不同热盐环流平均强度下北大西洋气候响应的差异

张福颖，郭品文，程军，倪东鸿，张春莹

(南京信息工程大学1.大气科学学院;2.海洋科学学院，江苏南京210044)

不同热盐环流平均强度下北大西洋气候响应的差异

张福颖1，郭品文1，程军2，倪东鸿1，张春莹1

(南京信息工程大学1.大气科学学院;2.海洋科学学院，江苏南京210044)

基于美国大气研究中心的CCSM3(Community Climate System Model version 3)模式，对淡水扰动试验中不同热盐环流(thermohline circulation，THC)平均强度下，北大西洋气候响应的差异进行研究。结果表明:1)在不同平均强度下，北大西洋海洋、大气要素的气候态差异显著。相对于高平均强度，在低平均强度下，北大西洋地区海表温度(sea surface temperature，SST)、海表盐度(sea surface salinity，SSS)、海表密度(sea surface density，SSD)、表面气温(surface air temperature)异常减弱，最大负异常位于GIN(Greenland sea—Iceland sea—Norwegian sea)海域;海平面气压(sea level pressure，SLP)异常升高，相应于北大西洋海域降温，表现为异常冷性高压的响应特征;海冰分布区域向南扩大;北大西洋西部热带海域降水减少，导致热带辐合带(intertropical convergence zone，ITCZ)南移。2)在不同THC平均强度下，SST、SSS和SSD年际异常最显著的区域不同;在高平均强度下，最显著区域位于GIN海域，而在低平均强度下则位于拉布拉多海海域。3)在高平均强度下，北大西洋SST主导变率模态的变率极大区域位于GIN海，而在低平均强度下该极大区域不存在;北大西洋SLP的主导变率模态表现为类NAO型，但在高平均强度下，类NAO型表现得更明显。

热盐环流;北大西洋;气候态;气候变率;主导模态

0 引言

热盐环流(thermohline circulation，THC)主要是指大西洋中的一种强劲的经圈翻转环流(Atlantic meridinonal overturning circulation，AMOC)，它包括暖而咸的热带、副热带表层水的北向输送以及冷的北大西洋深层水的南传(Trenberth and Solomon，1994;Wunsch，2002)。THC的强度对于大西洋热量输送和欧洲气候有着非常显著的影响(Bjerknes，1964;Delworth and Greatbatch，2000;Ganachaud and Wunsch，2000;Rahmstorf et al.，2005;Renold et al.，2009)。

北大西洋是全球气候变化的敏感区域之一，因其气候变化对全球气候有着重要影响，所以北大西洋的气候变化受到广泛关注，尤其是大西洋沿岸的欧美国家(Sutton and Hodson，2005)。THC是北大西洋区域气候变化的重要参与者。观测(Tourre et al.，1999;Häkkinen，2000)和模式模拟(Griffies and Tziperman，1995;Collins et al.，2006)结果表明，北大西洋各气候要素的变化与THC紧密联系。Bjerknes(1964)首先提出了北大西洋海气相互作用的概念，把THC强度变化和北大西洋气候变化联系起来，并指出北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation，NAO)是大气变化的最显著信号，因此与THC有关的海气相互作用过程都有可能涉及到NAO活动。NAO的低频振荡是驱动THC年代际变率的一个重要因子(Delworth and Greatbatch，2000)。周天军等(2000)基于GOALS模式结果指出，THC与NAO呈负相关关系。体现北大西洋海温年代际变率的北大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO)，被认为是受THC的驱动产生(李双林等，2009)。

观测(Curry et al.，2003)和模式模拟(Cubasch et al.，2001;Meehl et al.，2007)结果表明，在全球增暖背景下，21世纪THC强度会显著减弱。因此，在未来THC强度会发生显著变化的背景下，对不同THC平均强度下北大西洋气候响应差异进行研究是非常必要的。基于CCSM3(Community Climate System Model version 3)模式模拟结果，探讨北大西洋海洋要素和大气要素对不同THC强度的响应差异，可为预测在未来THC大幅度减弱情况下，北大西洋及全球气候的响应提供理论基础。

