李 祥， 羅義勇

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

模態(tài)水(Mode water)是一種存在于海洋躍層內(nèi)的低位勢(shì)渦度水團(tuán)，因其具有溫度、鹽度以及密度的垂向均一性，與周邊溫躍層內(nèi)的強(qiáng)溫、鹽、密度垂向梯度形成鮮明對(duì)比、具有獨(dú)立模態(tài)而得名[1]。模態(tài)水廣泛存在于各大洋中，模態(tài)水的形成主要是冬季溫躍層的“通風(fēng)”，在其形成海域冬季由于海洋表層熱量損失造成上層層化減弱、混合層加深，而在次年春季，季節(jié)性溫躍層的形成使得深混合層內(nèi)水體與表層的聯(lián)系切斷，最終進(jìn)入永久性溫躍層成為了模態(tài)水。模態(tài)水對(duì)于氣候變化問題具有重要的研究意義。一方面是由于模態(tài)水在其形成區(qū)通過潛沉(Subduction)能夠?qū)⒍镜拇髿鈴?qiáng)迫信息傳遞到海洋次表層；另一方面，攜帶有生成區(qū)冬季海表強(qiáng)迫信號(hào)的模態(tài)水在進(jìn)入到溫躍層后可以通過海洋內(nèi)部通道輸送到其他海域，并在若干年后重新回到海表層繼而對(duì)海表面產(chǎn)生影響。

在北太平洋存在著三種副熱帶模態(tài)水，其中，西部模態(tài)水(STMW)的形成區(qū)位于黑潮及其延續(xù)體以南，中部模態(tài)水(CMW)的形成區(qū)位于黑潮延續(xù)體附近，這兩種模態(tài)水的形成主要與其形成海區(qū)冬季海洋大量的熱損失以及由此形成的深混合層有關(guān)。而在副熱帶環(huán)流區(qū)東南側(cè)存在著一種東部模態(tài)水(NPESTMW)，其形成區(qū)位于加利福尼亞海流以西的副熱帶海區(qū)，中心位于30°N,140°W，溫度為16～22 ℃，密度為24.0～25.4 kg·m-3[2]。在南太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)東部海域同樣存在著副熱帶東部模態(tài)水(SPESTMW)，其定義為南太平洋東部副熱帶地區(qū)的低位渦水，溫度為13～26 ℃，密度為24.5～25.8 kg·m-3的水團(tuán)[3]。南、北太平洋東部副熱帶模態(tài)水在形成區(qū)域及特征上存在相似之處，均為Type 2型副熱帶模態(tài)水，分別位于南、北副熱帶環(huán)流圈東側(cè)，形成機(jī)制類似。南、北太平洋東部副熱帶海域都是信風(fēng)控制下的潛沉率較大的海區(qū)，并且在其形成海區(qū)冬季海表面模態(tài)水露頭區(qū)的等密度線間隔寬廣，弱密度平流的作用有利于低位渦水的形成[4]。

模態(tài)水的形成過程稱為潛沉，模態(tài)水的潛沉率由側(cè)向?qū)腠?xiàng)(Lateral induction)和垂直抽吸項(xiàng)(Vertical pumping)兩項(xiàng)組成。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，NPESTMW的形成主要與副熱帶太平洋東部深混合層有關(guān)[5-6]。Hosoda等[7]指出，與西部、中部模態(tài)水相比，在NPESTMW的形成區(qū)冬季混合層比較淺，露頭區(qū)等密度線間隔更為寬廣，露頭區(qū)面積較大，沿流速方向的密度梯度較小。NPESTMW的形成除了與其形成區(qū)冬季深混合層有關(guān)，還與該區(qū)域?qū)拸V的等密度線露頭區(qū)及與沿混合層內(nèi)海流方向微弱的密度梯度相關(guān)的弱密度平流有關(guān)，且后者起到了主要作用。造成該區(qū)域內(nèi)密度梯度較弱的主要原因是海表面溫度的分布特征。

