王藝珊，夏瑞彬,

( 1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 南京信大安全應(yīng)急管理研究院，江蘇 南京 210044)

1 引言

海洋混合層將大氣和深海緊密聯(lián)系起來，在氣候變化中起到了至關(guān)重要的作用。副熱帶東北太平洋海域（10°～40°N，110°～160°W）海洋潛沉過程和模態(tài)水形成顯著，是將副熱帶大氣信號輸入海洋并輸送至熱帶太平洋的關(guān)鍵海區(qū)之一。全球變暖通過海溫影響海洋層結(jié)，對海洋混合層深度（Mixed Layer Depth,MLD）和潛沉過程具有顯著影響，進一步作用于其他海洋現(xiàn)象，因此研究該區(qū)域的混合層和潛沉過程在全球變暖背景下的變化具有十分重要的意義。

1.1 混合層深度

混合層是溝通底層大氣與深層海洋的過渡層，是大氣與海洋進行物質(zhì)交換的重要通道，主要受海氣界面風(fēng)應(yīng)力、浮力通量等要素影響，通常被認為是海洋上層溫度、鹽度和密度垂向準均勻分布的層次。該層深度即MLD，是反映混合層性質(zhì)的要素之一，受海面熱量、動量和淡水通量變化的直接調(diào)控，其變化在海氣相互作用中發(fā)揮著十分重要的影響[1]。

混合層以其擁有的極高研究價值吸引了眾多學(xué)者的目光[2-4]，在對諸如海氣熱交換[5]、次表層通風(fēng)效應(yīng)[6-7]和水團的形成等方面進行了長期的研究與探索。在海洋生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，海洋中的初級生產(chǎn)力也與混合層底部的營養(yǎng)物、浮游植物的通量以及光可用性的調(diào)節(jié)有關(guān)。此外，混合層變化還對海洋潛沉過程及模態(tài)水的形成起到了至關(guān)重要的控制作用，世界各大洋的模態(tài)水形成區(qū)域都與冬季MLD大值區(qū)重合[8-9]。

綜合來說，計算MLD的方法大致可以分為4類：第1類是密度差法，利用混合層密度分布均勻的特征，常用的密度有0.03 kg/m3、0.1 kg/m3和0.125 kg/m3[10]；第2類是溫差法，利用混合層溫度分布均勻的特征，例如以0.1°C為溫差范圍測算MLD[11]；第3類為梯度法，又分為溫度梯度法和密度梯度法，即計算海洋上層超過溫度或密度閾值的深度[1]；第4種是混合法，綜合以上3種方法，先提取MLD一般形狀，找到對應(yīng)的海洋物理要素，再通過梯度法計算組合出一套適當(dāng)?shù)腗LD，這個方法最準確，但計算量大[12]。

在季節(jié)循環(huán)時間尺度上，不同海域混合層的形成機制不完全相同，且存在著非常顯著的季節(jié)變化。利用Kraus和Turner[13]的混合層模式及Qiu和Kelly[14]對黑潮延伸體中的混合層熱平衡進行研究，結(jié)果表明該區(qū)域MLD產(chǎn)生季節(jié)循環(huán)的主要原因是熱通量的季節(jié)變化。Qiu[15]則在2002年進一步給出了可以定量地表示海洋上混合層溫度和厚度變化的物理過程的方程組。近些年，通過對印度洋季節(jié)內(nèi)MLD變化的分析，Keerthi等[16]認為，夏季赤道東印度洋MLD的季節(jié)內(nèi)變化主要受夏季風(fēng)的活動/破碎對流位相影響，而冬季熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩則驅(qū)動了東赤道印度洋MLD的大部分季節(jié)內(nèi)變化。Chen等[17]則通過對第五次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project 5, CMIP5）多模式模擬結(jié)果偏差原因進行探究，發(fā)現(xiàn)引入由非破碎面波引起的垂直混合，可以改進亞熱帶地區(qū)南、北方冬季MLD的模擬效果。對于具有較強特殊性的南大洋海域，Panassa等[18]發(fā)現(xiàn)其MLD的風(fēng)致變化超過了溫度致變化，大西洋和印度洋扇區(qū)夏季MLD呈加深趨勢，對大氣強迫表現(xiàn)出緯向非對稱響應(yīng)特征。之后Alraddadi等[19]利用兩年期紅海中部Argo（Array for real-time geostrophic oceanography）浮標(biāo)數(shù)據(jù)研究了該地區(qū)的MLD變化，發(fā)現(xiàn)同樣存在明顯的冬夏季節(jié)性變化規(guī)律。

此外，最新研究表明海洋渦旋對MLD季節(jié)變化也具有顯著影響。Gaube等[20]通過Argo浮標(biāo)對具有水文剖面的中尺度渦旋同步衛(wèi)星觀測進行了全球分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)MLD的程度與渦旋的海面高度振幅線性相關(guān)，且渦旋引起的MLD異常幅度在冬季達到最大值。類似地，Wang等[21]利用觀測結(jié)果與地球模擬器海洋模式進行對比，發(fā)現(xiàn)渦流傳播是MLD淺化的主要原因，且渦旋潛沉過程對北太平洋副熱帶東部模態(tài)水潛沉和輸運具有重要意義。

