全球大洋风应力和淡水通量敏感性试验模拟研究

1全球大洋风应力和淡水通量敏感性试验模拟研究周利11中国科学院大学地球科学学院，北京100049摘要本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/LAP）气候系统海洋环流模式（LICOM），对全球大洋的环流结构与温盐结构进行模拟试验。通过更改模式中的风应力与淡水通量参数，对全球大洋进行相应的敏感性分析。风应力敏感性模拟试验结果揭示了表层风应力是大洋表层环流结构的重要维持因素，并验证了Sverdrup理论在温跃层结构和次表层质量输送上的应用。淡水通量敏感性模拟试验结果表明了拉布拉多海增加淡水强迫将导致大西洋经圈翻转流（AMOC）强度减弱，并通过大洋环流输送带对全球范围内大温盐属性产生影响，尤其对大西洋和北欧地区的温度产生显著负异常作用。关键词风应力强迫淡水强迫环流结构温盐结构1.引言大气和海洋是地球系统中最为重要的两个组成部分，通过一系列的耦合机制，共同影响着全球气候。自Bjerkness（1969）首次将赤道东太平洋表面海温异常和南方涛动联系起来，指出该地区强烈的海气相互作用，越来越多的研究学者逐渐开始注重海气作用机制的研究，并以此来解释一些大气海洋周期性信号，如厄尔尼诺和南方涛动（ENSO），太平洋年代际振荡（PDO），北大西洋涛动（NAO）等，并应用于业务气象预报，如台风预报等。海气作用机制的研究主要通过模式与观测相结合的方法。随着世界各国对海洋科学研究的深入与全球气候变化的加剧，越来越多的国际研究组织相继建立起来，如西北太平洋海洋环流与气候试验（NPOCE）等，随之而来的是更多的海洋观测阵列，为海洋科学的发展提供了有力的基础依据。全球海洋模式近些年随着科学计算与高性能计算机的进步发展迅速，从20世纪60年代至今，基于Bryan（1969）的设计所建立的GFDL（GeophysicalFluidDynamicsLaboratory）海洋模式得到了充分的发展、推广和应用，并在世界上大尺度海洋环流和气候数值模拟领域长期处于主导地位（张学洪等，2013）。海洋与大气通过动量通量，热量通量以及水汽通量进行物质和热量的交换，产生相互作用，组成一个耦合系统。大气对海洋的风应力作用就是最为重要的一种动量交换形式，是海洋表层风生环流重要驱动因子，而且对上层海洋整体的质量输送和温跃层结构都有重要联系。大气对海洋的淡水通量主要以降水和融冰的方式进行，直接影响着海洋上层的温盐结构，并通过海洋的深对流过程对热盐环流（Thermohalinecirculation）产生间接的作用，这种影响能够在长时间尺度上通过大洋环流输送带（Broecker，1991）产生全球范围内的响应变化。热量通量是指海气之间的辐射热通量与湍流热通量，分别有短波辐射通量和净的长波辐射通量，潜热通量和感热通量组成，具有水平的纬向分布特征，而且其强度由低纬向高纬度递减。本文分为四个部分，第一部分为引言，第二部分模式介绍与试验设计，第三部分为结果的展示与分析，主要分析风应力和淡水通量在全球大洋环流与温盐结构中的重要作用，第四部分为总结和讨论，进一步分析它们对全球气候的重要影响。22.模式介绍与试验设计本文模拟试验采用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/LAP）气候系统海洋环流模式（LICOM）（Jinetal.，1999；张学洪等，2003；刘海龙等，2004；Liuetal.，2004），水平分辨率可提高至为0.5°×0.5°，垂直方向共30层，其中上15层每10m一层，下15层每层厚度不均匀，具体可见Wuetal.（2005）。模式热力强迫采用Haney 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ，模式所需热力强迫变量包括净短波辐射、气温、气压、比湿、标量风速、云量留个海表大气变量。模式强迫场使用的风应力、热通量和耦合系数都来自于ERA-15导出的MPI-OMIP资料。用于恢复的月平均海表温度（SST）和海表面盐度（SSS）来自美国国家海洋资料中心（NODC）发布的《世界海洋图集1998》（WorldOceanAtlas98，WOA98，http：//www.nodc.noaa.gov/）。模式的垂直混合使用了依赖于Richardson数的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 （PacanowskiandPhilander，1981），背景扩散取为62110/ms，背景黏性取为52210/ms。水平混合使用了GM90方案。水平黏性方案采用Laplace形式，水平黏性系数取为42210/ms（刘海龙等，2004）。