1 模式及试验设置

使用的模式为美国大气研究中心CCSM3(Community Climate System Model version 3)的粗网格版本(T31_gx3v5)，该模式耦合了大气、海洋、海冰、陆地及动态植被模块(Yeager et al.，2006)。大气模块为CAM3(Community Atmosphere Model version 3)，分辨率为垂直26层(混合坐标)、水平为3.75°×3.75°(经度×纬度)。陆地模块为CLM3(Community Land Model version 3)，水平分辨率与大气模块相同。海洋模块为POP(Parallel Ocean Program)的美国大气研究中心应用版本，垂直为25层(z坐标)，纬向分辨率为3.6°，经向分辨率可变，在赤道附近为0.9°，向高纬度渐粗。海冰模块为CSIM(Community Sea Ice Model)，水平分辨率与海洋模块相同。该模式广泛应用于不同气候态下数值模拟及敏感性试验(Otto-Bliesner et al.，2006;Renold et al.，2009)。

控制试验为使用模式CCSM3的工业革命前(1860年前)平衡态模拟结果，共积分400 a。基于该控制试验，淡水扰动试验开始于控制积分的第100年，在随后的300 a积分中，向高纬度北大西洋(50～70°N，THC的源地)注入平均强度为0.38 Sv(1 Sv=106m3·s-1)的淡水强迫(于雷等，2010);然后停止淡水强迫，模式自由积分至THC的强度稳定恢复到未扰动前的水平。该试验共积分1 600 a，淡水注入相当于使全球海平面升高10 m(Liu et al.，2009)。

2 不同THC平均强度的选取

一般定义THC指数为500 m以下大西洋经向翻转流的最大值(Delworth et al.，1993)。图1为淡水扰动试验中THC强度随时间的演变。可见，在淡水扰动试验中，随着淡水的注入，第100—250年THC强度大幅度减弱，但随后第250—400年THC强度基本保持在稳定状态，因此取模式第250—400年的积分结果作为THC的“低平均强度状态”。停止淡水强迫后，自第1200年起，THC强度达到稳定状态，为了与THC的“低平均强度状态”的时间长度一致，取第1450—1600年的积分结果作为“高平均强度状态”。在高平均强度下，THC的年平均值约为14.2 Sv，其高、低值在12.0～18.0 Sv之间，振幅约为6.0 Sv;在低平均强度下，THC的年平均值约为3.8 Sv，其高、低值在2.0～5.9 Sv之间，振幅约为3.9 Sv。低平均强度下的THC强度仅为高平均强度下THC强度的27%。

图1 淡水扰动试验中THC强度随时间的演变Fig.1Time series of THC intensity in the freshwater disturbance experiment

3 不同THC平均强度下北大西洋气候态的差异

第2节中CCSM3淡水扰动试验的模拟结果表明，在高、低两种平均强度下，THC强度存在显著差异，而北大西洋作为THC的关键区域，不同THC平均强度下北大西洋气候会发生什么变化?其差异是什么?值得深入分析。

THC的运行过程为:热带大西洋表层温度高、盐度大，在表面经向位势梯度的驱动下，高温、高盐水通过上层海洋输送到高纬度北大西洋，通过海气间的热量与淡水交换，高纬度北大西洋地区表层温度、盐度、密度发生变化，冷、咸的表层水通过深对流过程，在高纬度北大西洋地区的北大西洋深层水(North Atlantic deep water，NADW)两源区下沉，下沉之后形成的深层水团在深海经向压力梯度的驱动下向南运动(Latif et al.，2006)。同时，牟林(2007)指出，NAO的低频振荡可能是驱动THC年代际振荡的一个重要因子，因此任何割裂海洋和大气来对THC进行探讨的工作意义不大。综上所述，本文拟讨论在不同THC平均强度下，北大西洋海气要素的气候态、气候变率和主要模态特征及其差异。

