海洋環(huán)流的演變及改變機(jī)制

海洋環(huán)流的演變及改變機(jī)制3.1 海洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（MOC）的定義本文中的MOC定義如下： . (2) 其中，為經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)，v為海水的經(jīng)向流速，(x,y,z)分別是緯向、經(jīng)向和垂直方向的坐標(biāo)，為的深度位置，(xL，xR)表示的是大西洋或太平洋海盆的東西兩側(cè)邊界13。為了簡化和定量化MOC以便看MOC隨時(shí)間的變化，AMOC往往被定義為一個(gè)簡單的指數(shù)。即將2070N、500m2000m深度上的AMOC的最大值定義為AMOC指數(shù)14-15。仿照AMOC指數(shù)的定義，本文將30N60N、500m2000m深度上PMOC的最大值定義為PMOC指數(shù)。而副熱帶環(huán)流（Subtropical cell,STC）則定義為太平洋0500m深度上PMOC的最大值。3.2 Flat試驗(yàn)中海洋環(huán)流的響應(yīng)3.2.1 海洋環(huán)流的演變在比較Flat和Real試驗(yàn)最后100年海洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)流指數(shù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)Flat試驗(yàn)與Real試驗(yàn)相比，AMOC指數(shù)在前20年有一個(gè)短暫的增加后迅速減小，到200年基本達(dá)到平衡態(tài)；PMOC指數(shù)在前20年有一個(gè)短暫的減小后增加。即抹平全球山脈后AMOC和PMOC也出現(xiàn)了蹺蹺板現(xiàn)象。副熱帶環(huán)流（Subtropical Cell，STC）響應(yīng)速度更慢，在前150年Flat試驗(yàn)中STC較Real試驗(yàn)是減小的，之后一直增加，如圖4所示。圖5是兩個(gè)試驗(yàn)最后100年平均海洋經(jīng)圈環(huán)流差異的空間分布圖，F(xiàn)lat試驗(yàn)中大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)質(zhì)量流函數(shù)較Real試驗(yàn)在整個(gè)海盆均是減弱的；太平洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)質(zhì)量流函數(shù)在整個(gè)海盆幾乎是增強(qiáng)的。隨后，我們分析了產(chǎn)生此效應(yīng)的機(jī)理。(a)圖4. Moc指數(shù)隨時(shí)間變化序列圖（Flat減去Real試驗(yàn)）(a)(b)圖5. 經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)差異(a) 大西洋，等值線是Flat試驗(yàn)的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)，陰影是Real試驗(yàn)減去Flat試驗(yàn)；(b) 太平洋，等值線是Real試驗(yàn)的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)，陰影是Flat試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)3.2.2 海洋環(huán)流的改變機(jī)制已有的觀測和數(shù)值研究表明，北大西洋高緯度海域，特別是次極地回旋區(qū)的海表狀況和環(huán)流熱動(dòng)力過程對于AMOC的變率具有重要的影響。在拉布拉多海、厄爾明格海和北歐海內(nèi)的高密度水的下沉是構(gòu)成經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流下沉支的重要組成部分16。Rooth、Bryan研究指出AMOC強(qiáng)度主要由NADW的形成率所決定17-18。因此，本文從北太平洋和北大西洋深水形成的角度探討大西洋和太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流在Flat試驗(yàn)中的改變機(jī)制。