劉 凱 高 山,4① 侯穎琳 趙 軍 王 凡,4

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 山東青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266237)

亞南極模態(tài)水(sub-Antarctic mode water, SAMW)作為南半球大洋中重要的水團(tuán), 主要由冬季海面變冷主導(dǎo)的上層海水潛沉形成(Hanawaet al, 2001)。該水團(tuán)形成的區(qū)域位于亞極地區(qū)域(sub-Antarctic zone,SAZ)。該區(qū)域的北界和南界分別是亞熱帶鋒面(sub-tropical front, STF)和亞極地鋒面(sub-Antarctic front, SAF)。亞南極模態(tài)水通過潛沉過程形成后, 會(huì)將大氣的信號通過通風(fēng)過程傳遞到海洋內(nèi)部(Robinsonet al, 1959; Welander, 1959; Luytenet al, 1983; Speeret al, 1992; Primeauet al, 2006; Liuet al, 2012;Trossmanet al, 2012)。通風(fēng)的潛沉水繼而在主溫躍層的深度向北和向西運(yùn)動(dòng), 進(jìn)入中深層的亞熱帶環(huán)流圈當(dāng)中參與大洋環(huán)流(McCartney, 1982; Sloyanet al,2001; Salléeet al, 2006; Joneset al, 2016)。亞南極模態(tài)水被證實(shí)在儲(chǔ)存和輸運(yùn)熱量、氧氣、二氧化碳等方面均發(fā)揮著重要的作用(McNeilet al, 2001;Sloyanet al, 2001; Sabineet al, 2004; Sarmientoet al, 2004;Khatiwalaet al, 2009; Iudiconeet al, 2010; Salléeet al,2013; DeVrieset al, 2017)。隨著觀測資料和模式數(shù)據(jù)的逐年豐富, 我們已經(jīng)對SAMW 的一些性質(zhì)以及變化趨勢有了初步的認(rèn)識。Gao 等(2018)通過分析Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)資料發(fā)現(xiàn), SAMW 顯著地增厚、加深和變暖。該現(xiàn)象可以解釋65%的上層2 000 m 海洋熱含量的增加, 這為全球變暖間斷缺失的熱量提供了一個(gè)可能的去處。需要指出的是, 盡管SAMW 在整個(gè)南大洋都有生成, 但是生成率最高、水團(tuán)面積最大的區(qū)域是在南印度洋和南太平洋(Salléeet al, 2006; Cerove?kiet al, 2013;Downeset al, 2017), 鑒于發(fā)現(xiàn)了SAMW 水團(tuán)對氣候重要的調(diào)節(jié)作用, 圍繞這兩個(gè)區(qū)域的關(guān)于SAMW 趨勢和變率的研究成為了一個(gè)熱點(diǎn)。Hong 等(2020)的研究表明, 在Argo 觀測時(shí)段內(nèi), 南印度洋亞熱帶模態(tài)水(southeast Indian sub-Antarctic mode water, SEISAMW)的體積下降了10%, 并指出該變化主要由馬斯克林高壓變化相關(guān)的海表面強(qiáng)迫導(dǎo)致的, Qiu 等(2021)用CMIP6 氣候數(shù)據(jù)資料進(jìn)一步證實(shí)了這一趨勢。然而在南太平洋, Qu等(2020)同樣使用Argo資料, 發(fā)現(xiàn)南太平洋SAMW的潛沉率存在準(zhǔn)2 a周期的變率, 并且潛沉率存在長期增加的趨勢。這和Gao 等(2018)的結(jié)論是相符的。并且兩者都指出引起太平洋中該增加趨勢的是與南半球環(huán)狀模(southern annular mode, SAM)增強(qiáng)相關(guān)的西風(fēng)增強(qiáng)。綜上來看, 南印度洋和南太平洋SAMW 水團(tuán)體積表現(xiàn)出的相反的變化趨勢體現(xiàn)出兩個(gè)大洋對SAMW 有著不同的控制機(jī)制。

