趙進(jìn)平，Ken Drinkwater

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266100；2.挪威海洋研究所Bergen，N-5024）

北歐海主要海盆海面熱通量的多年變化?

趙進(jìn)平1，Ken Drinkwater2

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266100；2.挪威海洋研究所Bergen，N-5024）

北歐海有暖流和寒流注入，又發(fā)生大量回流，水團(tuán)特性異常復(fù)雜。由于北歐海的環(huán)流受地形控制，其水團(tuán)的分布與4個(gè)海盆的分布有密切的關(guān)系。本文研究各個(gè)海盆熱通量變化的差異，以研究獲取對(duì)北歐海海氣相互作用區(qū)域差異的認(rèn)識(shí)。北歐海的熱量夏季以太陽(yáng)短波輻射為主，冬季以來(lái)自海洋的長(zhǎng)波輻射、感熱和潛熱通量為主。海盆間的差異主要體現(xiàn)在格陵蘭海，其變化幅度短波輻射高出50%，長(zhǎng)波輻射高出大約40%，潛熱高出大約60%，感熱高出近4倍。可能的原因是，格陵蘭海強(qiáng)烈的感熱和潛熱釋放導(dǎo)致海溫降低，氣溫也受北極冷空氣的影響，形成與暖流區(qū)迥異的自然環(huán)境。過(guò)去30年發(fā)生了2次顯著的熱量減少事件。其中，1987年的事件很可能與冰島的火山噴發(fā)有關(guān)，火山噴發(fā)對(duì)短波輻射的影響長(zhǎng)達(dá)一年之久，導(dǎo)致感熱和潛熱也同步減少。1998年格陵蘭海的潛熱和感熱明顯減少，與北極海冰輸出導(dǎo)致的海溫偏低有顯著關(guān)系。文章分析了4個(gè)主要海盆熱通量的變化與北極濤動(dòng)（AO）指數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，發(fā)生在冰島海的向下短波輻射和發(fā)生在格陵蘭海的感熱和潛熱與AO相關(guān)度較高，體現(xiàn)了與AO的密切關(guān)系。這些熱通量與AO指數(shù)的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)表明，1992年以前冰島海的短波輻射與AO的相關(guān)性非常高，而格陵蘭海的感熱和潛熱在1993年后與AO高度相關(guān)，是值得深入研究的現(xiàn)象。本文的結(jié)果支持以下觀點(diǎn)：北歐海對(duì)北極濤動(dòng)的貢獻(xiàn)主要是格陵蘭海的感熱和潛熱釋放通過(guò)冰島低壓區(qū)的上升氣流影響冰島低壓的云量，從而影響到達(dá)的太陽(yáng)輻射而導(dǎo)致大氣環(huán)流的變化。

北歐海；熱通量；海氣耦合；北極濤動(dòng)；北極濤動(dòng)核心區(qū)

1 導(dǎo)論

北歐海（Nordic Sea）是連接北大西洋與北冰洋的海域，由格陵蘭海、冰島海和挪威海組成，也稱(chēng)GIN海（見(jiàn)圖1）。來(lái)自北大西洋的暖流——挪威流沿北歐海東部進(jìn)入，從巴倫支海和Fram海峽流出北歐海。另一支來(lái)自北冰洋的寒流——東格陵蘭流沿北歐海西部進(jìn)入，并通過(guò)Denmark海峽流出北歐海。受海底地貌的影響和地形的約束，暖流多次發(fā)生從主流分離的現(xiàn)象，稱(chēng)為回流，在北歐海中部形成大范圍回流區(qū)［1］。回流區(qū)的水體與周邊水體交換，形成特有的水團(tuán)，稱(chēng)為大西洋回流水（Recirculating Atlantic Water）［2］。由于回流區(qū)的水體要比暖流區(qū)和寒流區(qū)水體的滯留時(shí)間更長(zhǎng)，有更多的時(shí)間發(fā)生海氣相互作用，成為北歐海海氣熱交換的主體。在相對(duì)較冷的冬季，海洋向大氣大量釋放熱量，導(dǎo)致了深對(duì)流和高密度水的形成［3］。

據(jù)此，北歐海的上層分為3個(gè)主要區(qū)域：在西部受到極地冷水直接影響的極區(qū)，在東部受到大西洋暖水直接影響的大西洋區(qū)，以及在北歐海中部占據(jù)了格陵蘭海的中部及冰島海的中部和東北部的過(guò)渡區(qū)域［4-5］。各個(gè)區(qū)域之間由海洋鋒來(lái)分隔［6-8］。

