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。     

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。     

北太平洋副热带模态水形成区潜沉率的年际变化及其机制

根据Huang和Qiu 1995年的潜沉率计算公式,采用同化的海洋模式资料和海洋-大气界面的通量观测资料,计算了北太平洋副热带海域3个模态水形成区逐年的潜沉率,研究了潜沉率产生年际变化的机制.研究结果表明:西部、中部和东部3个模态水形成区潜沉率的年际变化主要周期分别为6,2~5和2 a;北太平洋副热带模态水的3个形成区的潜沉率都发现年代际的变化特征:在1985年以前,西部模态水形成区的潜沉率年际变化最为显著,但1985后年际变化振幅明显减小;在中部模态水形成区,1975~1992年间潜沉率随时间的变化的振幅较大,潜沉率在这段时间内的平均值也达到33.99 m/a,而在1970~1975年间和1993~1998年间潜沉率都小于20 m/a;西部副热带模态水形成区的潜沉率的年际变化与这里海面的净热通量的年际变化有很好的相关性,中部副热带模态水形成区潜沉率的年际变化则取决于局地Ekman流的年际变化,而在东部模态水形成区局地风应力旋度的变化直接影响潜沉率的大小.     

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。     

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。     

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。     

渤、黄、东海冬季海表冷暖水舌的时空变化及机理分析

海表冷暖水舌被广泛应用于定性描述海表水温(SST)的空间分布特征,但缺少定量的表述和研究。本文以海表冷暖水舌轴线的空间位置和温度为指标,用2006—2014年逐年冬季(2月)的遥感SST数据,分析了渤海、黄海和东海冬季的冷暖水舌的空间分布和年际变化,并探讨了其形成机理。结果表明,渤海、黄海和东海冬季存在2条冷水舌和6条暖水舌。水舌位置的EOF前三个模态(73.4%)基本解释了其年际变化,其中空间第一模态呈同相分布,在东海中部及西部的变动幅度最大;空间第二和第三模态主要呈反相分布,分别在九州岛南部及黄海区域变动幅度较大。水舌温度的EOF第一模态(69.6%)呈空间同相分布,变动幅度在渤、黄海较大,在东海南部较小。水舌位置和水舌温度都存在准2~3 a周期的年际变化,但只有水舌位置EOF第二模态通过95%水平的显著性检验。海表相对较均匀的负净热通量(海洋向大气输送热量),使得浅水区SST比深水区下降得快,水深(上混合层深度)是冷暖水舌形成的原因之一;平流热输送的空间差异显著且在冷暖水舌区域中的作用最大,在冷舌区域起到降温作用,在暖舌区域起到增温作用,平流热输送是冷暖水舌形成的主要原因。     

北太平洋海表温度及各贡献因子的变化

采用1958年1月至2007年12月SODA海洋上层温度的月平均资料,基于海温变化方程和统计分析方法,分析了北太平洋海表面温度(SST)异常特征及各局地因子贡献比例的变化。结果表明,伴随着1976/1977风场最强中心位置的南北移动,形成了两个北太平洋SST年际-年代际变化的异常中心:一个是位于30°N附近的副热带海盆内区,SST异常主要受风应力强度的主导;一个是位于40°N附近的副热带和副极地环流交汇区,SST异常主要受风应力旋度的位置即风场位置的影响。在副热带海盆内区,最强降温发生在1978-1982年,SST异常的主要局地贡献因子为海表热通量和经向平流,二者所占比例和约为50%~60%,均为同相增温或降温作用,余项所占比例约为20%~50%。在副热带和副极地环流交汇区,海盆内区和西部边界区的SST异常的跃变时间同为1975年,但是内区的垂直混合项的跃变时间早于西部5年左右。SST异常的主要贡献因子为海表热通量和经向平流,但在1983-1988年海温强降温期间,经向平流项贡献大于海表热通量项的贡献。两个区域的垂直混合项均为降温贡献,虽然量值小却显示出很强的年代际变化信号。平流项中经向平流最大,垂直平流最小。     

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.     

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。     

东海西北部中层冷水垂直热结构数值预报方法研究 Ⅱ.三维数值预报模式

根据含中层冷水海洋垂直热结构的特征,将其分为4层,并考虑来自海面的热力和动力强迫因子、水层界面剪切应力和卷挟热交换、热平流、混合及地形影响等条件下,从原始动量、连续方程组及热传导方程出发,对整个海洋和各水层分别进行垂向积分,导出相应的描述风生界面起伏、各水层平均流场和温度场的闭合方程组.当解得各水层的平均温度场T_k(k=1,2,3,4)后,根据Tk与对应水层界面特征温度间的关系获得后者,最后通过水温剖面表达式获得含中层冷水海洋的三维热结构.为了检验本模式的功能,以时效为5d试报了5月15日研究海域的三维热结构,并将试报结果与实测值进行了比较.结果表明,试报水温的均绝误差为025℃,效果令人满意.     