依據(jù)前人經(jīng)驗，世界大洋MLD變化在各時間尺度上存在顯著差異，但均呈現(xiàn)冬季加深、夏季變淺的季節(jié)變化特征，且在近海地區(qū)尤為顯著。本文研究的副熱帶東北太平洋海區(qū)（10°～40°N，110°～160°W），就存在一個冬季MLD大值區(qū)[22]。Ohno等[23]曾基于Argo觀測數(shù)據(jù)對北太平洋MLD進行分析，結(jié)果表明，在20°N以北地區(qū)發(fā)現(xiàn)較大混合層季節(jié)變化，7月、8月MLD較淺，不足30 m，10月東部混合層初步加深，至12月20°N以北區(qū)域為MLD大值區(qū)，深度超過80 m，20°N以南地區(qū)MLD不明顯，晚冬（2-3月）達到深度最大值。Xia等[24-26]的一系列工作給出了與上述類似的結(jié)論，并重點聚焦于全球氣候變暖現(xiàn)象對MLD氣候態(tài)分布差異的影響，證明全球變暖后在多個模式結(jié)果中均出現(xiàn)了冬季MLD變淺、大值區(qū)范圍縮小的情況，這與風(fēng)應(yīng)力旋度變化、海洋平流、海氣熱通量變化等諸多因素有著密不可分的聯(lián)系?；谶@一系列工作，擴展分析整個季節(jié)循環(huán)信號的響應(yīng)，對比評估與單純冬季混合層響應(yīng)的差異，是本文的關(guān)鍵之一。此外，前人對該區(qū)域MLD年際及年代際變化也進行了深入研究。在北太平洋，最顯著的年際及年代際變化是太平洋年代際振蕩（Pacifc Decadal Oscillation, PDO）[27-28]，Toyoda等[29]利用全球海洋再分析集合的EOF分析對北太平洋冬季進行了年際-年代際變化研究，證明了MLD和潛沉率變化的時間演變與PDO指數(shù)相關(guān)。MLD在年際-年代際尺度上對全球變暖的響應(yīng)，是我們下一步的關(guān)注重點之一。

1.2 潛沉率

潛沉是海洋上混合層中混合較為均勻的低位勢渦度海水下沉至海洋躍層的重要過程。浮露與潛沉過程相反，主要發(fā)生在混合層由淺變深的過程中。二者均是溫躍層通風(fēng)的關(guān)鍵過程，具有重要的研究意義，Huang和Qiu[22]指出潛沉率是探索風(fēng)生環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素。潛沉率由側(cè)向潛沉率和垂直抽吸率兩項組成，通常被認為是由大尺度風(fēng)應(yīng)力變化和海氣界面的熱通量變化決定。但在不同條件下，影響潛沉率的主導(dǎo)要素有所差異，Xia等[25-26]研究表明，在東北太平洋副熱帶海區(qū)，側(cè)向潛沉率和垂直抽吸率兩項對總潛沉率的貢獻均不可忽略。

在東北太平洋副熱帶海區(qū)，存在一個顯著的溫鹽密度垂向均勻的模態(tài)水團：北太平洋副熱帶東部模態(tài)水（the Eastern Subtropical Mode Water, ESTMW）[30]。ESTMW形成后在躍層中隨著副熱帶環(huán)流向低緯度移動，通過內(nèi)部運輸過程連接?xùn)|北太平洋的副熱帶和熱帶地區(qū)，對東太平洋中低緯度區(qū)域的海洋層結(jié)、環(huán)流和通風(fēng)過程具有重要影響[31]。ESTMW的形成直接受到該區(qū)域混合層和潛沉過程的控制，因此對潛沉率變化和形成機制的探索是研究模態(tài)水成因的關(guān)鍵。

近年來，全球變暖通過海溫影響海洋層結(jié)，改變MLD及潛沉過程，進而引發(fā)其他海洋現(xiàn)象變化的情況受到廣泛關(guān)注，如Richards等[32]就發(fā)現(xiàn)全球變暖可能會通過改變MLD間接影響海洋亞中尺度現(xiàn)象。隨著近些年國際耦合模式比較計劃的發(fā)展，關(guān)于MLD的研究也得以擴展到對未來情況的預(yù)估，然而目前的研究成果多集中于副熱帶西部海區(qū)，對東部海區(qū)的全年變化規(guī)律研究較少。如Xia等[25-26]利用CMIP5模式結(jié)果，研究了東北太平洋副熱帶MLD和潛沉率對全球變暖的響應(yīng)情況，結(jié)果表明，全球變暖后東北太平洋副熱帶海區(qū)總潛沉率的變化主要源自MLD鋒面控制的側(cè)向潛沉率的變化。由于潛沉過程主要發(fā)生在混合層加深和急遽變淺的冬春季節(jié)，上述研究結(jié)果也都是基于冬春季節(jié)分析的，缺少對整個季節(jié)循環(huán)信號響應(yīng)的探究，其他季節(jié)潛沉過程對全球變暖響應(yīng)變化尚不清楚。

因此本文將結(jié)合觀測數(shù)據(jù)與CMIP5耦合模式，首先評估模式結(jié)果在季節(jié)循環(huán)信號上的可信度；然后通過輻射強迫實驗結(jié)果模擬全球變暖背景，詳細分析副熱帶東北太平洋MLD和潛沉過程季節(jié)循環(huán)信號對全球變暖的響應(yīng)。此外，季節(jié)循環(huán)信號的長期演變規(guī)律如何？其振幅有無波動？這也是一個非常有趣值得探究的問題。本文的研究區(qū)域為10°～40°N，110°～160°W的副熱帶東北太平洋區(qū)域，如無特殊標(biāo)注，則默認本文中空間分布圖均為該經(jīng)緯度范圍。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 資料介紹

本研究中使用的觀測數(shù)據(jù)包含以下幾個部分。

Argo數(shù)據(jù)：Argo計劃于1998年提出，從2000年開始布放，用于觀測2 000 m以淺海區(qū)的溫度和鹽度剖面。目前，全球海洋中漂浮著3 000多個Argo浮標(biāo)，平均約3°×3°的網(wǎng)格內(nèi)，就有1個Argo浮標(biāo)。本文使用斯克利普斯海洋研究所發(fā)布的月平均網(wǎng)格化產(chǎn)品（http://apdrc.soest.hawaii.edu/），其水平分辨率為1°×1°，垂向共58層（0 m、5 m、10～200 m每10 m一層、200～500 m每20 m一層、500～1 300 m每50 m一層、1 300～1 900 m每100 m一層、底層1 975 m），時間覆蓋為2004年1月至2021年3月。

