邵星 楊海軍

1. 北京大學(xué)氣候與海?氣實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系, 北京 100871;

2. 復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系, 上海 200438; ? 通信作者, E-mail: yanghj@fudan.edu.cn

青藏高原平均海拔 4000 m 以上, 最高可以延伸到對(duì)流層上部, 其地理位置、海拔高度以及復(fù)雜多樣的地形地貌, 使它不僅對(duì)周邊和下游地區(qū), 甚至對(duì)上游的西亞、歐洲、非洲以及北大西洋地區(qū)大氣和海洋運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生重要影響[1]。

隨著耦合模式的快速發(fā)展, 研究者開(kāi)始關(guān)注地形對(duì)全球海洋運(yùn)動(dòng)的影響。然而, 有關(guān)青藏高原對(duì)海洋環(huán)流影響的研究最近 20 年才逐步發(fā)展起來(lái)[1?6]。移除青藏高原之后, 地形強(qiáng)迫的定常波展現(xiàn)出沿著東北方向, 從青藏高原所在區(qū)域向北大西洋的波動(dòng)能量(即群速度)傳播結(jié)構(gòu), 由此建立起青藏高原與北大西洋之間的遙相關(guān)關(guān)系[2]。移除青藏高原導(dǎo)致大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流(Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC)幾乎崩潰[3]以及太平洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流的產(chǎn)生[4], 主要原因是青藏高原的存在使得北大西洋和北太平洋的深水形成存在“蹺蹺板”現(xiàn)象,而且這種現(xiàn)象已經(jīng)存在 200～300 萬(wàn)年[7]。Yang 等[3]發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原后, 準(zhǔn)平衡態(tài)階段北大西洋深水(North Atlantic Deep Water, NADW)形成的顯著減弱是由深水形成區(qū)域海冰的大量融化導(dǎo)致的。Su等[5]則發(fā)現(xiàn), 移除青藏高原后, 平衡態(tài)階段 NADW形成的顯著減弱不僅與海冰變化有關(guān), 還與熱通量的減少有關(guān), NADW 形成的變化最終導(dǎo)致 AMOC崩潰。NADW 形成對(duì) AMOC 至關(guān)重要, 模式試驗(yàn)中, NADW 形成發(fā)生的位置和強(qiáng)度因模式分辨率不同而存在很大的差異[8], 但都發(fā)生在副極地環(huán)流區(qū)內(nèi)和格陵蘭海?冰島海?挪威海(GIN)海域[9]。海表熱通量和淡水通量強(qiáng)迫對(duì) NADW 形成的瞬態(tài)變化至關(guān)重要[10], 局地風(fēng)應(yīng)力對(duì) NADW 形成的影響尚不明確, 但風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)深水形成有一定程度的影響[11]。

前人已經(jīng)證實(shí)青藏高原的存在對(duì) NADW 形成有重要的影響, 但有關(guān)這種影響的季節(jié)性變化規(guī)律尚缺乏研究。本文利用高、低分辨率耦合地球系統(tǒng)模式, 定性地分析北半球冷季和暖季青藏高原對(duì)NADW 形成機(jī)制的影響, 并探討以下問(wèn)題: 青藏高原對(duì) NADW 形成機(jī)制的影響是否因季節(jié)而不同,這種季節(jié)性差異是否與模式的分辨率有關(guān), 青藏高原對(duì)北大西洋的氣候是否存在季節(jié)性影響。

1 模式和試驗(yàn)設(shè)置

使用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心開(kāi)發(fā)的地球系統(tǒng)模式(Community Earth System Model, CESM1.0, http://www.cesm.ucar.edu/), 該模式已得到廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證[2?4,12?13]。本文設(shè)置一組低分辨率(low resolution,LR)對(duì)比試驗(yàn)和一組高分辨率(high resolution, HR)對(duì)比試驗(yàn), 每組試驗(yàn)均包括控制試驗(yàn)(Real)和地形敏感性試驗(yàn)(NoTibet)[6], 試驗(yàn)中地形設(shè)置如圖 1 所示。Real 試驗(yàn)積分 1900 年, 到 1000 年達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài); NoTibet 試驗(yàn)從 Real 試驗(yàn)的第 1501 年開(kāi)始積分,將青藏高原(Tibetan Plateau, TP)區(qū)域地形減少到 50 m, 其他條件不變, 積分 400 年, 300 年后達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài), 均取最后 100 年的月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本研究中的季節(jié)根據(jù)北半球春、秋分時(shí)間節(jié)點(diǎn)劃分, 冷季為 10 月—次年 3 月, 暖季為 4—9 月。

