北太平洋冬季SST、风场及环流对淡水强迫的响应＊

周舒岚，林霄沛，张进乐

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛，266100；2.国家海洋局厦门海洋预报台，福建厦门，361008）

北太平洋冬季SST、风场及环流对淡水强迫的响应＊

周舒岚1，林霄沛1，张进乐2

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛，266100；2.国家海洋局厦门海洋预报台，福建厦门，361008）

通过海气耦合模式CCSM3（The Community Climate System Model version 3），研究在北大西洋高纬度淡水强迫下，北太平洋冬季的海表温度SST、风场及流场的响应及其区域性差异。结果表明：淡水的注入使北太平洋整体变冷，但有部分区域异常增暖；在太平洋东部赤道两侧，SST的变化出现北负南正的偶极子型分布。阿留申低压北移的同时中纬度西风减弱，热带附近东北信风增强。黑潮和南赤道流减弱，北太平洋副热带逆流和北赤道流增强，日本海被南向流控制。风场及流场的改变共同导致了北太平洋SST异常出现复杂的空间差异：北太平洋中高纬度SST的降温主要由大气过程决定，海洋动力过程主要影响黑潮、日本海及副热带逆流区域的SST，太平洋热带地区SST异常由大气与海洋共同主导。

北太平洋；冬季；淡水强迫；海表温度；风场；流场

全球气候变化下区域气候变化是目前国际研究的热点，其中海洋环流被普遍认为是影响气候变化的关键因子。历史上曾多次发生相似的气候突变事件，如12ka B.P.的新仙女木期。Broecker等根据格陵兰冰芯推断出在末次冰期结束时，Laurentide冰盖撤退后将融化的淡水注入大西洋，导致了大西洋经向翻转环流（简称AMOC）中断［1］，这一结论目前较为公认；也有研究认为，随着温室气体的排放增加，全球气温升高，会最终导致大洋的热盐环流减弱［2－4］。

AMOC是大洋热盐环流的主体部分，其减弱或停止会引起全球大气与海洋的变化。大量研究证明，AMOC对高纬度海区的表面浮力（特别是盐度通量）的变化是非常敏感的［5－11］。该海区冰川所带来的淡水会增加海表面浮力并改变AMOC平衡态或导致其暂时中断［12－16］。模拟全球气候变暖时在北大西洋高纬度地区可能产生的淡水源，能够预测在淡水强迫条件下未来气候可能产生的极端变化。

对于淡水强迫，全球气候变化在区域海洋中的响应（温度、流场等）并不是一致的。在北大西洋高纬度地区加入淡水强迫后，AMOC迅速减弱或中断，导致北大西洋显著变冷；南大西洋略为升温，大西洋热带辐合带（ITCZ，Intertropical Convergence Zone）南移［17－19］。这些响应在古气候记录和若干模式运行结果中均得到体现［17－23］。然而，气候的冷却并非只局限于北大西洋，而是出现在整个北半球。当AMOC减弱至中断时，北太平洋温度显著降低，各种模式结果和古气候记录也显示了北太平洋的这种响应［7，10，19－28］。一些模式结果中，热带太平洋东部的海表面温度（SST，Sea Surface Temperature）异常呈现出厄尔尼诺或拉尼娜的形态，最大异常值出现在赤道附近［17，20］；另一些模式则显示出了类似大西洋北负南正的偶极子模态［21－22］。海温对气候变化的响应是比较复杂的。目前在研究北太平洋SST对淡水强迫的响应机制时，更多聚焦在大气过程对其的影响上，认为大气运动（如大西洋高纬度地区与太平洋大气的遥相关作用）是北太平洋冷却的重要原因及驱动力［17，19］。但另一个原因也不可忽视：北大西洋在淡水输入下海平面上升，白令海峡的贯通流翻转，把冷水和淡水从北冰洋输入到北太平洋，也显著地影响了北太平洋的热盐平衡［19，29－32］。因此除了大气过程，海洋动力过程（如平流热输送）也是影响海温变化，特别是产生温度分布区域性差异的重要因素。目前在北太平洋范围内对这种海洋动力过程的研究较为少见，因而系统地研究淡水强迫下北太平洋大气与海洋的响应，对于全面认识并预测太平洋区域气候变化十分必要。

本文应用海气耦合模式CCSM3（The Community Climate System Model version 3）所执行的1组淡水试验，主要研究北太平洋冬季海温、风场及流场对北大西洋高纬度淡水强迫的响应，以期更好地理解认识极端气候事件下的海洋与大气变化，提高对未来气候的预测能力。

