肖　斌，舒　啟，喬方利

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061)

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大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的模擬對海表驅(qū)動場時間和空間分辨率的敏感性分析*

肖斌1,2,3，舒啟2,3，喬方利2,3

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061)

摘要:基于全球海洋-海冰耦合數(shù)值模式，研究了不同時間和空間分辨率的海表驅(qū)動場對大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)和海表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)模擬的影響。敏感性數(shù)值實驗結(jié)果表明，海表驅(qū)動場時間和空間分辨率的不同不僅會影響SST的模擬，而且會顯著影響AMOC強度的模擬。相比高時間分辨率的海表驅(qū)動場，時間和空間分辨率的降低會造成AMOC模擬強度的減弱和SST的升高。月平均驅(qū)動場驅(qū)動的AMOC比6 h分辨率驅(qū)動場驅(qū)動的控制實驗減少6.7 Sv，降低了34%；同為6 h分辨率，粗空間分辨率大氣驅(qū)動場模擬的AMOC比高空間分辨率實驗減少1.4 Sv，降低了7%。對海洋上層流場和海表熱通量進(jìn)一步分析表明，低時間和空間分辨率的海表風(fēng)場的減弱是導(dǎo)致AMOC減弱和SST升高的主要原因。

關(guān)鍵詞：海洋數(shù)值模擬;海洋-海冰耦合數(shù)值模式;海表驅(qū)動場;大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流

全球海洋-海冰耦合數(shù)值模式在物理海洋動力過程研究、海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報以及氣候變化研究等方面都具有重要作用。該類模式在海表大氣強迫的驅(qū)動下，可以對海洋中的大尺度大洋環(huán)流給出較為準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。對模式穩(wěn)定狀態(tài)下模擬能力的評估是檢驗數(shù)值模式的主要途徑。評估全球海洋-海冰耦合模式的一項重要指標(biāo)是對大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)的模擬。國際上，針對全球海洋-海冰耦合模式的COREs (Coordinated Ocean-ice Reference Experiments)[1]對比計劃將AMOC的模擬能力作為一項重要的評估內(nèi)容。AMOC是全球海洋熱鹽環(huán)流中極其重要的一部分，AMOC可分為上、下兩支。上支攜帶著暖而咸的海水向北流動，到達(dá)北歐海、拉布拉多海和北大西洋部分海域下沉形成北大西洋深層水并在深層向南輸運；下支位于大西洋底層，主要是南極底層水在南半球高緯度下沉并在大西洋底層北上，到達(dá)北大西洋高緯度海域后上升與北大西洋深層水一起向南輸運。AMOC對能量和物質(zhì)的南北傳輸在氣候系統(tǒng)中起重要作用，AMOC的變化對氣候系統(tǒng)有重要影響[2-3]。Danabasoglu等[3]將參加COREs實驗的海洋數(shù)值模式對AMOC的模擬結(jié)果與實測斷面進(jìn)行了對比，結(jié)果表明所有海洋模式模擬的AMOC多年平均強度普遍偏弱。俞永強和宋毅[4]提出在他們的全球海洋模式模擬結(jié)果中也存在相同問題。Griffies等[1]將當(dāng)前海洋-海冰耦合模式中所存在的AMOC模擬強度偏弱的問題歸因于此類模式缺少與大氣模式的動態(tài)耦合。Danabasoglu等[3]認(rèn)為模式空間分辨率、參數(shù)化方案設(shè)置等都會造成COREs成員模式之間AMOC模擬能力的差異。Delworth等[5]通過提高模式空間分辨率顯著改善了模式的模擬能力。氣候系統(tǒng)模式中天氣噪聲(weather noise)會對AMOC的模擬產(chǎn)生重要影響，通過多模式集合平均去除大氣模式中的天氣噪聲會顯著影響AMOC的模擬強度和變化特征[6]?；谟^測和數(shù)值模式的結(jié)果表明，一些重要的天氣過程如極地低壓(Polar Lows)等也能夠影響北大西洋深層水的生成從而對環(huán)流產(chǎn)生影響[7-9]。