北歐海發(fā)生2種海洋對(duì)流，形成巨大的下沉流量。最顯著的對(duì)流是表面冷卻和鹵水釋放導(dǎo)致的對(duì)流，即開(kāi)放海洋對(duì)流（Open-Ocean Convection）［9］。開(kāi)放海洋對(duì)流過(guò)程引發(fā)海洋中垂直熱交換，加強(qiáng)海洋中的熱量釋放，產(chǎn)生強(qiáng)海氣相互作用，同時(shí)影響海洋和大氣的運(yùn)動(dòng)［10-11］。此外，在格陵蘭海的極鋒附近，發(fā)生大范圍的等密度對(duì)流，主要是回流水與來(lái)自北冰洋水體的混合增密導(dǎo)致的對(duì)流［12-13］。

由于環(huán)流和回流都與海底地形有關(guān)，北歐海的水團(tuán)與各個(gè)主要海盆緊密聯(lián)系，北歐海海氣界面熱通量的差異主要是各個(gè)海盆之間熱通量的差異。因此，本文研究各個(gè)主要海盆海面熱通量的差異。在北歐海存在4個(gè)大的海盆，分別為格陵蘭海、冰島海、挪威海盆、羅弗敦海盆。其中，冰島海的深度較淺，大約1000m，其余3個(gè)都是深海盆，深度在2800m以上。由于水體來(lái)源不同，海水的溫度不同，各個(gè)海盆的海氣交換有很大的差別。其中，挪威海盆和羅弗敦海盆主要是挪威暖流的暖水回流區(qū)，水溫較高，是主要的感熱釋放區(qū)。而格陵蘭海盆是東格陵蘭流的回流水和暖流的回流水匯合區(qū)，水溫較低，感熱和潛熱的釋放都很強(qiáng)烈［14］。各個(gè)海盆的海氣交換對(duì)北歐海的大氣環(huán)流有重要的貢獻(xiàn)，其中，挪威海盆和羅弗敦海盆的暖水回流在不間斷的循環(huán)過(guò)程中不斷向大氣釋放熱量，是歐洲熱量的主要來(lái)源。

北歐海是北大西洋濤動(dòng)／北極濤動(dòng)（NAO／AO）的關(guān)鍵海域［15-16］，在氣候系統(tǒng)中起到重要作用。NAO明顯與系統(tǒng)性的風(fēng)場(chǎng)距平變化、潛熱和感熱通量的變化以及海面溫度場(chǎng)變化有關(guān)［17-18］，亞極區(qū)渦旋的海表溫度、海冰范圍與氣壓十年尺度變化幾乎是同步的［19］，來(lái)自格陵蘭島的下降風(fēng)減弱有助于抑制蒸發(fā)，改變了海冰的分布，導(dǎo)致海冰與氣壓場(chǎng)變化呈正相關(guān)關(guān)系［20］。文獻(xiàn)［21］通過(guò)研究北極濤動(dòng)（AO）的變化與北半球海面氣壓場(chǎng)（SLP）變化的關(guān)系，指出存在1個(gè)以北歐海為主體的北極濤動(dòng)核心區(qū)（AO核心區(qū)），AO核心區(qū)的平均SLP與北極濤動(dòng)指數(shù)（AOI）高度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.945，二者幾乎可以相互替代。然而，北歐海東西兩側(cè)最大溫差達(dá)到10℃以上，暖流區(qū)域寒流區(qū)的海氣通量也有很大的差別。文獻(xiàn)［21］的結(jié)果提出1個(gè)重要的命題，是什么因素導(dǎo)致AO核心區(qū)的氣壓與AOI一致變化？空間不均勻的海洋如何導(dǎo)致大氣參數(shù)的均勻特性？為此，需要研究北歐海表面熱通量如何影響海洋和大氣的變化。

迄今為止，北歐海內(nèi)部的長(zhǎng)期連續(xù)數(shù)據(jù)主要有：各國(guó)沿岸氣象站，位于揚(yáng)馬延島的氣象站，以及位于挪威南部近海的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)船（M站，1949—2009）。然而，由于北歐海各項(xiàng)參數(shù)的空間變化范圍大，這樣幾個(gè)站的數(shù)據(jù)不足以了解北歐海海氣相互作用的全貌。

