海洋环流的演变及改变机制.docx

1、海洋环流的演变及改变机制海洋环流的演变及改变机制3.1海洋经向翻转环流(MOC的定义X Xr z z本文中的MOCz定义如下： v(x,y,z )dxdzX Xl z 0 (2)其中，为经向翻转流函数，v为海水的经向流速，(x,y,z分别是纬向、经 向和垂直方向的坐标，z为的深度位置，(XL, xr)表示的是大西洋或太平洋海 盆的东西两侧边界13。为了简化和定量化 MOC以便看MOC随时间的变化，AMOC往往被定义为 一个简单的指数。即将2070N、500m2000m深度上的AMOC的最大值定义 为AMOC 指数14-15。仿照 AMOC指数的定义，本文将 30N60 N、 500m 2000

2、m深度上PMOC的最大值定义为 PMOC指数。而副热带环流(Subtropical cell,STC)则定义为太平洋 0500m深度上PMOC的最大值。3.2 Flat试验中海洋环流的响应3.2.1海洋环流的演变在比较Flat和Real试验最后100年海洋经圈翻转流指数时，我们发现 Flat试验与Real试验相比，AMOC指数在前20年有一个短暂的增加后迅速减小，到 200年基本达到平衡态；PMOC指数在前20年有一个短暂的减小后增加。即抹 平全球山脉后 AMOC和PMOC也出现了跷跷板现象。副热带环流(Subtropical Cell，STC)响应速度更慢，在前150年Flat试验中STC较

3、Real试验是减小的， 之后一直增加，如图4所示。图5是两个试验最后100年平均海洋经圈环流差异 的空间分布图，Flat试验中大西洋经向翻转质量流函数较 Real试验在整个海盆 均是减弱的；太平洋经圈翻转质量流函数在整个海盆几乎是增强的。随后， 我们 分析了产生此效应的机理。205 0 5 0o 5o o o o e.4,20.oo-8.o40图4. Moc指数随时间变化序列图(Flat减去Real试验)MS d ION &6N 则* MU MN图5.经向翻转流函数差异(a)大西洋，等值线是 Flat试验的经向翻转流函数，阴影是 Real试验减去Flat试验；(a(b)太平洋，等值线是 Rea

4、l试验的经向翻转流函数，阴影是 Flat试验减去Real试验3.2.2海洋环流的改变机制已有的观测和数值研究表明，北大西洋高纬度海域，特别是次极地回旋区的 海表状况和环流热动力过程对于 AMOC的变率具有重要的影响。在拉布拉多海、 厄尔明格海和北欧海内的高密度水的下沉是构成经向翻转流下沉支的重要组成 部分16。Rooth、Bryan研究指出AMOC强度主要由NADW 的形成率所决定17-18。因此，本文从北太平洋和北大西洋深水形成的角度探讨大西洋和太平 洋经向翻转流在Flat试验中的改变机制。Seidov19利用粗分辨率海洋模式研究AMOC变化时大西洋和太平洋海表盐度的改变，指出海表盐度可以用

5、来指示AMOC的变化。因此，我们分析了两个试验最后 100年海表盐度和密度差异30E ME ME lE 1ME ISO 1SGW 150W fiOW 昶 W SOW 0 WE(b)临咧： 二打J*;10.5池A爲-1:30E COE 0琳 I 诞 1SOE 190 1S0W 120W SOW 的护 9CW 0 JCE(C) M J吒门：L-：_|f： 匚：r.|30E SOE 0OE 120E 1SOE 190 1S0W 120W SOW 的曲 帥 W 0 5CE图6.气候态平均的海表温度、盐度和位势密度差异(a)海表温度(C)；( b)海表盐度(psu); (c)海表密度(kg/m3)图6(