圖1 試驗(yàn)中地形設(shè)置Fig. 1 Topography configuration in experiments

2 NADW 形成平衡態(tài)響應(yīng)

大西洋的通風(fēng)過(guò)程由高緯地區(qū)的深水形成(NADW)和極地到極地的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流驅(qū)動(dòng)[7]。NADW形成需要兩步, 首先海洋表層高鹽度高密度水團(tuán)形成, 隨后被海水的潛沉過(guò)程帶入下層水體, 混合層的潛沉過(guò)程在 NADW 形成中發(fā)揮著重要作用。瞬時(shí)潛沉速率S的計(jì)算公式[14]如下:

其中,h為混合層深度(采用 Large 等[15]的計(jì)算方法得到),ub和wb分別為混合層底的水平運(yùn)動(dòng)速度和垂直運(yùn)動(dòng)速度。鑒于潛沉過(guò)程在 NADW 形成中的重要作用, 本文將由式(1)計(jì)算得出的下沉速率粗略地理解為 NADW 瞬時(shí)形成速率, 冷、暖季的平均瞬時(shí) NADW 形成速率為相應(yīng)季節(jié)逐月瞬時(shí)潛沉速率的平均值。NADW 形成區(qū)域分別為 LR 試驗(yàn)和HR 試驗(yàn)中冷、暖季的 Real 中S>0 的海域(圖 2(a1)和(b1)及圖 3(a1)和(b1)即為各自試驗(yàn)中的 NADW 形成區(qū)域, 潛沉向下為正)。不難看出, LR 試驗(yàn)中, 冷、暖季 NADW 形成區(qū)域主要位于 GIN 海域; HR 試驗(yàn)中冷、暖季 NADW 形成區(qū)域主要位于副極地環(huán)流區(qū)內(nèi)和 GIN 海域。Yang 等[3]在研究 TP 對(duì) NADW 形成影響時(shí), 定義的 NADW 形成區(qū)域與本文 HR 試驗(yàn)相似, 但模式分辨率與本文 LR 試驗(yàn)相同, 不能很好地模擬拉布拉多海的深水形成, 本文按照分辨率和季節(jié), 分別定義 NADW 形成區(qū)域, 以便更準(zhǔn)確地探討 TP 對(duì) NADW 形成的影響。積分 40°—80°N,60°W—20°E 的海域, Real 中 LR 試驗(yàn)和 HR 試驗(yàn)的暖季潛沉速率均強(qiáng)于冷季, HR 試驗(yàn)中冷、暖季的潛沉速率強(qiáng)于 LR 試驗(yàn)(表 1)。

TP 與北大西洋之間的遙相關(guān)主要通過(guò)大氣過(guò)程實(shí)現(xiàn)。移除 TP 后, 地形強(qiáng)迫的定常波呈現(xiàn)從 TP區(qū)域沿著東北方向向北大西洋的波動(dòng)能量(即群速度)傳播結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致北太平洋和副極地北大西洋大氣環(huán)流改變[2]。本文試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn), 冷季和暖季的波列結(jié)構(gòu)都可以在 500 hPa 和 850 hPa 的位勢(shì)高度場(chǎng)中清晰地表示出來(lái)(圖略)。表 1 顯示, 移除 TP 之后 LR 和 HR 試驗(yàn)中冷季和暖季潛沉強(qiáng)度均有一定程度的減弱: LR 試驗(yàn)中, 冷季減弱 94.1%, 暖季減弱 36.1%; HR 試驗(yàn)中, 冷季減弱 23.4%, 暖季減弱23.9%。冷季和暖季 HR 試驗(yàn)潛沉強(qiáng)度的變化幅度均小于 LR 試驗(yàn), 從而導(dǎo)致在移除 TP 后, HR 試驗(yàn)中NADW 形成的變化幅度小于 LR 試驗(yàn)。從潛沉速率的水平分布來(lái)看, LR 試驗(yàn)中冷季和暖季 GIN 海域均減弱(圖 2(a3)和(b3)); HR 試驗(yàn)中冷季減弱最明顯的是拉布拉多海(圖 3(a3)), 暖季減弱最明顯的是拉布拉多海和 GIN 海域(圖 3(b3))。