由于南太平洋和南印度洋SAMW 面積廣闊, 其性質(zhì)并非均一。前人多采用將SAMW 看作整體的方式來研究南大洋SAMW 的變率, 這對于研究SAMW導(dǎo)致的整體的氣候效應(yīng)具有顯而易見的意義。但是這樣卻無法體現(xiàn)出具體的區(qū)域差異性。既然南印度洋和南太平洋表現(xiàn)出了相反的變化趨勢, 那就說明很有可能在單一大洋內(nèi)部同樣存在著趨勢變化不同的區(qū)域。為此, 本文使用1958～2016 年的長時(shí)間的OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式數(shù)據(jù), 給出南太平洋和南印度洋的SAMW 潛沉率長期變化趨勢的空間分布。在驗(yàn)證前人關(guān)于南太平洋和南印度洋SAMW 水團(tuán)長期變化的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步分析了影響具體區(qū)域的潛沉率趨勢的主要因素, 并按照潛沉密度的空間分布來對SAMW 進(jìn)行分組。這樣可以將對SAMW 長期趨勢的研究進(jìn)行更細(xì)致的劃分, 從而抓住其影響氣候的主要部分。本文隨后的第一部分介紹了本研究使用的數(shù)據(jù)和潛沉率的計(jì)算方法。第二部分的結(jié)果分析中, 首先對OFES 模式對于潛沉率以及其他相關(guān)變量的模擬情況同觀測資料進(jìn)行了比對評估, 得到長期平均結(jié)果下的潛沉率的分布, 給出了SAMW 潛沉率長期變化趨勢在南太平洋和南印度洋的空間分布結(jié)果, 然后我們對影響不同區(qū)域潛沉率趨勢的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。第三部分是對本文研究內(nèi)容的總結(jié)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

OFES 是高分辨率的全球性的海洋模式(Masumotoet al, 2004; Sasakiet al, 2008), 該模式基于GFDL/NOAA (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration)的MOM3 (Modular Ocean Model)模式, 并改進(jìn)為并行計(jì)算。該模式幾乎覆蓋了75.9°S～75.9°N 的除了北極海域的全球區(qū)域, 水平分辨率為1/10°, 垂向上從海面到5 850 m 深度處共分為了100 層, 每層的厚度參考了真實(shí)海洋的溫躍層厚度, 隨深度增加而逐漸變大, 即便是在較深的海洋中, 層與層之間的垂向間隔也沒有很大。模式的地形采用的是南安普頓中心奧卡姆(OCCAM)計(jì)劃測得的1/30°的地形測量數(shù)據(jù), 動(dòng)量方程中的水平湍流擴(kuò)散項(xiàng)采用雙調(diào)和算子以抑制水平網(wǎng)格尺度的誤差, 垂直混合采用KPP 邊界層混合方案。表面熱通量采用NCEP/NCAR 的再分析數(shù)據(jù)的月平均輸出結(jié)果, 月平均風(fēng)應(yīng)力也是采用1950～1999年的NCEP/NCAR 的再分析數(shù)據(jù), 溫鹽資料用的是WOA98 (World Ocean Atlas)的結(jié)果。在本文中, 采用的數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度是從1958～2016 年。由于其較合理的模擬結(jié)果, OFES 數(shù)據(jù)在研究中得到了廣泛認(rèn)可和采用(Masumoto, 2010; Melnichenkoet al, 2010)。

同時(shí), 我們采用Argo 數(shù)據(jù)的結(jié)果來同OFES 模式的結(jié)果進(jìn)行對比, Argo 數(shù)據(jù)是目前最重要的海洋觀測數(shù)據(jù)集之一, 自本世紀(jì)初以來, 已經(jīng)有數(shù)千個(gè)Argo 浮標(biāo)被布放到海洋當(dāng)中, 獲取了從5～2 000 m 的典型上層海洋的溫度和鹽度(T/S)剖面。在這里使用的是夏威夷大學(xué)國際太平洋研究中心的亞太數(shù)據(jù)研究中心(Asia-Pacific Data Research Center, APDRC)(http://apdrc.soest.hawaii.edu/)根據(jù)Argo 剖面數(shù)據(jù)在1°×1°網(wǎng)格上建立的接近實(shí)時(shí)的月平均T/S 數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)時(shí)間從2005 年1 月至今, 共有26 個(gè)垂直分層。這里使用了月平均的結(jié)果。根據(jù)該溫鹽數(shù)據(jù)資料, 我們計(jì)算出了相對于2 000 m 深靜止參考面的地轉(zhuǎn)流。計(jì)算Ekman 泵壓速度使用的風(fēng)應(yīng)力采用了NCEP 再分析數(shù)據(jù)集中的月平均的風(fēng)場。