逐月溫度客觀分析數(shù)據(jù)：由Ishii等[33]根據(jù)觀測整理的再分析數(shù)據(jù)集，又稱Ishii數(shù)據(jù)，提供了編制抽樣誤差和統(tǒng)計誤差的輸入數(shù)據(jù)源以及相關(guān)量化的詳細信息，是對現(xiàn)場觀測的每月客觀分析，水平分辨率為1°×1°，涵蓋了1945-2012年期間，海平面至1 500 m深處全球海洋溫鹽數(shù)據(jù)（https://rda.ucar.edu/datasets/ds285.3/），垂向共23層（0 m、10 m、20 m、30 m、50～300 m每25 m一層、300～1 500 m每100 m一層）。

氣候模式選用由美國國家海洋大氣研究中心的地球流體動力實驗室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL）提供的地球系統(tǒng)模式（Earth System Model, ESM2M），是CMIP5中的一個全球海洋-大氣-陸地-冰層耦合模式[34-35]。ESM2M基于GFDL’s Modular Ocean Model version 4.1版本代碼構(gòu)建海洋模式部分，采用壓力坐標(biāo)方式，共計50層，水平分辨率為1°×1°。本研究采用歷史實驗（historical, 20世紀全強迫模擬）和典型濃度情景（RCP 8.5）實驗結(jié)果，表征當(dāng)前背景下和全球極端變暖后的氣候態(tài)情況。選擇模擬輻射強迫極端增強的RCP 8.5實驗是為了更明顯地表現(xiàn)全球變暖的效應(yīng)，實際情況可能并不會如實驗般顯著。GFDL-ESM2M數(shù)據(jù)下載來自GFDL官方網(wǎng)站（http://www.gfdl.noaa.gov/earth-system-model/）。

2.2 基本數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 混合層深度

截至目前，MLD還沒有完全統(tǒng)一的計算方法，通常會選擇溫度或密度進行判斷。結(jié)合海域?qū)嶋H情況及前人研究可知，副熱帶東北太平洋海域MLD的變化對位勢密度為0.03～0.1 kg/m3范圍臨界值選擇不敏感[25]，因此本研究采用的MLD定義為：在同一個水平計算網(wǎng)格點，垂直方向上位勢密度與海洋表層的位勢密度相差0.1 kg/m3時所對應(yīng)的深度[36]。在3.1節(jié)中，我們也通過該區(qū)域溫度、鹽度、密度剖面綜合確認了本文采用的MLD定義方法是較為準確的。

2.2.2 潛沉率

為了分析長時間尺度下的潛沉過程，本文潛沉率的計算采用平均潛沉率的計算方式[37-39]，其公式為

該公式是在Cushman-Roisin[40]提出的公式的基礎(chǔ)上進行時間平均的結(jié)果。平均潛沉率主要由兩項構(gòu)成，第一項表示側(cè)向潛沉率，表示混合層底的水平流速，hm為MLD，該項與副熱帶東北太平洋冬季MLD的水平分布差異及海水水平流速有關(guān)，因此也被稱為MLD平流。第二項we則代表混合層底垂直速度，根據(jù)Huang和Qiu[22]的研究發(fā)現(xiàn)，在副熱帶東北太平洋地區(qū)?？寺槲俣扰c該項相差不大，因此本文選擇埃克曼抽吸速度近似表示混合層底垂直速度。?？寺槲俣戎饕从澈Ｃ骘L(fēng)旋度對潛沉的直接貢獻，定義為[41]

3 副熱帶東北太平洋混合層及潛沉率在歷史氣候背景下的季節(jié)變化

本節(jié)首先對Argo觀測數(shù)據(jù)中依據(jù)本文定義的MLD方法進行了評估。其次，為了能夠更加真實客觀地反映MLD的季節(jié)性變化，減少誤差，本文還采用了Ishii觀測數(shù)據(jù)集，與GFDL-ESM2M對比，評估模式結(jié)果在模擬MLD季節(jié)循環(huán)信號上的準確性，分析當(dāng)前氣候背景下MLD和潛沉過程的季節(jié)變化特征。

3.1 現(xiàn)在氣候背景下混合層深度在觀測數(shù)據(jù)中的季節(jié)變化

為了確定更加精準的MLD定義方法，本小節(jié)對Argo數(shù)據(jù)集中自帶的MLD（圖未展示）與本文定義方法計算的MLD季節(jié)變化（圖1）進行了對比分析：兩者具有十分相似且顯著的季節(jié)變化特征。在深冬（2-3月），MLD達到最大值，約135 m，偏北部海區(qū)（25°～35°N，120°～150°W）出現(xiàn)倒“T”型大值核心區(qū)，中心深四周淺，北、東、西3個方向淺化速度較慢，向南迅速變淺（圖1b，圖1c）。自3月起，MLD逐步變淺，7月不足30 m，達到最小值（圖1c至圖1g）。10月MLD初步加深至達到最大值（圖1j至圖1l）。上述季節(jié)變化特征均與前人研究結(jié)果類似[7,42]，這初步證明了本文MLD定義方法的準確性。

但這兩種結(jié)果仍存在一定差異：本文定義計算的MLD較淺，大值核心區(qū)空間范圍較小，其中冬季差異最明顯。為了能直觀反映不同定義下MLD與海域?qū)嶋H情況的吻合程度，本文選取2月MLD大值核心區(qū)（27.5°～29.5°N，137.5°～139°W），對各要素進行空間平均，繪制溫度、鹽度、密度剖面圖（圖2）。如圖2所示，兩種MLD結(jié)果差異不大，本文定義MLD區(qū)域平均值（130 m）比數(shù)據(jù)集（136 m）約低4%，但卻更貼合溫度、鹽度、密度剖面分布（圖2），更符合MLD的定義，因此本文選定該定義進行后續(xù)研究。

