北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响

北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响 2011 年 第 30 卷 第 5 期: 8?18 热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY ; 海洋水文学 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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 1, 212潘爱军 , 万小芳 , 刘秦玉 1. 国家海洋局 第三海洋研 究 所环境动力 室 , 福建 厦门 361005; 2. 中国海洋大学物 理 海洋教育部 重 点实验室 , 山东 青岛 266003 摘要: 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。 关键词: 北太平洋; 副热带模态水; 混合层; 海表热力强迫; 海洋平流; 垂直夹卷 中图分类号: P731 文献标识码: A 文章编号: 1009-5470(2011)05-0008-11 Diagnostics of mixed-layer thermodynamics in the formation regime of the North Pacific subtropical mode water 1,212PAN Ai-jun, WAN Xiao-fang, LIU Qin-yu 1. Environment and Dynamics Laboratory, Third Institute of Oceanography, Xiamen 361005, China; 2. Physical Oceanography La- boratory, Ocean University of China, Qingdao 266003, China Abstract: Diagnostics of the contributions from the surface heat forcing, vertical entrainment, Ekman advection, and geos- trophic advection to the formation of the North Pacific subtropical mode water are performed using the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) ocean data and the Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set (COADS) fluxes. The re- sults suggest that both the surface heat forcing and vertical entrainment dominate the cooling tendency of the wintertime mixed layer in all three mode water formation regions, with relative contributions of 67% and 19% in the North Pacific Sub- tropical Mode Water (NPSTMW) formation region, respectively; 53% and 21% in the North Pacific Central Mode Water (NPCMW) formation region, and 65% and 30% in the Eastern Subtropical Mode Water (ESMW) formation region. In addition, both the Ekman and geostrophic advection are warm advection in the ESMW formation region, while only the latter is warm advection in the other two mode water formation regions. Further analysis indicates that on interannual and decadal timescales, contributions from the surface heat forcing and