目前，對(duì)于NPESTMW的年際變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)的研究主要基于潛沉率的研究。通過分析同化的海洋模式資料，胡海波等[8]計(jì)算了北太平洋模態(tài)水形成區(qū)的潛沉率的年際變化，提出在NPESTMW形成區(qū)內(nèi)局部風(fēng)應(yīng)力的變化是引起該區(qū)域潛沉率年際變化的主要原因。Hu等[9]的研究結(jié)果同樣認(rèn)為風(fēng)應(yīng)力作用對(duì)該區(qū)域潛沉率的變化起到了主要貢獻(xiàn)。潘愛軍等[10]的研究則指出，對(duì)于NPESTMW的形成及冬季混合層溫度的變化中熱通量起到了主要貢獻(xiàn)。Qu等[11]和Chen等[12]提出北太平洋副熱帶東部模態(tài)水與西部模態(tài)水之間在年代際尺度上存在著反相關(guān)關(guān)系且與太平洋年代際濤動(dòng)(PDO)位相之間存在密切聯(lián)系，而其中熱通量的變化起到了主要作用。Toyoma等[13]基于Agro格點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)北太平洋潛沉率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明東部模態(tài)水的潛沉率的年際變化是由冬季混合層深度所決定的混合層深度平流項(xiàng)所決定，并驗(yàn)證了潛沉率年際變化與PDO正負(fù)位相的關(guān)系。Toyoda等[14]基于模式資料，在其2004年提出的東部模態(tài)水“預(yù)條件機(jī)制”的理論基礎(chǔ)上對(duì)NPESTMW的年際變化進(jìn)行了解釋，認(rèn)為冬季冷卻強(qiáng)弱是導(dǎo)致模態(tài)水年際變化的主要因素。此外，前人關(guān)于NPESTMW對(duì)于氣候變化的響應(yīng)及機(jī)制進(jìn)行了研究。Luo等[15]基于模式結(jié)果對(duì)于NPESTMW對(duì)全球變暖的響應(yīng)進(jìn)行了研究，指出在全球變暖條件下由于表面大氣強(qiáng)迫條件的變化導(dǎo)致了NPESTMW強(qiáng)度減弱，密度減小的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，Xia等[16]的工作研究了全球變暖前后NPESTMW氣候態(tài)的差異以及機(jī)制。此外，Xia等[17]的研究提出了副熱帶東部太平洋冬季深混合層的形成與海洋平流作用有關(guān)，而輻射強(qiáng)迫增加時(shí)潛沉率的響應(yīng)特征主要是由于側(cè)向潛沉率的貢獻(xiàn)。Li和Luo[18]基于耦合氣候模式對(duì)NPESTMW在溫室氣體和氣溶膠強(qiáng)迫下的響應(yīng)的研究結(jié)果顯示NPESTMW在1900—2006年由于大氣強(qiáng)迫原因呈現(xiàn)出強(qiáng)度減弱的趨勢(shì)，在此期間氣溶膠強(qiáng)迫的作用強(qiáng)于溫室氣體強(qiáng)迫。

前人對(duì)SPESTMW的形成機(jī)制以及年際、年代際變化的研究主要基于模式和再分析資料。Liu和Wu[19]基于SODA的研究表明南太平洋模態(tài)水在20世紀(jì)表現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)，其中SPESTMW潛沉率的增強(qiáng)主要是由于風(fēng)應(yīng)力旋度引起的垂向速度項(xiàng)的增加。Li[20]基于模式資料對(duì)SPESTMW潛沉率的研究指出，垂向速度項(xiàng)對(duì)于模態(tài)水的形成起主要貢獻(xiàn)，然而混合層深度平流項(xiàng)則是引起其年際變化的主要因素。對(duì)于SPESTMW形成區(qū)冬季深混合層的形成，Liu等[21]認(rèn)為該區(qū)域?qū)τ赟PESTMW形成起主要作用的冬季深混合層是由熱通量、風(fēng)應(yīng)力以及密度平流條件所共同決定的。Luo等[22]的研究指出SPESTMW在全球變暖情況下由于風(fēng)應(yīng)力和熱通量變化而導(dǎo)致其體積增加、密度變重。

本次研究基于格點(diǎn)化Argo觀測(cè)資料，重點(diǎn)研究南北太平洋兩種東部副熱帶模態(tài)水的年際變化，以及控制其形成和年際變化的主要大氣強(qiáng)迫機(jī)制。研究通過熱力學(xué)Walin分析方法發(fā)現(xiàn)了表面浮力通量及其各分量對(duì)模態(tài)水形成和年際變化的重要作用。

1 資料

本文采用的海洋資料(溫度，鹽度等)來源于中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心的全球海洋Argo網(wǎng)格數(shù)據(jù)集(BOA_Argo)月平均資料，時(shí)間長(zhǎng)度為2004—2014年，空間范圍180°W～180°E，79.5°S～79.5°N，分辨率為1°×1°，垂向標(biāo)準(zhǔn)層為0～1 950 dbar共58層。海洋的經(jīng)緯向流速數(shù)據(jù)則通過熱成風(fēng)關(guān)系計(jì)算得到。數(shù)據(jù)下載自：ftp://data.argo.org.cn/pub/ARGO/BOA_Argo/。

