劉奇奇， 范植松??， 胡瑞金， 劉海龍， 楚合濤

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029; 3.萊西氣象局，山東 萊西 266600)

?

北太平洋中層水模擬的改進?

劉奇奇1， 范植松1??， 胡瑞金1， 劉海龍2， 楚合濤3

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029; 3.萊西氣象局，山東 萊西 266600)

通過對北太平洋中層水模擬和分析的3種結(jié)果的比較：在稀疏網(wǎng)格的LICOM全球大洋環(huán)流模式中使用Canuto等的湍流混合方案(簡稱T方案)并添加范植松等提出的慣性內(nèi)波破碎混合方案(簡稱F方案)，在LICOM模式中使用T方案，以及WOA09資料的分析結(jié)果，證明在添加F方案的情況下，北太平洋中層水的模擬有較明顯的改進。慣性內(nèi)波破碎混合可能是維持通風過程的重要機制之一，慣性頻率風場的強迫作用可能是海洋內(nèi)部混合的外部作用源。在WOA09資料的分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果中均顯示出北太平洋中層水的明顯的季節(jié)變化，這意味著除表層水和模態(tài)水之外，北太平洋中層水在氣候變化中扮演了重要的角色。模擬結(jié)果分析表明，為獲得北太平洋中層水模擬的進一步改進，高分辨率的海洋模式和鋒面與羽流的參數(shù)化方案是必要的。

垂直混合;慣性內(nèi)波;通風過程;北太平洋中層水

引用格式：劉奇奇， 范植松， 胡瑞金, 等. 北太平洋中層水模擬的改進[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 46(10): 1-9.

LIU Qi-Qi, FAN Zhi-Song, HU Rui-Jin, et al. An improvement of modeling the North Pacific intermediate water[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(10): 1-9.

北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water，簡稱NPIW)的主要特征是具有整個水柱中鹽度的最小值，其中心密度大約為1026.8kg/m3[1-2]。它在太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流中扮演著重要角色，其來源是Okhotsk海[3]和Alaska灣流[4]。Hasumi等曾提到“盡管北太平洋中層水非常重要，但對其模擬的研究卻很少。粗網(wǎng)格模式對于模擬北太平洋中層水是不夠的，因為其形成涉及了很多精細的過程，比如Okhotsk海水和北太平洋水的交換，Okhotsk海源頭水的運輸以及在混合水區(qū)域中的混合過程”[5]。Ishizaki和Ishikawa曾用過高分辨率模式來模擬北太平洋中層水[6]，并進行改進[7]。除了上述Hasumi等人指出的精細過程，作者認為海洋內(nèi)部的垂直混合(跨等密度面混合)過程的參數(shù)化是模擬北太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的關(guān)鍵，也是模擬北太平洋中層水的關(guān)鍵。眾所周知，海洋內(nèi)部的垂直混合過程和風生南大洋Ekman上升流驅(qū)動了全球的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流[8-10]。然而，不同于北大西洋，在北太平洋，風生南大洋Ekman上升流對經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流影響很小。

在F方案中考慮了慣性內(nèi)波破碎產(chǎn)生的細結(jié)構(gòu)的擾動引起的垂直效應(yīng)[13-14]。使用Canuto等的湍流混合方案(簡稱為T方案)[29]，并添加F方案，對全球海洋的溫度和鹽度的模擬獲得顯著的改進，特別是在中高緯度區(qū)域的中層水和深層水的模擬。如文獻[13]中圖7～10所示，相對于初始場(WOA05資料)對太平洋的中層水和深層水模擬的鹽度和溫度的年平均相對誤差和均方差根誤差的統(tǒng)計結(jié)果顯示明顯的改進。依據(jù)這些模擬結(jié)果，本文進行模擬北太平洋中層水的比較研究。

1　研究基礎(chǔ)

1.1 LICOM模式

LICOM是中國科學(xué)院大氣物理研究所(IAP)大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室(LASG)開發(fā)的全球海洋環(huán)流模式(OGCM)[30]。它的水平分辨率是1(°)×1(°)，垂直分為30層(300m深度之上為12層)。目前LICOM模式采用的混合方案是T方案，將在1.2節(jié)中介紹。依據(jù)該模式進行了氣候平均態(tài)全球大洋數(shù)值試驗。模擬時間為200年，初始無運動溫度與鹽度場為WOA05資料。在本次試驗中，采用了2種不同混合方案：單獨使用T方案和T方案添加F方案，F(xiàn)方案在1.3節(jié)中給出。模式在運行到151a時達到基本穩(wěn)定。主要考慮鹽度、溫度和其它參數(shù)在151～200a的平均值。

1.2 湍流混合方案(T方案)