本文在水平分辨率为2°×2°的LICOM模式中，进行了三组试验：1.对照试验A（EXP_A）：由给定的初始强迫场继续积分30年，输出30年逐月全球大洋的月平均数据，其中包括，正压流函数，经圈流函数，海表面温度、盐度，三维流场等变量；2.风应力敏感性试验B（EXP_B）：在与EXP_A相同的初始强迫场去除初始场中的海表风应力强迫，继续积分30年，输出30年逐月全球大洋的月平均数据，通过与EXP_A试验结果对比，分析风应力在全球大洋环流与温盐结构中的作用。其中，本文通过将LICOM模式气候强迫场rdrive.f90程序中的风应力设置为0.0完成对初始风应力的修改。3.淡水通量敏感性试验C（EXP_C）:本文选取在全球大洋深对流较为剧烈的北大西洋区域进行EXP_C。在与EXP_A相同的初始强迫场下，在北大西洋海域（50°N-70°N，175°W-15°E）注入0.1Sv淡水，继续积分30年，输出30年逐月全球大洋的月平均数据，通过分析与EXP_A的试验数据差异（DataAnomalies），分析北大西洋淡水通量对全球大洋环流结构与温盐结构的影响，尤其是对大西洋经圈翻转流（AMOC）的影响。其中，本文通过对LICOM模式中解析温盐方程的tracer.f90程序中的盐度通量进行修改完成初始条件的设置。具体修改如下：首先，计算淡水添加区域面积S并转换为单位面积上添加的淡水通量：6320.110/msPSm（1）接着，转换需要减小“虚盐度通量”3010/FSEPpsums（2）其中E为蒸发通量，此处设为0，0S为大洋参考盐度，此处设置为35psu；最后将其添加至指定经纬度区域内的盐度通量中完成修改。33.实验结果3.1风应力敏感性试验结果图1b为EXP_B第30年平均的海表正压流函数模拟结果，即不考虑风应力强迫或认为只存在热盐强迫的模拟结果。可以看出，正压流函数集中出现在南极大陆周围，形成围绕南极大陆自西向东的全球尺度洋流，类似于南极绕极流（ACC），但是强度只有80Sv，远小于Cunningham等（2003）估算的观测值135Sv。除此之外，在南极大陆以外海区，存在非常弱的正压力函数，并难以找到普遍结构特征。图1a为对照试验EXP_A的第30年平均的海表正压流函数模拟结果，即同时考虑了风应力强迫和温盐强迫模拟结果，可以看出结果很好的展示了全球大洋表层环流结构以及西向强化特征。结果表明ACC的强度约120Sv左右，非常接近于观测；同时，在各大洋的两半球副热带均模拟出正压流函数存在高值中心，对应反气旋式副热带环流（SubtropicalGyre），在副极地地区模拟得到正压流函数的低值中心，对应气旋式副极地环流（SubpolarGyre）；此外，在副热带区域中，能够发现明显的东西分布不对称现象：海盆西边界附近流线非常密集，中、东部流线稀疏，表明模式一定程度上模拟出大洋表层环流的“西向强化”特征。本文EXP_A和EXP_B正压流函数模拟结果与England（1993）利用美国GFDL发展的全球海洋环流模式的结果类型（FIG3.c,b），一定程度上验证了LICOM模式的正确性与模式模拟结果的正确性。对比EXP_A和EXP_B正压流函数模拟结果表明，风应力强迫是出现副热带和副极低环流结构的主要原因，是驱动表层洋流运动的主要因素。试验结果一定程度上验证了风生环流的Sverdrup理论（Sverdrup，1947）：南北向的整层输送与海表风应力旋度有关，以及Stommel（1948）的西向强化理论：Sverdrup平衡方程中引入了Laplace形式的摩擦耗散项将导致西边界洋流流速大范围窄。4图1.第30年平均正压流函数的模拟结果图2是EXP_A和EXP_B积分第30年平均的SST分布图，可以发现两组试验结果相类似，主要差异体现在赤道海区以及海盆西边界区域：无风应力强迫下（EXP_B）,赤道海区东西向温度梯度减小，“冷舌”现象弱化甚至消失，西边界温度梯度减小，全球温度分布的纬向特征更加明显。风应力强迫在海风边界由于Ekman输送作用会形成上升补偿流以及在海洋内区由于Ekman抽吸作用会出现上升和下降流，均会影响SST的分布。没有了风应力强迫，这些动力冷却作用减弱，SST的分布受到海表热通量的影响增大，随热辐射通量呈现较为均匀的纬向分布特征。5图2.第30年平均海表层温度（SST）的模拟结果图3给出了积分第30年平均的纬向平均的海温垂直分布图，选取20℃等温线深度作为海洋温跃层深度。由图3a可以看出，温度的垂直分布呈现U型特征，南北分布较为对称，在北半球中高纬度地区温度的垂直梯度更大，这可能与北大西洋区域的深对流系统有关，在赤道低纬度次表层存在明显的“上翘”等温线特征，这是Ekman抽吸的结果；相比之下，图3b由于没有了风应力的强迫，Ekman抽吸作用消失，赤道低纬度温度垂向分布较为平滑。