表1 瞬時(shí)潛沉速率(Sv)Table 1 Instantaneous subduction rate (Sv)

圖2 LR 試驗(yàn)中瞬時(shí)潛沉速率的水平分布Fig. 2 Instantaneous subduction rate in the LR test

圖3 HR 試驗(yàn)中瞬時(shí)潛沉速率的水平分布Fig. 3 Instantaneous subduction rate in the HR test

將式(1)分解, 探討其中每一項(xiàng)對(duì)潛沉速率減弱的貢獻(xiàn)。LR 和 HR 試驗(yàn)中, 導(dǎo)致冷季和暖季潛沉速率減弱(表 2 中“NoTibet – Real”)的主要項(xiàng)均為混合層深度變化項(xiàng)(?h/?t)。暖季, 由于 TP 的移除, 該項(xiàng)的變化要比其余兩項(xiàng)大 1～2 個(gè)量級(jí); 冷季, 除 ?h/?t為主導(dǎo)項(xiàng)外, 其余兩項(xiàng)的貢獻(xiàn)因模式分辨率的不同而不同: LR 試驗(yàn)中混合層底垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)(wb)減弱占次要地位, HR 試驗(yàn)中則是混合層底平流項(xiàng)(ub??h項(xiàng), 又叫側(cè)向誘導(dǎo)項(xiàng))占次要地位。

表2 瞬時(shí)潛沉速率各分量(Sv)Table 2 Components of instantaneous subduction rate (Sv)

在不同的季節(jié), 各分量對(duì)潛沉減弱的貢獻(xiàn)不同。這在一定程度上提醒我們, TP 對(duì) NADW 形成的影響機(jī)制可能存在季節(jié)差異。通常, 淡水通量、海表熱通量以及風(fēng)應(yīng)力等因素都會(huì)在一定程度上對(duì)潛沉速率產(chǎn)生影響。接下來(lái), 我們將通過(guò)不同季節(jié)導(dǎo)致潛沉減弱的主次項(xiàng)來(lái)確定外部強(qiáng)迫的主次地位, 繼而理解移除 TP 后導(dǎo)致 NADW 形成變化的主導(dǎo)機(jī)制。

3 NADW 形成變化的原因

3.1 淡水通量

本研究中海表淡水通量包括海冰生成與消失(簡(jiǎn)稱(chēng)海冰生消)以及凈蒸發(fā)(蒸發(fā)量減去降水量, evaporation minus precipitation, EMP)兩部分。移除TP 后, LR 試驗(yàn)中冷季海冰邊界向南擴(kuò)張(圖 4(a1))(本文中海冰邊界與 Yang 等[3]的定義相同, 模式格點(diǎn)內(nèi)海冰面積占比為 15%時(shí)的等值線即為海冰邊界線); 相對(duì)于冷季, 暖季(圖 4(b1))海冰邊界略有收縮, 但不明顯。但是, 海冰生消在冷季與暖季有顯著的差異。對(duì)比圖 4(a1)與(b1)中填色區(qū)域, 在 Real與 NoTibet 海冰邊界之間的海域, 暖季海冰融化明顯, 冷季則海冰生成明顯。對(duì) NADW 形成區(qū)域的海冰變化做區(qū)域平均, 結(jié)果如圖 4(e1)所示, 準(zhǔn)平衡態(tài) 100 年內(nèi), 冷季海冰(藍(lán)色實(shí)線)對(duì) NADW 形成區(qū)域淡水的貢獻(xiàn)約為 0.04 PSU/月, 是鹽化作用, 而暖季海冰(藍(lán)色虛線)對(duì) NADW 形成區(qū)域淡水的貢獻(xiàn)約為?0.08 PSU/月, 是淡化作用。相對(duì)于 LR 試驗(yàn), HR試驗(yàn)(圖 4(a2)和(b2))中海冰邊界變化最明顯的是拉布拉多海, 暖季海冰的融化也集中在該海域。對(duì)比圖(e1)和(e2)中藍(lán)色曲線, HR 試驗(yàn)中, 雖然冷季和暖季海冰對(duì)淡水的貢獻(xiàn)也分別是鹽化和淡化作用, 但海冰生消對(duì)淡水通量的影響始終小于 LR 試驗(yàn), 對(duì)淡水通量的貢獻(xiàn)冷季約為 0.01 PSU/月, 暖季則約為?0.04 PSU/月。