圖1 Argo觀測數(shù)據(jù)混合層深度的季節(jié)變化Fig. 1 The seasonal variation of mixed layer depth from the Argo dataset

為減小MLD季節(jié)變化特征的誤差，本文引入另一組數(shù)據(jù)—Ishii數(shù)據(jù)。受篇幅影響，在此只展示MLD變化較大的1-4月（圖3a至圖3d）：與Argo數(shù)據(jù)相同，Ishii數(shù)據(jù)中的東北太平洋副熱帶區(qū)域MLD也具有顯著且極為相似的季節(jié)變化特征。而差異主要體現(xiàn)在MLD數(shù)值大小及分布面積上：2-3月，Ishii數(shù)據(jù)（圖3b，圖3c）平均MLD明顯超過Argo數(shù)據(jù)（圖1b，圖1c），最大值達到154 m，相差約20 m，大值核心區(qū)空間面積擴大，約為Argo數(shù)據(jù)的1.5倍，倒“T”型區(qū)域更加明顯（圖3b）；其余季節(jié)也發(fā)生了MLD加深的情況，尤其在4月份出現(xiàn)了小范圍的大值核心區(qū)，最大值逼近120 m（圖3d）。

圖2 2月份Argo數(shù)據(jù)空間平均的溫度、鹽度和密度垂直廓線與混合層深度Fig. 2 Vertical profile of thermohaline, density and mixed layer depth from Argo dataset in February

圖3 副熱帶東北太平洋海域混合層深度Fig. 3 Mixed layer depth in the subtropical Northeast Pacific area

3.2 現(xiàn)在氣候背景下GFDL-ESM2M模擬混合層深度和潛沉率的季節(jié)變化

為了探究在全球變暖前后長時間尺度下該區(qū)域MLD和潛沉率的季節(jié)循環(huán)變化，本文比對了該海域現(xiàn)在氣候背景下MLD的觀測和各模式模擬結(jié)果，參考前人研究結(jié)果[25-26]，參考模式最終選用了GFDLESM2M。受篇幅影響，在此僅對MLD變化顯著的1-4月進行展示（圖3e至圖3h），詳細的季節(jié)變化情況見圖4。上述數(shù)據(jù)表明，GFDL-ESM2M歷史實驗的模擬效果與前人結(jié)果類似[36,43]，所得MLD季節(jié)變化特征與觀測結(jié)果基本保持一致，年平均值介于兩觀測數(shù)據(jù)之間。在MLD較淺的4-9月，模擬結(jié)果與Argo數(shù)據(jù)更加匹配，月均誤差不足1 m，與Ishii數(shù)據(jù)存在較大差異，月均誤差約為15 m，占此時MLD的37.5%。而在MLD較深的1-3月，模擬數(shù)據(jù)顯著加深，相比Argo數(shù)據(jù)增大約20%，相比Ishii數(shù)據(jù)增大約5%（圖4），能明顯辨別出倒“T”型大值核心區(qū)（圖3f，圖3g）。

圖4 混合層深度的季節(jié)變化Fig. 4 Seasonal variation of the mixed layer depth

綜上，模式模擬結(jié)果與實際觀測相比，雖然存在少量誤差，但海域季節(jié)變化特征極為吻合，證明GFDL-ESM2M在該海域具有優(yōu)秀的模擬效果。1-3月存在的深化現(xiàn)象，則說明GFDL-ESM2M中令冬季MLD加深的內(nèi)部機制較強，會放大潛沉信號，有助于對潛沉率的分析[25-26]。

針對潛沉率在現(xiàn)在氣候背景下的季節(jié)變化特征，本文通過GFDL-ESM2M對海域潛沉率、側(cè)向潛沉率和?？寺槲俣冗M行模擬結(jié)果展示（圖5為潛沉率差距較大、空間分布出現(xiàn)明顯差異的2月和7月，其余月份未展示）。據(jù)模擬結(jié)果所示，潛沉率存在非常顯著的季節(jié)變化特征：10月開始升高，2月達到最大值，約為8× 10-6m/s，出現(xiàn)一條明顯的帶狀分布（21.5°～23.5°N，135°～145°W）特征[25]，該帶狀區(qū)域與密集等值線所代表的MLD鋒面匹配極好，暗示了MLD鋒面控制的側(cè)向潛沉率對該區(qū)潛沉率的貢獻（圖5a）；3月起逐步降低，9月達到最小值，約為1× 10-6m/s，5-10月區(qū)域平均潛沉率基本維持在1× 10-6～2× 10-6m/s。側(cè)向潛沉率的大值核心區(qū)季節(jié)變化特征與潛沉率基本一致，僅存在數(shù)值差異，最大值為2月的6× 10-6m/s（圖5b），這再次證明了MLD鋒面的重要性。除狹窄的大值核心區(qū)外，側(cè)向潛沉率在大多數(shù)區(qū)域并沒有表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，在最大值2月、最小值7月均維持在0值附近（圖5b，圖5h），可見側(cè)向潛沉率對總潛沉率的影響具有顯著的局地差異性。?？寺槲俣鹊募竟?jié)變化較為平緩：冬季最大，夏季最小，最大值為12月的4× 10-6m/s，從2月開始減弱，比總潛沉率和側(cè)向潛沉率的衰減時間提前約1個月。冬季出現(xiàn)較大近圓形大值區(qū)（圖5c），與當(dāng)?shù)仫L(fēng)應(yīng)力旋度相對應(yīng)[24]。

