用ECHAM5/MPI-OM(European Centre Hamburg Model 5/Max Planck Institute Ocean Model)气候模式输出的1850—2300年逐月混合层深度、海表面温度、海表面盐度数据,分析大西洋热盐环流下沉区混合层深度的变化情况。结果表明:随辐射强迫增加,热盐环流下沉区混合层深度下降,混合层深度振荡周期在格陵兰-冰岛-挪威海(Greenland Sea–Iceland Sea–Norwegian Sea,GIN)海域减小,在拉布拉多海(Labrador Sea,LAB)海域变化不大;与GIN海域相比,LAB海域混合层深度对辐射强迫变化更敏感;两海区温度对混合层深度的影响时间较长,混合层深度对盐度的变化反应迅速;混合层深度变化的主导因素在LAB海域中为盐度,而在GIN海域,低辐射强迫下温度主导混合层深度变化,中高辐射强迫下温度与盐度共同起主导作用。     

北太平洋经向翻转环流和热盐输送研究综述

北太平洋经向翻转环流是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称,目前它拥有五个环流圈,即副热带环流圈(the subtropical cell,STC)、热带环流圈(the tropical cell,TC)、副极地环流圈(the subpolar cell,SPC)、深层热带环流圈(the deep tropical cell,DTC)和温跃层环流圈(the thermohaline cell,THC)。这些环流圈是北太平洋经向物质和能量交换的重要通道,它们的变化对海洋上层热盐结构和气候变化皆有重要影响。迄今,人们已对STC、TC和DTC的结构形态、变化特征与机理开展了广泛而深入的研究,并对STC的极向热输送特征也做了一些初步分析。但应指出的是,关于SPC和THC的研究仍较少,迄今尚不清楚这两个环流圈的三维结构和变异机理;而且,对北太平洋经向翻转环流的热盐输送研究尚处于起步阶段,目前对各环流圈的热盐输送特征、变化规律和变异机理仍知之甚少,这些科学问题亟待深入研究。     

热带大西洋年际和年代际变率的时空结构模拟

使用美国夏威夷大学发展的中等复杂程度海洋模式(IOM)在给定表面强迫条件下模拟了热带大西洋上层海洋年际和年代际变率的时空结构.利用NCEP的41a(1958～1998年)逐月平均表面资料作为强迫场,积分海洋模式41a作为控制试验,并利用模式分别做动量(风应力)通量和热量通量无异常变化的平行试验,与控制试验作比较.对3组试验模拟上层海洋变率状况的比较,并按年际和年代际时间尺度分别分析,揭示表面风应力和热通量异常对海表面温度和温跃层深度变化的影响,并比较了其影响的相对重要性.结果表明模式成功地模拟出了热带大西洋上层海洋的变率.模式模拟的海表面温度年际变化主要表现为弱ENSO型,年代际变化表现为南、北大西洋变化相反的偶极子型.在年际时间尺度上,热力强迫和动力强迫对海表温度变化都有贡献,其中赤道外海表面温度异常(SSTA)变化主要由热通量异常引起,而近赤道SSTA的变化主要由动量异常强迫引起.在年代际时间尺度上,热通量强迫的作用远比动量强迫重要.模式不仅能够模拟SST在年际和年代际时间尺度上的变率,还能够模拟温跃层深度在年际和年代际时间尺度上的变率.年际和年代际时间尺度上,温跃层深度的变率主要由动量异常决定,热通量异常强迫的贡献很小.     

长江流域夏季极端高温的年代际变化特征及其与大西洋多年代际振荡的关系

本文基于地面观测资料和NCEP/NCAR再分析数据,利用经验正交函数分析、线性回归分析等方法对1960—2016年夏季(6—8月)长江流域的极端高温(Extreme High Temperature,EHT)事件的强度、暖昼、暖夜发生日数的年代际特征及其对应大气环流进行分析,并探讨了EHT事件与大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO)的关系。结果表明,中国夏季长江流域的极端高温事件存在明显的年代际变化特征,其中1960—1970年和2002—2016年为暖时期,1971—2001年为冷时期。相较于冷时期,暖时期在高温强度、暖昼和暖夜的发生日数方面均明显偏暖。针对于该极端高温年代际特征的成因,研究结果表明,暖时期位于长江流域北部的对流层中高层异常反气旋和偏北偏西的西太平洋副高有利于该地区下沉运动的增强,进而有利于极端高温的出现。同时,在对流层低层,位于中国东部的异常反气旋将低纬地区的暖湿气流携带至长江流域,这也有利于长江流域EHT事件的发生。此外,进一步分析表明,AMO与长江流域夏季EHT事件在年代际尺度上存在明显的关系,AMO超前中国夏季长江流域的EHT事件6~8 a,这对预测中国长江流域极端高温事件具有一定的指示作用。     

