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

本文中的MOC 定义如下：

(2)

其中，φ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φ的深度位置，(x L ，x R )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20°~70°N 、500m —2000m 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30°N~60°N 、500m —2000m 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0~500m 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。

?==?===R L x x x x z 'z 'z 'dxdz )'z ,y ,x (v )z ,y (0?

图4. Moc 指数随时间变化序列图（Flat 减去Real 试验）

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； (b) 太平洋，等值线是Real 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。Seidov [19]利用粗分辨率海洋模式研究

(a)

(b)

(a)

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。

(a)

(b)

(c)

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（℃）；（b）海表盐度（psu）；(c) 海表密度（kg/m3）

图6(b)显示，在Flat 试验中太平洋深水形成区（45°~60°N ，130°~160°W ）海表盐度明显增加；而大西洋深水形成区（45~60°N ，30°~60°W ）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2~3km 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：

(1)

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，S .V ?代表盐度平流。 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，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。

)h S S (S .V h )I R P E (S t S e ?ωκ-?+?----=??2)h S

S (e ?ωκ-?2

(a) (b)

(c) (d)

图7. 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

(a)、(c)分别代表太平洋深水形成区（45°~60°N，130°~160°W）和大西洋深水形成

区（45~60°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Real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45~60°N，0~1000

米深度增强，1000m以下均减弱。

图8. Moc指数随时间变化序列图

(a) 代表Flat试验减去Real试验；(b) 代表usa_ntopo试验减去Real试验

(a) (b)

图9. 经向翻转流函数差异

(a)大西洋，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；

(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）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。

(a)

(b)

(c)

图10. 海表面风应力分布

(a)

(b)

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）AMOC和PMOC的改变机制

1、海表盐度和密度的变化

(a)

(b)

(c)

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（℃）；(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。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，单位均为10-5kg/m2/s

图14. 大气中全球降水通量

图中阴影是usa_ntopo试验减去Real试验，单位10-8kg/m2/s

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30°N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。

(a)

(b)

(c)

图16. 850hPa垂直速度

(a) Real试验，(b) usa_ntopo试验，(c) usa_ntopo和Real试验差异（正值代表下沉）

(a)

(b)

(c)

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

(a)Real试验，(b) usa_ntopo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，去掉北美地形高度后，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。因此，我们选取50°~70°N、0~60°W 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。

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°N，130°~160°W)；(b) 大西洋深水形成区(50°~70°N，0~30°W)

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。