全球海洋-海冰耦合模式的海表驅(qū)動場產(chǎn)品往往存在多種時間和空間分辨率[10-11]。Ezer[12]的敏感性數(shù)值實驗結(jié)果表明，大氣驅(qū)動場時間分辨率從月平均改為6 h間隔后上層海洋混合厚度的模擬會有一定改善。海表驅(qū)動場中的高頻部分是否會對AMOC這種大尺度翻轉(zhuǎn)環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響以及AMOC的具體響應(yīng)方式如何，尚未見有關(guān)報道。本文基于國際主流的全球海洋-海冰耦合模式，分析研究了大氣驅(qū)動場時空分辨率變化對AMOC、SST和一些其他模擬結(jié)果的影響，并對產(chǎn)生影響的原因進(jìn)行了分析。

1模式簡介和數(shù)值實驗設(shè)計

本研究基于一個全球海洋-海冰耦合數(shù)值模式，其中海洋模式為MOM5 (Modular Ocean Model version 5)[13]，海冰模式為SIS (Sea Ice Simulator)[14]。該海洋-海冰耦合模式主要由美國GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)發(fā)展和維護(hù)。本文中全球海洋-海冰耦合模式的經(jīng)度水平分辨率為1°，緯度水平分辨率由赤道區(qū)域的(1/3)°逐漸過渡為1°(30°N～30°S)，其他區(qū)域為1°。模式垂向分層為50層，垂向最高分辨率為10 m。模式海表熱通量和動量通量根據(jù)海表驅(qū)動場和模式海表狀態(tài)由塊體公式計算得到[11]。

為了研究大氣驅(qū)動場時空分辨率的不同對AMOC和SST模擬的影響，本文設(shè)計了5組數(shù)值實驗，分別命名為6 hourly、6 hourly coarse、daily、monthly和monthly coarse。其中6 hourly為控制實驗，其大氣驅(qū)動場采用COREv2(Coordinated Ocean-ice Reference Experiments version 2)氣候態(tài)驅(qū)動場[10-11]，其空間網(wǎng)格數(shù)為192×94，COREv2驅(qū)動場數(shù)據(jù)集有多種數(shù)據(jù)來源，包括大氣再分析數(shù)據(jù)集和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)等，不同的變量對應(yīng)不同的時間分辨率，其中海表風(fēng)場、溫度、濕度和氣壓場的時間分辨率為6 h，而海表長短波輻射通量的時間分辨率為日平均，海表降水和徑流的時間分辨率分別為月平均和年平均。表1給出了這5組數(shù)值實驗的大氣驅(qū)動場的時空分辨率，實驗中其他設(shè)置保持不變。其中daily和monthly兩組實驗的驅(qū)動場中的海表面風(fēng)場、溫度、濕度和氣壓場分別由控制實驗的驅(qū)動場取日平均和月平均后得到。而6 hourly coarse和monthly coarse兩組實驗中的驅(qū)動場分別為6 hourly和monthly的驅(qū)動場線性插值到更粗的水平網(wǎng)格點上得到。

為了使模式達(dá)到平衡狀態(tài)，控制實驗進(jìn)行了3 000個模式年的積分，在此基礎(chǔ)之上開展敏感性實驗。敏感性實驗均進(jìn)行100個模式年，達(dá)到了各自新的平衡狀態(tài)后，取91～100模式年的輸出作為本文數(shù)值實驗結(jié)果進(jìn)行分析。為了方便對比，控制實驗也在平衡狀態(tài)基礎(chǔ)上繼續(xù)運行了100個模式年。

表1　不同數(shù)值實驗中大氣驅(qū)動場時空分辨率的設(shè)置

2模式結(jié)果分析

圖1顯示了5組實驗中大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(AMOC)指數(shù)的時間序列，AMOC指數(shù)表征了AMOC的強度，本文中AMOC指數(shù)定義為AMOC流函數(shù)在45°N斷面處的最大值，該定義參考Griffies等[1]，AMOC流函數(shù)的計算公式如下：

(1)

式中，x為緯向；y為經(jīng)向；z為深度；V為北向流速。

圖1　5組數(shù)值實驗中AMOC指數(shù)的時間序列Fig.1　Time series of AMOC index in five numerical experiments