3.1 不同THC平均强度下北大西洋海气要素气候态的差异

3.1.1 北大西洋海洋要素

图2为不同THC平均强度下北大西洋年平均海表温度(sea surface temperature，SST)和海冰浓度、海表盐度(sea surface salinity，SSS)、海表密度(sea surface density，SSD)、海表热通量(surface heat flux，SHF)和正压流函数(barotropic stream function，BSF)气候态的差值分布。可见，相对于高平均强度，在低平均强度下，北大西洋SST整体变冷(图2a)，降温显著区域位于50°N以北北大西洋高纬度地区，变冷区域低值中心位于冰岛海域和挪威海域，约为-8℃。这是由于经圈环流减弱导致自热带向北热输送减弱的结果(Otterå et al.，2004;Kuhlbrodt et al.，2007)。在低平均强度下，海冰分布南伸至50°N，覆盖GIN(Greenland sea—Iceland sea—Norwegian sea)海域和戴维斯海峡区域;在高平均强度下，海冰分布北撤至60°N，海冰覆盖面积大范围缩小(图略)。海冰面积的南伸(图2b)会显著影响局地下垫面与大气间的热量、淡水交换过程，进而影响北大西洋深层水的形成。北大西洋SST和海冰浓度产生差异的原因是:1)在低平均强度下，THC减弱，使得热水在热带地区滞留(Otterå et al.，2004)，北极地区大多被海冰覆盖;2)在高平均强度下，海冰北撤;海冰对太阳辐射有较高反射率，海冰覆盖范围减少，降低了北极地区的反照率，北极地区因而会吸收更多太阳辐射，使温度升高，进而形成正反馈，在该反馈机制作用下，北极海冰融化更多，海冰覆盖区域更小。

SSS和SSD差异分布较类似(图2c、d)。在低平均强度下，北大西洋地区SSS、SSD均比在高平均强度下要弱，SSS、SSD最大变化区域位于GIN海域。这是因为，在低平均强度下，淡水的注入引起了极地、副极地，尤其是GIN海SSS异常减弱，而SSS异常减弱又导致了SSD下降。

图2 不同THC平均强度下北大西洋年平均海洋要素的气候差异分布(低平均态减去高平均态)a.海表温度(单位:℃);b.海冰浓度(单位:%);c.海表盐度(单位:psu);d.海表密度(单位:g·m-3);e.海表热通量(单位:W·m-2);f.正压流函数(单位:Sv)Fig.2The differences of annual mean marine elements between the high and low THC average intensities over North Atlantic(the low THC average intensity minus the high THC average intensity)a.SST(units:℃);b.SIC(units:%);c.SSS(units:psu);d.SSD(units:g·m-3);e.SHF(units:W·m-2);f.BSF(units:Sv)

SHF为正值(负值)代表海洋得到(失去)热量。图2e表明，中高纬地区SHF呈负异常分布，即海洋失去热量，这与北大西洋中高纬地区海温降低一致。北大西洋流场的变化对大西洋深层水生成率的变异有着非常重要的作用，BSF可近似代表上层大洋的风生环流。由图2f可见，相对于高平均强度，在低平均强度下，北大西洋副极地环流有了明显的南移和减弱，副极地环流的减弱不利于北大西洋高盐海水流入GIN海域，使得GIN海域层结稳定性增强，不利于深层对流加强。

3.1.2 北大西洋大气要素

表面气温(surface air temperature，SAT)与SST的变化特征较类似，相对于高平均强度，在低平均强度下，北大西洋SAT整体变冷(图3a)。在不同平均强度下，SAT最大变化区域位于50°N以北的极地、副极地，极值中心位于GIN海域。

图3b为低、高平均强度下北大西洋海平面气压(sea level pressure，SLP)和地面风场的差值分布。在低、高平均强度下，尽管SLP高、低值的具体分布区域存在差异，但高纬地区与中纬地区基本呈现为反相分布，风场与SLP场配置一致，40°N存在着强的西风带，副热带和极地地区存在着反气旋性环流圈(图略)。SLP的差值场(图3b)表明，北大西洋海域SLP整体升高，欧洲西部SLP异常偏高并向西延伸至副热带大西洋(20°W～0°～10°E，30～50°N)，中心极值达4 hPa，与之相适应，存在着反气旋性异常环流。40～60°N存在西风带异常，极地出现东风异常，GIN海域对应气旋性异常环流。

综上所述，相对于高平均强度，在低平均强度下，北大西洋海域降温，SLP增强，表现为异常冷性高压响应。

3.1.3 北大西洋平均降水

在不同THC平均强度下，大西洋降水差异最显著的区域位于热带地区(全球降水差异分布图略)。图4为不同THC平均强度下年平均降水的气候差异分布。可见，相对于高平均强度，在低平均强度下，大西洋0°～20°S出现正降水异常，0°～15°N出现负降水异常，这表明热带辐合带(intertropical convergence zone，ITCZ)南移(Zhang and Delworth，2004)。该降水的异常分布，特别是0°～15°N的降水异常减少，引起低平均强度下该海域相对于高纬度地区SSS异常增高(图略)。