為了分析影響副熱帶模態(tài)水形成及年際變化的大氣強(qiáng)迫，本文還采用了來自于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-Interim大氣再分析數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集提供月平均的海氣通量、經(jīng)向和緯向風(fēng)場(chǎng)等變量，時(shí)間長(zhǎng)度為2004—2014年，空間范圍180°W～180°E，79.5°S～79.5°N,分辨率為1°×1°。數(shù)據(jù)下載自http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-moda/levtype=sfc/。

研究中還使用了1950—2012年月平均的OFES高分辨率海洋模式資料。該模式以NCEP大氣再分析數(shù)據(jù)作為強(qiáng)迫場(chǎng)，覆蓋范圍為 75°S～75°N,水平分辨率為1/10°，垂向共 54 層，其間距由表層的5 m逐漸擴(kuò)大到最大深度(～6 065 m)處的330 m。數(shù)據(jù)下載來自http://apdrc.soest.hawaii.edu/datadoc/OFES/OFES.php。

2 模態(tài)水及其年際變化

為了確定副熱帶東部模態(tài)水的空間分布情況，圖1給出了氣候態(tài)平均下模態(tài)水成熟階段(北半球5月，南半球11月)副熱帶東部海區(qū)位勢(shì)渦度在NPESTMW和SPESTMW核心等密度面及經(jīng)過模態(tài)水低位渦中心的經(jīng)、緯向斷面上的分布情況，以及冬季混合層深度的空間分布。由圖1可見，NPESTMW的核心密度位于24.8～25.2 kg·m-3區(qū)間，模態(tài)水低位渦中心位于140°W,30°N附近，與冬季混合層最深處一致。在南太平洋，SPESTMW的核心密度位于更深的25.2～25.6 kg·m-3的密度區(qū)間，其低位渦與冬季深混合層中心位于100°W,22.5°S附近。根據(jù)圖1中低位渦水的分布，本次研究中將NPESTMW的計(jì)算區(qū)域選定為150°W～130°W，20°N～35°N的海區(qū)，而SPESTMW則選定為130°W～80°W，15°S～30°S的海區(qū)。值得注意的是對(duì)于SPESTMW，其冬季混合層深度以及低位渦水的體積均明顯強(qiáng)于NPESTMW。

圖1 (a)氣候態(tài)平均5月位勢(shì)渦度(單位：1×10-11 m-1·s-1)在25.0 kg·m-3等密度面上的空間分布及北半球冬季混合層深度(等值線，單位：m)；(b)氣候態(tài)平均11月位勢(shì)渦度在25.4 kg·m-3的空間分布及南半球冬季混合層深度；(c)(d)(e)(f)依次代表位勢(shì)渦度和位勢(shì)密度(等值線間隔：0.2 kg·m-3)在140°W，100°W徑向斷面和30°N，22.5°S緯向斷面上的分布 Fig.1 (a) Potential vorticity (Color shading; units: 10-11 m-1·s-1) in May along the 25.0 kg·m-3 isopycanl surface and depth (Contour, units:m) of the boreal winter.mixed layer；(b) Potential vorticity in November along the 25.4 kg·m-3isopycal surface and depth of the austral winter mixed layer； (c) Potential vorticity and density (contour interval = 0.2 kg·m-3) along the 140°W section； (d)～(f) as in (c) but along 100°W, 30°N and 22.5°S, respectively

為了研究NPESTMW和SPESTMW的年際變化，本文分別計(jì)算了由圖1低位渦水范圍所確定的海區(qū)混合層之下，密度屬于模態(tài)水核心密度區(qū)間的低位渦(pv<2.0×10-10m-1·s-1)水的體積對(duì)其強(qiáng)度變化進(jìn)行了研究。位勢(shì)渦度定義為：pv=f/p×?ρ/?z。