本文的目的是了解各個(gè)熱通量的時(shí)間變化及其與AO的相關(guān)性，采用NCEP-DOE Reanalysis-2在北歐海的格點(diǎn)化數(shù)據(jù)，研究北歐海海氣通量與北極濤動(dòng)指數(shù)的關(guān)系，揭示北歐海海洋對(duì)北極濤動(dòng)核心區(qū)SLP變化的作用以及對(duì)北極濤動(dòng)的貢獻(xiàn)形式。本文的結(jié)果深入揭示了北歐海熱通量各個(gè)分量對(duì)海氣耦合的響應(yīng)和反饋，指出北歐海是1個(gè)潛熱主導(dǎo)的海氣耦合海域。

2 熱通量的季節(jié)變化

2.1 熱通量多年月平均分布特征

熱通量和氣象數(shù)據(jù)取自NCEP-DOE Reanalysis-2數(shù)據(jù)集（http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／dat a／gridded／data.ncep.reanalysis2.html＃references），該數(shù)據(jù)集使用了高級(jí)分析與預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，是NCEP Reanalysis-1的改進(jìn)版本。所有數(shù)據(jù)的網(wǎng)格如圖1所示，經(jīng)度間隔1.875°，緯度間隔1.903°。各個(gè)熱通量以進(jìn)入大氣的為正，向下輻射以到達(dá)海面為正，向上輻射以離開(kāi)海面為正，潛熱和感熱以進(jìn)入大氣為正。凈短波輻射是指向下的短波輻射減去向上的短波輻射，凈長(zhǎng)波輻射是向上的長(zhǎng)波輻射減去向下的長(zhǎng)波輻射。同期的北極濤動(dòng)指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自（http：／／www.cpc.ncep. noaa.gov／products／precip／CWlink／daily_ao_index／ao_index.html）。所使用的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30年，從1979年1月～2010年12月。

北歐海的海氣熱通量有非常顯著的季節(jié)變化。作者在圖2中給出了凈短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、感熱和潛熱在1月和7月的空間分布圖。

北歐海大部分海域位于北極圈之內(nèi)。冬季（11、12、1月）大部分海域沒(méi)有短波輻射，夏季短波輻射很好的體現(xiàn)了緯度差異。在東格陵蘭流海域，每年大部分時(shí)間有海冰覆蓋［22］，海冰較強(qiáng)的反照率導(dǎo)致凈短波輻射很低，大部分太陽(yáng)輻射能被反射回太空。

長(zhǎng)波輻射的冬夏差異并不大，冬季的凈長(zhǎng)波輻射略大一些，表明冬季的云量要顯著低于夏季，海洋失熱更為嚴(yán)重。在東格陵蘭流域，冬季凈長(zhǎng)波輻射略小一些，夏季凈長(zhǎng)波輻射略大一些。

感熱通量在夏季比較弱，主要是海氣溫差較小的緣故。在冬季，發(fā)生非常強(qiáng)的感熱通量，尤其在格陵蘭海盆，感熱通量達(dá)到極大值，可達(dá)200 W／m2以上。在其他海域，感熱釋放量也達(dá)到80 W／m2以上。這樣大的感熱通量體現(xiàn)了該海域的海洋熱量通過(guò)感熱釋放給大氣，形成冬季大氣運(yùn)動(dòng)的主要熱源。這種強(qiáng)大的感熱釋放從10月持續(xù)到翌年4月。

潛熱通量在夏季較弱，是由于夏季大氣濕度較大的緣故。而在冬季潛熱釋放量非?？捎^。在挪威海流流域，潛熱釋放超過(guò)100 W／m2，而在回流區(qū)，潛熱也達(dá)到60 W／m2以上，只有在東格陵蘭流海域，潛熱通量低于30 W／m2。顯然，北歐海冬季感熱和潛熱的釋放對(duì)歐洲冬季溫暖的氣候有重要貢獻(xiàn)。

可見(jiàn)，在夏季，太陽(yáng)短波輻射是北歐海大氣運(yùn)動(dòng)的主要熱源，凈長(zhǎng)波輻射通量與冬季差別不大，感熱和潛熱通量都很小。而在冬季，長(zhǎng)波輻射、感熱和潛熱提供給大氣的熱量接近300 W／m2，接近夏季太陽(yáng)輻射提供的熱量，是該海域冬季大氣運(yùn)動(dòng)的主要熱源。