根據(jù)OFES 和Argo 的溫鹽數(shù)據(jù)資料, 計(jì)算了混合層深度?；旌蠈由疃鹊亩x為海水位勢密度相對表層增加0.125 kg/m3(Gaoet al, 2014)的深度。

1.2 年潛沉率的拉格朗日計(jì)算方法

本文年潛沉率Sann的計(jì)算這里采用的是Qiu 等(1995)中采用的拉格朗日計(jì)算方法, 其原始計(jì)算公式為

由于OFES 模式輸出有垂直速度, 相比于用β螺旋和風(fēng)應(yīng)力來估算的垂直速度顯然更有優(yōu)勢, 因此,本文中直接以模式中的垂直速度來代替, 計(jì)算公式得到簡化:

2 結(jié)果與分析

2.1 SAMW 潛沉率的長期平均狀態(tài)

OFES 模式數(shù)據(jù)對于海表面溫度和海表面鹽度的模擬與Argo 相比, 從分布到量值都幾乎完全一致(圖1a～1d)。由公式(2)看出, 混合層深度(mixed layer depth, MLD)是影響潛沉率的重要因素。在混合層深度的模擬上, 由OFES 計(jì)算得到的冬季混合層深度的空間分布圖像也同Argo 一樣, 存在著西北到東南的傾斜的條帶狀峰值區(qū), 不同的是OFES 模式由同一判據(jù)計(jì)算得到的混合層深度的量值相比Argo 偏大(圖1e 和圖1f), 這很有可能是Argo 的垂向分辨率不高產(chǎn)生的差異。上述結(jié)果可知, 盡管存在一些量值上的差異, OFES 對于南大洋上層海洋的模擬還是比較準(zhǔn)確的, 使用該數(shù)據(jù)計(jì)算的潛沉率是合理可信的。

圖1 長期平均(2005～2016 年)的南半球海表面溫度、海表面鹽度、冬季(9 月)混合層深度分布Fig.1 Long-term averaged southern hemisphere sea surface temperature, sea surface salinity, and mixed layer depth distribution in winter (September)

根據(jù)前人研究(Hanawaet al, 2001; Gaoet al,2018; Quet al, 2020), SAMW 通常被定義為在海表面密度26.5～27.1 kg/m3范圍內(nèi)通過潛沉生成的水。在該范圍以南, 是強(qiáng)勁的南極繞極流(Antarctic circumpolar current, ACC), 通過SAF 向北的Ekman 輸送會(huì)迫使該范圍內(nèi)的海水產(chǎn)生向下的Ekman 泵壓速度。另外, 中緯度強(qiáng)烈的季節(jié)變化使得該區(qū)域的混合層深度在深冬后快速變淺, 產(chǎn)生大量潛沉水。使用Argo 數(shù)據(jù)得到的潛沉率如圖2b 所示, 該結(jié)果與Qu 等(2020)等使用Argo 計(jì)算得到的潛沉率結(jié)果保持一致。而使用OFES 數(shù)據(jù)以傳統(tǒng)拉格朗日方法得到的在該區(qū)域多年平均的SAMW 潛沉率分布如圖2a 所示。結(jié)合混合層的空間分布來看(圖1e), 較大的潛沉率基本對應(yīng)著冬季混合層較深的區(qū)域。在南印度洋中, 潛沉率的峰值位于60°～150°E 的經(jīng)度范圍內(nèi), 在南太平洋中則位于150°～60°W 的范圍內(nèi), 并接近緯向分布。OFES 模式數(shù)據(jù)的潛沉率結(jié)果和Argo 的存在較好的一致性, 只是OFES 得到的潛沉的面積和量值要比Argo 更廣和更大, 這一點(diǎn)在印度洋中體現(xiàn)的尤為明顯。導(dǎo)致該差異的原因可能是由于OFES 的分辨率更高導(dǎo)致的混合層深度與Argo 的計(jì)算差異。另外, Argo 潛沉率的計(jì)算中采用的水平流場是地轉(zhuǎn)流, 垂直流速則是用風(fēng)應(yīng)力旋度加β螺旋進(jìn)行的估計(jì), 而OFES 則是直接使用模式輸出的流速, 因此, 使用OFES 計(jì)算潛沉率時(shí)的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡更加合理。