上述特征已經(jīng)初步體現(xiàn)出不同季節(jié)控制總潛沉率變化的主要因素存在差異。為了更加準確地劃分側(cè)向潛沉率和埃克曼抽吸速度變化對潛沉率大小影響的主要控制季節(jié)，選取潛沉率大值核心海域，繪制區(qū)域平均季節(jié)變化（圖6）。結(jié)合圖5中的空間分布情況可知，6-12月總潛沉率與?？寺槲俣鹊募竟?jié)變化幾乎一致：6月開始減小，9月達到最小值，再持續(xù)增大至12月（圖6，藍綠實線）；1-5月總潛沉率與側(cè)向潛沉率季節(jié)變化特征更為相似：2月達到全年最大值，后持續(xù)減小（圖6，藍紅實線）。且側(cè)向潛沉率在5-11月基本在1× 10-6m/s以下（圖6，紅色實線），此時小于?？寺槲俣?，而冬季則顯著大于埃克曼抽吸速度。

綜上，在現(xiàn)在氣候背景下，該區(qū)域的MLD和潛沉率均存在秋冬加深，春夏變淺，冬季達到最大值且存在大值區(qū)的顯著季節(jié)變化特征，這與前人研究[25]中該區(qū)域的潛沉過程強烈受控于MLD的變化結(jié)論相符。同時，潛沉率的主要貢獻項存在明顯的季節(jié)變化差異：1-5月影響總潛沉率空間分布及控制變化的主要因素為受MLD鋒面控制的側(cè)向潛沉率[24]，6-12月主要因素則改為由風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致的埃克曼抽吸。

4 副熱帶東北太平洋混合層及潛沉率在輻射強迫極端增強下的季節(jié)變化

本節(jié)重點利用GFDL-ESM2M的RCP 8.5實驗結(jié)果模擬全球變暖后的變化，分析副熱帶東北太平洋區(qū)域混合層和潛沉過程的季節(jié)變化特征。結(jié)合第3節(jié)現(xiàn)在氣候背景下的結(jié)論，給出輻射強迫極端增強前后MLD和潛沉率季節(jié)循環(huán)信號的差異性。

圖5 輻射強迫極端增強前后潛沉率（左）、側(cè)向潛沉率（中）、?？寺槲俣龋ㄓ遥Ρ葓DFig. 5 Subduction rate (left), lateral induction rate (center) and Ekman pumping velocity (right) before and after the enhancement of radiative forcing

4.1 RCP 8.5實驗下GFDL-ESM2M模式模擬混合層深度和潛沉率的季節(jié)變化

圖3i至圖3l為利用GFDL-ESM2M進行RCP 8.5實驗對MLD的模擬結(jié)果（只展示1-4月），季節(jié)變化特征與歷史實驗?zāi)M結(jié)果（圖3e至圖3h）基本一致，但各月MLD均出現(xiàn)顯著變淺現(xiàn)象。這種特征在空間平均的時間序列（圖4）中更加明顯。RCP8.5模擬結(jié)果（圖4，紅線）的季節(jié)變化特征顯著，與歷史實驗?zāi)M結(jié)果（圖4，藍線）基本一致，但前者存在全季節(jié)、全觀測范圍海域淺化現(xiàn)象。這一結(jié)果在以往的研究中已有體現(xiàn)，例如Luo等[36]在分析IPCC-AR4（2007）中11種氣候模式的CO2倍增實驗發(fā)現(xiàn)：溫室氣體的增加會改變太平洋上層海洋層結(jié)，使混合層變淺。Liu等[44]研究發(fā)現(xiàn)，全球變暖會增強中緯度海洋的SST季節(jié)循環(huán)，迫使海表面通過增溫令年平均MLD淺化。值得注意的是，MLD的淺化趨勢在冬季尤為嚴重。這一信號表明冬季潛沉率的變化可能非常劇烈，Xia等[26]研究正給出了這一結(jié)果。而本文則將進一步分析這種MLD季節(jié)循環(huán)振幅（年極值差）的差異對潛沉率季節(jié)循環(huán)信號的影響。

GFDL-ESM2M中RCP 8.5實驗?zāi)M結(jié)果中，總潛沉率存在明顯的季節(jié)變化特征（圖5，圖6）：秋季增大，1月達到最大值，約為3.8× 10-6m/s，春季開始減小，夏季最小；冬季存在狹長的帶狀大值區(qū)（圖5d，圖6藍色虛線，21.5°～23.5°N，135°～145°W）。側(cè)向潛沉率最大值出現(xiàn)在1月，約為1.8× 10-6m/s。除冬季存在大值狹長帶外，多數(shù)區(qū)域沒有明顯季節(jié)變化，全年維持在0值附近（圖5e，圖6紅色虛線）。與側(cè)向潛沉率相比，?？寺槲俣炔淮嬖诿黠@的季節(jié)變化，冬季大值區(qū)域面積大，近乎為圓形。側(cè)向潛沉率均位于2× 10-6m/s以下，幾乎全年小于?？寺槲俣龋▓D5f，圖6綠色虛線）。

圖6 潛沉率（SR）、側(cè)向潛沉率（LD）與?？寺槲俣龋╓E）季節(jié)變化Fig. 6 Seasonal variation of subduction rate (SR), lateral induction rate (LD) and Ekman pumping velocity (WE)

與現(xiàn)在氣候背景結(jié)果類似，輻射強迫極端增強背景下，總潛沉率在不同季節(jié)的主導(dǎo)因素同樣存在差異。1-5月，總潛沉率與側(cè)向潛沉率的季節(jié)變化特征更為相似：持續(xù)降低（圖6，藍紅虛線）；6-12月，與埃克曼抽吸速度保持幾乎一致的變化趨勢：6月逐漸減小，9月達到最小值后增大，持續(xù)增大至12月（圖6，藍綠虛線）。結(jié)合空間分布，在RCP 8.5實驗中1-5月，總潛沉率的變化主要受控于側(cè)向潛沉率，與前人專門聚焦冬季的研究結(jié)果一致[24]；6-12月，埃克曼抽吸速度對于總潛沉率的變化影響貢獻更顯著。