Seidov19利用粗分辨率海洋模式研究AMOC變化時(shí)大西洋和太平洋海表鹽度的改變，指出海表鹽度可以用來指示AMOC的變化。因此，我們分析了兩個(gè)試驗(yàn)最后100年海表鹽度和密度差異。(c)(b)(a)圖6. 氣候態(tài)平均的海表溫度、鹽度和位勢密度差異(a) 海表溫度（）；（b）海表鹽度（psu）；(c) 海表密度（kg/m3）圖6(b)顯示，在Flat試驗(yàn)中太平洋深水形成區(qū)（4560N，130160W）海表鹽度明顯增加；而大西洋深水形成區(qū)（4560N，3060W）海表鹽度明顯減小。受鹽度改變的影響，F(xiàn)lat試驗(yàn)海表密度也表現(xiàn)出和Real試驗(yàn)不同，其空間分布和鹽度的空間分布類似，如圖6(c)所示。Flat和Real試驗(yàn)中大西洋和太平洋深水形成區(qū)混合層30米內(nèi)鹽度和密度差異的時(shí)間序列圖顯示：太平洋深水形成區(qū)鹽度和密度在400年一直是增加的，而大西洋只在前40年增加。因此，太平洋深水形成區(qū)表層高密度海水下沉，在23km處以邊界流的形式向南流動(dòng)，構(gòu)成了Flat試驗(yàn)中的太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流。而北大西洋深水形成區(qū)表層海水密度較Real試驗(yàn)減小了，密度的垂直層結(jié)是穩(wěn)定的，沒有高密度表層海水下沉，因此Flat試驗(yàn)中AMOC明顯減弱。接著，本文利用鹽度平衡方程20分析兩個(gè)海盆深水形成區(qū)鹽度改變的原因：. (1)其中，E是蒸發(fā)過程、P是降水過程、R是河流輸送、I是海冰的作用，代表鹽度平流。 是外強(qiáng)迫項(xiàng)。圖7(b)顯示：使太平洋深水形成區(qū)鹽度增加的主要因素是蒸發(fā)和降水，而大氣環(huán)流能夠影響蒸發(fā)和降水，因此，我們分析了兩個(gè)試驗(yàn)的大氣垂直速度場和水汽輻散。Flat試驗(yàn)中原北美落基山脈西側(cè)的垂直上升速度與Real試驗(yàn)相比明顯減小，不利于該區(qū)域?qū)α鞯漠a(chǎn)生，且水汽輻合明顯減弱，導(dǎo)致降水減少。加上該處沒有山脈的阻擋，對流層低層風(fēng)增強(qiáng)，使更多的海水蒸發(fā)。因此，F(xiàn)lat試驗(yàn)中太平洋深水形成區(qū)鹽度增加，利于深水對流的產(chǎn)生。以上分析表明，北美落基山脈消失，北太平洋深水形成區(qū)鹽度增加使PMOC增強(qiáng)，進(jìn)而使大西洋和太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流出現(xiàn)蹺蹺板效應(yīng)。因此，在Flat試驗(yàn)中我們認(rèn)為北美落基山脈的消失對蹺蹺板效應(yīng)的產(chǎn)生起著至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步研究北美山脈的消失是否是引起PMOC增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生這種蹺蹺板效應(yīng)的關(guān)鍵因素，有必要在Real試驗(yàn)的基礎(chǔ)上只去掉北美山脈，研究北美山脈對AMOC和PMOC的影響。(b)(a)(d)(c)圖7. 深水形成區(qū)鹽度、溫度和密度差異及影響鹽度各分量的變化(a) 、(c)分別代表太平洋深水形成區(qū)（4560N，130160W）和大西洋深水形成區(qū)（4560N，3060W）溫度、鹽度和密度差異；(c)、(d)分別代表太平洋和大西洋深水形成區(qū)影響鹽度各分量的變化；均為usa_ntopo試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)3.3 無北美地形高度試驗(yàn)中海洋環(huán)流的響應(yīng)3.3.1 海洋環(huán)流的演變?nèi)サ舯泵赖匦魏?，與Real試驗(yàn)相比，海洋環(huán)流發(fā)生了與Flat試驗(yàn)完全不同的改變。圖8顯示，usa_ntopo的AMOC指數(shù)在400年里較Real試驗(yàn)一直增強(qiáng)，而PMOC和STC指數(shù)減弱。