geostrophic advection to the wintertime mixed layer cooling trend are 62% and 32% in the NPSTMW formation region, respectively. In the NPCMW formation region, the interannual and decadal variability derives from the combination of Ekman advection (32%), geostrophic advection (30%), and surface heat forcing (25%). By contrast, the surface heat forcing is the most prominent contributor (67%) in in ESMW formation region. 收稿日期: 2010-06-09; 修订日期: 2010-12-13。孙淑杰编辑 基金项目: 国家重 点基 础研 究专项 (2007CB816002); 国 家 自 然科学 基金 项目 (40806013); 我国近海 物理 海洋 与海洋 气象 调查 研究项 目 (908-ZC-I-01); 国家海洋局第三海洋研究所基本科研专项资金(海三科 2008015) 作者简介: 潘爱军(1977—), 男, 山东省莱州市人, 副研究员, 主要从事物理海洋学研究。E-mail:aijunpan @tiosoa.cn Key words: North Pacific; subtropical mode water; mixed layer; surface heat flux; ocean advection; vertical entrainment 世界大洋中的模态水可分为两类: 副热带模态 的主要动力过程, 这种作法在通风温跃层上翘的程 [1] 水和副极地模态水。在北太平洋副热带环流圈中 度大 (接 近垂直 )时是 基本正确 的 , 因为此 时背景流 存在 3 个模态水: 西部模态水(STMW)、中部模态水 场的平流作用对模态水的形成影响不大。但是, 当 (CMW)和东部模态水(ESMW)。作为在温跃层 中 出通风温跃层接近水平(混合层深度的水平梯度很大)现的温度、盐度、位势涡度垂直较均一的一类特殊 时, 在垂直混合的过程中就会有一部分混合层的水 类型的水体, 模态水与海洋环流存在显著的相互作 通过背景环流场的平流作用进入永久性温跃层, 成 [2] 用。Suga 等的研究表明黑潮环流变异显著影响了为模态水的一部分。尽管在研究通风温跃层潜沉率 [3][8]西部模态水的迁移路径。Kubokawa从理论上证明 , 将 混合层 底的 水平速 度考 虑 时已注 意到 该问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 了模态水在副热带逆流形成中的贡献。此外, 副热 进去, 但如何将背景环流场的平流作用通过参数化 带模态水还可以通过经向反转环流, 将中高纬度海的形式定量 地表示出来 , 一直是科 学家关注的 问 [4-5] 洋-大气相互作用的异常 信号传递到 赤道海区。 题。特别在副热带海域, 除了负的风应力旋度引起 近期研究表明, 太平洋副热带与热带之间的经圈环 的垂直向下的 Ekman 抽吸速度之外, 还有冬季混合 [9] 流在 20 世纪 70 年代以后变慢, 使得赤道太平洋的层底的地转流的平流作用。最近, McLaren 等对北 [6]SST 升高了 0.8?。因此, 研究太平洋副热带模态 大西洋潜沉率的年际变化研究时发现, 在气候平均 水的时空分布特征和形成机制不仅对研究海洋环流 意义上, 北大西洋副热带环流的潜沉主要靠 Ekman 有重要意义, 也是研究全球气候变化研究的基础。输运对浮力的再分配, 该作用对潜沉的贡献比从大 北太平洋副热带模态水是在副热带环流背景条 气中得到的表面浮力通量的贡献要大 ; 相反 , 潜沉 件下混合层季节变化的产物, 它的形成是一个复杂 的年际变化是由表面浮力通量的年际变化控制。该 的物理过程。前人曾提出海洋表层通风区是模态水研究为如何考虑副热带环流尺度的平流作用对潜沉形成的源区 , 如果该观点 是正确的 , 温跃层通风 区 或模态水形成的影响开了个好头。遗憾的是, 目前 都作为模态水的源区; 实际上这种理想假设并不都 尚未见到有关太平洋潜沉的类似研究成果。 成立, 在温跃层通风区的某些位置并没有形成模态北太平洋副热带西部模态水 (NPSTMW, 以下 [10]水。以往的研究表明, 在模态水中仅仅体现了冬季 简称西部模态水)首先被 Masuzawa发现, 此后关 深对流过程所形成的晚冬水体特性, 这个谜维持了 于 其形成 过程 和时空 分布 特征先 后有 大量工 [7] [2, 11-18]作很长一段时间, 直到 Stommel提出了一种可以接 。