LR 試驗(yàn)(圖 4(e1))中, EMP 在平衡態(tài) 100 年內(nèi)對(duì)NADW 形成區(qū)域淡水通量的影響主要是淡化作用,冷季(紅色實(shí)線)與暖季(紅色虛線)差別不大, 均為約?0.01 PSU/月。在 HR 試驗(yàn)(圖 4(e2))中, EMP 對(duì)淡水通量的影響也是淡化作用, 影響程度與 LR 試驗(yàn)相似。從 EMP 的水平分布變化看, LR 試驗(yàn)中冷季(圖 4(c1))和暖季(圖 4(d1))均是東北大西洋至 GIN海域淡化作用明顯; HR 試驗(yàn)中淡化作用明顯的海域, 冷季(圖 4(c2))主要位于北大西洋中部和拉布拉多海, 暖季(圖 4(d2))則位于北大西洋中部。北大西洋貫穿全年的 EMP 對(duì)淡水通量的淡化貢獻(xiàn), 主要是由于移除 TP 后熱帶太平洋持續(xù)不斷地輸送水汽到北大西洋[3], 當(dāng)不考慮陸地降水和河流徑流時(shí),EMP 對(duì)海表淡水的影響等價(jià)于垂直積分的水汽輸送散度[12]。

圖4 海表淡水通量的變化Fig. 4 Changes of the surface freshwater flux

移除 TP 后, 海冰的變化對(duì) NADW 形成產(chǎn)生重要影響。LR 試驗(yàn)中, 冷季海冰顯著向南擴(kuò)張, 暖季海冰大量融化, 導(dǎo)致表層海水的淡化增強(qiáng), 海水層結(jié)性顯著增強(qiáng), 使混合層變淺變輕。暖季, 式(1)中混合層深度變化項(xiàng)?h/?t的減小主導(dǎo)潛沉速率的減小, 故海冰的顯著融化主導(dǎo)暖季NADW形成速率的減弱。雖然EMP對(duì)NADW形成區(qū)域也是起淡化的作用, 但其暖季對(duì)淡水的貢獻(xiàn)明顯小于海冰的影響。HR試驗(yàn)中海冰融化對(duì)NADW形成區(qū)域的影響比LR試驗(yàn)小, 從而導(dǎo)致HR試驗(yàn)中暖季NADW形成速率的變化幅度小于LR試驗(yàn)。

3.2 海表熱通量

移除 TP 后, NADW 形成區(qū)域海表凈熱通量冷季與暖季存在顯著的差異。LR 試驗(yàn)中, 冷季(圖 5(a1)), NADW 形成區(qū)域海表獲得熱量非常顯著。凈熱通量的增加與海表感熱、潛熱以及向外的長(zhǎng)波減少有關(guān)[2], 是由冷季海冰擴(kuò)張面積增多導(dǎo)致的。與圖 2(a3)相比, 圖 5(a1)中海表凈熱通量增加的海域與潛沉速率減弱的區(qū)域基本上一致。海表熱通量的增加會(huì)使混合層變淺, 從而導(dǎo)致潛沉速率減弱, 這與 Liu 等[16]研究全球潛沉速率的結(jié)論相似。冷季,式(1)中混合層深度變化項(xiàng)?h/?t的減小主導(dǎo)潛沉速率的減小, 海表凈熱通量顯著增加是潛沉速率減小的主要原因, 從而導(dǎo)致 NADW 形成速率減小。暖季(圖 5(b1)), 與圖 2(b3)相比, 潛沉速率減小區(qū)域海表熱通量增、減現(xiàn)象相間存在, 說(shuō)明海表凈熱通量對(duì)暖季 NADW 形成速率變化的貢獻(xiàn)不明顯。從海表凈熱通量變化的時(shí)間序列(圖 5(c1))可以更清楚地看出冷季與暖季海表凈熱通量對(duì) NADW 形成區(qū)域貢獻(xiàn)的差異, 冷季約為40 W/m2, 暖季約為?5 W/m2,仍然說(shuō)明暖季海表凈熱通量對(duì)NADW形成減弱的貢獻(xiàn)不明顯。HR試驗(yàn)中, 海表凈熱通量變化對(duì)NADW形成區(qū)域的影響與LR試驗(yàn)相似, 冷季海表凈熱通量增加區(qū)域?yàn)槔祭嗪：透窳晏m海(圖5(a2)), 與冷季潛沉速率減小區(qū)域相近。對(duì)比圖5(c1)與(c2), HR試驗(yàn)中海表凈熱通量對(duì)NADW形成區(qū)域的貢獻(xiàn)小于LR試驗(yàn)。