其中：f為科氏參數(shù)；ρ為海水密度；?ρ/?z為海水的垂向梯度。由于模態(tài)水體積存在很強(qiáng)的季節(jié)變化信號(hào)，本文通過計(jì)算某年冬末春初時(shí)間段模態(tài)水體積的最大值與前一年夏季模態(tài)水體積最小值的差值得到了當(dāng)年冬季新生成的模態(tài)水體積，用來對(duì)模態(tài)水的年際變化進(jìn)行分析。圖2為2004—2014年新生成的NPESTMW和SPESTMW體積距平的時(shí)間序列，11年平均的新生成NPESTMW體積為3.10×1014m3,SPESTMW則為1.65×1015m3。在北太平洋，NPESTMW主要經(jīng)歷了自2005—2009年和2010—2013年兩次歷時(shí)4～5 a的體積增加過程，其中體積最大值出現(xiàn)在2009年，最小值則出現(xiàn)在2005和2014年。對(duì)于SPESTMW，其體積的最小值出現(xiàn)在2009、2013年，最大值出現(xiàn)在2010年，在2007—2009年和2010—2013年經(jīng)歷了兩次3～4 a的減弱過程。表1提供了模態(tài)水強(qiáng)弱年份的體積距平和核心密度區(qū)間的對(duì)比，這里將2008，2009，2013定義為NPESTMW強(qiáng)年，2007、2010、2011定義為SPESTMW強(qiáng)年，其中強(qiáng)年新生成的模態(tài)水體積較11年的平均值增加了17%，弱年則減少了17%。將2005、2010、2014年定義為NPESTMW弱年，2005、2009、2013定義為SPESTMW弱年，新生成的模態(tài)水體積在強(qiáng)年增加了12%，弱年減少了9%。分別對(duì)強(qiáng)弱年的pv分別進(jìn)行合成分析(見圖3)發(fā)現(xiàn)，除新生成模態(tài)水的體積變化外，在模態(tài)水強(qiáng)年NPESTMW核心密度面會(huì)加深并移動(dòng)到25.0～25.2 kg·m-3，而在模態(tài)水弱年，NPESTMW核心密度面會(huì)變淺至24.8～25.0 kg·m-3。對(duì)于SPESTMW，強(qiáng)年的核心密度為25.4～25.6 kg·m-3，弱年則為25.2～25.4 kg·m-3。

表1 強(qiáng)、弱NPESTMW和SPESTMW年模態(tài)水核心密度和冬季新生成模態(tài)水體積距平 Table 1 Core density and volume anomaly of newly formed mode water anomaly in strong and weak NPESTMW/SPESTMW years

3 形成機(jī)制

海面浮力通量是反映海-氣界面熱、鹽交換聯(lián)合作用的一個(gè)綜合的熱力學(xué)指標(biāo)，海表面失去浮力通量，會(huì)導(dǎo)致表層水體密度增加[23-26]，該過程被稱為水團(tuán)變性(Watermass tranformation)。Walin[27]提出了通過海表面浮力通量計(jì)算表面水團(tuán)形成率的熱力學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)表層海水由于失去浮力通量引起的增密效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致由低密度向高密度的跨越等密度面的體積通量(變性通量)。Marshall等[28]在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用這一熱力學(xué)方法計(jì)算了由于表面水團(tuán)形成過程引起的混合層內(nèi)與模態(tài)水密度一致的水體通過混合層底進(jìn)入溫躍層內(nèi)的體積通量，并與傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)潛沉方法進(jìn)行了對(duì)比。Maze等[29]和Cerovicki等[30]分別運(yùn)用Walin分析法解釋了大西洋18℃水的形成機(jī)制和太平洋副熱帶西部模態(tài)水的年際變化。

浮力通量的定義為：B=αQ/Cp+βρ0S0(P-E)。

圖2 2004—2014年新生成(a)NPESTMW和(b)SPESTMW體積距平的年際變化 Fig.2 Time series of volume anomaly of newly formed (a) NPESTMW and (b) SPESTMW