4.2 輻射強迫極端增強前后季節(jié)循環(huán)信號的差異

通過對比歷史實驗與RCP 8.5實驗結(jié)果可知，全球變暖前后MLD的季節(jié)變化特征基本保持一致（圖4）。但輻射強迫極端增強后，MLD顯著淺化，其中3月受影響強烈，區(qū)域平均值減少約20 m，占當(dāng)前總深度的20%，其他季節(jié)淺化現(xiàn)象較小。冬季倒“T”型大值核心區(qū)面積大幅度減小，2月區(qū)域面積縮小了60%，3月面積降為0（圖3g，圖3k）。因此，在輻射強迫增強情況下，雖然季節(jié)變化特征基本一致，但MLD存在普遍淺化現(xiàn)象，冬季尤為突出。

而MLD的變化與海氣熱通量變化、淡水通量變化及風(fēng)應(yīng)力旋度變化等諸多因素有著密不可分的聯(lián)系，根據(jù)輻射強迫增強前后數(shù)據(jù)分析（圖7，海氣熱通量變化及淡水通量變化圖未展示）可知：海洋吸熱增多，海氣表面熱通量變化存在顯著季節(jié)差異，9月至翌年2月對應(yīng)的MLD核心區(qū)域表面熱通量顯著減弱，表層降溫，抑制海洋分層作用，有利于混合層的形成，對冬季MLD在全球變暖后變淺起抑制作用，其余季節(jié)則起到促進作用；淡水通量變化主要分為兩部分，冬春季（12月至翌年5月）海區(qū)內(nèi)靠近極地側(cè)吸收水分增多，夏秋季（6-11月）靠近赤道側(cè)吸收水分增多，其余區(qū)域在全球變暖后吸收水分減少。而MLD核心區(qū)域全年對應(yīng)吸收水分減少，鹽度降低，促進海洋分層作用，不利于混合層的形成，對核心區(qū)域的MLD在全球變暖后淺化起到促進作用，但結(jié)合前人研究結(jié)果[25]，淡水通量變化較小，對混合層的形成影響微弱，并不作為主要作用機制；據(jù)圖7所示，我們關(guān)注的混合層大值區(qū)向下的風(fēng)應(yīng)力旋度減小，風(fēng)的攪拌作用減弱，溫、鹽度等混合不均勻，抑制了混合層的形成，對全球變暖后混合層淺化做出貢獻。特別值得注意的是，該區(qū)域的風(fēng)應(yīng)力旋度變化存在明顯的季節(jié)特征，秋冬季顯著減弱，1月達到最小值，且存在與MLD顯著變化區(qū)域重合的冬季變化小值核心區(qū)，春夏季減弱幅度較小，甚至出現(xiàn)小范圍正值增大區(qū)，這在季節(jié)及空間分布上與輻射強迫極端增強前后MLD變化存在著極為相符的特征，說明風(fēng)應(yīng)力旋度變化在全球變暖后混合層及潛沉過程變化中起主要作用，與前人研究結(jié)果一致[24-26]，詳細物理機制預(yù)計將在后續(xù)研究中進行更加完善的分析。

受MLD季節(jié)循環(huán)變化的影響，輻射強迫增加后，潛沉過程也會產(chǎn)生相應(yīng)的差異。與歷史實驗相比，RCP 8.5實驗中的冬季側(cè)向潛沉率大幅度下降，2月降低了1.5× 10-6m/s，約占對應(yīng)歷史實驗的50%，3月則降低了近80%，最大值提前至1月，冬季狹長帶狀核心區(qū)的最大值降至3× 10-6m/s，區(qū)域面積向西向南方向收縮，區(qū)域特征性減弱（圖5d，圖6紅線）。但除冬季外，輻射強迫極端增強并未造成顯著影響，季節(jié)變化特征不變（圖5，圖6紅線）。?？寺槲俣仁茌椛鋸娖仍鰪娪绊戄^小，僅產(chǎn)生微小波動（圖6綠線），且總潛沉率在冬季的變化特征與側(cè)向潛沉率高度一致，因此，猜測冬季總潛沉率降低的主要原因是全球變暖對側(cè)向潛沉率的顯著影響。

圖7 風(fēng)應(yīng)力旋度在輻射強迫增強前后空間差值Fig. 7 Spatial difference of wind stress curl before and after the enhancement of radiative forcing

綜上，全球變暖后，受風(fēng)應(yīng)力旋度、海氣表面熱通量等要素變化的影響，各季節(jié)的MLD均減小，冬季大值區(qū)面積縮小。而對于潛沉過程，風(fēng)應(yīng)力旋度同樣起到了十分重要的作用，但這種作用并不是通過控制?？寺槲俣葘崿F(xiàn)的，而是通過控制MLD空間不均勻性的季節(jié)變化來使側(cè)向潛沉率減弱，進而間接導(dǎo)致總潛沉率減弱。冬季MLD鋒面強盛，側(cè)向潛沉率的影響將顯著增強，而?？寺槲俣鹊募竟?jié)變化信號受全球變暖影響較小，因此總潛沉率在冬季受全球變暖的影響最為強烈。盡管冬季潛沉率在全球變暖后顯著減弱，但季節(jié)循環(huán)信號的主控因素卻沒有本質(zhì)改變：總潛沉率在1-5月的月變化主要受側(cè)向潛沉率調(diào)控，而6-12月的月變化主要受?？寺槲俣日{(diào)控。

5 副熱帶東北太平洋混合層和潛沉率季節(jié)循環(huán)信號的長期變化

在上文中，我們直接分析了全球變暖前后研究區(qū)域MLD和潛沉率多年平均的季節(jié)循環(huán)信號特征和差異，然而對這種季節(jié)循環(huán)信號的長時間演變過程尚不清楚。本節(jié)將結(jié)合兩個實驗，通過構(gòu)建1860-2100年的長時間序列，來分析副熱帶東北太平洋海域MLD及潛沉率的長期變化，以及季節(jié)循環(huán)振幅、位相的長期變化趨勢。