通過改進Mellor和Yamada模式，Canuto等提出OGCM中比較新的湍流混合方案(T方案)[29，31-32]。T方案最顯著的改進是將Mellor和Yamada模式的臨界Richardson數(shù)由Ricr=0.2改為Ricr～1。另外，在該新方案中考慮了鹽指的發(fā)生。

1.3 慣性內(nèi)波破碎混合方案(F方案)

不同于湍流混合方案，F(xiàn)方案中考慮了由細尺度近慣性內(nèi)波(可逆細結(jié)構(gòu))所產(chǎn)生斑塊的垂直徙動。所使用的內(nèi)波能量譜E(β,θ,ω)為[13]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

A(β)=

(6)

(7)

細結(jié)構(gòu)的水平動能譜Hsf(ω)為：

(8)

近慣性頻段的水平動能譜Ek為：

(9)

細結(jié)構(gòu)的位移譜Dsf(ω)為：

(10)

近慣性頻段的勢能Ep為：

(11)

細結(jié)構(gòu)的剪切譜Φsf(β,ω)為：

(12)

由慣性內(nèi)波破碎混合產(chǎn)生的動量的垂直渦旋粘性系數(shù)Av和溫度/鹽度垂直渦旋擴散系數(shù)Kv分別由以下兩個公式計算：

(13)

(14)

這里：

(15)

βc=0.1cpm=0.1×2π,(rad/m)。

(16)

h=4500m；N0=5.235988×10-3rad/s；b=1300m；π=3.14159；g=9.8m/s2；C=1500m/s。

(17)

因為在主溫躍層中，相對于等鹽度面，等位勢密度面更接近于等溫度面，所以沿等位勢密度面產(chǎn)生的破碎產(chǎn)物中溫度的分布比起鹽度來更為均勻。因此，對應(yīng)于斑塊垂直徙動的溫度的垂直渦旋擴散系數(shù)比鹽度的相應(yīng)值更小。本文假定在主溫躍層中的溫度的垂直渦旋擴散系數(shù)Kt為：

Kt=Ks/5 。

(18)

這里的Ks是深度小于1500m的水層中鹽度垂直擴散系數(shù)Kv，計算公式為(14)式。本模式的坐標原點(z=0)設(shè)立在混合層底部。公式(18)是F方案獨有的，與湍流混合方案不同。通常在OGCM中只考慮湍流混合，并采用鹽度擴散系數(shù)與溫度擴散系數(shù)一致。例如，Nash和Moum依據(jù)海洋測量結(jié)果獲得如下的關(guān)系[33]：

dt=Kts/Ktt,0.6

(19)

這里dt是海洋中湍流混合鹽度擴散系數(shù)Kts和溫度擴散系數(shù)Ktt的比例。而在層化柵格湍流的室內(nèi)實驗中，Rehmann和Koseff的結(jié)果為[34]：

0.67

(20)

但誤差范圍較大。

在赤道海洋(15°S～15°N)，由于強剪切的背景流和內(nèi)波的水平各向異性[35-36]，內(nèi)波能量譜E(β,θ,ω)的計算公式(1)～(7)不適用。另外，考慮到風生慣性內(nèi)波主要在中高緯度海域盛行[16，28]，本文建議在(15°S～15°N)之外的區(qū)域?qū)方案添加到T方案，在赤道區(qū)域僅用T方案。

2　數(shù)值模擬

2.1 北太平洋中層水的垂直剖面結(jié)構(gòu)

本文中選取北太平洋中層水團中密度值為1026.8kg/m3的等密度面附近的水柱中鹽度最小值曲面作為該水團的中心表示。為了揭示F方案對模擬北太平洋中層水及對其形成和傳輸機制理解的優(yōu)勢，本文中采用了2個方法，即北太平洋中層水的垂直剖面結(jié)構(gòu)的比較研究和其水平分布形態(tài)的比較研究，并分別以1月的模擬結(jié)果代表冬季，7月模擬結(jié)果代表夏季。

圖1為北太平洋中層水的垂直剖面結(jié)構(gòu)的比較，分別為在稀疏網(wǎng)格的LICOM模式中使用T方案添加F方案(表示為“LICOM+F”)，在LICOM模式中僅使用T方案(表示為“LICOM”)，以及WOA09資料的分析結(jié)果(表示為“WOA09”)。對應(yīng)剖面的經(jīng)度分別為150°E,180°E和210°E，使用1月份1500m以上深度的數(shù)據(jù)。圖2與圖1類似，為沿20°N,30°N和40°N的1月份緯度剖面結(jié)構(gòu)的比較。圖1和2清楚地顯示使用F方案顯著改善了對北太平洋中層水的模擬，而且鹽度模擬的改進更為明顯。該成果意味著使用F方案能更好的模擬通風過程。如圖1～6所示，從Okhotsk海和Alaska灣流流入的低溫低鹽水向下俯沖混合并且在低緯度地區(qū)向上涌升，俯沖的最深深度能達到1000m左右。源頭水通過副極地環(huán)流圈、混合水區(qū)域的混合過程以及副熱帶環(huán)流圈在北太平洋散布開來。在這個通風過程中不能僅考慮湍流混合(T方案)，也應(yīng)考慮慣性內(nèi)波破碎混合(F方案)。而且在F方案中鹽度垂直渦旋擴散系數(shù)Ks的特殊性質(zhì)(公式(18))是適宜的。