從圖 1可以看出由控制實驗更換不同時空分辨率的大氣驅(qū)動場之后，敏感性實驗經(jīng)過大約70個模式年基本達(dá)到新的平衡狀態(tài)。其中6 hourly控制實驗所模擬的AMOC指數(shù)為19.8 Sv，與Griffies等[1]的結(jié)果幾乎相同，表明6 hourly控制實驗對AMOC的模擬結(jié)果是合理的，盡管當(dāng)前MOM5所模擬的AMOC強度相比觀測[15]偏弱，但是相比COREs中其他模式MOM已是最強的之一[1]。相比6 hourly控制實驗，另外4組敏感性實驗的結(jié)果表明，大氣驅(qū)動場的時間分辨率和空間分辨率的降低均使得模式模擬的AMOC強度降低，時間分辨率越粗，AMOC強度越小，其中monthly實驗中AMOC指數(shù)為13.1 Sv，比控制實驗降低34%。對比6 hourly, 6 hourly coarse, monthly和monthly coarse四組實驗，大氣驅(qū)動場時間分辨率的影響要遠(yuǎn)大于空間分辨率的影響，但大氣驅(qū)動場空間分辨率對6 hourly實驗的影響大于monthly實驗。

圖2　AMOC流函數(shù)之差Fig.2　Difference in stream function between experiments

2.1模式對大氣驅(qū)動場時間分辨率敏感性分析

本節(jié)將主要展示daily和monthly兩組敏感性實驗與6 hourly控制實驗的差異。圖 2為AMOC流函數(shù)之差，大氣驅(qū)動場時間分辨率降低會導(dǎo)致AMOC上分支模擬強度的減弱。相比而言，monthly中AMOC強度比daily變?nèi)醯某潭雀?。圖 3展示了年平均混合層深度的差異，北大西洋下沉區(qū)混合層深度明顯變淺，而南極周邊海域混合層深度加深，monthly實驗比daily實驗結(jié)果更為顯著。北大西洋深層水生成機制主要是深對流，混合層深度能反映深對流的程度，北大西洋下沉區(qū)混合層深度在一定程度上反映了北大西洋深層水生成的強弱。大氣驅(qū)動場時間分辨率的降低會使得北大西洋深層水生成減少(圖3)。南極底層水的生成機制主要是南極周邊海域海水溫度低，加上海水結(jié)冰析鹽導(dǎo)致海水密度增大沿著陸坡下沉，與繞極深層水混合而生成南極底層水。但是目前的海洋環(huán)流數(shù)值模式基本不能模擬該過程，模式中南極底層水的生成機制依然是發(fā)生在南極周邊開闊海域的深對流[16]，圖3中南極周邊海域混合層深度的增加表明,由于大氣驅(qū)動場時間分辨率的降低，模式中南極底層水的生成量增加。

圖3　混合層深度之差Fig.3　Difference in MLD depth between experiments

圖4為6 hourly控制實驗中所模擬的4 000 m以深平均海水年齡分布，本文中海水年齡的定義為該處海水距離最后一次接觸海表的時間[17]，北大西洋和南極周邊海域等有深層水生成的區(qū)域4 000 m以深海水年齡普遍較為年輕，太平洋和印度洋部分區(qū)域海水年齡則較老。

圖5為敏感實驗與控制實驗中4 000 m以深平均海水年齡之差，可以看出由于北大西洋深層水生成減弱，AMOC強度減弱，北大西洋4 000 m以深的海水年齡變老，與之相對是南極底層水生成加快會導(dǎo)致南大西洋、整個太平洋和印度洋4 000 m以深海水年齡變年輕，在赤道太平洋區(qū)域由于海水年齡存在較大的水平梯度，平流的改變會導(dǎo)致海水年齡出現(xiàn)較大變化。圖6為大西洋緯向平均海水年齡之差，主要表現(xiàn)為3 000 m以深的北大西洋海水年齡增加、南大西洋海水年齡減小。3 000 m以深北大西洋海水年齡的增加是由于AMOC減弱、北大西洋深層水生成減緩導(dǎo)致的，3 000 m以深的南大西洋海水年齡的減小是由于南極底層水生成加速導(dǎo)致。北大西洋深層水和南極底層水的生成是全球熱鹽環(huán)流中關(guān)鍵的物理過程，是全球熱鹽環(huán)流的主要動力源，可見，在全球海洋-海冰耦合數(shù)值模式中大氣驅(qū)動場時間分辨率降低會導(dǎo)致模擬的全球熱鹽環(huán)流強度的改變。對比控制實驗，monthly實驗的響應(yīng)比daily的響應(yīng)更顯著。

圖4　控制實驗(6 hourly)4 000 m以深層平均海水年齡分布Fig.4　Sea water age averaged over depth deeper than 4 000 m in control run(6 hourly)