2.2 4個(gè)海盆熱通量的季節(jié)變化

圖3給出了4個(gè)海盆各個(gè)熱通量的季節(jié)變化情況。凈短波輻射夏季最大，其他3種熱通量都是夏季最小。各個(gè)海盆的凈短波輻射相差不大，只有格陵蘭海略高。凈長(zhǎng)波輻射通量也是格陵蘭海最高，其他3個(gè)海域相差不大。其實(shí)，格陵蘭海的海表溫度要低于挪威海盆和羅弗敦海盆。感熱通量格陵蘭海是最高的，其他3個(gè)海盆相差不大。潛熱通量當(dāng)屬暖水區(qū)的挪威海盆和羅弗敦海盆最大，其他2個(gè)海盆較小，其中，冰島海的潛熱通量要遠(yuǎn)小于其他海域。值得注意的是，格陵蘭海夏季的潛熱接近0，表明該海域夏季氣溫低，濕度大，無(wú)法形成蒸發(fā)。

圖1 北歐海地形和數(shù)據(jù)示意圖Fig.1 Topography of Nordic Seas and the grid of dada

圖2 多年月平均1和7月凈短波輻射（a），凈長(zhǎng)波輻射（b），感熱（c）和潛熱（d）通量的空間分布Fig.2 Multiyear monthly average of net shortwave radiation（a），Net longwave radiation（b），Sensible heat（c）and latent heat（d）at January（left）and July（right），respectively

圖3 4個(gè)海盆各個(gè)熱通量分量的季節(jié)變化（多年月平均）Fig.3 Seasonal variation（multiyear monthly average）of each heat flux component at four basins

2.3各個(gè)海盆熱通量的方差

從數(shù)據(jù)中去掉圖3中的多年月平均數(shù)據(jù)，得到各個(gè)熱通量的距平量。統(tǒng)計(jì)各個(gè)海盆代表點(diǎn)距平量的方差列于表1?？梢?jiàn)，短波輻射的方差在各個(gè)海盆相差不多，只有在格陵蘭海盆高出50%，與該海域的云量相對(duì)變化較大有關(guān)。各個(gè)海域的長(zhǎng)波輻射方差相差不多，格陵蘭海高出大約40%，也是由于云量變幅較大的緣故。感熱的方差區(qū)域差別最大，暖水區(qū)的挪威海盆和羅弗敦海盆感熱的方差都略高于5 W·m-2，而在冰島海，感熱方差增大到8 W·m-2以上，在格陵蘭海盆，感熱方差驟升到18 W·m-2以上。這2個(gè)海域感熱方差變幅增大的原因是近海面氣溫變幅較大的緣故。潛熱方差在格陵蘭海變幅較大，達(dá)到8 W·m-2以上，而在其他3個(gè)海盆都在5 W·m-2左右，格陵蘭海潛熱變幅較大的原因是其濕度變化較大造成的。因此，格陵蘭海的感熱和潛熱通量不僅是海洋失去熱量的最主要方式，而且也是變幅最大的熱通量，是海洋和大氣發(fā)生較大幅度變化的主要原因。

表1 各個(gè)海盆各熱通量的方差Table 1 Variances of heat fluxes in four basins／W·m2

3 各個(gè)熱通量的空間差異

3.1 各個(gè)熱通量的空間差異和時(shí)間變化

為了體現(xiàn)各個(gè)海盆的季節(jié)變化，本文將圖1給出的4個(gè)海盆的中心點(diǎn)為核心，計(jì)算中心點(diǎn)與周邊海盆各個(gè)熱通量變化的相關(guān)性，以體現(xiàn)各個(gè)海盆之間的差異。圖4（a）～7（a）給出了各個(gè)海區(qū)相關(guān)系數(shù)大于0.6的海域，并計(jì)算各個(gè)海盆中心點(diǎn)熱通量的時(shí)間變化的差異（見(jiàn)圖4（b）～7（b））。高相關(guān)海域的范圍大，意味著其變化對(duì)更大的海域具有代表性。

圖4（a）表明，挪威海盆和羅弗敦海盆凈短波輻射的相關(guān)系數(shù)場(chǎng)相互重疊，表明二者的空間一致性較高，表明這2個(gè)海盆的云量相差不大。而格陵蘭海和冰島海近乎自成體系。圖4（b）為凈短波輻射變化的距平，表現(xiàn)出格陵蘭海與眾不同的較大變幅，冰島海也與其他2個(gè)海盆有較明顯的差異。凈長(zhǎng)波輻射的空間一致性最好，4個(gè)海盆的相關(guān)系數(shù)場(chǎng)高度重疊（見(jiàn)圖5（a）），其時(shí)間變化的位相和幅度又有較好的一致性（見(jiàn)圖5（b））。