稀疏網(wǎng)格LICOM模式的局限性在圖1中150°E剖面的高緯度地區(qū)清晰地顯示出來，而且在圖5中Okhotsk海及其鄰近西北太平洋區(qū)域也顯示出來。在這些區(qū)域，模擬結(jié)果相當不同于觀測結(jié)果(WOA09)，甚至沒有合理的值。引起該缺陷的原因有2個：粗網(wǎng)格分辨率和海冰模式。在1月份(冬季)，Okhotsk海以及西北太平洋附近有大量的海冰存在，然而粗網(wǎng)格分辨率LICOM模式和海冰模式不能適當?shù)啬M出該區(qū)域的海況，以及Okhotsk海和北太平洋的海水交換。另外，圖2中40°N剖面圖中的日本海寬度清楚地小于真實情況，這也將會影響日本海和西北太平洋的模擬結(jié)果。

(在稀疏網(wǎng)格的LICOM模式中使用T方案添加F方案(表示為“LICOM+F”)，在LICOM模式中僅使用T方案(表示為“LICOM”)，以及WOA09資料的分析結(jié)果(表示為“WOA09”)。對應(yīng)剖面的經(jīng)度分別為150°E,180°E和210°E，使用1月份1500m以上深度的數(shù)據(jù)。圖中彩色背景為鹽度(psu)；黑色實線為等溫線(℃)；藍色點線是等位密度線(kg/m3)；白色虛線是混合層底部深度(m)；紅色實線是選取的NPIW中心表示；橫坐標是北半球緯度；縱坐標為水深(m)。Depicted are the results simulated by performing the coarse-resolution LICOM with T-scheme adding F-scheme (denotation “LICOM+F”), those simulated with T-scheme alone (denotation “LICOM”), and the WOA09 data (denotation “WOA09”), against latitude along longitude 150°E, 180°E and 210°E respectively, in January above the depth of 1500m. In each panel, salinity is denoted with background color (psu)； Black solid curve represents isotherm (℃); Blue dotted curve represents potential isopycnal (kg/m3); White dotted curve represents the mixed layer base (m); Red solid curve is the centre representation of NPIW; Abscissa is latitude in the north hemisphere, and ordinate is the depth of water (m).)

圖1北太平洋中層水的經(jīng)度垂直剖面結(jié)構(gòu)的比較

Fig.1Comparison among simulation results of vertical profile structure along longitude of NPIW

(與圖1相似，但是分別為20°N,30°N和40°N的緯度剖面結(jié)構(gòu)的比較。As in Fig.1, but against longitude along latitude 20°N, 30°N and 40°N respectively.) 圖2　北太平洋中層水的緯度垂直剖面結(jié)構(gòu)的比較Fig.2　Comparison among simulation results of vertical profile structure along latitude of NPIW

(與圖1相似，但是為7月份。As in Fig.1, but in July.) 圖3　北太平洋中層水的經(jīng)度垂直剖面結(jié)構(gòu)的比較Fig.3　Comparison among simulation results of vertical profile structure along longitude of NPIW

(與圖2相似，但是為7月份。As in Fig.2, but in July.) 圖4　北太平洋中層水的緯度垂直剖面結(jié)構(gòu)的比較Fig.4　Comparison among simulation results of vertical profile structure along latitude of NPIW

(在稀疏網(wǎng)格的LICOM模式中使用T方案添加F方案(表示為“LICOM+F”)，在LICOM模式中僅使用T方案(表示為“LICOM”)，以及WOA09資料的分析結(jié)果(表示為“WOA09”)。對應(yīng)的鹽度(psu)、溫度(℃)和中心表示層深度(m)的水平分布圖所依據(jù)的數(shù)據(jù)均為1月份數(shù)據(jù)。Depicted are the simulation results of horizontal distribution pattern of salinity (psu), temperature (℃) and the depth (m) of the centre representation of NPIW by performing the coarse-resolution LICOM with T-scheme adding F-scheme (denotation “LICOM+F”), those simulated with T-scheme alone (denotation “LICOM”), and the WOA09 data (denotation “WOA09”) respectively in January.)

