北太平洋经向翻转环流季节变异机制的模拟研究*

刘洪伟，张启龙，段永亮，徐永生*

(1.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛 266071；2.国家海洋局 第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；3.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071；4.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室，山东 青岛 266237；5.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061)



北太平洋经向翻转环流季节变异机制的模拟研究*

刘洪伟1,2,3,4，张启龙1,2,3，段永亮5，徐永生1,2,3*

(1.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛 266071；2.国家海洋局 第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；3.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071；4.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室，山东 青岛 266237；5.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061)

北太平洋经向翻转环流(NPMOC)是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称。其中，热带环流圈(TC)、副热带环流圈(STC)和深层热带环流圈(DTC)位于北太平洋热带-副热带海域，是该海域经向物质和能量交换的重要通道。基于NEMO模式分别对TC、STC和DTC经向流量的季节变化特征和机理进行了模拟研究，驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验表明，风应力是TC和STC南、北向输送以及DTC南向输送季节变化的主要影响因素，而热通量和淡水通量的影响较小；风应力和热盐通量季节变化情况下的敏感性试验表明，TC和STC的南、北向输送以及DTC的南向输送主要是由风应力的季节振荡引起的，而热通量和淡水通量的影响较小。

北太平洋；经向翻转环流；季节变化；NEMO模式

北太平洋经向翻转环流(NPMOC)是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称，它拥有4个环流圈：副热带环流圈(STC)[1-2]、热带环流圈(TC)、副极地环流圈(SPC)[3]和深层热带环流圈(DTC)[4]。TC位于200 m以浅、中心在50 m深度处的低纬海域；STC位于7°～18°N，存在着季节性经向运动，它的中心也在50 m深度处；DTC位于3°～15°N的100 m以深海域。SPC位于35°～50°N 200 m以浅海域[4]。由于STC是连接海洋表层副热带下沉和赤道上升的经圈环流，表层的向极流将赤道和热带的暖水输送到副热带，而温跃层中的向赤道流则将副热带的冷水向赤道输送，因此它被认为是北太平洋热带和副热带上层海洋热盐交换的桥梁[1,5-6]，而且它的强弱变化不仅能影响到北太平洋热带和副热带之间的热盐结构，还对热带北太平洋海表温度和ENSO(El Nio-Southern Oscillation)的年代际变化产生重要影响[7-12]，继而影响到全球的气候变化[1,5-6,13]。不仅如此，STC还是太平洋赤道潜流水源的贡献者[3]。TC是一个在赤道上升、热带下沉的经向环流圈，它将表层暖水向下输送，并为赤道潜流提供水源[3]。由于DTC位于TC和STC之间，并对STC的向南输送有阻挡作用，因而DTC的存在和变化直接影响到北太平洋副热带冷水到达赤道的多寡[4]。它们的变化对北太平洋副热带和副极地之间的热盐结构和气候变化皆有重要影响。由于这些环流圈是北太平洋经向物质和能量交换的重要通道，自20世纪90年代以来，人们已就某些环流圈(TC，STC和DTC)的结构形态、变化特征和机制进行了较多研究，并取得了一些重要进展。但应指出的是，在环流圈的变异机制方面，仍存在着一些不同的观点和认识。McCreary和Lu[2]基于两层半海洋模式结果认为，STC的强度是由副热带南侧下沉为零的纬度上的风应力和科氏参数决定的，而与副热带Ekman抽吸速度及热带风场的强度无关。这一观点也得到了Lu等[3]三层半海洋模式结果的支持。而且他们还指出，TC的强度是由热带太平洋的非等密度混合决定的[3]。但后来的资料分析和数值模拟研究均得到了与之不同的结果。Liu等[4]通过SODA和风应力资料分析认为，TC和STC向极输送的季节变化都是由局地纬向风异常引起的，而其向赤道输送则与所在纬度上的海平面东、西向坡度的季节变化有关。Lee和Fukumori[14]的数值模拟结果表明，近赤道风应力异常引起了STC向赤道输送的变化。而在赤道外海域(13°N线附近)，纬向风异常激发的西传第一斜压Rossby波使得温跃层深度发生剧烈变化[15]，从而导致STC向赤道输送的变幅增大。容新尧等[16]的数值试验显示，赤道及其北侧的纬向风异常对STC的向赤道输送变化有重要影响，而赤道外风应力旋度变化引起的斜压Rossby波对STC向赤道输送变化的影响却较小。由此可见，关于北太平洋经向翻转环流的季节变异机理目前尚无定论，亟待深入研究。为此，我们运用NEMO模式分别探讨了风应力、淡水通量和热通量对TC，STC和DTC季节变化的影响，从而为加深理解北太平洋经向翻转环流的变异机制提供可靠的科学依据。