北太平洋副热带中部模态水(NPCMW, 以 受的解释: ―施托梅尔幽灵‖(Stommel Demon)。他认 下简称 中部 模态水)位于 副热带 /副极 地环流 圈的 边 为冬季海洋表层大量热损失, 风应力搅拌混合而引缘地带, 其形成海区在北纬 40ºN 左右, 介于 170ºE发的冬季深对流在不同的背景层结下使混合层密度 —160ºW 之间, 核心温度 10—13?, 呈现纬向拉伸 [17, 19-20] 和深度在晚冬达到最大; 由于混合层在早春迅速变 的空间形态 。北太 平洋副热带 东部模态水 浅, 以至于冬季深混合层的下部被早春迅速形成的(ESMW, 以下简称东 部 模态水 )位于夏 威 夷 群岛和 美国加利福尼亚之间, 核心温度 16—22?, 深度在季节性温跃层与上部混合层切断分离, 从而也隔绝 [21] 100—150m 范围内。了进一步的海气相互作用, 这部分水体最终下沉进 ―Stommel Demon‖理论清楚地表明模态水的形 入永久性温跃层形成模态水。该形成机制的提出揭 示了模态水形成的最本质的物理过程。但是, 在该 成与混合层的季节变化有非常密切的关系; 它的水 理论中没有涉及作为背景环流场的平流作用。由此 体特征, 特别是温度特征, 直接来源于晚冬(3 月)混 推测 , 假如 没有背景环 流场的平流 作用 , 晚冬 深混 合层深层部分水体, 承袭了晚冬混合层水体也即晚 合层的下部水体与上部混合层隔离后会停留在原地,冬海表温度的特征。新形成的模态水必然包含海表 直到第二年冬天, 将再与上部混合层连为一体。但 温度记忆 , 海表温度愈 低 , 意味着 新形成的模 态水 是, 由于模态水的形成是通风温跃层中发生的潜沉 温度愈低, 这启发我们可以通过研究海洋的上混合 的结果 , 而 温跃层通 风 时通常是 向 上翘的 , 因此 ,层来间接研究模态水的形成过程及其物理机制。下 [22-24]人们常常在研究模态水形成中, 将一维的垂直混合 面我们利用 Qiu 等的研究方法, 通过对一个上 过程(混合层底的卷入和卷出过程)作为模态水形成 层海洋混合层热平衡方程的诊断分析, 定量估计海 10 Vol. 30, No. 5 / Sep., 2011 热 带 海 洋 学 报 ?Δh/ Δ表热力强迫、埃克曼平流、垂直夹卷和地转平流在 / Δt > ?Δhm m ?w = (2) ? e 00, 北太平洋副热带 3 个模态水形成过程中的贡献。?? t, 其他 资料与方法2 1 模态水核心温度的年际、年代际变化 本文将北太平洋副热带模态水核心温度定义为 1.1 数据 National 第 1 种资料是美国海洋资料中心(The每年 4—5 月模态水形成区的低位涡水体垂向位涡 [25]Oceanographic Data Center, NODC)发布的 XBT 月平 极小值对应的温度。根据 Niiler 等的―块体‖混合 均温度观测资料, 经纬向分辨率为 5?×2?, 垂向 11层理论, 混合层深度可定义为为海表温度减 1?所 层, 分为 0、20、40、60、80、120、160、200、240、 对应的深度。因此, 海表温度的年际、年代际异常 300 和 400 m。资料长度从 1955 年到 1998 年。第 2同样代表混合层温度年际、年代际异常, 二者仅差 种资料来自美国环境预报中心(National Centers for 一常数(0.5?)。本文为了直观理解, 取海表温度与 Environmental Prediction, 简写为 NCEP)和国家大气 模态水核心温度做比较。 研究中心(National Center for Atmospheric Research, 图 1a 表明 1955—1998 年每年春季(4—6 月)新 简写为 NCAR)太平洋次表层再分析海洋数据, 资料形成的西部 模态水的平 均核心温度 为 17.16? , 标 长度从 1980 年到 1999 年, 范围包括 35ºS 以北的太 准差为 0.22?。西部模态水的核心温度具有 3 个明 平洋, 水平网格为 1.5º×1º(纬度×经度); 垂向分 27 层 显的年代际变化时段(1962—1968 年、1969—1986 (5、15、25、35、45、55、65、75、85、95、106.2、年、1987—1998 年), 1962—1968 年平均核心温度为 120.0、136.2、155.0、177.5、205.0、240.0、285.0、 17.35?, 1969—1987 年平均核心温度降低了 0.31?, 345.0、430.0、550.0、720.0、976.5、1327.5、1821.0、 随后的 1988 — 1998 年平 均核心温度重新回升到 2443.5、3126.5m)。