圖2 使用OFES (a)和Argo (b)數(shù)據(jù)計(jì)算的長期平均(2005～2016 年)的SAMW 年潛沉率Fig.2 Long-term averaged (2005～2016) annual subduction rate in southern hemisphere ocean using OFES(a) and Argo(b) data

圖3 是長期平均的潛沉率的兩個(gè)分量, 垂向泵壓項(xiàng)和側(cè)向?qū)腠?xiàng)的空間分布, 二者分別在不同程度上以不同的物理機(jī)制對潛沉率產(chǎn)生貢獻(xiàn)?？梢钥吹絺?cè)向?qū)腠?xiàng)對于潛沉率的貢獻(xiàn)占絕對優(yōu)勢, 而垂向泵壓項(xiàng)在海盆中則通常存在于較低緯度的熱帶海域,這主要是由于低緯度海區(qū)較強(qiáng)的風(fēng)應(yīng)力旋度導(dǎo)致,而對于本文研究的SAMW 潛沉區(qū), 其貢獻(xiàn)則不是很大。該結(jié)果與前人的研究是一致的, Qu 等(2020)的研究表明, 長期平均的Argo 潛沉率的主分量是側(cè)向?qū)腠?xiàng)。因?yàn)槭腔旌蠈由疃鹊淖兓钱a(chǎn)生側(cè)向?qū)敕至康闹匾蛩豙公式(2)], 所以混合層深度對于SAMW潛沉率的計(jì)算是至關(guān)重要的。

圖3 OFES 長期平均(2005～2016 年)的南半球大洋年潛沉率(a)、側(cè)向?qū)敕至?b)、垂向泵壓分量(c)Fig.3 Long-term averaged (2005～2016) annual subduction rate (a), lateral induction component (b) and vertical pumping component (c)in southern hemisphere ocean using OFES data

2.2 SAMW 潛沉率的長期變化趨勢

如前文所述, 為了探究南印度洋和南太平洋SAMW 潛沉區(qū)中潛沉率變化趨勢具體的區(qū)域性差異,我們首先同前人一樣(Honget al, 2020; Quet al, 2020;Qiuet al, 2021)進(jìn)行兩個(gè)大洋SAMW 整體潛沉量的研究。首先, 使用OFES 數(shù)據(jù)計(jì)算了1958～2015 年每年的SAMW 的潛沉率。在這里, 我們以150°E 作為南太平洋和南印度洋的分界, 并分別以海表面密度(sea surface density, SSD)為26.5 和27.1 kg/m3作為SAMW 潛沉區(qū)的北界和南界。然后, 統(tǒng)計(jì)出南印度洋和南太平洋在SAMW 潛沉區(qū)域中總的潛沉量的時(shí)間變化, 如圖4 所示, 兩個(gè)區(qū)域的潛沉量平均值大致相當(dāng), 均在4×107m3/s)左右, 但是在58 a 的長時(shí)間序列中, 兩個(gè)大洋的潛沉率變化呈現(xiàn)出相反的線性趨勢,即在太平洋中呈微弱的上升趨勢, 在印度洋則呈明顯下降的趨勢。該結(jié)果與已有的研究結(jié)果(Honget al,2020; Quet al, 2020; Qiuet al, 2021)相符。同時(shí), 該結(jié)果反映出了兩個(gè)大洋中控制SAMW 整體變化趨勢的物理機(jī)制可能是不同的。

圖4 SAMW 潛沉區(qū)域總潛沉水量以及各分量潛沉水量的變化和線性趨勢Fig.4 Variation and linear trends of total and component subduction water volume in the SAMW subduction region