圖4 凈短波輻射的區(qū)域差異和時(shí)間變化Fig.4 Spatial difference and temporal variation of net shortwave radiation

圖5 凈長(zhǎng)波輻射的區(qū)域差異和時(shí)間變化Fig.5 Spatial difference and temporal variation of net longwave radiation

從圖6（a）和圖7（a）可見(jiàn)，冰島海、挪威海盆和羅弗敦海盆的感熱和潛熱相關(guān)性都很好，相關(guān)系數(shù)場(chǎng)相互重疊的區(qū)域很大，表明暖流影響區(qū)域的感熱和潛熱特性比較接近。唯有格陵蘭海，其感熱和潛熱都與周邊不一樣，相關(guān)區(qū)域的范圍也很小，說(shuō)明在格陵蘭海的感熱和潛熱特性主要集中在不大的范圍內(nèi)。圖6（b），7（b）也表明，格陵蘭海的感熱和潛熱都異常高，其中感熱產(chǎn)生的距平非常顯著，潛熱也是高于其他海盆。

圖6 感熱通量的區(qū)域差異和時(shí)間變化Fig.6 Spatial difference and temporal variation of sensible heat flux

圖7 潛熱通量的區(qū)域差異和時(shí)間變化Fig.7 Spatial difference and temporal variation of latent heat flux

3.2各個(gè)熱通量變化的一致性

表2給出了潛熱與其它各個(gè)輻射通量距平之間的相關(guān)系數(shù)，以查看這些熱通量變化的一致性。結(jié)果表明，短波輻射與潛熱通量變化的相關(guān)性最小，主要原因是短波輻射主要發(fā)生在夏季，而潛熱主要發(fā)生在冬季。而潛熱與長(zhǎng)波輻射和感熱都有很好的正相關(guān)，表明各種與海洋因素密切相關(guān)的熱通量都有很好的一致性。但是，潛熱與感熱的相關(guān)性更高一些，在格陵蘭海，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95；在挪威海盆，相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.82。而潛熱與長(zhǎng)波輻射的相關(guān)系數(shù)在0.51～0.66之間。

表2 各個(gè)海盆潛熱與其他熱通量的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of latent heat with other heat fluxes at each basin

總體來(lái)看，挪威海盆與羅弗敦海盆的熱通量變化一致，表明暖流區(qū)熱通量有比較一致的變化。冰島海雖然有時(shí)有比較大的偏差，但更趨向于暖流區(qū)的特征，與進(jìn)入冰島的伊爾明哥流有關(guān)。北冰島伊爾明哥流沿冰島北部沿岸流動(dòng)，將大西洋水帶入冰島海，占據(jù)上層200～300 m的深度［23］。只有格陵蘭海非常特殊，其短波輻射、感熱和潛熱都有很大的變幅，與相鄰海域完全不同。這與格陵蘭海的特殊物理特征有關(guān)。在格陵蘭海，沒(méi)有暖流直接流入，強(qiáng)烈的感熱和潛熱釋放，導(dǎo)致海溫降低，氣溫也受北極冷空氣入侵的影響，形成與暖流區(qū)迥異的自然環(huán)境。此外，格陵蘭海的上升氣流最弱，云量少，造成凈短波輻射高，凈長(zhǎng)波輻射也高的特點(diǎn)。

3.3各個(gè)熱通量變化的特殊事件

從圖4（b）～7（b）可以看出，在過(guò)去30年發(fā)生了幾次顯著的熱量減少事件。其中，短波輻射的減少事件發(fā)生在1986—1987年和1999—2000年。這2次強(qiáng)負(fù)距平事件很可能與冰島的火山噴發(fā)有關(guān)。冰島在1986年7月發(fā)生了強(qiáng)火山噴發(fā)，噴發(fā)期持續(xù)了大約15 d；冰島2000年的火山噴發(fā)也很強(qiáng)。火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰和氣溶膠對(duì)太陽(yáng)短波輻射的影響長(zhǎng)達(dá)一年以上［24］。