第 3 种资料取自月平均的综合海 17.35?。 洋 - 大气资 料集 (Comprehensive Ocean-Atmosphere 与西部模态水相比, 中部模态水核心温度的年 Data Set, COADS)海表通量资料, 经纬向分辨率为 际变化振幅明显增大(0.49?), 其均值为 10.72?(图 1?×1?, 时间跨度从 1950 年到 1993 年。1b)。中部模态水核心温度有 4 个显著的年代际变化 1.2 上层海洋混合层热平衡方程时段(1955—1962 年、1963—1976 年、1981—1988 为了定量研究海洋平流输送在上层海洋热平衡 年、1989—1995 年), 冷暖期交替出现, 1955—1962 ) 和 中的贡献 , 我们把平流项分离为埃克曼输送 (u e年和 1981—1988 年偏冷, 平均核心温度分为 10.37地转平流(u)两部分, 采用如下混合层热平衡方程: g?和 10.26?; 1963—1976 年和 1989—1995 年偏暖, ?T Qw(T?平均核心温度分别为 10.99?和 11.26?。值得注意 net e m m (1) ? ?T ? u ? ? = ? e m g m h?t ρch m0 m的是, 中部模态水核心温度从 1977 年就开始迅速降 ?TT) d u其中 T代表混合层温度; Q代表海表净热通量; m net 低 , 1979— 1980 年模态水核心温度有显著的回升 ,ρ和 c 分别是参考密度和海水比热; h是混合层深 m 0 只不过在 3 年滑动平均曲线上 1981—1988 年中部模 度 ; u是埃克 曼速 度 , 由海 表风 应 力矢量 τ 决定 , e 态水核心温 度的变冷趋 势更为一致 。随后 1989— u= τ ×k /(ρfh) ; w是卷夹速度; T是混合层底的 e d e 0 m 1995 年模态水核心温度比 1981—1988 年迅速升高 水温; u是表层地转流速, 可由海表高度计算得到 g 了 0.96?, 达 11.22?; 特别是 1988 年和 1991 年两 u= ?g?h×k / f , 式中 h 表示海表高度, f 表示科氏 g 个极端年, 模态水核心温度分别为 9.66?和 12.22?,参数,g 为重力加速度,k 为垂向旋转矢量。方程(1) 变化幅度达 2.56?。中部模态水核心温度年代际变 中的 5 项分别为温度倾向项(Tend)、海表热力强迫 化的振幅如此之大, 反映了该模态水形成区外部大 项(Hf)、埃克曼平流项(Ea)、垂直夹卷项(We)和地转 气强迫场的急剧变动。此外, 在上述 4 个年代际变平流项(Ga)。 化区间上又伴随有比较显著的年际变化信号, 特别 本文利用 NCEP 资料中的大气数据(风场、热通 是 1963—1976 年期间年际变化特征比较明显, 以 2 量场)和海洋数据(温度、盐度)对方程(1)中的各项进 —3 年的周期为主。 行了估计。为了方便, 所有变量插值到 1º×1º网格。 东部模态 水 的核心温 度 均值为 17.99? , 年际 其中垂直夹卷项 w由 NCEP 资料中得到的混合层深 e 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差为 0.26?, 比中部模态水核心温度的年际变 度 h诊断得到: m 动小, 而与西部模态水核心温度的年际变化强度接 近(图 1c)。东部模态水核心温度以周期小于 4 年的 水的核心温 度偏冷(17.77?), 后一阶 段模态水的 核 年际变化信号为主, 1962—1979 年和 1984—1997 年心温度显著升高(18.31? )。总体而言, 1955—1998 年东部模态水的核心温度有微弱的增高趋势。前一阶段模态 是 2 个比较显著的年代际变化时段, 图 1 北太平洋副热带模态水核心温度的时间变化序列 a,西部模态水; b,中部模态水; c,东部模态水。虚线是 3 年滑动平均曲线, 数据取自 XBT Fig. 1 Time series of the North Pacific subtropical mode water core temperature, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW. The three-year moving-average is shown by a dashed line with data from the XBT ?1速率为?0.31??月, 相对贡献达 19%; 埃克曼平流 将 1955—1998 年模态水形成区每年晚冬(3 月) 和地转平流的贡献相对较小(6%、8%), 前者导致的 的海表温度与春季(4—6 月)新形成的模态水的核心 ?1混合层降温速率为?0.09??