1　模式简介

我们所用的海洋模式为法国LODYC(Laboratoire d′Océanographie DYnamique et de Climatologie)开发的NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean)模式中的全球海洋-海冰耦合环流模式，它由一个海洋环流模式和海冰模式组成。模式采用了其特有的不规则水平网格系统-ORCA1。在热带外海域，水平分辨率约为1°×1°，而在19°36′21″S～19°36′21″N，分辨率则按1°×1°×cos(Φ)改变(Φ为纬度)。在垂向上采用Z坐标系，分为46层。时间差分为蛙跳格式，空间差分采用Arakawa C型网格[17]。下边界条件使用Beckmann和Döscher[18]的方案。垂直涡动扩散及黏性系数通过一个基于扰动动能诊断方程的1.5层扰动闭合方案得出[19]。水平动量扩散的黏性系数随经纬度和深度而变化。混合系数取决于斜压不稳定增长速率。时间步长为3 600 s，1 d有24步。模式的外强迫包括风应力、热通量和淡水通量，其中的蒸发和热通量场是模式内部根据给出的NECP海面通量数据计算得到的。

2　模式性能检验

首先将Levitus的海温和盐度以及模式的外强迫场(风应力、热通量和淡水通量)都取为气候月平均值，然后让模式从静止状态开始积分，一直积分到第100 年。我们取最后10 a的积分结果进行分析，研究区域为北太平洋(0°～60°N)。

经向流函数是研究经向翻转环流的一个有效指标。为了检验模式的可靠性，我们对模式模拟的北太平洋经向流场和SODA数据分析结果进行了对比。

图1为利用NEMO模式模拟的与SODA数据经向流速计算得到的北太平洋经向流函数气候态分布。可以清晰地看到，NEMO模式能够很好地模拟出TC，STC，DTC和SPC四个环流圈。除了模拟的STC，DTC和SPC强度略弱外，4个环流圈的范围和形态均与用SODA数据得到的结果相一致[4]。其中，TC是最强的顺时针环流圈，其最大流函数值为34.96 Sv；STC为一较弱的顺时针环流圈，其核心值为20.34 Sv；而DTC和SPC则为较弱的逆时针环流圈，DTC的核心流函数值为-9.26 Sv。

图1　北太平洋经向流函数气候态分布[4]Fig.1　Multiyear averaged meridional stream function in the North Pacific[4]

图2分别是4个季节的NEMO模式模拟的北太平洋经向流函数分布。其中，冬季为12—2月，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月。从图中可以看出，NEMO模式可以很好地模拟出TC，STC和DTC的季节变化。在冬季和春季，STC向南移动，并靠近TC，因而在0°～18°N形成了一个大尺度的顺时针环流圈，而在夏季和秋季STC则向北移动，远离TC；TC在冬季最强，而在秋季最弱；STC在冬、春季较强，而在夏、秋季较弱；DTC在夏、秋季较强，而在冬、春季较弱；DTC对STC的南向输送有阻碍作用。这与用SODA数据得到结果相吻合[4]。

图2　模式模拟的北太平洋经向流函数场的季节变化Fig.2　Simulated meridional stream function of each season in the North Pacific

由以上分析可知，NEMO模式能够很好地再现北太平洋经向流场及其季节变化特征。实际上，该模式也很好地模拟出了全球表层温度场和盐度场，但因篇幅所限，在此不再赘述。这表明，该模式的模拟结果是真实可信的。