感熱和潛熱通量的負(fù)距平事件與短波輻射有所不同。1986年冬季發(fā)生的感熱和潛熱的負(fù)距平事件，可以認(rèn)為也受到火山噴發(fā)的影響；而2000年發(fā)生火山噴發(fā)，卻沒(méi)有發(fā)生感熱和潛熱的負(fù)距平。1998—1999年發(fā)生顯著的感熱和潛熱的負(fù)距平事件。云量的變化也表明，1987年的短波輻射負(fù)距平事件與云量增大有直接的關(guān)系。而在1998—1999年間，云量以低值為主。低云量通常對(duì)應(yīng)于高凈長(zhǎng)波輻射，但那年的長(zhǎng)波輻射也處于低值。因此，只有一種可能，就是海溫異常低。這種情形是合理的，因?yàn)楹氐蜁?huì)導(dǎo)致感熱和潛熱的下降。1998—1999年的異常低溫不會(huì)影響后續(xù)年份的短波輻射。

從圖6和7可以看到，感熱和潛熱通量在1990—1996年之間一直保持高值，這段時(shí)間恰逢北極濤動(dòng)的正位相，表明感熱通量在這段時(shí)間與北極濤動(dòng)有很好的關(guān)系。除了特殊的事件之外，各個(gè)熱通量的變化更多地與北極濤動(dòng)相聯(lián)系。下文將仔細(xì)研究各個(gè)熱通量的變化與北極濤動(dòng)的關(guān)系。

4 熱通量變化與北極濤動(dòng)指數(shù)的關(guān)系

由于北歐海位于北極濤動(dòng)核心區(qū)，北歐海輻射量的變化與北極濤動(dòng)應(yīng)該有密切的聯(lián)系。但是，由于北歐海的流系和水團(tuán)復(fù)雜，各個(gè)海盆的輻射特性相差很大。為此，本文在此討論各個(gè)海盆的輻射差異，以了解各個(gè)海盆對(duì)北極濤動(dòng)的貢獻(xiàn)。為了使結(jié)果對(duì)各個(gè)海盆有更好的代表性，本文選取各個(gè)海盆中所有點(diǎn)（見(jiàn)圖1中綠色三角所示）對(duì)各個(gè)熱通量進(jìn)行平均，將平均的結(jié)果與北極濤動(dòng)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。這里，采用了［25］北極濤動(dòng)核心區(qū)的概念，即北極濤動(dòng)指數(shù)與北歐海平均氣壓的高度一致性，用北極濤動(dòng)指數(shù)代表北歐海的平均氣壓場(chǎng)的變化。其中，由于考慮輻射通量與大氣的關(guān)系，本文采用向下的短波輻射代替凈短波輻射，因?yàn)橄蛳碌亩滩ㄝ椛渑c大氣吸收的關(guān)系更密切。分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各海盆各熱通量與AO指數(shù)的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients of each heat flux with AO index at each basin

從表3可見(jiàn)，向下短波輻射與AO指數(shù)相關(guān)性較高的在冰島海，其他海域相關(guān)性都比較差，表明發(fā)生在冰島海的短波輻射與AO的關(guān)系比較密切。在冰島海和其他2個(gè)暖水海盆凈長(zhǎng)波輻射與AO有較高的相關(guān)性。格陵蘭海的感熱和潛熱與北極濤動(dòng)指數(shù)正相關(guān)程度較高，在其他海盆，感熱和潛熱的變化與北極濤動(dòng)關(guān)系不明顯。表3的結(jié)果表明，向下短波輻射和凈長(zhǎng)波輻射與AO相關(guān)性最好的都在冰島海，CC均為-0.35。感熱和潛熱與AO相關(guān)最好的在格陵蘭海，CC均為0.30（見(jiàn)圖8）。

上述結(jié)果表明，以下2個(gè)過(guò)程是發(fā)生在北歐海的重要海氣相互作用過(guò)程：第一，冰島海的短波輻射與AO指數(shù)相關(guān)度較高，是與北極濤動(dòng)關(guān)系密切的過(guò)程。短波輻射的變化通常與云量高度相關(guān)，4個(gè)海盆向下短波輻射變化與云量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.74，-0.74，-0.65和-0.71。因此，云量是影響北極濤動(dòng)最重要因子之一。第二，發(fā)生在暖水海盆中的長(zhǎng)波輻射與AO有密切關(guān)系，保持大范圍的較高相關(guān)度。第三，格陵蘭海的潛熱和感熱通量的變化與AO正相關(guān)，有可能是北極濤動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素，至少與AO耦合變化，值得深入研究。