综上所述，在不同平均强度下，北大西洋海气要素的气候态发生了显著变化;相对于高平均强度情况，在低平均强度下，SST、SSS、SPD、SAT异常减弱，北大西洋50°N以北区域，特别是GIN海域是显著变化区域;海冰覆盖面积南伸。与此相对应，北大西洋中高纬地区SHF为负异常，即海洋失去热量;SLP异常升高，对应北大西洋海域降温，表现为异常冷性高压响应;北大西洋西部热带海域降水普遍减少，引起ITCZ南移;北大西洋副极地环流的位置和强度均发生变化。

图3 不同THC平均强度下北大西洋年平均大气要素的气候差异分布(低平均态减去高平均态)a.SAT(单位:℃);b.海平面气压(单位:hPa)和850 hPa风场(单位:m/s)Fig.3The differences of annual mean atmospheric elements between the high and low THC average intensities over North Atlantic(the low THC average intensity minus the high THC average intensity)a.SAT(units:℃);b.SLP(units:hPa)and 850 hPa wind field(units:m/s)

图4 不同THC平均强度下北大西洋年平均降水的气候差异分布(单位:mm/d;低平均强度减去高平均强度)Fig.4The differences of annual mean precipitation between the high and low THC average intensities over North Atlantic(units:mm/d;the low THC average intensity minus the high THC average intensity)

3.2 不同平均强度下北大西洋海气要素气候变率特征

利用各要素标准差场可以分析其气候变率特征。图5为北大西洋SST、SSS和SSD的标准差场。可见，在不同平均强度下，各标准差场存在明显差异。SST的变率特征为:在高平均强度下，60～80°N的GIN海域存在一个高值区，是气候变率最显著区域，30～50°N气候变率次之;在低平均强度下，拉布拉多海域存在一个高值区，是气候变率最显著区域，30～50°N气候变率次之。在高或低平均强度下，SSS、SSD与SST的气候变率特征差异一致;在高平均强度下，标准差极大值位于GIN海域，而在低平均强度下，则位于拉布拉多海海域，即50°N以北地区标准差存在差异。

图5 高(a，c，e)、低(b，d，f)平均强度下北大西洋SST(a，b;单位:℃)、SSS(c，d;单位:psu)、SSD(e，f;单位:kg·m-3)的标准差场Fig.5The standard deviation fields of(a，b)SST(℃)，(c，d)SSS(psu)，(e，f)SSD(kg·m-3)over North Atlantic in(a，c，e)high and(b，d，f)low THC average intensities

3.3 不同平均强度下北大西洋海气要素的EOF分析

通过对年均北大西洋SST场作经验正交函数(empirical orthogonal function，EOF)分解，来揭示不同THC平均强度下，北大西洋SST主导模态的异同(图6)。结果表明，在高、低平均强度下，北大西洋SST第一EOF模态的方差贡献分别为27.7%和26.9%，0°～60°N均呈现为经向三核型，即自北向南出现“-+-”分布，三个中心分别位于副极地大洋、中纬度海盆的西部以及热带海域。但是，在高平均强度下，北大西洋SST主导变率模态的变率极大区域中位于GIN海，而在低平均强度下该极大区域不存在。

在SLP气候平均分布(图略)上，亚速尔地区为高压，冰岛附近为低压，与正位相NAO型接近。图7为年均北大西洋SLP场第一EOF模态的空间分布。可见，在高、低平均强度下，均出现类NAO型分布，其方差贡献分别为69.8%和74.1%。但是，在高平均强度下，SLP的主导变率模态的中心位置与NAO的中心位置更为一致，类NAO型表现得更明显。

4 结论与讨论

利用一个全球海气耦合气候模式的1 600 a的积分结果，讨论了不同THC平均强度下北大西洋气候响应的差异，得到以下结论:

1)通过分析不同平均强度下北大西洋海洋、大气要素的气候态差异，发现北大西洋海、气环境产生了显著差异。最明显的特征是，相对于高平均强度，在低平均强度下，北大西洋地区SST、SSS、SPD、SAT异常减弱，最大负异常出现在GIN海域。这是因为在低平均强度下，由于淡水强迫作用，THC强度较弱，同时向北进入高纬度海域的海表热输送减弱，从而导致SST、SAT减弱。随着淡水注入，极地、副极地海域，尤其是GIN海域SSS异常减弱，而SSS减弱又导致海表密度下降。ITCZ南移使得北大西洋西部热带区域降水偏少。20～30°N西风减弱，北大西洋副极地环流明显南移和减弱，这与风应力的变化一致，副极地环流减弱不利于北大西洋高盐海水进入GIN海域，使得GIN海域的层结稳定性增强，不利于深层对流增强;同时整个GIN海域的气旋式环流得到加强。

2)在不同THC平均强度下，50°N以北地区SSS、SSD和SST的气候变率存在差异。在高平均强度下，标准差极大值位于GIN海域;而在低平均强度下，则位于拉布拉多海海域。

3)在高平均强度下，北大西洋SST主导变率模态的变率极大区域位于GIN海;而在低平均强度下，该极大区域不存在。北大西洋SLP的主导变率模态表现为类NAO型，但在高平均强度下，SLP的主导变率模态的中心位置与NAO的中心位置更为一致，类NAO型表现得更明显。

图6 高(a)、低(b)平均强度下北大西洋SST第一EOF模态分布Fig.6The first EOF eigenvectors of SST over North Atlantic in(a)high and(b)low THC average intensities

图7 高(a)、低(b)平均强度下北大西洋SLP第一EOF模态分布Fig.7The first EOF eigenvectors of SLP over North Atlantic in(a)high and(b)low THC average intensities

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North Atlantic climate response to different average intensity of thermohaline circulation

ZHANG Fu-ying1，GUO Pin-wen1，CHENG Jun2，NI Dong-hong1，ZHANG Chun-ying1

(1.School of Atmospheric Sciences;2.School of Marine Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China)

The CCSM3(Community Climate System Model version 3)developed by US National Center for Atmospheric Research is used to study the characteristics of thermohaline circulation(THC)in the freshwater disturbance experiments with different mean THC intensities，and the influences of THC on the climate in North Atlantic.Results show that:1)In different THC average intensities，the climatology of marine，atmospheric elements over North Atlantic are significantly different.Compared to the high average intensity，in the low average intensity，SST(sea surface temperature)，SSS(sea surface salinity)，SSD(sea surface density)，SAT(surface air temperature)over North Atlantic are weakened，and the largest negative anomaly locates in GIN(Greenland sea—Iceland sea—Norwegian sea).With the elevation of SLP(sea level pressure)and the cooling of SST and SAT，there is an abnormal cold high pressure over North Atlantic.Sea ice distribution area expands southward.The precipitation in thewestern tropical Atlantic decreases，leading to ITCZ(intertropical convergence zone)moving southward.2)In different THC average intensities，the most notable areas of interannual SST，SSS and SSD anomalies are different.The most significant area locates in GIN in the high average intensity，while in the Labrador waters in the low average intensity.3)In the high average intensity，the maximum of dominant variability mode of SST over North Atlantic locates in GIN，while it does not exit in GIN in the low average intensity.The dominant variability mode of SLP over North Atlantic is NAO-like mode，but the NAO-like mode is more significant in high average intensity.

thermohline circulation;North Atlantic;climatology;climate variability;dominant mode

P463.4

A

1674-7097(2012)06-0712-08

2012-07-18;改回日期:2012-09-26

国家重大基础研究计划项目(2102CB955200);国家自然科学基金资助项目(41130105);南京信息工程大学科研基金资助项目(20080253)

张福颖(1981—)，女，江苏兴化人，博士生，研究方向为海气相互作用，hare1981_37@tom.com;程军(通信作者)，博士，讲师，研究方向为热盐环流演变机制及其气候影响，chengjun@nuist.edu.cn.

张福颖，郭品文，程军，等.2012.不同热盐环流平均强度下北大西洋气候响应的差异［J］.大气科学学报，35(6):712-719.

Zhang Fu-ying，Guo Pin-wen，Cheng Jun，et al.2012.North Atlantic climate response to different average intensity of thermohaline circulation［J］.Trans Atmos Sci，35(6):712-719.(in Chinese)

(责任编辑:刘菲)