由于SAMW 空間分布極廣, 且其水團(tuán)性質(zhì)的差異較大, 所以通過整個(gè)區(qū)域的SAMW 總體水量的變化來進(jìn)行研究并不能夠細(xì)致反映其具體的空間分布的變化特征。因此, 為了具體探究SAMW 潛沉率的長期變化趨勢的空間分布, 我們對該研究區(qū)域的每一點(diǎn)做了線性趨勢的分析。結(jié)果表明(圖5), SAMW 潛沉率的長期變化趨勢在空間上并不統(tǒng)一, 而是存在較大的區(qū)域差異。其中, 在南印度洋中, 其西北海域的SAMW 潛沉率有長期增加的趨勢, 而其東南海域中的潛沉率則普遍傾向于減小趨勢。而對于太平洋來說, 情況剛好相反, 在其西北海域是減小的趨勢, 而東南海域的潛沉率則是增加的趨勢。下面對SAMW不同區(qū)域的潛沉率趨勢分別進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

在南印度洋中, 從等密度線可以看出(圖5), 潛沉率呈上升趨勢的部分主要位于北部的海表面密度為26.5～26.8 kg/m3的范圍內(nèi), 而下降趨勢的海域的海表面密度則集中在南部的海表面密度為26.8～ 27.1 kg/m3之間。Hong 等(2020)在研究南印度洋SAMW 的變化趨勢時(shí)并沒有針對潛沉率進(jìn)行研究, 而是對水團(tuán)本身進(jìn)行研究, 得出導(dǎo)致SAMW 體積存在長期減少的趨勢的密度范圍為 26.8～26.9 kg/m3, 而密度范圍在26.6～26.8 kg/m3的SAMW 則有體積增加的趨勢。該研究與我們的上述結(jié)果一致, 即在南印度洋SAMW 中,密度小的水有體積增加的趨勢, 而密度大的水則有體積減小的趨勢。根據(jù)本文的研究, 這兩種趨勢對應(yīng)的水分別位于南印度洋中的西北和東南海域。

圖5 南印度洋和南太平洋年潛沉率(a)、側(cè)向?qū)敕至?b)和垂向抽吸分量(c)的線性變化趨勢系數(shù)的分布Fig.5 Distribution of linear trend coefficients for annual subduction rate (a), lateral induction component (b) and vertical pumping component (c) in the Southern Indian Ocean and South Pacific

在南太平洋, SAMW 潛沉量的整體變化呈現(xiàn)微弱上升趨勢(圖4a)。Gao 等(2018)和Qu 等(2020)使用Argo觀測資料得出了整個(gè)南大洋SAMW 增強(qiáng)的結(jié)論, 在此處只單獨(dú)考慮了太平洋中的情況, 而印度洋中則是下降的趨勢, 這表明前人對于南大洋SAMW 增強(qiáng)的結(jié)論更單獨(dú)適合于南太平洋。由圖5 的結(jié)果表明, 在南太平洋中潛沉率呈下降趨勢的西部海域, 其海表面密度范圍主要分布在26.5～26.9 kg/m3, 而海表面密度在26.9～27.1 kg/m3的潛沉率則有明顯增加的趨勢。

從對上述的不同密度范圍分別進(jìn)行的潛沉量變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖6)可以更細(xì)致的看到引起兩個(gè)大洋中潛沉率變化的水的來源。結(jié)果表明, 在南印度洋和南太平洋的SAMW 的潛沉區(qū)中, 密度較輕部分的趨勢變化均很微弱, 而密度較大部分的趨勢變化則非常明顯。南印度洋中, 在26.5～26.8 kg/m3密度范圍內(nèi)潛沉的SAMW 的平均值為2.514×107m3/s, 其變化趨勢很微弱, 僅有每年1×104m3/s (圖6a)。而在26.8～27.1 kg/m3范圍內(nèi)潛沉的SAMW 平均值則為1.309×107m3/s, 其下降趨勢則非常明顯, 達(dá)到每年2.5×105m3/s (圖6b), 在1983 年以后, 其潛沉量則幾乎一直在平均值以下了。由此可見, 南印度洋SAMW體積的減小可能主要是由表面密度為26.8～27.1 kg/m3的潛沉量減少造成的。與此同時(shí), 在南太平洋, 位于26.5～26.9 kg/m3密度范圍的潛沉水量為 6.91×106m3/s, 而位于26.9～27.1 kg/m3密度范圍的潛沉水量為3.478×107m3/s, 單從潛沉水量上來看, 后者占絕對優(yōu)勢, 而這部分水呈現(xiàn)的長期增加趨勢也導(dǎo)致了整個(gè)南太平洋SAMW 的潛沉率的增加(圖6d)。同樣地, 南太平洋中密度較小的水團(tuán)潛沉量很小, 且變化趨勢不明顯(圖6c)。