圖8 混合層深度年平均（a）及季節(jié)循環(huán)振幅（b）長期變化Fig. 8 Long-term variation of annual average mixed layer depth (a) and seasonal cycle amplitude (b)

圖8比較了觀測數(shù)據(jù)、GDFL-ESM2M（歷史實驗）與GDFL-ESM2M（RCP 8.5）的MLD年平均及季節(jié)循環(huán)振幅的長期變化。在歷史實驗中，MLD年平均基本維持在38～54 m，波動幅度較大，長期來看呈微弱變淺趨勢，自1935年以來變化幅度及峰值增大，1994年起顯著減小，逐漸與輻射強迫增強背景下的年平均MLD趨于一致。歷史實驗結(jié)果中MLD長期變化趨勢在1945-2012年間與Ishii數(shù)據(jù)極為符合，但Ishii數(shù)據(jù)中存在著輕微的加深趨勢。相對而言，輻射強迫增強背景下年平均MLD呈現(xiàn)極為顯著的變淺趨勢，分布范圍降至35～49 m，且波動幅度隨著時間逐步減小，這在Argo觀測數(shù)據(jù)中有著更為明顯的表達（圖8a）。分析表明，MLD冬季長期變化趨勢與上述現(xiàn)象極為一致（圖未展示），這也體現(xiàn)出冬季MLD在年平均MLD中的主導(dǎo)地位。結(jié)合圖4與圖8b，在歷史實驗中，MLD季節(jié)循環(huán)振幅的平均值為59 m，不同年份差異較大，1935年以來，最大振幅與最小振幅差值達到35 m。與歷史背景相比，輻射強迫增強背景下的MLD位相并未發(fā)生明顯變化，季節(jié)循環(huán)振幅無顯著趨勢呈現(xiàn)，但振幅的波動幅度逐漸減小，對應(yīng)冬夏季MLD的年差值小幅度下降了56 m，對于其他海洋過程，例如潛沉過程造成嚴重影響。

受MLD變化的影響，潛沉率也呈現(xiàn)出相似的長期變化趨勢，圖9比較了GDFL-ESM2M中兩種背景下2月的潛沉率及季節(jié)循環(huán)振幅的長期變化特征。根據(jù)圖9a可知，歷史實驗背景下側(cè)向潛沉率持續(xù)降低，范圍位于-5× 10-7～1× 10-6m/s之間，波動幅度較大。從長期變化來看，與歷史實驗背景相比，輻射強迫增強背景下的側(cè)向潛沉率減弱的速率加快，波動幅度縮小，季節(jié)循環(huán)振幅顯著降低約20%，與總潛沉率的長期變化趨勢基本一致，再次證實了冬季總潛沉率的變化是由側(cè)向潛沉率變化主控的結(jié)論（圖9a，圖9c）。?？寺槲俣茸陨聿▌臃刃。L期變化趨勢也基本不變，這與其對全球變暖的響應(yīng)微弱且主要集中在夏季有著密切聯(lián)系，對總潛沉率的變化影響微弱（圖9b）。綜合圖6與圖9可知，與受全球變暖影響較弱，位相、振幅無明顯變化的?？寺槲▓D9e）相比，受MLD鋒面變化影響的側(cè)向潛沉率季節(jié)循環(huán)振幅的波動極大，最大值達到1.5× 10-6m/s，平均年振幅為7.5× 10-7m/s，存在明顯的季節(jié)差異性。輻射強迫極端增強后側(cè)向潛沉率的位相發(fā)生變化，最大值前移至1月，平均年振幅顯著降低約20%，降至6× 10-7m/s，波動幅度逐漸減小，但季節(jié)循環(huán)振幅沒有顯著的趨勢呈現(xiàn)，與總潛沉率的變化特征保持一致。

綜上，從長期看，MLD呈現(xiàn)持續(xù)變淺的趨勢，其空間不均勻性減弱引起的MLD鋒面減弱是控制側(cè)向潛沉率減弱，最終導(dǎo)致總潛沉率減弱的關(guān)鍵。另外通過對圖8、圖9的分析，我們還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，盡管輻射強迫極端增強前后MLD和潛沉率減弱速率呈顯著加快趨勢，但其季節(jié)循環(huán)振幅卻并沒有顯著的趨勢呈現(xiàn)，還出現(xiàn)了幅度波動減小的現(xiàn)象，這是主控冬季受MLD鋒面影響的側(cè)向潛沉率顯著減弱，而主控夏季的埃克曼抽吸速度受全球變暖影響減弱較小，導(dǎo)致冬夏季節(jié)差異縮小的結(jié)果。

圖9 2月側(cè)向潛沉率（a）、?？寺槲俣龋╞）、潛沉率（c）及對應(yīng)的季節(jié)循環(huán)振幅（d-f）長期變化Fig. 9 Long-term variation of lateral induction rate (a), Ekman pumping velocity (b), subduction rate (c) in February and corresponding seasonal amplitude (d-f)

6 結(jié)論與討論

本文聚焦副熱帶東北太平洋海區(qū)，描述在輻射強迫極端增強前后MLD和潛沉率季節(jié)變化的差異，給出季節(jié)循環(huán)信號對全球變暖的響應(yīng)特征，并分析季節(jié)循環(huán)和單純冬季變化的區(qū)別，進行簡單的長期變化趨勢分析。