圖5北太平洋中層水的水平分布形態(tài)的比較

Fig.5Comparison among simulation results of horizontal distribution pattern of NPIW

(與圖5相似，但是為7月份。As in Fig.5, but in July.) 圖6　北太平洋中層水的水平分布形態(tài)的比較Fig.6　Comparison among simulation results of horizontal distribution pattern of NPIW

與圖1和2類似，7月份的模擬結(jié)果示于圖3和4。北太平洋中層水的主要特性以及F方案的優(yōu)勢從1月維持到了7月，但從圖1～4中可觀察到NPIW明顯的季節(jié)變化。觀測資料(WOA09)和模擬結(jié)果都呈現(xiàn)出季節(jié)變化，這是因為來自O(shè)khotsk海和Alaska灣流的源頭水具有強烈的季節(jié)變化特性。該季節(jié)變化暗示除了表層水和模態(tài)水，NPIW在氣候變化中扮演重要的角色[5]。NPIW對氣候變化的響應(yīng)及其在北太平洋長期變化中的作用是有待研究的重要課題。

2.2 北太平洋中層水的水平分布形態(tài)

另一個研究方法是北太平洋中層水的水平分布形態(tài)的比較研究。圖5給出了1月(冬季)北太平洋中層水的水平分布形態(tài)的比較，分別為在稀疏網(wǎng)格的LICOM模式中使用T方案添加F方案(表示為“LICOM+F”)，在LICOM模式中僅使用T方案(表示為“LICOM”)，以及WOA09資料的分析結(jié)果(表示為“WOA09”)。對應(yīng)的鹽度(psu)、溫度(℃)和中心表示層深度(m)的水平分布圖所依據(jù)的數(shù)據(jù)均為1月份在中心表示曲面上的數(shù)據(jù)。圖6與5相似，是7月(夏季)的比較結(jié)果。與上述的NPIW垂直剖面結(jié)構(gòu)比較相似，使用F方案在NPIW的鹽度、溫度、中心表示層深度的水平分布模擬方面的改進是明顯的。另外，在圖5和6中NPIW的季節(jié)變化也清楚地顯示出來。

值得注意的是，在圖5中Okhotsk海和西北太平洋附近的模擬結(jié)果中存在明顯的空白區(qū)域，此與圖1中150°E剖面圖中高緯度區(qū)域相對應(yīng)，這是由2.1節(jié)中提到的不足之處所引起。

3　結(jié)論與討論

通過以上的比較研究可得出結(jié)論如下：

(1)在稀疏網(wǎng)格的LICOM全球大洋環(huán)流模式中使用湍流混合方案(T方案)添加慣性內(nèi)波破碎混合方案(F方案)，模擬北太平洋中層水的成果表明F方案是強有效的。

(2)為獲得北太平洋中層水模擬的進一步改進,高分辨率的海洋模式和鋒面與羽流的參數(shù)化方案是必要的。

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責任編輯龐旻

An Improvement of Modeling the North Pacific Intermediate Water

LIU Qi-Qi1, FAN Zhi-Song1, HU Rui-Jin1, LIU Hai-Long2, CHU He-Tao3

(1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 3.Laixi Meteorological Bureau, Laixi 266600, China)

The comparison among results simulated by performing the coarse-resolution LICOM model over the global ocean with the turbulence mixing scheme of Canuto et al. (T-scheme for short) adding the inertial internal wave breaking mixing scheme (F-scheme for short) put forward by Fan et al. recently, those simulated with T-scheme alone, and the WOA09 data, demonstrates that a notable improvement of modeling the North Pacific Intermediate Water (NPIW) has been attained by using F-scheme, which illustrates the robustness and effectiveness of F-scheme. The inertial internal wave breaking mixing may be one of important mechanisms maintaining the ventilation process, as well as inertial forcing of wind may be an external mechanical source of mixing in the ocean interior. The obvious seasonal variability of NPIW occurs in both the observations (WOA09) and the simulation results, which implies that NPIW plays an important role in climate changes besides the surface water and Mode water. Finally analysis of the simulation results indicates that to achieve further progress of modeling NPIW the high-resolution ocean model and the parameterization scheme of fronts and filaments are necessary.

vertical mixing; inertial internal wave; ventilation process; North Pacific intermediate water

國家自然科學(xué)基金面上項目(41275084)資助

2016-03-07；

2016-04-24

劉奇奇(1990-)，女，碩士生。E-mail: lqqi1990@163.com

??通訊作者：E-mail：fanzhs@hotmail.com

P722

A

1672-5174(2016)10-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160056

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41275084)