6、b)显示，在Flat试验中太平洋深水形成区(4560N , 130160W) 海表盐度明显增加；而大西洋深水形成区(4560N , 3060W)海表盐度明显 减小。受盐度改变的影响，Flat试验海表密度也表现出和 Real试验不同，其空 间分布和盐度的空间分布类似，如图6(c)所示。Flat和Real试验中大西洋和太平 洋深水形成区混合层30米内盐度和密度差异的时间序列图显示：太平洋深水形 成区盐度和密度在400年一直是增加的，而大西洋只在前 40年增加。因此，太 平洋深水形成区表层高密度海水下沉，在 23km处以边界流的形式向南流动， 构成了 Flat试验中的太平洋经向翻转流。而北大西洋深水

7、形成区表层海水密度较 Real试验减小了，密度的垂直层结是稳定的，没有高密度表层海水下沉，因此 Flat试验中AMOC明显减弱。接着，本文利用盐度平衡方程20分析两个海盆深水形成区盐度改变的原 因：兰 S(E P R 丨)v. s ( 2s) (1)t h h其中，E是蒸发过程、P是降水过程、R是河流输送、I是海冰的作用，V. S 代表盐度平流。(2S 干)是外强迫项。图7(b)显示：使太平洋深水形成区盐度 增加的主要因素是蒸发和降水，而大气环流能够影响蒸发和降水，因此， 我们分析了两个试验的大气垂直速度场和水汽辐散。Flat试验中原北美落基山脉西侧的 垂直上升速度与 Real试验相比明显减小

8、，不利于该区域对流的产生，且水汽辐 合明显减弱，导致降水减少。加上该处没有山脉的阻挡，对流层低层风增强，使 更多的海水蒸发。因此，Flat试验中太平洋深水形成区盐度增加，利于深水对流 的产生。以上分析表明，北美落基山脉消失，北太平洋深水形成区盐度增加使 PMOC 增强，进而使大西洋和太平洋经向翻转流出现跷跷板效应。 因此，在Flat试验中我们认为北美落基山脉的消失对跷跷板效应的产生起着至关重要的作用。 为了进一步研究北美山脉的消失是否是引起 PMOC增强，进而产生这种跷跷板效应的关键因素，有必要在Real试验的基础上只去掉北美山脉，研究北美山脉对AMOC 和PMOC的影响。-0 0&4 -图7

9、.深水形成区盐度、温度和密度差异及影响盐度各分量的变化.0.000 -l *0.020 -Q Q4A ;:00W -QuQM -(a)、(c)分别代表太平洋深水形成区(45 60 N，130 160 )和大西洋深水形成 区(4560 N，30 60 W)温度、盐度和密度差异；(c)、(d)分别代表太平洋 和大西洋深水形成区影响盐度各分量的变化；均为 usa_ntopo试验减去Real试验3.3无北美地形高度试验中海洋环流的响应3.3.1海洋环流的演变去掉北美地形后，与 Real试验相比，海洋环流发生了与 Flat试验完全不同的改变。图8显示，usa_ntopo的AMOC指数在400年里较Rea

10、l试验一直增强，而PMOC和STC指数减弱。这与Flat试验中AMOC指数减弱、PMOC和STC指数增强的结论恰好相反。且在图9中，我们可以看到，大西洋经向翻转质量流 函数在整个海域几乎是增强的， 而太平洋经向翻转流函数只在 4560N，01000 米深度增强，1000m以下均减弱。8.06.0I100 200(Acnxpw6-O4.O2.00.O-2.0-4.0-O.O.OQ.O d2.ci2.d8.06.0300 400图8. Moc指数随时间变化序列图(b)(b)太平洋，等值线是 Real试验的经向翻转流函数，阴影是 usa_ntopo试验减去Real试验3.3.2海洋环流的改变机制(1

11、)STC的改变机制上文分析表明，STC在400年里一直减弱，而影响STC最主要的因素是海 表风应力。因此，本文分析了两个试验中海表风应力的改变。o B 0 & Q.4 0?0(c) a J i60E 0 12CE t50E 160 1 BOW 130W 弐训 DW 3(TW 0 3QE图10.海表面风应力分布(b) I -i7.|-y I ： ：.-200 一400 -600 900 -1000 -60S 3OS 0 30NLatituderads图11. Hadley环流(a) Real 试验；(b) usa_ntopo 试验图10展示了 usa_ntopo和Real试验的海表风应力以及两个