北太平洋经向翻转环流年际变化的数值模拟

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,拥有5个环流圈结构.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,是该海域间经向物质和能量交换的重要通道.主要运用NEMO模式对这3个经向翻转环流圈的年际变化特征和机理进行了研究.结果表明,TC、STC和DTC的经向流量都具有显著的年际变化特征:在El Nio期间,TC的南、北向流量均减弱,STC的北向流量增强、南向流量减弱,DTC的南向流量减弱;而在La Nia期间则相反.敏感性试验表明,在风应力强迫下得到的TC、STC南、北向流量和DTC南向流量的年际变化特征都很显著,并与在风应力、热通量和淡水通量共同强迫下得到的结果非常一致;而仅在热通量和淡水通量的强迫下,各分支流量的年际变化均较小.由此可见,风场驱动是引起北太平洋经向翻转环流年际变化的主要驱动因素,而热通量和淡水通量的影响却较小.     

不同辐射背景下大西洋热盐环流下 沉区混合层深度变化

基于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)4种最新辐射强迫情景,利用ECHAM5/MPI-OM(European Centre Hamburg Model 5/Max Planck Institute Ocean Model)气候模式输出的1850—2300年逐月混合层深度、海表面温度、海表面盐度数据,分析大西洋热盐环流下沉区混合层深度的变化情况。结果表明:随辐射强迫增加,热盐环流下沉区混合层深度下降,混合层深度振荡周期在格陵兰-冰岛-挪威海(Greenland Sea–Iceland Sea–Norwegian Sea,GIN)海域减小,在拉布拉多海(Labrador Sea,LAB)海域变化不大;与GIN海域相比,LAB海域混合层深度对辐射强迫变化更敏感;两海区温度对混合层深度的影响时间较长,混合层深度对盐度的变化反应迅速;混合层深度变化的主导因素在LAB海域中为盐度,而在GIN海域,低辐射强迫下温度主导混合层深度变化,中高辐射强迫下温度与盐度共同起主导作用。     

北太平洋冬季大气年代际振荡及其相关的SST变化

20世纪60年代， Namias(1969)就发现北太平洋海平面气压(SLP)存在10a以上长周期的变化，这种变化与北美冬季气温异常密切相关。70年代以后，又有人(White et al.，1972； Trenberth，1990； Trenberth et al.，1994)对上述变化作了进一步的验证，并指出1976年以后北太平洋的SLP异常偏低，即阿留申低压异常偏强。以阿留申低压为主要活动中心的大气年代际振荡被称为北太平洋涛动(NPDO)，它与北大西洋涛动(NAO)一起构成年代际气候变动最重要的观测依据，北太平洋年代际振荡的机制也引起了人们的广泛兴趣。作为大气运动的缓变下垫面强迫之一的海表面温度(SST)，它的异常变化对年际气候的显著影响已被公认(Wallace et al.，1981，1998)，由此推断，其对年代际时间尺度气候变化的影响可能也不可忽视。众所周知，SST年际变化最显著区位于赤道中东太平洋(如Nino 3区)，而与北太平洋年代际振荡显著相关的SST变化(时间变化和空间分布)又如何呢?作者就这一问题，分析了北太平洋大气环流年代际振荡的时、空变化特征，并揭示了与之相关的SST变化的时间变化和空间分布。     

南海上层海洋热含量的年际和年代际变化

分析了1959—1988年南海表面至100m垂直平均温度（TAV）资料，结果表明：南海上层海洋热含量存在明显的准两年、4—5年和年代际振动。在E1Nino年，南海上层热含量显著增加。50年代末至70年代初，南海TAV为负距平，此后转为正距平。南海TAV的变化与ENSO事件、东亚冬季风和热带大气环流的变异密切相关。     

北极径流增加对大西洋经向翻转环流影响的模拟研究

观测显示过去几十年间北极入海径流呈现增加趋势,CMIP5耦合模式预测表明21世纪北极入海径流仍会增加,在RCP8.5路径下,21世纪末北极入海径流量将会是1950年的1.4倍。本文利用冰-海耦合数值模式研究了北极径流增加对大西洋经向翻转环流的影响。基于两个数值实验的结果表明,如果北极入海径流按每年0.22%的速度（与RCP8.5路径下的速度相当）增加,大西洋经向翻转环流的强度在100、150和200年后将会分别减弱0.6（3%）、1.2（7%）和1.8（11%） Sv。北极入海径流增加导致大西洋经向翻转环流减弱的主要原因是,北极入海径流增加的淡水被输运到北大西洋后,会抑制北大西洋深层水的生成,这也会导致北大西洋深层水海水年龄的增加。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

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试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.