這與Flat試驗(yàn)中AMOC指數(shù)減弱、PMOC和STC指數(shù)增強(qiáng)的結(jié)論恰好相反。且在圖9中，我們可以看到，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)質(zhì)量流函數(shù)在整個(gè)海域幾乎是增強(qiáng)的，而太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)只在4560N，01000米深度增強(qiáng)，1000m以下均減弱。圖8. Moc指數(shù)隨時(shí)間變化序列圖(a) 代表Flat試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)；(b) 代表usa_ntopo試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)(b)(a)圖9. 經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)差異(a) 大西洋，等值線是Real試驗(yàn)的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)，陰影是usa_ntopo試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)；(b) 太平洋，等值線是Real試驗(yàn)的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流函數(shù)，陰影是usa_ntopo試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)3.3.2 海洋環(huán)流的改變機(jī)制 （1）STC的改變機(jī)制 上文分析表明，STC在400年里一直減弱，而影響STC最主要的因素是海表風(fēng)應(yīng)力。因此，本文分析了兩個(gè)試驗(yàn)中海表風(fēng)應(yīng)力的改變。(b)(a)(c)圖10. 海表面風(fēng)應(yīng)力分布(b)(a)圖11. Hadley環(huán)流(a) Real試驗(yàn)；(b) usa_ntopo試驗(yàn) 圖10展示了usa_ntopo和Real試驗(yàn)的海表風(fēng)應(yīng)力以及兩個(gè)試驗(yàn)的差異。在北太平洋低緯度，海表風(fēng)應(yīng)力減弱，驅(qū)動(dòng)海表環(huán)流減弱。進(jìn)一步分析海表風(fēng)應(yīng)力減弱的原因，我們發(fā)現(xiàn)：去掉北美地形后，Hadley環(huán)流的北支減弱（圖11），會(huì)導(dǎo)致副熱帶高壓減弱，低層熱帶和副熱帶的氣壓梯度減小，東風(fēng)信風(fēng)減弱，從而導(dǎo)致北太平洋海表風(fēng)應(yīng)力減弱，STC減小。 （2）AMOC和PMOC的改變機(jī)制 1、海表鹽度和密度的變化(b)(a)(c)圖12. 氣候態(tài)平均的海表溫度、鹽度和位勢密度差異海表溫度（）；(b) 海表鹽度（psu）；(c) 海表密度（kg/m3）為了研究AMOC和PMOC的改變機(jī)制，我們首先分析了usa_ntopo試驗(yàn)和Real試驗(yàn)中海表鹽度和密度的差異。圖12b表示的是Real和usa_ntopo試驗(yàn)全球平均海表鹽度的對比。相比于Real試驗(yàn)，usa_ntopo試驗(yàn)中，北美西側(cè)太平洋及北大西洋大部分海區(qū)鹽度升高。而中太平洋鹽度明顯降低。針對不同海盆鹽度的變化，我們主要考慮海洋的蒸發(fā)量和降水量，如圖13所示。usa_ntopo試驗(yàn)的全球的蒸發(fā)量和降水量都表現(xiàn)出了與Real不同。北大西洋及北美西側(cè)太平洋鹽度的升高，特別是阿拉斯加灣鹽度升高主要是由于蒸發(fā)變強(qiáng)，降水減少；而中太平洋低緯度地區(qū)鹽度的減小，則由于蒸發(fā)減弱，降水增強(qiáng)。然而，陸地上降水的強(qiáng)度可影響河流向海洋中輸送淡水的強(qiáng)度。因此，北大西洋加拿大沿岸鹽度減少、北美西側(cè)太平洋鹽度增加不得不考慮河流的作用。圖13. 海洋表面水汽蒸發(fā)量與降水量差異分布，單位均為10-5kg/m2/s圖14. 