月, 后者是暖平流, 在 温度作相关分析(图略), 西部、中部和东部模态水核 气候平均意义下地转平流的贡献全年为正, 表明由 心温度与晚冬海表温度时间序列的相关系数分别为 黑潮及黑潮延伸体携带的暖平流总是有利于混合层 0.32、0.85 和 0.81, 均超过 95%置信度(0.3); 表明模 的增暖, 其作用与前 3 项相反, 它诱发的混合层升态水很好地保留了晚冬海表水体的温度特征。 ?1温速率达 0.14??月; 因此, 地转平流削弱了西部 3 模态水形成区混合层温度的变化特征与 模态水形成区秋、冬季混合层的降温趋势, 不利于 机制 上层海洋深对流的形成和发展, 因而不利于模态水 的形成。此外, 混合层的降温趋势从 10 月逐渐增大,3.1 混合层温度的季节变化特征与机制 ?112 月达到极值(?2.11??月), 晚冬(3 月)混合层的降 3.1.1 西部模态水?1温趋势在冬季月份中是最小的(?0.41??月); 然而 在西部模态水形成区, 海表热力强迫项是导致 XBT 实测资料证实混合层在 3 月达到最大深度。因 混合层温度季节变化的最重要因素, 其他 3 项的贡 此, 可以推论, 晚冬(3 月)的深混合层是由从 10 月开 献相对较小(图 2a)。10 月—次年 3 月混合层降温过 始的海表失热及埃克曼冷平流和垂直卷加作用的累 程中 , 海表 失热导致的 混合层降温 速率达 ?1.09 ?1积效应造成的。4—9 月混合层升温, 5—8 月海表热 ??月, 占混合层热平衡方程右端各项相对贡献的 力强迫项是最主要的控制因子, 相对贡献达 94%; 4 67%(表 1); 垂直夹卷效应次之, 导致的混合层降温 12 Vol. 30, No. 5 / Sep., 2011 热 带 海 洋 学 报 9 18%), 月和 月地转平流的相对贡献较大(分别为 66%、 埃克曼平流和垂直卷夹的作用可以忽略。 图 2 北太平洋副热带模态水形成区混合层热平衡方程中各项的季节变化 a,西部模态水; b,中部模态水; c,东部模态水 Fig. 2 Seasonal cycle for each term of the mixed layer thermal balance EQ in the North Pacific subtropical mode water for- mation regime, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW 表 1 北太平洋副热带模态水形成区混合层降温过程中热平衡方程中各项的相对贡献(%) Tab. 1 Relative contribution of the thermal balance equation during the cooling period of the mixed layer in the North Pacific subtropical mode water formation regime (%) 地转平流 海表热力强迫 垂直夹卷 埃克曼平流 季节 年际/年代际 季节 年际/年代际 季节 年际/年代际 季节 年际/年代际 西部模态水 67 62 19 5 6 1 8 32 中部模态水 53 25 21 14 19 32 7 30 东部模态水 65 67 30 14 1 19 4 0 埃克曼平流的贡献有明显的季节变化, 除了在 冷平流极小, 二者引起的混合层温度平均变化速率 ?1 ?1分别为 0.17??月和?0.01??月。9—12 月以经向 5 月和 7 月, 经向埃克曼平流主导了总体埃克曼平 流的季节变化。7—10 月埃克曼平流是暖平流, 11 月地转暖平流 为主 , 纬向 地转平流极 小 , 二者导 致的 ?1 —次年 4 月埃克曼平流是冷平流, 表明秋、冬季纬 混合层温度平均变化速率分别为 0.16 ? ? 月 和 ?1 ?0.02 ? ? 月 。总而言之 , 在混合层降 温冷却阶段 向西风驱动的向南输送的亲潮海流的表层冷水导致 (10 月—次年 3 月), 地转平流纬向和经向分量的相 了西部模态水形成区混合层的降温。在混合层降温 对贡献分别为 46%和 54%。而在混合层升温增暖阶 阶段(10 月至次年 3 月), 经向埃克曼平流在总体埃 段(4—8 月), 地转平流的纬向和经向分量相互抵消, 克曼平流的贡献中占 99%, 纬向埃克曼平流基本可 其中纬向分 量是暖平流 , 经向分量是 冷平流 , 二者 以不计(图 3a)。与埃克曼平流相比, 地转平流 2 个 相对贡献为 67%和 33%(图 4a)。分量的季节变化要复杂得多 ; 然而 , 其综合效应是 暖平流。根据地转平流两分量的相对贡献大小, 可 3.1.2 中部模态水 以将其季节变化分为 3 个阶段(1—3 月、4—8 月、9在整个年循环期间, 海表热力强迫项都是控制 —12 月)。