黄海、渤海盐度准三维数值预报模式

黄海、渤海盐度的垂直结构具有典型的自模性，而其水平分布又受平流、水平扩散效应及径流等因素的影响。本文根据黄海、渤海实测资料拟合了盐度垂直剖面的自模函数，并结合描述表、底层盐度及上均匀层厚度这３个特征量水平分布的方程，给出盐度三维结构的准三维模式。在模式中，综合考虑了海面风和热输入的强迫作用以及流场的平流、侧向混合及底层混合的影响因素，同时还考虑了径流、蒸发及降水的作用，较客观地反映了盐度的三维分布及其变化的物理过程。试报结果分析表明，模式的功能较好，结果令人满意。     

Influence of Feedbacks in the Climate–Energetics System on the Intensity of an Urban Heat Island

Both horizontal and vertical heat exchanges and feedbacks between air temperature and anthropogenic heat fluxes significantly affect the characteristics of the urban heat island (UHI). The UHI intensity depends, in particular, on the ratio between the scales L_A (area of anthropogenic forcing) and L_γ (distance passed by an air particle of the oncoming stably stratified flow before its temperature approaches air temperature within the UHI). Both advection and feedback effects may be estimated based on the equation for the local heat balance of the underlying surface. In this case, heat advection is taken into account by calculating temperatures individually for the atmospheric boundary layer and the surface of the urban canopy layer. The estimates show that the asymptotics of strong advection is more characteristic of a typical city. However, under weak winds, with consideration for the feedback between air temperature and anthropogenic heat flux, some deviations from this asymptotics are probable.     

再谈海冰边缘区域中尺度涡旋形成机制——非线性平流

利用三维海洋模式与二维海冰模式耦合,研究海冰边缘区域中尺度涡旋形成最重要的机制之一——非线性平流机制。二维海洋模型模拟结果表明,非线性平流机制在水深比较浅的时候更加重要。不同于把海洋考虑成一个正压流体的二维模型,三维海洋模型中海冰通过海-冰相互作用直接影响海洋表层。我们发现在三维海洋模型实验中,中尺度涡旋和海洋表面抬升都对水深变化敏感。海流速度的垂直结构表面,当海水变浅,各层海流都变得更快。相同风应力作用相同时间之后,表面抬升与海水深度成反比关系。同时我们还发现由于垂直运动,在三维海洋模型实验结果中,海面抬升非常小,只有二维海洋模型实验结果的1%。垂直运动是三维海洋模型和二维海洋模型实验结果不同的根本原因。     

A note on average cross-isopycnal mixing in the North Atlantic ocean

Area averaged mixing is inferred from the difference between cross-isopycnal advection and air-sea forcing, using a density budget in isopycnal layers. The results suggest that mixing is weak (indistinguishable from zero) in the thermocline in qualitative agreement with local and regional measurements. Mixing increases in warmer density classes, but becomes indeterminate at low densities, where climatological flux errors are largest. At high density, mixing reappears owing to the heat flux required to balance the formation of dense water and reflects mixing with intermediate and bottom water.     

The Kuroshio Extension System: Its Large-Scale Variability and Role in the Midlatitude Ocean-Atmosphere Interaction

The Kuroshio Extension and its recirculation gyre form an interconnected dynamic system. The system is located at a crossroads where the meso-scale and large-scale oceanic variability are highest, and where the ocean-atmosphere interaction is most active in the Pacific Ocean outside of the tropics. Following a brief review of the mean flow and meso-scale eddy variability, this study describes in detail the large-scale structural change (an oscillation between an elongated and a contracted state) observed in the Kuroshio Extension system. Causes for this structural change are explored next, and it is argued that the basin-wide external wind forcing and the nonlinear dynamics associated with the inertial recirculation gyre are both important factors. Data analysis results are reviewed and presented, emphasizing that the surface Kuroshio Extension is not simply a well-mixed layer passively responding to heat flux anomalies imposed by the atmosphere. It is argued that large-scale changes in the Kuroshio Extension system influence the surface ocean heat balance and generate wintertime sea surface temperature (SST) anomalies through both horizontal geostrophic heat advection and re-emergence to the surface mixed layer of sequestered mode water temperature anomalies. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

On the relationship between dense water formation and the “Meridional Overturning Cell” in the North Atlantic Ocean

We analyze the three-dimensional structure of the Meridional Overturning Cell (MOC) in a numerical model of the North Atlantic and Arctic Oceans. The MOC is found to consist of several downward branches: some associated with dense water formation driven by surface buoyancy forcing (Labrador Sea, northern Norwegian Sea and Barents Sea), and some associated with interior mixing processes in the model (most notably entrainment of thermocline waters into the dense overflows at the Greenland–Scotland Ridge). Two experiments with altered surface buoyancy conditions are performed, both resulting in a change in the dense water formation rate in the Labrador Sea. A change of the same sign is observed in the strength of the MOC (and thus in the meridional heat flux); however, the change is less (20–50%) than would be expected from the change in the dense water formation rate. The MOC and the rate of dense water formation at higher latitudes seem not to be tightly linked on the decadal time scale. Instead, significant changes in the volume of water masses may take place. Taking this phenomenon into account may improve the interpretation of the chain of events that constitutes a climate oscillation, whether it be observed in models or in nature.     

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.     

A reduced thermodynamic model on the formation of the Nansha warm water

A reduced vertically integrated upper mixed layer model is set up to numerically study the thermodynamic process of the formation of the “Nansha warm water”(NWW) in the Nansha Islands sea areas in spring. According to the numerical experiments, it is shown that, in spring, the formation of the NWW is mainly due to the sea surface net heat flux and the local weak current strength; the contribution from temperature advection transport and warm water exchange with the outer seas (Sulu Sea or south of Sunda shelf) is very little. In the sea areas where the current is strong, the advection may also play an important role in the temperature field.