大氣中全球降水通量圖中陰影是usa_ntopo試驗(yàn)減去Real試驗(yàn)，單位10-8kg/m2/s圖15. 河流流量差異圖14為兩個(gè)試驗(yàn)大氣中的降水通量差異，海洋上的差異分布海洋數(shù)據(jù)得到的結(jié)果一直（圖略）。北美陸地上空降水與Real試驗(yàn)相比有很大的不同：加拿大降水明顯增多，美國降水明顯減少。由陸地降水差異所導(dǎo)致的河流的流量變化如圖15所示。配合圖14可以看出，加拿大上空降水增多，河流向哈得孫灣輸送的淡水增多，由哈得孫灣流入加拿大東岸北大西洋的淡水增多，導(dǎo)致加拿大東海岸的北大西洋海表鹽度和密度明顯減小。同理，美國上空降水減少，流入阿拉斯加灣和白令海峽的淡水減少，也是造成阿拉斯加灣附近鹽度增加的原因之一。圖12c顯示的是usa_ntopo和Real試驗(yàn)平均海表面密度之差，其空間分布和鹽度類似。 2、 大氣環(huán)流場的變化 去除北美地形高度后大氣環(huán)流場也發(fā)生了顯著的改變。850hPa垂直速度場的變化如圖16所示。在真實(shí)地形高度下，由于北美落基山脈的存在，500hPa北美上空受北美大槽控制（圖略）。因此，在北美落基山脈西側(cè)對流層低層850hPa表現(xiàn)為很大的上升運(yùn)動(dòng)。而北太平洋和北大西洋30N處于Hadley環(huán)流的下沉支，表現(xiàn)為下沉運(yùn)動(dòng)。去掉北美地形高度后，由于沒有高大山脈的阻擋，500hPa位勢高度場在北美變得平直（圖略）。原落基山脈西側(cè)區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱，北大西洋中緯度上升速度也減弱；由于Hadley環(huán)流北支減弱（圖11），北太平洋中低緯度下沉速度也減弱。配合850hPa風(fēng)場和水汽輻合輻散場（圖17）可以看到：在真實(shí)地形下，太平洋的水汽由西風(fēng)帶到落基山脈西側(cè)，受山脈的阻擋，在此處輻合上升，利于該地區(qū)降水的產(chǎn)生。然而，去掉落基山脈后，北美中緯度850hPa西風(fēng)變得平直，北美西側(cè)幾乎沒有水汽的輻合，太平洋上的水汽由平直的西風(fēng)帶到北美大陸和大西洋。配合加拿大上空水汽輻合的產(chǎn)生，加拿大降水急劇增加，如圖14所示。然而，在大西洋上空，雖然中緯度有水汽的輸入，水汽輻合卻并沒有增強(qiáng)，反而減弱。伴隨中緯度風(fēng)的增強(qiáng)，大西洋水汽蒸發(fā)更多。因此大西洋中緯度鹽度和密度沒有減小，反而增加。大西洋上空濕潤的空氣隨著低緯度東風(fēng)繼續(xù)由大西洋向太平洋輸送，中太平洋低緯度地區(qū)水汽輻合增強(qiáng)，導(dǎo)致太平洋低緯度降水急劇增加（圖略），鹽度和密度明顯減少。(b)(a)(c)圖16. 850hPa垂直速度(a) Real試驗(yàn)，(b) usa_ntopo試驗(yàn)，(c) usa_ntopo和Real試驗(yàn)差異（正值代表下沉）(a)(b)(c)圖17. 850hPa風(fēng)場和水汽輻散風(fēng)的單位是m/s，水汽輻散單位是10-8/s(a) Real試驗(yàn)，(b) usa_ntopo試驗(yàn)，(c) usa_ntopo和Real試驗(yàn)差異 3、大西洋和太平洋深水形成區(qū)鹽度的改變 以上分析表明，去掉北美地形高度后，usa_ntopo試驗(yàn)中大氣環(huán)流和Flat試驗(yàn)相比不盡相同，導(dǎo)致usa_ntopo和Real試驗(yàn)海表鹽度的差異與Flat和Real試驗(yàn)海表鹽度的差異也表現(xiàn)得不同，特別是在北大西洋。北大西洋大部分海域海表密度是增加的，但是受局地效應(yīng)的影響，在加拿大東海岸附近密度減小，而該區(qū)域剛好是拉布拉多海附近深水形成的區(qū)域。前文指出，北大西洋深水形成區(qū)不光有拉布拉多海，還包括厄爾明格海和北歐海，只選取拉布拉多海附近區(qū)域分析北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流增強(qiáng)的機(jī)制不具備代表性。因此，我們選取5070N、060W分析usa_ntopo試驗(yàn)和Real試驗(yàn)中大西洋混合層30米鹽度和密度的差異。圖18. 太平洋和大西洋深水形