6图3.第30年平均纬向平均温度模拟结果图4给出了积分第30年平均的径向流函数分布图，用于描述水团特征和深层径向环流。如图4a，EXP_A结果表明在北半球和南半球副热带区域分别存在高值中心和低值中心，对应着南半球中高纬度存在垂直向下的体积输送和赤道区域浅层的向上体积输送（图中蓝色和红色箭头标识），这与北大西洋深对流系统和赤道区域Ekman抽吸导致的上升流有关。由图4b，可以看出没有风应力强迫下，径向流函数整体强度减弱，水团特征更加明显，如图中北大西洋深层水（NADW）和南极底层水（AABW）较图4a中具有更为清晰的空间分布。可见，风应力强迫通过影响Ekman输送与Ekman抽吸作用影响着大洋下层经圈环流，有利于经圈环流的加强，进入加速大洋水团的运动，不利于水团的区域稳定性。图4.第30年平均径向流函数模拟结果NADWAABW73.2淡水通量敏感性试验结果淡水强迫是海气物质交换中的一种方式，对海洋温盐结构和热盐环流，尤其是AMOC具有重要的影响。北大西洋海区具有全球大洋输送带中重要的深对流“通风口”，该区域的淡水强迫具有较高的敏感性，故而本文选取此区域作为试验区域。图5给出第30年平均经圈流函数模拟结果与EXP_A试验结果差异的分布图，由图可以看出，在副热带区域出现异常负值，副极低区域出现异常高值，结合图4a可以得出：淡水强迫对经圈环流起到削弱的作用，尤其是在50°N附近。可能的解释是：北大西洋增加的淡水通量转变为表层盐度的减少，垂直盐度梯度减少使得深对流混合过程减弱。图5.第30年平均经圈流函数模拟结果与EXP_A试验结果差异图6给出了第30年平均全球大洋不同属性的异常值（相比于EXP_A），可以看出，增强北大西洋区域的淡水强迫在全球范围内在正压流函数异常（BSFA），海表盐度异常（SSSA），海表温度异常（SSTA），海表高度异常（SSHA）上会产生一定差异，以大西洋区域差异最为明显，这可能是因为AMOC是温盐环流中最为显著的一支经圈环流，对异常的响应最为敏感，此外温盐环流的长时间尺度也会导致异常信号的大尺度传播需要更长的时间。8图6.第30年平均全球范围内不同变量模拟结果与EXP_A试验结果差异图7截取出大西洋区域异常分布，可以看出：a)BSFA在大西洋呈现出南北对称的分布：在副热带区域出现异常的低值中心，在副极地区域出现异常的高值中心。结合图1a可以发现，整体的BSF强度呈现减弱的趋势，并在西边界流黑潮和湾流海区BSF降低约0.4Sv和1.6Sv，表明增强的淡水通量导致表层风生环流的体积输送减弱，尤其体现在海盆西边界附近。但减弱的程度远小于风应力敏感性试验结果（图1），说明温盐强迫也是表层环流的“驱动力”之一，但影响作用远小于风应力。b)SSSA在北大西洋50°N以北区域，尤其在拉布拉多海，呈现显著的负值，是淡水强迫的直接体现，其中拉布拉多海的异常显著负值表明该地区存在垂向的深对流过程，通过上下层海水的混合，使表层高盐海水“淡化”；在40°N-50°N区域SSSA表现异常高值，说明淡水强迫会一定程度上减弱湾流的强度，将等少的低纬度低盐海水带入中纬度区域。c)SSTA在北大西洋从20°N开始往北沿着湾流路径，呈现较为均分分布的负值，约降低0.5℃左右，并一直延伸至北欧和北极地区；在拉布拉多海具有显著的低值中心，且同图7b中SSSA的负值中心位置相同，说明深对流过程是使该地区SST显著降低的主要原因。进一步思考，发现：北大西洋由于存在较为联系的AMOC，拉布拉多海作为经向环流的“通风口”，具有强烈的深对流过程，该地区进行淡水强迫将导致表层盐度降低，减弱深对流混合作用，使得AMOC的强度降低，进而导致湾流所携带的低纬度高温高盐海水减少。d)SSHA在分布上同SSTA类似，在湾流路径上出异常负值，这可能是SST降低所导致的。图7.第30年平均大西洋范围内不同变量模拟结果与EXP_A试验结果差异4.总结和讨论本文利用LICOM进行全球大洋环流和温盐结构的分应力和淡水通量敏感性试验，通过与对照试验（EXP_A）进行对比，得出以下结论：1.风应力强迫是大洋表层环流的最主要的驱动力，是形成反气旋式副热带环流，气旋式副极低环流结构和西向强化的环流特征的根本原因，并通过Ekman抽吸过程驱9动次表层水团的运动，对SST的分布和温跃层产生影响；2.北大西洋海区的淡水强迫会通过减弱拉布拉多海的深对流过程，减弱了AMOC的强度，进而由大洋输送带影响着全球大洋的温盐分布和环流结构，但属大西洋区域的影响最为明显；3.AMOC通过湾流的暖水输送对北大西洋海温及北欧地区的气温有重要的维持作用。本文模拟试验是在LICOM分辨率为2°的情况下进行的，从全球的角度是分析风应力和淡水通量的作用，若采用更高分辨率对局地的环流结构，如北大西洋黑潮和印度尼西亚贯穿流等，进行敏感性模拟试验，或许会得到令人惊喜的结果。