1—3 月以纬向地转暖平流为主, 经向地转混合层温度倾向的主要因子, 垂直夹卷效应次之。 图 3 北太平洋副热带模态水形成区埃克曼平流及其经向、纬向分量的季节变化 ,,西部模态水; b,中部模态水; c,东部模态水 Fig. 3 Seasonal cycle of the Ekman advection and its components in the North Pacific subtropical mode water formation regime, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW 图 4 北太平洋副热带模态水形成区地转平流及其经向、纬向分量的季节变化 a,西部模态水; b,中部模态水; c,东部模态水 Fig. 4 Seasonal cycle of the geostrophic advection and its components in the North Pacific subtropical mode water formation regime, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW 14 Vol. 30, No. 5 / Sep., 2011 热 带 海 洋 学 报 然而, 与西部模态水形成区不同, 在秋、冬季混合层 对地转平流的分解表明, 在整个年循环时间尺度上, 降温阶段(10 月—次年 3 月), 埃克曼平流也发挥了 纬向分量为 暖平流 , 有 利于局地混 合层增暖 , 而经 比较重要的作用(图 2b)。海表热力强迫和垂直夹卷 向分量是冷平流, 导致局地混合层变冷; 在秋、冬季 ?1 ?1的均值分别为 ?0.76??月和 ?0.31??月 , 其相对 混合层降温阶段, 地转平流两分量的相互抵消使得 贡献分别为 53%和 21%; 埃克曼平流的均值为?0.27 整体的地转平流效应并不显著(图 4c)。 ?1 ? ? 月 , 相对 贡献达 19%, 与垂直 夹卷 效应接近 ;3.2 秋、冬季混合层温度的年际/年代际变化特征与 机制 与西部模态水形成区类似, 地转平流是暖平流(0.10?1 3.2.1 西部模态水??月), 部分抵消了冬季混合层变冷的趋势(表 1)。 西部模态水形成区混合层热平衡方程中各项年 在混合层升温期间(5—8 月), 海表热力强迫是主要 际异常(扣除年循环)如图 5a 所示, 秋、冬季混合层 因子, 相 对 贡献达 92%; 相对而言, 地转 平流 的 增 温度倾向项有显著的年际变化。海表热力强迫项、 暖作用要小的多(2%); 而埃克曼冷平流起抵消混合 地转平流项与混合层温度倾向项的相关系数分别为 层增暖的作用(6%)。 0.56 和 0.50, 超过 95%置信度; 而埃克曼平流和垂 与该海区的外部风场所驱动的南向埃克曼冷水 直夹卷与混合层温度倾向的相关性很差。回归分析 输送一致, 埃克曼平流全年为冷平流。6 月开始埃克 表明, 海表热力强迫是导致混合层温度年际、年代 曼冷 平流的贡献 逐渐增大 , 10 月达到极 值 (–0.45?1际异常的主导因素(回归系数 0.80), 地转平流起第 2 ??月)。较强的埃克曼冷平流效应表明, 在用一维 位的作用(回归系数 0.42); 埃克曼平流和垂直夹卷混合层模式模拟中部模态水时存在不可避免的缺陷, 作用贡献极小。综合回归分析的结果, 西部模态水 可能导致偏浅的混合层。此外, 经向埃克曼平流主 形成区海表热力强迫、埃克曼平流、垂直夹卷和地 导了整体埃克曼平流的季节变化(图 3b), 纬向埃克 转平流对秋、冬季混合层温度倾向的年际、年代际曼平流可忽略不计。与西部模态水形成区相似, 都 变化异常的相对贡献分别为 62%、1%、5%、32%(表 是埃克曼平流的经向分量占主导地位; 区别在于中 1)。部模态水形成区埃克曼平流全年为冷平流, 趋向于 此外, 海表热力强迫有显著的年代际变化趋势,使局地的混合层降温变冷。经向埃克曼冷平流的全 ?11993 之前海表热损失较少, 之后海表热损失有显著 年积分达?3.21??月, 远超纬向埃克曼平流的贡献 ?1增加的趋势。埃克曼平流由其经向分量控制, 二者 ?0.03??月。地转平流的分解如图 4b 所示, 除了在 有很高的相 关性(相关系 数 0.97), 其纬向分量可 忽11—12 月纬向与经向分量量级相当外, 经向地转分 略不计(图 6a)。相对而言, 地转平流由其纬向(回归 量控制了整体地转平流的季节变化。地转平流的经 系数 0.62)和经向(回归系数 0.46)分量共同决定, 纬 向分量总是暖平流, 而纬向分量呈冷平流(3—9 月) 向分量与整体地转平流的位相变化比较一致 ( 图 和暖平流(10 月—次年 2 月)交替变化。在混合层冷 7a)。