圖6 南印度洋和南太平洋SAMW 潛沉區(qū)域不同密度范圍內(nèi)的潛沉水量以及各分量潛沉水量的變化和線性趨勢Fig.6 Variation and linear trend of subduction water and its components in different density ranges in the South Indian Ocean and South Pacific SAMW subduction regions

2.3 影響SAMW 潛沉率長期趨勢分布的因素

前人研究表明, 影響SAMW 變化的主要因素為風(fēng)應(yīng)力(Gaoet al, 2018; Quet al, 2020)和海表面浮力強(qiáng)迫(Honget al, 2020)。其中, 影響潛沉率的最重要因素是混合層深度, 更深的混合層深度往往導(dǎo)致更大的潛沉量。當(dāng)然, 潛沉率大小還要受到另一個(gè)因素,流場的影響, 所以其變化并不完全由混合層深度決定。將SAMW 潛沉區(qū)的冬季混合層深度與其潛沉率兩者的長期變化趨勢的空間分布(圖5 和圖7)進(jìn)行對比可見, 雖然兩者不完全一致, 但在幾個(gè)主要區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)較好的對應(yīng)關(guān)系。其中在南太平洋, SAMW 潛沉區(qū)的混合層深度在170°～130°W 的范圍內(nèi)呈長期減小的趨勢, 而在130°W 以東的部分則是呈現(xiàn)長期增加的趨勢, 兩個(gè)區(qū)域的趨勢明顯且相反, 構(gòu)成了一個(gè)偶極子, 而這與該區(qū)域潛沉率的變化趨勢基本一致(圖5); 而在南印度洋, 雖然西北海域的對應(yīng)關(guān)系并不是很好, 但是如前所述, 引起南印度洋SAMW 潛沉率長期減小趨勢的主要是潛沉密度較大的東南海域,而東南海域的混合層深度恰好也是長期變淺的(圖7)。由此可以推斷, SAMW 潛沉區(qū)的混合層深度的變化可能是引起潛沉率變化的主要因素。

圖7 南印度洋和南太平洋混合層深度的線性變化趨勢系數(shù)的分布Fig.7 Distribution of linear trend coefficients of mixed layer depth in the Southern Indian Ocean and South Pacific

那么, 在SAMW 潛沉區(qū)的混合層深度的變化是由什么因素支配的呢？通常認(rèn)為海表面密度和風(fēng)應(yīng)力旋度的綜合效應(yīng)決定了混合層深度的變化。對兩大洋的SAMW 潛沉區(qū)的冬季海表面溫度(sea surface temperature, SST)變化趨勢的分析表明(圖8), 除了在印度洋的西南海域是長期減小的趨勢外, 在其他區(qū)域都是增加的趨勢, 該趨勢主導(dǎo)了SSD 在大部分區(qū)域的變小。而南印度洋西南海域鹽度的降低使得該區(qū)域的密度也同其他區(qū)域一樣呈減小趨勢, 這可能跟淡水通量的減小有關(guān)。另一方面, 風(fēng)應(yīng)力旋度在整個(gè)SAMW 潛沉區(qū)域內(nèi)都是長期增加的趨勢, 這與近年來SAM 的增強(qiáng)有關(guān)(Quet al, 2020)。盡管海表面密度普遍減小, 但在不同的區(qū)域內(nèi), 其減小的幅度也是不同的。例如在南印度洋海表面密度較大的南側(cè)和南太平洋海表面密度較小的西側(cè), 海表面密度減小的趨勢則相較于其他區(qū)域要更明顯, 而這兩個(gè)區(qū)域的混合層深度是明顯降低的(圖7), 因此, 我們認(rèn)為在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi), 控制混合層深度長期變淺從而導(dǎo)致潛沉率長期減小的主要原因是海面浮力強(qiáng)迫引起的海表面密度變小, 該作用要大于風(fēng)應(yīng)力旋度增加而導(dǎo)致的混合層加深的效應(yīng)。而在某些區(qū)域的情況則相反,例如130°W 以東的位置, 海表面密度的減小趨勢并不是很大(圖8c), 因此, 風(fēng)應(yīng)力旋度增大引起的混合層增加效應(yīng)則占主導(dǎo), 最終導(dǎo)致了混合層深度的增加。另外, 在南印度洋SAMW 的西北海域, 混合層深度是增加的(圖7), 而相同位置處其海表面密度的減小趨勢并不如其他區(qū)域那么明顯, 因此, 該區(qū)域的混合層的變化以至于潛沉率的變化也是風(fēng)應(yīng)力旋度增加所主導(dǎo)的。