圖5 海表凈熱通量的變化Fig. 5 Changes of the net surface heat flux

移除TP后, 冷季海表凈熱通量顯著增加, 使混合層變淺, 潛沉速率減小, 導(dǎo)致NADW形成減弱。HR試驗(yàn)中, 熱通量對(duì)NADW形成區(qū)域的影響小于LR試驗(yàn)。也就是說(shuō), TP的存在使得冷季海表凈熱通量顯著減少, 導(dǎo)致NADW的逐漸形成。Torben等[8]的研究雖然未涉及地形的影響, 但他們也發(fā)現(xiàn)在較冷的季節(jié), 海表凈熱通量在不同分辨率耦合模式中對(duì)NADW 形成有重要貢獻(xiàn)。

3.3 海表風(fēng)應(yīng)力

移除TP后, 北大西洋的海表風(fēng)應(yīng)力以及?？寺槲浼九c暖季存在著顯著的差異。當(dāng)北半球缺少TP大地形的阻擋時(shí), 風(fēng)向會(huì)更偏向緯向型[2]。LR試驗(yàn)中, 冷季北大西洋西風(fēng)顯著增強(qiáng)(圖6(a1)),而暖季(圖6(b1))變化較小。西風(fēng)增強(qiáng)導(dǎo)致偏南的?？寺斔驮鰪?qiáng), 使北大西洋北部海冰向南擴(kuò)張, 對(duì)暖季海冰的大量融化有重要貢獻(xiàn)。

?？寺槲俾蕎e的計(jì)算公式[4]如下:

其中,τ是海表風(fēng)應(yīng)力矢量,f是科氏力參數(shù),ρ0是平均的海水密度。?？寺槲纳嫌炕蛳鲁吝\(yùn)動(dòng), 會(huì)導(dǎo)致海水垂直運(yùn)動(dòng)速度變化。?？寺槲c式(1)中垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)wb有直接聯(lián)系, 不同海域?qū)摮了俾实呢暙I(xiàn)不同[17], 而wb項(xiàng)在 LR 試驗(yàn)中對(duì)冷季潛沉速率的減弱起次要作用。對(duì)比圖 2(a3)與圖 6(a1)可知,在潛沉速率減弱的區(qū)域, ?？寺槲a(chǎn)生向下的作用。北大西洋高緯度地區(qū)向上的?？寺槲梢詫⑾聦用芏容^大的海水帶到上層, 減弱局地海水層結(jié),促進(jìn)海洋的垂直對(duì)流、混合和擴(kuò)散, 從而改變海水的垂直運(yùn)動(dòng)速度, 增大潛沉速率。向下的?？寺槲饔貌焕诤Ｋ畬咏Y(jié)減弱, 對(duì)式(1)的垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)有一定的抑制作用, 從而減小潛沉速率。海表熱通量的顯著增強(qiáng)是對(duì)流減弱的另一個(gè)原因, 也會(huì)導(dǎo)致海水垂直運(yùn)動(dòng)速度的減弱。