1 模式介绍和试验设计

1.1 模式介绍

海气耦合模式CCSM（The Community Climate System Model）包括大气、海洋、海冰、陆地4个组成部分，通过耦合器实现这4个子模式间的耦合。本文所用的模式是2004年6月发布的版本CCSM3，其中大气模式是CAM3版本，陆地模式是CLM3版本，海冰模式是CSIM5版本，海洋模式是基于POP 1.4.3版本。使用网格为中等分辨率的T42×1，即大气与陆地模式采用T42网格，海冰与海洋模式为近1°的水平分辨率，海洋垂直为40层［33］。在完全耦合的条件下，该模式完成了1 000a的长期积分（控制试验）。

1.2 淡水强迫试验设计

所谓淡水强迫试验（Water－hosing experiments）是指在北大西洋50°N～70°N地区人为地加入持续的淡水通量，以减弱甚至中断AMOC，并研究在这个条件下全球气候的响应［2］。本文所用的数据是基于CCSM3模式，加入1Sv（1Sv＝106m3·s－1）的淡水通量，持续积分100a，利用最后30a的结果进行分析。本文所用的淡水试验数据基于CCSM3模式，持续积分100a，期间注入的淡水通量始终保持1Sv（1Sv＝106m3·s－1），此注入量相当于全球所有河流的总量，足以使大西洋热盐环流减弱至中断［18］，并且在100a后会导致全球平均海平面高度增加9m［19］。根据前人的研究结果，最初的几十年里，1Sv的淡水强迫会使大西洋热盐环流的强度迅速衰减，并出现较大的震荡；之后其强度逐渐恢复，趋势较为平稳。本文取最后30年的结果与控制实验做比较。

2 结果与分析

2.1 无淡水强迫下的海表温度、风场及流场

作为淡水试验的参照，控制试验显示出在当今气候条件下冬季的北太平洋SST、海表面风场与海洋上层流场，结果如图1。

SST等温线呈纬向带状分布，平均温度22℃，最高温度可达31℃，位于西太平洋赤道附近海域。黑潮和北太平洋副热带逆流从热带地区流向较高纬度地区，将热量向北输送，导致北太平洋西边界及夏威夷岛以西，等温线均偏离带状分布向极地弯曲。

北太平洋冬季风场（见图1b）显示，在高纬度地区存在1个强大的气旋式大气环流，其低压中心约在178°W、55°N，称为阿留申低压。北太平洋副高压则位于大洋东部，34°N附近，强度较弱；位于纬度带0°N～25°N盛行东南风，32°N～45°N盛行西风。

图1 无淡水强迫下冬季北太平洋的SST（a）（等值线间隔为2℃）、海表面风场（b）（等值线表示风速，间隔0.5m／s；箭头表示风向）和上层579m平均流场（c）（等值线表示流速，间隔1cm／s；箭头表示流向）Fig.1 The SST（a）（contour interval is 2℃），sea surface wind（b）（contour is wind speed and its interval is 0.5m／s，arrow shows its direction）and mean ocean current in upper 579mof North Pacific in boreal winter in the control run（c）（contour is current velocity and its interval is 1cm／s，arrow shows its direction）

从图1c的流场图上可以清楚地分辨出太平洋上层主要的环流，如强劲的东风作用下的南北赤道流以及赤道逆流；北太平洋西边界流黑潮及其延伸体；黑潮向日本海的分支对马暖流。同时还能看到夏威夷岛以西存在一支东北向逆风流，其位置与北太平洋副热带逆流相符［34－35］。

综上所述，模式结果基本合理，能大致再现北太平洋的主要环流结构。模式结果是合理可靠的。基于该模式进行的淡水强迫试验结果，可以用来研究北太平洋大气与海洋动力过程与海温变化的关系。

2.2 SST对淡水强迫的响应

图2是淡水试验对比控制试验得出的北太平洋冬季SST异常。可以看出，SST对1Sv的淡水强迫有明显的响应并具有复杂的空间分布特征。SST异常在赤道两端呈现出偶极子形态：赤道以北地区（0°N～60°N）温度降低，平均降幅1.7℃，赤道以南地区（0°S～20°S）SST平均升温0.3℃。