本文通過(guò)對(duì)2個(gè)時(shí)間序列進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)來(lái)表現(xiàn)二者的一致程度。設(shè)Xk和Yk2個(gè)時(shí)間序列，Ri是2種信號(hào)以第i時(shí)刻為中心的相關(guān)系數(shù)，

計(jì)算相關(guān)系數(shù)的時(shí)間窗口為±n。對(duì)各點(diǎn)滑動(dòng)求取相關(guān)系數(shù)，就可得到相關(guān)系數(shù)的滑動(dòng)變化曲線(xiàn)。在本文中，取n=12個(gè)月，相當(dāng)于對(duì)2年的數(shù)據(jù)取相關(guān)。圖8給出了與北極濤動(dòng)相關(guān)系數(shù)較高的這4個(gè)熱通量的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)。

在30年的時(shí)間里，相關(guān)系數(shù)0.3～0.35超過(guò)了99.9%的置信度，已經(jīng)體現(xiàn)了顯著的相關(guān)性。但從圖8和表3可見(jiàn)，如果將這30年分為兩段，1989—1992和1993—2009，兩段的相關(guān)系數(shù)相差很大。冰島海前段的短波和長(zhǎng)波輻射與AO的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.59和-0.63，而后段相關(guān)性很差；而格陵蘭海正好相反，感熱和潛熱前段的相關(guān)性很差，而后段的相關(guān)系數(shù)竟高達(dá)0.72和0.73。這個(gè)結(jié)果表明，在1992年以前，冰島海的短波輻射和長(zhǎng)波輻射對(duì)AO的貢獻(xiàn)可能更大一些，而1993年以后，格陵蘭海的感熱和潛熱對(duì)AO的貢獻(xiàn)更大一些。作者認(rèn)為，這可能與較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)北極濤動(dòng)的位相變化有關(guān)。1989—1995是北極濤動(dòng)的正位相期，1992年以前AO總體上在升高，而1993年以后AO總體上在降低，各個(gè)熱通量的在相關(guān)性上的差別可能與此有關(guān)。對(duì)這個(gè)現(xiàn)象還無(wú)法在物理上給出合理的解釋?zhuān)枰诖嘶A(chǔ)上深入研究。

圖8 與北極濤動(dòng)相關(guān)性較好的4個(gè)熱通量Fig.8 Heat fluxes well correlated with AO index

5 結(jié)果與討論

北歐海包含有4個(gè)海盆，格陵蘭海、冰島海、挪威海盆和羅弗敦海盆。北歐海有暖流和寒流注入，又發(fā)生大量回流，其環(huán)流和水團(tuán)特性異常復(fù)雜。由于北歐海的環(huán)流受地形控制，其水團(tuán)的分布與海盆的分布有密切的關(guān)系。因此，本文研究各個(gè)海盆熱通量變化的差異，以研究獲取對(duì)北歐海海氣相互作用的全面認(rèn)識(shí)，并通過(guò)研究這些熱通量與北極濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)性，研究北歐?？赡艿暮怦詈线^(guò)程。

由于特殊的流場(chǎng)特點(diǎn)和地域特征，北歐海短波輻射主要發(fā)生在夏季，而來(lái)自海洋的長(zhǎng)波輻射、感熱和潛熱通量主要發(fā)生在冬季。海洋在冬季強(qiáng)烈地向大氣輸送熱量，與夏季太陽(yáng)輻射的熱量相當(dāng)。海洋輸送的熱量在各個(gè)海盆很不相同，其中，格陵蘭海的月平均長(zhǎng)波輻射和感熱最大。用方差表現(xiàn)各個(gè)熱通量的變化幅度得出，最為特殊的是格陵蘭海，其短波輻射高出50%，長(zhǎng)波輻射高出大約40%，潛熱高出大約60%，感熱驟升到18 W·m-2以上，高出其他海盆近4倍。

各海盆熱通量變化的相關(guān)性分析表明，挪威海盆與羅弗敦海盆的熱通量變化比較一致，表明暖流區(qū)有一致的變化。冰島海雖然有時(shí)有比較大的偏差，但更趨向于暖流區(qū)的特征。只有格陵蘭海非常特殊，其短波輻射、感熱和潛熱都有很大的變幅，與相鄰海域完全不同。在格陵蘭海，強(qiáng)烈的感熱和潛熱釋放導(dǎo)致海溫降低，氣溫也深受北極冷空氣入侵的影響，形成與暖流區(qū)迥異的自然環(huán)境。此外，格陵蘭海云量少，造成凈短波輻射高，凈長(zhǎng)波輻射也高的特點(diǎn)。