為了驗(yàn)證海表面浮力通量對(duì)ESTMW形成的影響，計(jì)算了2004—2014年太平洋副熱帶東部海域各密度區(qū)間內(nèi)的水團(tuán)變性率、水團(tuán)形成率以及它們的逐月變化。根據(jù)圖4，本文將水團(tuán)形成率最大的北半球24.8～25.2 kg·m-3以及南半球25.2～25.6 kg·m-3的位勢(shì)密度露頭區(qū)分別定義為NPESTMW和SPESTMW的表面形成區(qū)。對(duì)于NPESTMW，海表面水團(tuán)的形成主要發(fā)生在12月至次年2月(見圖4(e))，由于來自于低密度(24.5～24.7 kg·m-3)水體的變性通量最強(qiáng)(見圖4(a))，導(dǎo)致了混合層內(nèi)與模態(tài)水密度(24.8～25.2 kg·m-3)相當(dāng)?shù)乃畧F(tuán)大量形成(見圖4(c))，使得形成區(qū)內(nèi)的混合層內(nèi)水體增加，深度變深并于2、3月達(dá)到最大值(見圖4(g))。而從4月份開始海表面水團(tuán)形成率轉(zhuǎn)為負(fù)值開始消亡，表面水團(tuán)的消亡主要是由于海洋從大氣吸收熱量獲得浮力，同時(shí)伴隨混合層內(nèi)水團(tuán)通過潛沉進(jìn)入溫躍層，繼而導(dǎo)致春季混合層深度變淺，模態(tài)水進(jìn)入溫躍層并與上層海洋切斷聯(lián)系。對(duì)于SPESTMW，混合層內(nèi)與SPESTMW密度相一致的25.2～25.6 kg·m-3的水團(tuán)由于低密度水團(tuán)的變性通量大量形成，表面形成過程的時(shí)間為南半球冬季6～9月，在此期間表層水體堆積、混合層加深，水團(tuán)消亡于10～12月，此期間混合層變淺。從上述分析可以得知，海表面浮力通量引起的低密水團(tuán)的變性以及混合層內(nèi)與模態(tài)水密度相當(dāng)?shù)乃畧F(tuán)的形成過程是導(dǎo)致冬季混合層水體增加變深的主要，而冬季混合層內(nèi)增加的水體在混合層通風(fēng)時(shí)會(huì)通過潛沉穿越混合層進(jìn)入溫躍層并最終成為模態(tài)水，因此每年新生成的模態(tài)水的體積和強(qiáng)度與冬季表面水團(tuán)形成率之間具有密切的聯(lián)系。

南北太平洋副熱帶東部海區(qū)單位面積的水團(tuán)變性率及各分量的空間分布如圖5所示。冬季這一海區(qū)表面水體失去浮力通量，水團(tuán)變性率以正值為主。水團(tuán)變性率的最大值位于副熱帶模態(tài)水形成區(qū)深混合層海域靠近赤道一側(cè)：在NPESTMW形成區(qū)南側(cè)22.8～24.8 kg·m-3密度區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)強(qiáng)的水團(tuán)變性中心，有利于該區(qū)域水體密度增加并向NPESTMW核心密度區(qū)間(24.8～25.2 kg·m-3)輸運(yùn)。而在南半球，其水團(tuán)變性率最大值位于SPESTMW核心密度區(qū)域以北密度小于25.2 kg·m-3的海域，有利于表面水體向SPESTMW密度區(qū)間(25.2～25.6 kg·m-3)內(nèi)的變性輸運(yùn)。這種水團(tuán)變性輸運(yùn)的過程導(dǎo)致了混合層內(nèi)與模態(tài)水密度相當(dāng)?shù)乃畧F(tuán)的體積增加，增加的體積會(huì)在之后通過潛沉進(jìn)入溫躍層形成了模態(tài)水。根據(jù)圖5，由海表面熱通量引起的分量在總的水團(tuán)變性率中起到了主要作用：以北半球?yàn)槔蔁嵬恳鸬乃畧F(tuán)變性率可達(dá)5×10-11Sv·m-2(1Sv=106m3·s-1),而由于淡水通量引起的水團(tuán)變性率僅為1×10-11Sv·m-2，據(jù)此可知熱通量引起的水團(tuán)變性對(duì)模態(tài)水密度區(qū)間內(nèi)的水團(tuán)形成起主要作用。

圖3 位勢(shì)渦度(單位：×10-11 m-1·s-1)及位勢(shì)密度(等值線，單位: kg·m-3)沿徑向斷面的分布在(a)NPESTMW強(qiáng)年，(b)SPESTMW強(qiáng)年，(c)NPESTMW弱年和(d)SPESTMW弱年的合成結(jié)果 Fig.3 Composite analysis of potential vorticity (Units: 10-11 m-1·s-1) and potential density (Contour, unit: kg·m-3) in (a) strong NPESTMW, (b) strong SPESTMW, (c) weak NPESTMW and (d) weak SPESTWM years along meridional sections