却阶段(10 月—次年 3 月), 地转平流纬向和经向分 3.2.2 中部模态水量的相对大小贡献为 32%和 68%。 中部模态水形成区秋、冬季混合层温度倾向有 3.1.3 东部模态水 显著的年代际变化, 1986—1987 年是年代际变化的 在东部模态水形成区, 海表热力强迫是导致混 转换年, 1986 年以前混合层有显著的降温趋势, 1987合层温度季节变化的最主要因素, 垂直夹卷效应次 年之后混合层的降温趋势明显减弱; 1996 年以后局 之, 地转平流起第 3 位的作用(图 2c), 埃克曼平流的 地混合层降温趋势再次加剧(图 5b)。与西部模态水 贡献极小。在冬季混合层降温阶段(10 月—次年 3 形成区不同, 海表热力强迫不再是影响秋、冬混合 月 ), 海表热 力强迫和垂直夹卷的均值分别为 ?0.38?1 ?1层温度倾向年际、年代际异常的主要因子, 二者相 ??月和?0.17??月, 相对贡献分别为 65%和 30%; 关性很低(0.17), 回归性也 很差(0.11); 埃克曼平 流 地转 平流和埃克 曼平流是暖 平流 , 均值 (相 对贡献 ) ?1?1和地转平流取代海表热力强迫成为决定因素, 后者 分别为 0.02??月(4%)和 0.01??月(1%)(表 1)。 与混合层温度倾向的年际、年代际异常变化位相有 尽管 4—10 月埃克曼平流的经向和纬向分量各 很好的同步性(相关系数 0.57), 回归分析也揭示了 自有较大的 振幅 , 然而 二者相互抵 消 , 大大削 弱了 地转平流异常是引起混合层温度倾向年际、年代际 整体埃克曼平流的贡献 ; 总的来说 , 经向分量占主 异 常的重要原 因 ( 回归系 数 0 . 13) 。 对地转平流 导地位, 决定了埃克曼平流是暖平流效应(图 3c)。 图 5 北太平洋副热带模态水形成区混合层热平衡方程中各项的年际/年代际变化 a. 西部模态水; b. 中部模态水; c. 东部模态水 Fig. 5 Interannual and decadal changes for each term in the mixed layer thermal balance EQ in the North Pacific subtropical mode water formation regime, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW 图 6 北太平洋副热带模态水形成区埃克曼平流及其经向、纬向分量的年际/年代际变化 a,西部模态水; b,中部模态水; c,东部模态水 Fig. 6 Interannual and decadal changes for the Ekman advection and its components in the North Pacific subtropical mode water formation regime, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW 项的进一步分解(图 7b)表明地转平流以纬向分量为 分为 0.87 和 0.93; 远超过经向分量的贡献(相关系数 主, 该分量与整体地转平流的相关系数和回归系数0.13、回归系数 0.07)。 16 Vol. 30, No. 5 / Sep., 2011 热 带 海 洋 学 报 图 7 北太平洋副热带模态水形成区地转平流及其经向、纬向分量的年际/年代际变化 a,西部模态水; b,中部模态水; c,东部模态水 Fig. 7 Interannual and decadal changes for the geostrophic advection and its components in the North Pacific subtropical mode water formation regime, with (a) for the NPSTMW, (b) for the NPCMW, and (c) for the ESMW 同地转平流一样, 埃克曼平流与秋、冬季混合 献较小, 回归分析也揭示这一特征(回归系数 0.06)。 层温度倾向的年际、年代际异常也有很好的相关性综合回归分析的结果, 中部模态水形成区海表热力 强迫、埃克曼平流、垂直夹卷和地转平流对混合层 (相关系数 0.40)和回归性(回归系数 0.14), 表明埃克 温度倾向年际、年代际变化异常的相对贡献分别为曼平流也是导致混合层温度倾向年际、年代际异常 25%、32%、14%、30%。的重要原因。此外, 埃克曼平流异常具有比较显著 的年代际变化特征, 1986—1987 年和 1990—1991 年 3.2.3 东部模态水 是 2 个显著的转换年。