圖5　底層海洋4 000 m以深平均的海水年齡之差Fig.5　Difference of sea water age averaged over depth deeper than 4 000 m between experiments

圖6　大西洋緯向平均海水年齡(a)之差Fig.6　Difference of Atlantic zonal averaged sea water age(a) between experiments

圖7　海表面溫度(℃)之差Fig.7　Difference of SST(℃) between experiments

大氣驅(qū)動場時間分辨率降低還會導(dǎo)致模擬的海表面溫度(SST)明顯升高，圖7顯示了daily和monthly實驗與控制實驗的SST之差，兩組實驗中西邊界流海域和南大洋海域出現(xiàn)較為明顯的升高現(xiàn)象，兩組實驗相比控制實驗全球平均SST分別升高了0.2和0.9 ℃, monthly實驗顯示比daily實驗更明顯的升高特征，偏暖的區(qū)域也遠(yuǎn)大于daily實驗，最大溫度偏差超過2 ℃。

2.2模式對大氣驅(qū)動場空間分辨率敏感性分析

圖1顯示相比6 hourly實驗，6 hourly coarse實驗所模擬的AMOC強度會減弱。由于空間分辨率的降低AMOC指數(shù)減小了1.4 Sv，而在monthly和monthly coarse這兩組實驗中，大氣驅(qū)動場空間分辨率對AMOC指數(shù)的影響并不顯著。圖8給出了這兩組對比實驗中AMOC流函數(shù)的偏差，其中6 hourly和6 hourly coarse兩組實驗中，AMOC流函數(shù)的偏差(圖 8a)比monthly和monthly coarse兩組實驗的偏差(圖 8b)更顯著。

圖8　AMOC流函數(shù)之差Fig. 8　Difference of AMOC stream function between experiments

6 hourly和6 hourly coarse兩組實驗中海水年齡的偏差表明，減弱的AMOC會導(dǎo)致3 000 m以深的北大西洋海水年齡變老，而3 000 m以深的南大西洋海水年齡變年輕，這與2.1中大氣驅(qū)動場時間分辨率變粗對3 000 m以深海水年齡的影響一致。相比6 hourly實驗，6 hourly coarse實驗中SST也出現(xiàn)了升高的現(xiàn)象。上述偏差在monthly和monthly coarse兩組實驗中并不明顯。

2.3北大西洋上層流場和全球海表熱通量診斷分析

本文daily和monthly實驗中大氣驅(qū)動場由6 hourly的大氣驅(qū)動場分別求取日平均和月平均得到，風(fēng)場高頻部分的能量在此過程中會被嚴(yán)重削弱，隨著大氣驅(qū)動場時間空間分辨率變粗，風(fēng)驅(qū)動的環(huán)流減弱。圖 9a顯示了控制實驗中北大西洋500 m以淺平均鹽度和流場?？梢钥闯?，灣流將中低緯度高溫高鹽水向高緯度區(qū)域輸送。相比控制實驗，daily和monthly實驗中上層海洋中北向流場總體呈現(xiàn)減弱態(tài)勢(圖9b和9c)，monthly實驗中流場減弱的程度遠(yuǎn)大于daily實驗，減弱的流場導(dǎo)致向北輸送的高溫高鹽水減少，這將阻礙北大西洋深層水生成，從而減弱了AMOC的強度。

圖9　上層海洋500 m以淺平均的鹽度和流場(cm·s-1)分布Fig.9　Upper 500 m averaged salinity and currents(cm·s-1)

風(fēng)場的減弱也會減少海洋向大氣潛熱輸送，相比6 hourly實驗，daily和monthly兩組實驗中海洋向大氣輸送的潛熱通量減小(圖10)，相當(dāng)于海洋吸收凈熱通量的增加，這是導(dǎo)致圖6中SST偏暖的主要原因。圖11為daily和monthly兩組實驗相比6 hourly實驗海表面潛熱通量之差，其空間分布特征與圖7顯示的SST偏差的分布特征基本吻合，進(jìn)一步表明在daily和monthly實驗中減弱的風(fēng)場導(dǎo)致海洋向大氣輸送的潛熱通量減少，從而導(dǎo)致SST增加。

圖10　5組數(shù)值實驗中的全球平均凈熱通量和潛熱通量(大氣向海洋為正)Fig.10　Global averaged net and latent heat flux in five numerical experiments (positive value means heat flux is downward)