圖4 氣候態(tài)平均NPESTMW和SPETMW形成區(qū)附近積分的(a)(b)各密度區(qū)間的水團(tuán)變性率，(c)(d)各密度區(qū)間的水團(tuán)形成率，(e)(f)模態(tài)水核心密度區(qū)間內(nèi)水團(tuán)形成率的季節(jié)變化，(g)(h)混合層深度的季節(jié)變化 Fig.4 Integrated transformation rate of different density class in the formation region of (a) NPESTMW and (b) SPESTMW；formation rate of different density class in the formation region of (c) NPESTMW and (d) SPESTMW； seasonal variation of formation rate on the core density of (e) NPESTMW and (f) SPESTMW； seasonal variation of mixed layer depth in the formation region of (g) NPESTMW and (h) SPESTMW

((a)(b)中的等值線分別為南北半球冬季海表面密度的空間分布(單位： kg·m-3)。Superimposed is the climatological sea surface density (Units:kg·m-3). )

為了研究上述機(jī)制對(duì)于新生成模態(tài)水的體積及模態(tài)水核心密度的年際變化的影響，對(duì)模態(tài)水強(qiáng)弱年冬季海表面溫度(SST)、海表熱通量以及混合層深度進(jìn)行了合成分析。如圖6和7所示，在NPESTMW和SPESTMW強(qiáng)年，模態(tài)水形成區(qū)混合層深度明顯加深，造成混合層加深的原因?yàn)樵搮^(qū)域由熱通量引起的浮力通量負(fù)異常。模態(tài)水強(qiáng)年，海洋向大氣釋放熱量增強(qiáng)，水團(tuán)變性及由此導(dǎo)致的體積通量增強(qiáng)，有利于混合層內(nèi)與模態(tài)水密度相當(dāng)?shù)乃w增加，因此新生成的模態(tài)水體積呈現(xiàn)異常；與之對(duì)應(yīng)，在模態(tài)水弱年模態(tài)水形成區(qū)混合層深度變淺，原因主要是該區(qū)域的浮力通量正異常。模態(tài)水弱年，海洋向大氣釋放熱量減少，水團(tuán)變性及體積通量減弱，不利于混合層內(nèi)與模態(tài)水密度相當(dāng)?shù)乃w增加，因此新生成的模態(tài)水體積表現(xiàn)為負(fù)異常。圖3所示的模態(tài)水核心密度面深度的年際變化，則主要是由于強(qiáng)年浮力通量負(fù)異常引起的表層密度以及混合層深度增加導(dǎo)致的垂向密度梯度(位勢(shì)渦度)減小，而弱年浮力通量的正異常則會(huì)引起表層密度以及混合層深度減小繼而導(dǎo)致垂向密度梯度(位勢(shì)渦度)增加，最終導(dǎo)致了低位渦水體所在密度區(qū)間的深淺變化。根據(jù)海表溫度距平在模態(tài)水強(qiáng)弱年的合成結(jié)果分析，在NPESTMW強(qiáng)年，副熱帶東部海域海表溫度呈現(xiàn)冷異常，而其西北部的副熱帶中部海區(qū)(150°W以西)則為暖異常，這種海溫異常的分布與PDO負(fù)位相一致；NPESTMW弱年，形成區(qū)內(nèi)為冷異常、上游為暖異常，與PDO正位相一致。而在SPESTMW強(qiáng)弱年也呈現(xiàn)出與北半球類似的海溫異常分布。Hosoda等[7]的研究指出，在東部模態(tài)水形成海域，海表面密度的變化主要依賴于海表溫度的變化，該海域內(nèi)有利于模態(tài)水形成的寬廣的核心密度露頭面積的成因主要是沿混合層內(nèi)地轉(zhuǎn)流方向較弱的溫度梯度。根據(jù)圖6和7，NPESTMW強(qiáng)年形成區(qū)內(nèi)低密度水體呈現(xiàn)冷異常導(dǎo)致密度變重，上游高密度的海水呈現(xiàn)暖異常導(dǎo)致密度變輕，因此減弱了沿地轉(zhuǎn)流的密度梯度，對(duì)模態(tài)水的形成起到了積極作用。而在NPESTMW弱年形成區(qū)內(nèi)低密度水體為暖異常導(dǎo)致密度變輕，上游高密度海水為冷異常導(dǎo)致表面密度變重，沿地轉(zhuǎn)流方向的密度梯度增加，不利于模態(tài)水的形成。SPESTMW形成區(qū)附近強(qiáng)弱年的海溫異常分布具有相似的特征，即強(qiáng)年密度梯度減小有利于模態(tài)水的形成，弱年密度梯度增加不利于模態(tài)水的形成。