1986 年之前和 1991—1996东部模态水形成区混合层温度倾向年际、年代 年期间是暖平流异常, 1987—1990 年期间和 1997—际变化异常以 2 年左右的年际变化信号为主(图 5c), 1998 年期间是冷平流异常。1987—1990 期间的埃克 与之相关最好的是海表热力强迫 ( 相关系数 0.69),曼冷平流在很大程度上削弱了同期地转暖平流异常 其次是垂直夹卷(相关系数 0.58)和埃克曼平流效应导致的局地混合层升温; 1991—1996 年期间地转平 (相关系数 0.53), 皆超过 95%置信度; 回归分析也证 流异常非常弱, 故该时期的埃克曼暖平流是局地混实海表热力强迫是影响局地混合层温度倾向年际、 合层升温的主要因素, 1997—1998 年混合层的降温 年代际异常的主要因子。尽管垂直夹卷效应在季节 趋势主要由埃克曼冷平流异常决定。总之, 埃克曼 时间尺度上对混合层温度倾向有显著的影响, 然而 平流输送是影响局地混合层温度异常变化的另一重在年际、年代际时间尺度上它对混合层温度倾向异 要因素。对埃克曼平流经向和纬向分量的进一步分 常变化的贡 献并不显著(回归系数 0.11), 甚至小于 析(图 6b)表明, 无论是在位相上, 还是在振幅上, 经 埃克曼平流的贡献。相对于其他 3 项, 地转平流的 向分量是整体埃克曼平流异常变化的主导因子 (相贡献可忽略不计。从回归系数估计海表热力强迫、 关系数 0.99、回归系数 0.99), 纬向分量可忽略不计。 埃克曼平流、垂直夹卷对混合层温度倾向年际、年 相对于其他 3 项, 尽管垂直夹卷与冬季混合层温度 代际异常变化的相对贡献分别为 67%、19%、14%。 倾向异常有 较高的相关(相关系数 0.38), 但它的振埃克曼平流异常具有显著的年代际变化, 1994 幅很小, 表明垂直夹卷对混合层温度的异常变化贡 年以前 埃克 曼平流 的作 用是使 局地 的混合 层增 暖 ; 而 1995 年以后作用相反, 特别是 1997 年, 埃克曼平 断分析, 定量估计了 3 个副热带模态水形成区秋、 流输送对局地混合层有显著的降温作用。埃克曼平 冬季混合层温度冷却过程中, 海表热力强迫、垂直 流的纬向分量振幅较小, 对整体埃克曼平流贡献极 夹卷效应、埃克曼平流和地转平流在模态水形成年 小 ( 回归系 数 ?0.03); 经向 分量 是主 导 项 ( 回归系 数循环过程中的贡献。结果表明, 在西部模态水形成 1.03), 其位相变化与整体埃克曼平流有很好的一致 海区, 海表热力强迫、垂直夹卷效应、埃克曼平流 性(相关系数 0.99)(图 6c)。对地转平流而言, 1991 和地转平流的相对贡献分别为 67%、19%、6%和 8%; 在中部模态水形成区 , 其相对贡献分别为 53% 、—1992 年是显著的转换年, 之前地转平流的作用是 使局地的混合层温度降低, 1992 年之后则是使混合 21%、19%和 7%; 在东部模态水形成区, 其相对贡 层有增暖的趋势; 这一显著的年代际变化与经向地献分别为 65%、30%、4%和 1%。在东部模态水形 转平流的位相变化非常一致。相对而言, 经向地转 成区 , 埃克曼平流和地转平流皆是暖平流效应 ; 而 平流是主导项, 纬向分量与整体地转平流的相关性 在西部和中部副热带模态水形成区, 仅有地转平流 和回归性都较低(图 7c)。是暖平流效应, 其他 3 项皆有利于混合层的冷却。 进一步分析表明, 海洋平流(地转平流、埃克曼 4 结论 平流)对冬季混合层温度的年际、年代际变化异常有 本文首先利用 1955—1998 年 XBT 实测资料分 显著的影响。西部模态水形成区冬季混合层温度的析了北太平洋副热带 3 个模态水的核心温度特征及 年际、年代际变化是海表热力强迫(62%)和地转平流其与晚冬混合层温度的关系。结果表明, 西部、中 (32%) 共同作用的结果 , 埃克曼平流 和垂直夹卷 效 部和东部模态水的平均核心温度分别为 17.16?、应贡献极微; 而在中部模态水形成区冬季混合层温 10.72?和 17.99?, 年际、年代际变化标准差分别为度的年际、年代际变化是埃克曼平流、地转平流和 0.22?、0.49?和 0.26?。模态水的核心温度与晚冬 海表热力强 迫共同作用 的结果 , 相 对贡献分别 为 海表温度有很好的相关性, 表明模态水承袭了外部 32%、30%和 25%; 在东部模态水海表热力强迫是导 大气强迫特征。 致冬季混合层温度年际、年代际异常的最主要因素, 在此 基础 上 , 利 用 一 个混合 层热 平衡方 程 , 通 相对贡献达 67%, 埃克曼平流和垂直夹卷作用分别 过对 NCEP 海洋资料和 COADS 海气通量资料的诊 占 19%和 14%, 地转平流贡献可忽略不计。 参考文献 [1] MCCARTNEY M S. 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