北太平洋中高纬度地区（35°N～60°N、150°E～150°W）是降温幅度最大的地区，平均降温3.2℃。其中降幅最高值出现在日本海，超过7℃。次高值在40°N、160°E附近，幅度可达5℃以上。黑潮流域降温信号相对较弱，SST异常值在－2℃左右；特别是黑潮上游20°N～24°N附近，SST异常值只有－1℃左右。同样的，北赤道流及北太平洋副热带逆流区域的降温相对不明显，幅度在1℃以下。在北半球总体变冷的背景下，靠近夏威夷岛西北侧的副热带逆流区域还出现了异常增暖的现象，增幅最大可达1℃。从图2还可以看出，太平洋赤道以南（0°～20°S）东西温差加大略有减小，升温主要集中在南美洲西侧5°S～20°S附近海域，最大值为1℃左右。

图2 淡水强迫下冬季北太平洋海表温度（SST）与控制试验的差异Fig.2 SST anomaly of North Pacific in boreal winter

2.3 风场对淡水强迫的响应

图3是冬季北太平洋风场对淡水强迫的响应。可以看出，阿留申低压北移至172°W、56°N，其原来所在区域的风速平均增加0.4m／s，最大增幅2.2m／s。增强的风速引起北太平洋高纬度的冷水加速向东输送，使中高纬海域出现较强的冷信号。在25°N～45°N间的西风减弱，风速平均减小0.6m／s，最小值出现的地区靠近日本岛，降幅在1.8m／s左右。

跨越中美洲海峡的大气响应显著，0°～18°N之间的东北信风增强并略为南移，促进了北太平洋东南部低纬度的冷水加速向西输送，导致低纬度海区的SST下降。6°S～12°N附近风速平均增加0.8m／s，最大值出现在南美洲海岸附近，大于4m／s。这是由于淡水的注入，使得AMOC中断，热带大西洋的冷异常加强了跨越中美洲的东北信风。风场的增强使热带太平洋大气与大西洋的干冷空气产生强烈的深对流，加强了海表面湍流热通量、海洋上层混合及上升流。通过触发东北太平洋风—蒸发—海表温度反馈（WES feedback），冷却了北太平洋热带东部，造成了图2中太平洋赤道以南SST异常的东西差异。

图3 淡水强迫下冬季北太平洋海表面风场与控制试验的差异Fig.3 Sea surface wind speed anomaly of North Pacific in boreal winter

日本海海域的风速减小了0.2～0.6m／s，在黑潮流域风速略为增强，幅度在1m／s以下；黑潮形成区域（18°N附近）的风场减弱0.8m／s左右。副热带逆流所在区域的风场增强，幅度在1m／s左右。但在这些区域，风场的变化不足以解释SST的响应机制，仍需结合流场进行分析。

2.4 流场对淡水强迫的响应

分析1Sv淡水强迫下的北半球冬季及夏季流场（图未列）可以发现，白令海峡贯通流均由控制试验的南向流翻转为北向流，与其他模式运行结果相符合［30－32］。这种翻转现象的出现会导致北冰洋相对较冷的海水及试验中所加入的部分淡水流入北太平洋，是联系AMOC在淡水强迫条件下的中断与北太平洋的冷却现象的重要原因之一［19］。

北太平洋上层流场异常（见图4）显示，在北太平洋的35°N～60°N地区，流速相对于控制试验变化较小，基本在1cm／s以下，不足以解释图2中该区域SST的剧烈降低，猜测主要是大气冷却的作用所导致。流速对淡水强迫的响应并不显著，对比图3中该区域的风场异常，可以推断北太平洋高纬度地区SST的响应主要由大气过程控制。

在北太平洋的西边界，黑潮中上游流轴略向西移，平均流速约减少6～10cm／s，最大值在20°N附近，可达15cm／s以上；黑潮延伸体平均流速约减少2～5 cm／s。分别在24°N和132°E取2个断面计算黑潮的流量，位置如图5。结果表明，在淡水强迫下，黑潮在断面1上的流量比控制试验减少3.1Sv；断面2上减少了4.3Sv。由此可见，淡水强迫减弱了黑潮及黑潮延伸体的强度，使黑潮携带的热量更多的滞留在断面1和2之间，这与图2中黑潮中上游地区降温相对不明显的位置相吻合。黑潮延伸体的减弱，可以解释其影响区域在西风减弱背景下依然冷却的现象（见图2）。受黑潮减弱的影响，其分支对马暖流在对马海峡处流速减小10～19cm／s。对马暖流向日本海输送的热量减少，导致了日本海SST出现强烈的负异常。因此，在黑潮流域和日本海，SST对淡水强迫的响应主要受到海洋热平流作用的影响。

图4 淡水强迫下冬季北太平洋上层579m平均流场与控制试验的差异Fig.4 Mean ocean current velocity anomaly in upper 579mof North Pacific in boreal winter