圖6 冬季海表面溫度在NPESTMW強(qiáng)年(a)，弱年的距平合成結(jié)果(b)以及氣候態(tài)平均海表溫度(c)(單位：℃)及混合層內(nèi)地轉(zhuǎn)流的空間分布；冬季海表面熱通量在NPESTMW強(qiáng)年(d)，弱年的距平合成結(jié)果(e)以及氣候態(tài)平均熱通量(f)(單位：W·m-2)的空間分布以及冬季混合層深度在NPESTMW強(qiáng)年(g)，弱年的距平合成結(jié)果(h)以及氣候態(tài)平均混合層深度(i)(單位：m)的空間分布

Fig.6 Composite of SST anomaly in strong (a) and weak NPESTMW years (b) and climatological mean SST(c) (Units:℃) and velocity of boreal winter； Composite of heat flux anomaly in strong (d) and weak NPESTMW years (e) and climatological mean heatflux of boreal winter (f)(Units: W·m-2). Composite of mixed layer depth anomaly in strong (g) and weak NPESTMW years (h) and climatological mean mixed layer depth of boreal winter (i)(Units: m)

除表面浮力通量的影響外，風(fēng)應(yīng)力也可以通過混合層底的垂向速度對(duì)模態(tài)水的形成造成影響。通過風(fēng)應(yīng)力旋度計(jì)算得到艾克曼垂向速度(Ekman Pumping)的合成分析結(jié)果如圖8，在南太平洋SPESTMW形成海區(qū)，風(fēng)應(yīng)力對(duì)模態(tài)水年際變化作用明顯：強(qiáng)年風(fēng)應(yīng)力旋度增強(qiáng)，造成模態(tài)水形成區(qū)內(nèi)混合層底的下沉速度增強(qiáng)，對(duì)模態(tài)水潛沉過程起到了積極貢獻(xiàn)，弱年風(fēng)應(yīng)力旋度及下沉速度減小，不利于模態(tài)水的潛沉。

圖7 冬季海表面溫度在SPESTMW強(qiáng)年(a)，弱年的距平合成結(jié)果(b)以及氣候態(tài)平均海面溫度(c)(單位： ℃)及混合層內(nèi)地轉(zhuǎn)流的空間分布；冬季海表面熱通量在SPESTMW強(qiáng)年(d)，弱年的距平合成結(jié)果(e)以及氣候態(tài)平均熱通量(f)(單位：W·m-2)的空間分布。冬季混合層深度在SPESTMW強(qiáng)年(g)，弱年的距平合成結(jié)果(h)以及氣候態(tài)平均混合層深度(i)(單位：m)的空間分布

Fig.7 Composite of SST anomaly in (a) strong and (b) weak SPESTMW years and climatological mean SST (c) (Units:℃) and velocity field of austral winter；Composite of heat flux anomaly in strong(d) and weak SPESTMW years (e) and climatological mean heatflux of austral winter(f)(Units: W·m-2)； Composite of mixed layer depth anomaly in strong (g) and weak SPESTMW years(h) and climatological mean mixed layer depth of austral winter (i) (Units: m)

4 年代際變化

由于受到Argo數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度所限，本文運(yùn)用OFES高分辨率海洋模式1950—2012年的結(jié)果，分別檢驗(yàn)了南、北太平洋東部副熱帶模態(tài)水體積的年代際變化及其與太平洋年代際振蕩信號(hào)的關(guān)系。這里我們選用的是整個(gè)太平洋海盆尺度的年代際振蕩信號(hào)IPO(Interdecadal Pacific Oscillation)；與PDO指數(shù)根據(jù)北太平洋海溫異常計(jì)算的結(jié)果不同，IPO指數(shù)是根據(jù)整個(gè)太平洋的海溫異常計(jì)算而來，據(jù)此得到的IPO指數(shù)在南太平洋與東部副熱帶模態(tài)水體積之間的相關(guān)關(guān)系更為可靠。圖9是每年新生成的南、北太平洋東部副熱帶模態(tài)水體積的年代際變化及其與年平均IPO指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)新生成的模態(tài)水體積與年平均IPO指數(shù)之間存在明顯的反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為北半球0.78和南半球0.59，置信度均超過了95%。兩種模態(tài)水體積正異常的年份發(fā)生于IPO負(fù)位相的1950—1980年，而1980年前后IPO位相轉(zhuǎn)正，此后的1980—2000年兩種模態(tài)水體積均表現(xiàn)為負(fù)異常。二者之間的關(guān)系可以通過IPO正負(fù)位相期間南、北太平洋東部副熱帶海區(qū)的海面熱通量和混合層深度的變化來解釋：IPO處于負(fù)位相時(shí)，冬季模態(tài)水形成區(qū)海洋釋放熱量更強(qiáng)、混合層深度加深，引起了潛沉作用的增強(qiáng)，最終導(dǎo)致了模態(tài)水形成的增多；而IPO處于正位相時(shí)，冬季模態(tài)水形成區(qū)釋放熱量減弱、混合層深度變淺，引起了潛沉過程的減弱，最終導(dǎo)致了新生成模態(tài)水體積的減少。