12、试验的差异。在 北太平洋低纬度，海表风应力减弱， 驱动海表环流减弱。进一步分析海表风应力 减弱的原因，我们发现：去掉北美地形后， Hadley环流的北支减弱（图11），会导致副热带高压减弱，低层热带和副热带的气压梯度减小，东风信风减弱， 从而导致北太平洋海表风应力减弱，STC减小。（2）AM0和PMOC勺改变机制1、海表盐度和密度的变化ME ME QOE 対E 150E 190 1MW 120W 00W SOW 0 3OE:益怎囂：逐1 一二 一三(b)门 i - i L. . i _ . . I I - , . . J I , , I . . I , I I . . I .90SME AOE

13、 (ME 15AE 180 15&W H湖叙W 湖匀個 0 ME(c)_ i . i . -1=三90FJ905 I 1 T _ F r 1 1 T _ T T _ I r T 1 - T T 1ME 0E fiOE 1ME 1SOE ISO 150W 12OW 00W SOW 0 3OE图12.气候态平均的海表温度、盐度和位势密度差异海表温度(C)； (b)海表盐度(psu); (c)海表密度(kg/m3)为了研究AMOC和PMOC的改变机制，我们首先分析了 usa_ntopo试验和 Real试验中海表盐度和密度的差异。图12b表示的是Real和usa_ntopo试验全球平均海表盐度的对比。

14、相比于 Real试验，usa_ntopo试验中，北美西侧太平洋及北大西洋大部分海区盐度升高。 而中太平洋盐度明显降低。针对不同海盆盐度的变化，我们主要考虑海洋的蒸发量和降水量，如图 13所示。usa_ntopo试验的全球的蒸发量和降水量都表现出了与 Real不同。北大西洋及北美西侧太平洋盐度的升高，特别是阿拉斯加湾盐度升高主要是由于蒸发变 强，降水减少；而中太平洋低纬度地区盐度的减小， 则由于蒸发减弱，降水增强。 然而，陆地上降水的强度可影响河流向海洋中输送淡水的强度。因此，北大西洋 加拿大沿岸盐度减少、北美西侧太平洋盐度增加不得不考虑河流的作用。图13.海洋表面水汽蒸发量与降水量差异分布，单

15、位均为 10-5kg/m2/s图14.大气中全球降水通量isa_n topc-Ra I (T 胪 即阖90N60E E 1ME 150E 183 15CW 12CW 90W SOW 30W 0 30E图15.河流流量差异图14为两个试验大气中的降水通量差异，海洋上的差异分布海洋数据得到 的结果一直（图略）。北美陆地上空降水与 Real试验相比有很大的不同：加拿大降水明显增多，美国降水明显减少。由陆地降水差异所导致的河流的流量变化 如图15所示。配合图14可以看出，加拿大上空降水增多，河流向哈得孙湾输送 的淡水增多，由哈得孙湾流入加拿大东岸北大西洋的淡水增多， 导致加拿大东海岸的北大西洋海表盐度

16、和密度明显减小。同理， 美国上空降水减少，流入阿拉斯加湾和白令海峡的淡水减少，也是造成阿拉斯加湾附近盐度增加的原因之一。 图12c显示的是usa_ntopo和Real试验平均海表面密度之差，其空间分布和盐度类 似。2、大气环流场的变化去除北美地形高度后大气环流场也发生了显著的改变。 850hPa垂直速度场的变化如图16所示。在真实地形高度下，由于北美落基山脉的存在， 500hPa北美上空受北美大槽控制（图略）。因此，在北美落基山脉西侧对流层低层 850hPa 表现为很大的上升运动。而北太平洋和北大西洋30N处于Hadley环流的下沉支， 表现为下沉运动。去掉北美地形高度后，由于没有高大山脉的阻