EXP_C中对北大西洋区域进行淡水强迫处理，若对比不同区域的淡水强迫模拟结果，或许会得到深对流过程对AMOC和表层环流结构产生的影响。采用更高性能的计算机，积分更长时间，或许可以得到淡水强迫对其他大洋更为显著的影响。20世纪90年代来，随着全球增暖的日益严重，气候变化成为了科学界和政界所共同关心的话题。全球变暖所导致的一系列灾难性的后果让人类开始反思发展和环境的辩证关系。本文通过北大西洋淡水强迫模拟试验（EXP_C）对全球变暖导致北极海冰融化产生的淡水强迫进行了类似模拟，从结果上可以看出，北极海冰融化所导致的淡水强迫将打破北大西洋和北欧地区原有的温度平衡，“上帝的后花园”将不再如往常般温暖适宜，电影《后天》中的场景或许会成为现实。可见，气候变化不是一句空话，它正在慢慢地改变着我们的地球，为了拯救我们人类自己，需要全人类的共同努力。10参考文献BjerknessJ.1969.AtmosphericteleconnectionsfromtheequatorialPacific[J].MonthlyWeatherReview,97:163-172BroeckerWS.1991.Thegreatoceanconveyor[J].Oceangraphy,4:79-89BryanK.1969.Anumericalmethodforthestudyofthecirculationoftheworldocean[J].JournalofComputationalPhysics,4:347-376CunninghamSA,AldersonSG,KingBA,BrandonMA.2003.TransportandvariabilityoftheAntarcticCircumpolarCurrentinDrakePassage[J].JournalofGeophysicalResearch-Oceans,108(C5).JinXZ,ZhangXH,ZhouTJ.1999.FundamentalframeworkandexperimentsofthethirdgenerationofIAP/LASGworldoceangeneralcirculationmodel[J].AdvancesinAtmosphericSciences,16:197-215刘海龙，俞永强，李薇，等.2004,LASG-IAP气候系统海洋模式（LICOM1.0）参考手册[M],北京：科学出版社，128ppLiuHL,ZhangXH,LiW,etal.2004,Aneddy-permittingoceanicgeneralcirculationmodelanditspreliminaryevaluation[J],AdvancesinAtmosphericSciences,21:675-690PacanowskiRC,PhilanderSGH.1981.ParameterizationofVerticalMixinginNumerical-ModelsofTropicalOceans[J].JournalofPhysicalOceanography,11:1443-1451.StommelHU.1948.Thewestwardintensificationofwind-drivenoceancurrents[J].Transactions,AmericanGeophysicalUnion,29:202-206SverdrupHU.1947.Wind-DrivenCurrentsinaBaroclinicOcean-withApplicationtotheEquatorialCurrentsoftheEasternPacific[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,33(11):318-326.WuFH,LiuHL,LiW,etal.2005.EffectsofadjustingverticalresolutionontheeasternequatorialPacificcoldtongue[J].ActaOceanologicaSinica,24:1-12.张学洪，俞永强，刘海龙.2003,海洋环流模式的发展和应用I，全球海洋环流模式[J]，大气科学，27（4）：607-617张学洪，俞永强，周天军等.2013.大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义[M].北京：气象出版社，119. 全球大洋风应力和淡水通量敏感性试验模拟研究 1.引言 2.模式介绍与试验设计 3.实验结果 3.1风应力敏感性试验结果 3.2淡水通量敏感性试验结果 4.总结和讨论 参考文献