圖8 南印度洋和南太平洋SAMW 潛沉區(qū)域冬季海表面溫度(a), 冬季海表面鹽度(b)和冬季海表面密度(c)與風(fēng)應(yīng)力旋度(d)的線性變化趨勢系數(shù)的分布Fig.8 Distribution of linear trend coefficients of winter sea surface temperature (a), winter sea surface salinity (b), winter sea surface density (c), and wind stress curl (d) in SAMW subduction region in the Southern Indian Ocean and South Pacific

3 結(jié)論

本文使用長時(shí)間序列高分辨率的OFES 模式數(shù)據(jù)研究了SAMW 潛沉率的長期變化趨勢。結(jié)果表明,在南印度洋和南太平洋中, 產(chǎn)生長期變化趨勢的SAMW 可以更具體的歸源為表層的某一部分水: 在南印度洋中, 表層密度位于26.8～27.1 kg/m3范圍內(nèi)的水的潛沉率的長期減小主導(dǎo)了南印度洋潛沉率的長期下降趨勢。而在南太平洋中, 則是表層密度位于26.9～27.1 kg/m 的潛沉水主導(dǎo)了南太平洋潛沉率的長期上升趨勢, 而其余部分的潛沉水則不具備明顯的趨勢, 總的來看, 密度較大的SAMW 潛沉水團(tuán)比密度較小的潛沉水團(tuán)表現(xiàn)出更顯著的長期變化的趨勢,有趨勢的潛沉水量(4.787×107m3/s)大概占到了SAMW 總潛沉水量(7.922×107m3/s)的 60%。在SAMW 幾個(gè)主要的潛沉區(qū)域內(nèi), 潛沉率長期變化的空間分布與冬季混合層深度存在著比較好的對應(yīng)關(guān)系, 而風(fēng)應(yīng)力旋度和海表面浮力強(qiáng)迫通過影響混合層深度來影響潛沉率的變化, 在南印度洋SAMW 潛沉區(qū)海表面密度較大的南側(cè)海域, 其混合層深度的變化主要由浮力強(qiáng)迫的改變引起, 最終導(dǎo)致了SAMW 潛沉率的降低, 這和Hong 等(2020)估算的南印度洋SAMW 體積減小的現(xiàn)象能夠很好的對應(yīng)起來。在南太平洋中, 潛沉率的長期增大則主要是由于風(fēng)應(yīng)力旋度的增強(qiáng), 而風(fēng)應(yīng)力的增強(qiáng)則與近年來SAM 的增強(qiáng)有關(guān)。Gao 等(2018)和Qu 等(2020)將SAMW 作為一個(gè)整體進(jìn)行研究, 得出了SAMW 有增強(qiáng)的趨勢, 從本文的結(jié)果來看該結(jié)論似乎更適用于太平洋, 因?yàn)樵谔窖笾杏猩仙厔莸乃空剂舜蟛糠? 而在印度洋中, 盡管風(fēng)應(yīng)力旋度的增強(qiáng)導(dǎo)致西北部分海域的潛沉有增加趨勢, 但是整體的下降趨勢是由海表面浮力強(qiáng)迫導(dǎo)致的海表面密度的長期減小所導(dǎo)致的。