在過(guò)去30年發(fā)生了幾次顯著的熱量減少事件，其中，短波輻射的減少事件發(fā)生在1986—1987年和1999—2000年，可能與1987年和2000年冰島的火山噴發(fā)有關(guān)。由于到達(dá)的太陽(yáng)輻射減弱，感熱和潛熱也同步減少。感熱和潛熱的變化也與北極海冰的輸出量增大，海面溫度偏低有顯著關(guān)系。

文章分析了4個(gè)主要海盆熱通量的變化與北極濤動(dòng)指數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，發(fā)生在冰島海的向下短波輻射和發(fā)生在格陵蘭海的感熱和潛熱與AO相關(guān)度較高，體現(xiàn)了與AO的耦合變化特性。由于到達(dá)海面的短波輻射與云量變化高度相關(guān)，短波輻射與AO的高相關(guān)是云量變化的結(jié)果，因此，AO的驅(qū)動(dòng)因素是云量的變化。而云量主要是海洋的蒸發(fā)和大氣的上升氣流生成的，北歐海位于冰島低壓區(qū)，發(fā)生在格陵蘭海的潛熱通量過(guò)程可能與云的形成有密切關(guān)系，成為北極濤動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素。本文的統(tǒng)計(jì)分析只能指出這種可能性，證實(shí)這個(gè)機(jī)理需要更多的動(dòng)力學(xué)研究。

這些熱通量與AO指數(shù)的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)揭示了一個(gè)現(xiàn)象，1992年以前冰島海的短波輻射與AO的相關(guān)性非常高，1993年后相關(guān)性較差；反之，格陵蘭海的感熱和潛熱在1992年以前與AO的相關(guān)性并不好，而1993年后與AO高度相關(guān)，表明在AO增強(qiáng)過(guò)程中主要與輻射特性有關(guān)，而AO減弱過(guò)程主要與海洋的感熱和潛熱有關(guān)。

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Multiyear Variation of the Main Heat Flux Components in the Four Basins of Nordic Seas

ZHAO Jin-Ping1，Ken Drinkwater2
（1.Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Institute of Marine Research，Bergen N-5024，Norway）

Water masses in the Nordic Seas are complex as there are imports of warm and cold ocean current，and a number of recycles.The spatial distribution of water masses is closely related with the four basins，as the water transport in Nordic Seas are carried by topography-followed currents.The differences of heat flux components in the four basins are studied to understand the spatial difference of the air-sea interaction in the Nordic Seas.The heat flux components of Greenland Sea are quite different，whose variance of shortwave radiation is 50%higher，longwave radiation is 40%higher，latent heat is 60%higher，and the sensible heat is four times than the other basins.The possible reason is its low sea surface temperature reduced by enhanced release of sensible and latent，and its low air temperature influenced by the cold air mass from the Arctic.As the highly consistent of the averaged SLP of Nordic Seas with AO index，the correlation of the heat fluxes of the four basins with AO index is analyzed to show the influence of oceanic heat on atmospheric movement.The high correlation with AOindex appeared in both regions：the shortwave radiation in Icelandic Sea，and the sensible and latent heat flux in the Greenland Sea.Running correlation coefficient indicates that the high correlation processes could be divided into two periods：before 1992，the shortwave radiation in Icelandic Sea is highly correlated with AO index；After 1993，the sensible and latent heat in the Greenland Sea are closely correlated with AO index.The result of this study supports the following possibility：the sensible and latent heat release in the Greenland Sea is dominant to the atmospheric processes in the Icelandic area through the upwelled air flow to influence the cloud cover，and hence，the arriving solar radiation.

Nordic Seas；heat flux；air-sea coupling；Arctic Oscillation（AO）；AO core region

P731.21

A

1672-5174（2014）10-009-11

責(zé)任編輯 龐 旻

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“北極海冰與上層海洋環(huán)流耦合變化及其氣候效應(yīng)（41330960）”；南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專(zhuān)項(xiàng)（CHINARE0403）資助

2014-08-20；

2014-09-08

趙進(jìn)平（1954-），男，教授，博導(dǎo)。E-mail：jpzhao＠ouc.edu.cn