綜合觀測和模式模擬結(jié)果表明，現(xiàn)在氣候背景下該區(qū)域MLD存在明顯的季節(jié)變化：秋冬季加深，2月份達到最大值，春季變淺，夏季處于全年最小值且?guī)缀醪淮嬖诳臻g分布差異。2月、3月份空間分布極不均勻，出現(xiàn)MLD大值核心區(qū)（25°～35°N，120°～150°W），呈倒“T”型分布，由中心向四周發(fā)散，向北、東、西3個方向變淺速度較慢，南側(cè)迅速變淺，形成強鋒面。全球變暖后，風(fēng)應(yīng)力旋度等重要因素抑制了混合層的形成和加深，盡管MLD的季節(jié)變化特征基本不變，但各季節(jié)深度數(shù)值均減小，其中3月反應(yīng)最強烈，平均減小20 m，占此時MLD的20%。且MLD空間不均勻程度減弱，冬季倒“T”型大值區(qū)深度超過140 m的區(qū)域面積顯著減小，其中2月減小了約60%，3月降至為0。

據(jù)前人研究表明[24-25]，該區(qū)域的潛沉過程強烈受控于MLD的變化，因此潛沉過程的季節(jié)變化信號也會對全球變暖產(chǎn)生響應(yīng)。綜合歷史和RCP 8.5實驗結(jié)果，潛沉率的季節(jié)變化主要特征為：秋冬季增加，2月達到最大值，春夏季減弱。冬季存在狹長的帶狀大值區(qū)域（21.5°～23.5°N，135°～145°W），與側(cè)向潛沉率的空間分布一致。但側(cè)向潛沉率只在冬季顯著大于埃克曼抽吸速度，其余季節(jié)則小于?？寺槲俣?。由此證明，潛沉率在不同季節(jié)受到的影響因素比重不同，1-5月側(cè)向潛沉率對總潛沉率變化貢獻顯著，6-12月?？寺槲俣葘倽摮谅首兓暙I顯著。全球變暖后，冬季總潛沉率和側(cè)向潛沉率大幅降低，大值區(qū)域面積縮小，減弱程度與變化趨勢基本一致。而?？寺槲俣仁苋蜃兣绊戄^小，僅產(chǎn)生微小波動，對總潛沉率變化貢獻微弱。綜合分析表明，風(fēng)應(yīng)力旋度在全球變暖后的減弱在潛沉率響應(yīng)過程中起到了十分重要的作用，但這種作用并非通過改變?？寺槲俣葘崿F(xiàn)，而是通過弱化MLD空間不均勻性來減小側(cè)向潛沉率，進而間接導(dǎo)致總潛沉率減弱。由于冬季MLD鋒面強盛，側(cè)向潛沉率影響顯著增強，因此冬季潛沉率受全球變暖的影響最強烈，這表明前人采用冬季分析潛沉率變化是合理的[24-26]。但總潛沉率季節(jié)循環(huán)信號的主控因素沒有本質(zhì)改變，即1-5月的月變化主要受側(cè)向潛沉率控制，6-12月的月變化為由風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致的埃克曼抽吸速度主控。

除季節(jié)循環(huán)外，全球變暖前后MLD和潛沉率的長期變化趨勢也具有顯著特征。歷史實驗背景下的年平均MLD波動幅度較大，長期來看呈微弱變淺趨勢，1935年后變化幅度增大，1994年幅度顯著減小，逐漸與輻射強迫增強背景下的年平均MLD趨于一致。季節(jié)循環(huán)振幅的平均值為59 m，不同年份差異較大，最大振幅與最小振幅之差為35 m。與歷史實驗背景相比，輻射強迫增強背景下的MLD年平均值變小，隨時間淺化現(xiàn)象顯著，季節(jié)波動幅度逐漸縮小，平均值也有一定的減小，對潛沉過程造成顯著影響。受MLD變化的影響，側(cè)向潛沉率呈現(xiàn)相似的長期變化趨勢。歷史實驗背景下側(cè)向潛沉率持續(xù)降低，波動幅度較大，而輻射強迫增強背景下側(cè)向潛沉率的減弱速度加快，波動幅度縮小，季節(jié)循環(huán)振幅顯著降低約20%，與總潛沉率的長期變化趨勢基本一致。?？寺槲俣仁苋蜃兣绊戄^小且集中于夏季，變化微弱，再次證實了冬季潛沉率的變化是由側(cè)向潛沉率變化主控。從長期看，MLD空間不均勻性減弱引起的MLD鋒面減弱是控制側(cè)向潛沉率減弱，最終導(dǎo)致總潛沉率減弱的關(guān)鍵。另外我們發(fā)現(xiàn)，盡管從長期變化來看，輻射強迫增強前后MLD和潛沉率減弱的速率呈顯著加快趨勢，但季節(jié)循環(huán)振幅卻沒有呈現(xiàn)出顯著趨勢，還出現(xiàn)了波動幅度減小的情況，這是由于冬季的主控因素受MLD鋒面影響的側(cè)向潛沉率顯著減弱，而夏季的主控因素?？寺槲俣仁苡绊懳⑷酰斐闪硕募竟?jié)差異縮小的結(jié)果。

本文基于CMIP5模式對東北太平洋副熱帶海區(qū)進行的歷史氣候態(tài)和輻射強迫增強實驗結(jié)果，來研究該海區(qū)MLD的季節(jié)循環(huán)信號對全球變暖有怎樣的響應(yīng)，及該響應(yīng)對潛沉率的變化有何影響。但本文仍存在一些問題，如：觀測數(shù)據(jù)缺乏海洋流場數(shù)據(jù)佐證；僅采用單一模式進行模擬，存在一定的模式依賴性，更換模式可能得到不同模擬結(jié)果；選用模式模擬出的冬季MLD更深，深度鋒面更強，可能放大了MLD變化的影響，雖然便于機制分析，但也意味著該模式給出的分布特征可能存在一定誤差。針對這些問題，我們下一步計劃采用多模式多集合結(jié)果分析模式間差異性，并深入探討該海域全球變暖前后混合層和潛沉過程，在年際、年代際及更長時間尺度的變化規(guī)律及背后物理機制，分析各因素的貢獻。隨著最新一代CMIP6模式的發(fā)展，對氣候變暖影響問題的預(yù)估能夠變得更加準確，這也將是我們未來研究的主要工具。