HR 試驗(yàn)中, 平流項(xiàng)ub??h減弱對(duì) NADW 形成減弱的貢獻(xiàn)占次要地位, 主要是由拉布拉多海邊緣混合層底平流輸送顯著減弱導(dǎo)致的(圖 3(a3)中拉布拉多海西南部邊緣最明顯), 平流項(xiàng)的水平分布變化對(duì)這一點(diǎn)體現(xiàn)得更明顯(圖略)。Courtois 等[18]也提到, 平流項(xiàng)ub??h在混合層深度加大的季節(jié)(即本文中冷季)對(duì)拉布拉多海邊界洋流的潛沉速率有著很大的影響。式(1)不能給出平流輸送的來(lái)源, 但我們可以定性地分析一下。首先, 海表凈熱通量顯著增加導(dǎo)致混合層變淺是平流項(xiàng)ub??h減弱的主要原因, Liu 等[16]同樣得出海表熱通量的變化主導(dǎo)平流項(xiàng)變化的結(jié)論; 其次, 平流項(xiàng)的變化還與水平運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。移除 TP 后, 拉布拉多海局地偏南方向風(fēng)應(yīng)力顯著增強(qiáng)(圖 6(a2)), 在一定程度上改變海水水平運(yùn)動(dòng)速度, 部分地抑制 NoTibet 試驗(yàn)中向拉布拉多海西南邊緣的洋流輸送, 從而對(duì)該區(qū)域深水形成速率產(chǎn)生影響?？偟膩?lái)說(shuō), HR 試驗(yàn)中冷季平流項(xiàng)的減弱也是由海表凈熱通量增加引起的。

圖6 海表風(fēng)應(yīng)力(矢量箭頭)和?？寺槲俾?填色區(qū)域)的變化Fig. 6 Changes of the wind stress (vector) and Ekman pumping velocity (shading)

冷季混合層底的垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)和平流運(yùn)動(dòng)項(xiàng)也不可忽視。移除 TP 之后, LR 試驗(yàn)中垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)對(duì)NADW 形成起減弱的作用, 這與局地?？寺槲兓瘜?dǎo)致的動(dòng)力強(qiáng)迫有關(guān); HR 試驗(yàn)中則是混合層底平流項(xiàng)對(duì) NADW 形成的減弱起次要的作用, 仍然是海表熱通量增加引起的。也就是說(shuō), 真實(shí)地形下的冷季, TP 使得混合層底的垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)和平流運(yùn)動(dòng)項(xiàng)對(duì)NADW 形成起促進(jìn)作用。

3.4 經(jīng)向熱量輸送

大氣和海洋運(yùn)動(dòng)將赤道的熱量輸送到極地, 維持著地球氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定, AMOC 在經(jīng)向熱量輸送(meridional heat transport, MHT)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。AMOC 跨越赤道向北半球輸送比南半球多約 0.5 PW (年平均)的熱量, 導(dǎo)致北半球比南半球稍暖[19]。

如圖 7(a)所示, LR 試驗(yàn)中移除 TP 后, 北半球MHT 變化強(qiáng)度大于南半球。北半球 40°N 以南的MHT (綠色曲線)季節(jié)差異顯著, 40°N 以北冷季(綠色實(shí)線)和暖季(綠色虛線) MHT 均減小, 冷季減小幅度大于暖季。MHT 的大氣熱量輸送部分(atmosphere heat transport, AHT)和海洋熱量輸送部分(ocean heat transport, OHT)在不同的緯度有不同的變化趨勢(shì)。暖季AHT (藍(lán)色虛線)在北半球增強(qiáng), 而冷季(藍(lán)色實(shí)線)在 20°—40°N 增強(qiáng), 40°N 以北減弱。OHT 在北半球大部分緯度均減小, 不同緯度減小程度不同, 40°N 以北冷季(紅色實(shí)線)與暖季(紅色虛線)減小程度相近。移除 TP 后 AMOC 將會(huì)減弱[3],從而導(dǎo)致向北的 OHT 減少, 這也引起 NADW 形成區(qū)域海冰邊界向南擴(kuò)張。如圖 7(b)所示, HR 試驗(yàn)中40°N 以北冷季和暖季 OHT 的減弱幅度略小于 LR試驗(yàn), 導(dǎo)致海冰向南擴(kuò)張的強(qiáng)度小于 LR 試驗(yàn); 而Real 中 AMOC 將熱量向北輸送, 使得 NADW 形成區(qū)域的海冰不能因海表冷卻而向南擴(kuò)張。

圖7 經(jīng)向熱量輸送變化Fig. 7 Changes of the meridional heat transport

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

本文利用耦合地球系統(tǒng)模式 CESM1.0, 定性地分析青藏高原地形在不同季節(jié)對(duì)北大西洋深水形成機(jī)制的影響, 得到如下結(jié)論。