从图4的流场变化上还可以清楚地看到，淡水强迫使北太平洋副热带逆流增强，在175°W附近其流量比控制试验增加约1.3Sv，在169°W左右其流轴向北移动约2°。这支逆风流主要是由西北太平洋模态水导致的上层海洋密度梯度的改变而产生的［36］。副热带逆流从西向东，从低纬度流向高纬度，携带出低纬度西太平洋温度相对较高的海水，导致其流域的SST在风场增强的背景下出现异常增暖（见图2，3）。因此，在北太平洋副热带逆流区域，SST的变化同样由海洋的动力过程控制。

在热带地区，由于东风的加强（见图3），北赤道流平均流速增加15～23cm／s，在160°E的断面处流量增加29.9Sv左右。尽管流量增加，对应北赤道区域的SST异常却为负值（见图2）。相反地，南赤道流平均流速减少10～14cm／s，在120°W处的断面流量减少17.4Sv左右，对应南赤道流区域的SST异常为正值。由于WES反馈的存在，热带太平洋地区大气与海洋的相互作用极为更为强烈［17，19，37］，因此该区域的SST响应可以被视作大气过程和海洋过程共同起主导作用。

图5 淡水强迫下冬季黑潮流域上层579m平均流速异常及断面位置Fig.5 Mean ocean current velocity anomaly in upper 579mof Kurshio in winter and the position of the selected section

3 结论

本文基于海气耦合模式CCSM3的淡水强迫试验，分别从海表温度SST、风场及流场几个角度分析了冬季北太平洋对淡水强迫的响应。主要结论有：

（1）北大西洋高纬度淡水的注入使北太平洋整体变冷，但SST的变化并非一致，而是呈现复杂的区域性差异：SST异常在太平洋东部赤道两侧形成北负南正的偶极子型分布；在北太平洋中高纬度及日本海地区冷却信号最强；黑潮中上游的SST降温相对不明显；在副热带逆流部分流域出现升温。这些差异是由大气和海洋动力共同作用决定的。

（2）阿留申低压向北移动；北太平洋中纬度西部西风减弱；黑潮及北太平洋副热带逆流区域的风场增强；东北信风增强且南移。

（3）北太平洋热带地区南北赤道流呈现相反的变化，北赤道流增强，南赤道流减弱。黑潮流速及流量均减少，日本海内部的南向流增强，北向流减弱；北太平洋副热带逆流增强。

（4）北太平洋中高纬度地区的SST异常主要受大气过程影响，而黑潮、日本海及副热带逆流区域主要受海洋动力过程影响；热带太平洋则受大气和海洋动力过程的共同影响。

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The Response of North Pacific Sea Surface Temperature，Wind Speed and Ocean Circulation to the Freshwater Forcing in Boreal Winter

ZHOU Shu－Lan1，LIN Xiao－Pei1，ZHNAG Jin－Le2
（1.College of Physical and Environment Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Xiamen Marine Forecasting Center，State Oceanic Administration，Xiamen 361008，China）

The changes and its regional differences of sea surface temperature，wind speed and ocean circulation in North Pacific Ocean induced by freshwater input in North Atlantic Ocean are investigated using The Community Climate System Model version 3（CCSM 3）.The analyses are based on boreal winter responses.The results demonstrate as follow：warming in particular areas on North Pacific Ocean although cooling is dominated；SST increases on south of the equator in the eastern tropical Pacific and causes tropical SST dipole.Aleutian low is shifted northward while midlatitude westerlies are weakened；the northeast trades are intensified in tropical Pacific.Kurshio and south equatorial current are weakened while subtropical countercurrent and north equatorial current are intensified.The southward currents play a crucial role in Japan Sea.The changing of wind and ocean current together cause SST in north Pacific anomaly distributes in a complex space variability.The cooling in North Pacific mid and high latitudes are dominated by atmospheric processes.Ocean dynamic process mainly affects the area of Kuroshio，Japan Sea and subtropical countercurrent.But tropical Pacific SST anomaly results from a mixed effect of atmosphere and ocean.

North Pacific Ocean；winter；freshwater forcing；SST；wind speed；sea water velocity

P722

A

1672－5174（2012）05－014－06

国家自然科学基金项目（40976004，40921004，40930844）；国家基础研究规划项目（2007CB411804）；高等学校创新引智计划项目（B07036）；教育部新世纪优秀人才项目（NECT－07－0781）资助

2011－04－11；

2011－05－07

周舒岚（1986－），女，硕士生。E－mail：zsl516＠gmail.com

责任编辑 庞 旻