17、挡， 500hPa位势高度场在北美变得平直（图略）。原落基山脉西侧区域上升运动明显减弱，北 大西洋中纬度上升速度也减弱；由于 Hadley环流北支减弱（图11），北太平洋 中低纬度下沉速度也减弱。配合 850hPa风场和水汽辐合辐散场（图17）可以看 到：在真实地形下，太平洋的水汽由西风带到落基山脉西侧，受山脉的阻挡，在 此处辐合上升，利于该地区降水的产生。然而，去掉落基山脉后，北美中纬度 850hPa西风变得平直，北美西侧几乎没有水汽的辐合，太平洋上的水汽由平直的西风带到北美大陆和大西洋。配合加拿大上空水汽辐合的产生，加拿大降水急剧增加，如图14所示。然而，在大西洋上空，虽然中纬度有水汽的输

18、入，水汽 辐合却并没有增强，反而减弱。伴随中纬度风的增强，大西洋水汽蒸发更多。因 此大西洋中纬度盐度和密度没有减小， 反而增加。大西洋上空湿润的空气随着低 纬度东风继续由大西洋向太平洋输送， 中太平洋低纬度地区水汽辐合增强， 导致 太平洋低纬度降水急剧增加（图略），盐度和密度明显减少。1 Pa E)050.200 2砧(b) uM_rnopa omBgai；0.i f*的】W 0E 1 I6di 1M iscw 0*r MW MW Q 90E0 20.5（c） 小._审、-工言啟 .W麽r-i厂訊叩低 40C H 城 !6f IK iSOW ，也斛 MW M 94W 0 9 坨0.5016.0

19、30-0 03010 5图16. 850hPa垂直速度Real试验，（b） usa_ntopo试验，（c） usa_ntopo和Real试验差异（正值代表下沉）EOE HE MW SAW 曲 XEW m 0 0.1 0-4 1 4BOE WE 120E 150E 1W 15fiW 120W 9K)W eOW 3CW 0 30E-4 4 04 -0.1 0 0.1 0 4 1 4同护口eng Vector(c)tasw总 0 8 电卫 -0.05 0 a 05 0.2 O S图17. 850hPa风场和水汽辐散风的单位是m/s，水汽辐散单位是10-8/s Real 试验，（b） usa_ntop

20、o 试验，（c） usa_ntopo 和 Real 试验差异3、大西洋和太平洋深水形成区盐度的改变以上分析表明，去掉北美地形咼度后，usa_ntopo试验中大气环流和Flat试 验相比不尽相同，导致 usa_ntopo和Real试验海表盐度的差异与 Flat和Real试 验海表盐度的差异也表现得不同， 特别是在北大西洋。北大西洋大部分海域海表 密度是增加的，但是受局地效应的影响， 在加拿大东海岸附近密度减小，而该区域刚好是拉布拉多海附近深水形成的区域。前文指出，北大西洋深水形成区不光 有拉布拉多海，还包括厄尔明格海和北欧海，只选取拉布拉多海附近区域分析北 大西洋经向翻转流增强的机制不具备代表性

21、。 因此，我们选取5070N、060W分析usa_ntopo试验和Real试验中大西洋混合层30米盐度和密度的差异。1.0 厂05 *0100 一-!u0.5 二-I-1.0 W15 -2 Q -25 -300100 包0 ST图18.太平洋和大西洋深水形成区温度、盐度和密度的差异(a)太平洋深水形成区 (45 60 ，130 160 W) ； (b)大西洋深水形成区 (50 70 N，030 图18显示，usa_ntopo试验中大西洋和太平洋深水形成区的密度与 Real试 验相比均是增加的。大西洋表层更高密度海水下沉，使得 AMOC进一步增强。而太平洋表层高密度海水也下沉，但仅能影响海表以下 1000米范围使该深度的经向翻转流增强。PMOC在整个海盆明显增强的现象并没有在无北美地形高度试 验中出现。因此，北美山脉的消失并不是导致 PMOC在整个海盆增强、AMOC减弱的主要原因。