1) 青藏高原地形對(duì) NADW 形成的影響機(jī)制具有季節(jié)差異。移除青藏高原地形后, 海冰在冷季向南擴(kuò)張, 在暖季顯著融化, 引起淡水通量增加, 導(dǎo)致 NADW 形成減弱, 在冷季則是海表凈熱通量的顯著增加引起 NADW 形成減弱, LR 試驗(yàn)中這種影響更加顯著。

2) 青藏高原地形對(duì)北大西洋氣候影響的季節(jié)差異非常顯著。移除青藏高原地形后, 海冰的生消、風(fēng)應(yīng)力、?？寺槲约昂１韮魺嵬慷即嬖陲@著的季節(jié)差異。LR 試驗(yàn)中, 青藏高原地形對(duì)北大西洋氣候的影響程度通常強(qiáng)于 HR 試驗(yàn), 但也因區(qū)域而異。

4.2 討論

雖然本文僅定性地分析 TP 對(duì) NADW 形成機(jī)制影響的季節(jié)差異, 但仍然可以提供一定的啟示: 在研究 TP 對(duì)海洋環(huán)流的影響時(shí), 區(qū)分季節(jié)的討論是非常必要的, 有助于更全面地了解 TP 在塑造現(xiàn)代海洋環(huán)流中扮演的角色。

耦合模式分辨率的提高可以使海底地形以及狹窄邊界流的模擬更準(zhǔn)確。相對(duì)于渦旋解析模式, 本文 HR 試驗(yàn)中所研究海域的分辨率(緯度約 0.65°, 經(jīng)度 1.125°)還是比較低, 不能很好地解析渦旋和狹窄的邊界流, 可能會(huì)使拉布拉多海深水的平流運(yùn)動(dòng)項(xiàng)貢獻(xiàn)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。

高分辨率耦合模式中, 通常可以模擬出拉布拉多海強(qiáng)烈的深水形成, 其強(qiáng)度可能因模式不同而不同[8]。但是, Lozier 等[20]通過(guò)實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 對(duì)AMOC 有影響的 NADW 形成區(qū)域不在拉布拉多海,而在伊爾明厄海和冰島海。針對(duì)實(shí)測(cè)時(shí)拉布拉多海深水的缺失, Charlène 等[21]認(rèn)為拉布拉多海深水形成的季節(jié)差異顯著, 而文獻(xiàn)[20]中并不包括季節(jié)和年際變化, 系泊處沒(méi)有足夠的垂直分辨率, 密度測(cè)量可能不夠精確, 不能與層厚度的變化相匹配, 這些因素可能會(huì)低估拉布拉多海深水形成及其對(duì)局地AMOC 的貢獻(xiàn)。Courtois 等[18]認(rèn)為, 拉布拉多海潛沉和潛涌過(guò)程的季節(jié)差異導(dǎo)致年度凈潛沉較小, 拉布拉多海深水形成較少, 因此該海域?qū)?AMOC 的影響較小。

由此可見(jiàn), 研究 NADW 形成時(shí), 區(qū)分季節(jié)和耦合模式分辨率的討論皆非常必要。根據(jù) Courtois 等[18]的研究結(jié)果, 不僅潛沉過(guò)程的季節(jié)差異對(duì) NADW形成和 AMOC 有重要影響, 潛涌的影響也不可忽視。因此, 本研究存在一定的局限性, 在研究 TP對(duì) NADW 形成影響機(jī)制的季節(jié)差異時(shí), 未考慮潛涌過(guò)程在冷季和暖季對(duì) NADW 形成的影響, 尤其在冷季混合層加深階段會(huì)發(fā)生潛涌過(guò)程。因此, 本文中 NADW 形成的變化存在一定的誤差。

另外, 雖然本文定義的 NADW 形成區(qū)域與Yang 等[3]相似, 但本文的 NADW 形成區(qū)域只是一個(gè)粗略的定義, 其范圍可能比實(shí)際觀測(cè)區(qū)域略大,這也是本文誤差的一個(gè)來(lái)源。本文旨在定性地分析TP 對(duì) NADW 形成機(jī)制的季節(jié)影響, 進(jìn)一步明確 TP在 NADW 形成中的重要作用, 希望給后續(xù)研究一定的啟示。