圖11　潛熱通量之差(W·m-2)(大氣向海洋為正)Fig.11　Difference of latent heat flux between experiments(W·m-2) (positive value means heat flux)

3結(jié)語

5組數(shù)值實驗結(jié)果表明，大氣驅(qū)動場時空分辨率的不同能顯著影響全球海洋-海冰耦合模式的模擬結(jié)果。相比COREv2控制實驗，使用更粗時間分辨率的大氣驅(qū)動場會造成模式模擬的AMOC強度減弱，SST升高，其中使用日平均和月平均大氣驅(qū)動場的實驗中AMOC指數(shù)分別減少1.6 和6.7 Sv，SST分別平均升高0.2和0.9 ℃。分析混合層深度和海水的年齡均顯示：當(dāng)AMOC減弱，北大西洋深層水生成變緩，而南極底層水生成加速。相比6 hourly實驗，更低的大氣驅(qū)動場水平分辨率也會導(dǎo)致AMOC強度減弱，但這在月平均大氣驅(qū)動場實驗中并不明顯。低時空分辨率實驗中AMOC的減弱和SST的升高主要是由于海表風(fēng)場中高頻信號的減弱導(dǎo)致的。敏感性實驗的結(jié)果意味著AMOC的驅(qū)動機制在一定程度上是高頻的變化所致，雖然AMOC本身是一個低頻的熱鹽環(huán)流，這體現(xiàn)了多尺度運動形態(tài)的相互作用。

COREv2驅(qū)動場是在再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上經(jīng)過融合形成，是驅(qū)動全球海洋-海冰耦合模式較理想的大氣強迫場。但是目前該數(shù)據(jù)的空間分辨率仍不高，隨著全球海洋-海冰模式水平分辨率進(jìn)一步提高，大氣驅(qū)動場的時空分辨率也應(yīng)該會相應(yīng)提升，因此可以預(yù)期所模擬的AMOC強度將與實際觀測將更加接近。另外需要指出，本文5組模擬實驗的積分時間為100模式年，雖然AMOC本身循環(huán)的時間會長至千年的時間尺度，但對于大氣強迫變化的會很快。未來開展長時間積分的數(shù)值實驗仍是需要的。

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Received: February 29，2016

*收稿日期：2016-02-29

作者簡介：肖斌(1988-)，男，山東濟(jì)南人，博士研究生，主要從事海洋動力學(xué)和數(shù)值模擬方面研究.E-mail:xiaobin@fio.org.cn(李燕編輯)

中圖分類號：P731

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-6647(2016)02-0175-11

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.003

Sensitivity of AMOC Numerical Simulation to Spatio-temporal Resolution of Atmospheric Forcing Field

XIAO Bin1,2,3, SHU Qi2,3, QIAO Fang-li2,3

(1.CollegeofOceanicandAtmosphericSciences,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China;2.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;3.LaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling,SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:Based on a global ocean-ice coupled numerical model, we study the impact of different spatio-temporal resolutions of atmospheric forcing fields on the numerical simulation of AMOC (Atlantic meridional overturning circulation) and SST (sea surface temperature). Sensitivity experiments show that spatio-temporal resolution of atmospheric forcing field can significantly influence both SST and AMOC. Compared with control run (6 hourly), coarser spatio-temporal forcing field lead to weaker AMOC and warmer SST. AMOC index in monthly forcing field experiment decreased by 6.7 Sv (34% lower) with respect to experiment with 6 hourly forcing field. In 6 hourly forcing field runs, AMOC index of coarser spatial resolution decreased by 1.4Sv than that of finer spatial resolution. Analysis of upper ocean current and sea surface heat flux indicate that coarser spatio-temporal forcing field can result in weakening of sea surface winds, which is the major cause of weaker AMOC and warmer SST.

Key words:numerical simulation；global ocean-ice coupled model；atmospheric forcing field；Atlantic meridional overturning circulation

資助項目：國家自然科學(xué)基金委員會-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目——海洋環(huán)境動力學(xué)和數(shù)值(U1406404)；全球變化與海氣相互作用專項——海洋動力系統(tǒng)和多運動形態(tài)相互作用(GASI-03-IPOVAI-05)；南北極環(huán)境綜合考察與評估專項——極地對全球和我國氣候變化影響的綜合評價項目(CHINARE2016-04-04)