5 結(jié)論和討論

本文主要利用BOA-Argo觀測(cè)資料和Interim-era再分析資料對(duì)南北太平洋副熱帶東部模態(tài)水強(qiáng)度的年際變化進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1)海表面浮力通量對(duì)NPESTMW和SPESTMW的形成以及年際變化有重要影響。冬季，太平洋東部副熱帶海表面向大氣釋放熱量，其中放熱最強(qiáng)的區(qū)域位于模態(tài)水密度露頭區(qū)之外靠近赤道的低密度海域。海洋表層的水體由于放熱失去浮力通量、密度增加，產(chǎn)生了向高密度的跨等密度面的體積通量(變性通量)，導(dǎo)致了等密度線向南移動(dòng)。由于密度低于模態(tài)水密度的表層水團(tuán)放熱最強(qiáng)，產(chǎn)生的變性通量最大，造成了混合層內(nèi)與模態(tài)水密度(北半球24.8～25.2 kg·m-3，南半球25.2～25.6 kg·m-3)相當(dāng)?shù)乃畧F(tuán)體積增加，可能是NPESTMW和SPESTMW新生成水的重要來源。

圖8 北半球冬季平均艾克曼速度的空間分布(a)及其距平在強(qiáng)(c)NPESTMW年和弱(e)NPESTMW年的合成結(jié)果(單位：m·a-1)；南半球冬季平均艾克曼速度的空間分布(b)及其距平在強(qiáng)(d)NPESTMW年和弱(f)NPESTMW年的合成結(jié)果 Fig.8 Climatological mean Ekman pumping (Units: m·a-1)(a) and the composite of Ekmap pumping anomaly in strong (c) and weak (e) NPESTMW years; climatological mean Ekman pumping (b) and the composite of Ekmap pumping anomaly in strong (d) and weak (f) SPESTMW years

(2)NPESTMW和SPESTMW新生成水體積的年際變化與冬季海表面熱通量的強(qiáng)弱變化基本一致。模態(tài)水強(qiáng)年，海洋向大氣釋放熱量增強(qiáng)，核心密度內(nèi)的表層水團(tuán)形成增強(qiáng)，可能導(dǎo)致了冬季新生成模態(tài)水體積的增加；模態(tài)水弱年，海洋向大氣釋放熱量減少，表層水團(tuán)形成減弱，可能導(dǎo)致了冬季新生成模態(tài)水體積的減少。NPESTMW和SPESTMW的體積變化在年代際尺度上與IPO存在反相關(guān)關(guān)系。對(duì)于SPESTMW，其強(qiáng)度的年際變化還受到了局地風(fēng)應(yīng)力的影響。

研究中發(fā)現(xiàn)，雖然格點(diǎn)化的argo觀測(cè)數(shù)據(jù)保留了中尺度渦的信號(hào)，但是由于其空間和時(shí)間分辨率都較低，不能很好地反映中尺度渦對(duì)模態(tài)水的影響，同時(shí)難以從更長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)于模態(tài)水的年代際變化進(jìn)行研究。在之后的工作中將增加對(duì)高分辨率海洋模式資料及海洋同化資料的分析，并對(duì)時(shí)間范圍進(jìn)行延長(zhǎng)，對(duì)年代際尺度上模態(tài)水的變化情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，期待獲得更多更深入的研究成果。此外，本文利用Walin分析方法所探討的海表面浮力通量異常與太平洋東部副熱帶模態(tài)水形成及年際變化之間的聯(lián)系，需要通過進(jìn)一步的數(shù)值實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9 1950—2012年OFES模式9年低通濾波的新生成北太平洋副熱帶模態(tài)水(a)，南太平洋東部副熱帶模態(tài)水體積距平(藍(lán)色柱狀圖)和IPO指數(shù)(紅色折線圖)的時(shí)間序列(b) Fig.9 Time series of newly formed NPESTMW volume (a) and SPESTMW volume (b) (blue bar) and annul-mean IPO index (red line) with nine years low-pass filter applied during 1950—2012