3　北太平洋经向翻转环流的季节变异机理

为了深入探讨TC，STC和DTC的季节变异机理，本节重点运用NEMO模式对这3个环流圈的季节变化特征进行模拟研究，并与以前的资料分析结果进行对比。在研究北太平洋经向翻转环流的季节变异机理时，我们进行了控制试验和两类敏感性试验。具体设计如下：

1)控制试验

选用多年月平均的风应力、热通量和淡水通量作为NEMO模式的外强迫场，以此作为评估北太平洋经向翻转环流季节变化的控制试验，记为试验A。当模式自初始状态积分到100 a时，取最后10 a的气候月平均结果作为试验A的结果。

2)驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验

试验B～I是在试验A的基础上驱动场增强和减弱情况下进行的敏感性试验(表1)，通过改变部分驱动因素(分增强和减弱两种情况，为了直观清晰地看到驱动场的改变对其季节变化的影响，在此增强是将驱动因素增大1倍，减弱是将驱动因素减小50%)，并与试验A进行比较，以此来了解各驱动因素对北太平洋经向翻转环流季节变化的影响。值得指出的是，在以下敏感性试验中，我们将试验A最后一年的结果作为初始场，Levitus的温盐气候月平均场作为恢复场。

表1　模式运行方案

3)风应力和热盐通量季节变化情况下的敏感性试验

我们通过另外2个敏感性试验来讨论风应力和热盐通量的季节变化对3个流环圈的影响。需要说明的是，在以下2个试验中，我们均将试验A作为标准试验，并将试验A中第100年的积分结果作为初始场。

试验一为热盐通量季节变化情况下的敏感性试验。用多年平均风应力场和气候月平均热通量、淡水通量场来强迫NEMO模式，将其记为试验K。试验二为风应力季节变化情况下的敏感性试验。用多年平均热通量和淡水通量场及多年月平均风应力场来强迫NEMO模式，将其记为试验L。

3.1驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验

由于当移除风应力时，TC和STC均不存在(图略)，因此在讨论各环流圈流量的季节变异机理时，仅作了驱动场(风应力、热通量和淡水通量)在增强和减弱两种情况下的敏感性试验。由表1可以看到，试验B和试验C分别为风应力增大和减小试验，试验E和试验F分别为淡水通量增大和减小试验，而试验H和试验I则分别为热通量增大和减小试验。

图3为由上述数值试验得到的TC南、北向流量的季节变化。可以看出，当风应力增强(试验B)和减弱(试验C)时，TC的南、北向流量不仅显著增大和减小，而且其季节变化趋势也发生了一些改变，与试验A的关系有所减弱，其同期相关系数分别为0.83和0.92；当热通量和淡水通量增大或减小(试验E，F，H和I)时，TC的南、北向流量与试验A皆比较接近，而且其变化趋势也颇为一致，其同期相关系数分别为0.99，0.99，0.98和0.98。由于风应力的增强或减弱使得TC的南、北向流量皆出现显著的增大或减小，而热通量和淡水通量的增大或减小却未引起TC南、北向流量出现显著的变化，因此可以认为，TC南、北向流量的季节变化主要是由风应力引起的，而热通量和淡水通量的作用却非常小。

图3　模式模拟的TC流量的季节变化Fig.3　Seasonal variation of simulated TC transport

由各数值试验(试验A～I)得到的STC南、北向流量的季节变化(图4)可以看到，除了风应力增强(试验B)和减弱(试验C)引起了STC南、北向流量的季节变幅与试验A有较大差异外，其他试验结果均与试验A比较接近，而且各试验所得的STC南、北向流量的季节变化趋势也比较一致。相关分析结果表明，除了试验B和试验I与试验A得到的STC北向流量之间的关系略弱(其同期相关系数分别为0.81和0.85)外，其他试验(试验C，E，F和H)和试验A得到的STC北向流量之间的关系都很密切，其同期相关系数分别为0.98，0.95，0.98和0.97；由各敏感性试验与试验A得到的STC南向流量之间的同期相关系数分别为0.97，0.97，0.96，0.97，0.90和0.96。由此可见，STC的季节变化是由风应力引起的，而热通量和淡水通量的作用却较小。

图4　模式模拟的STC流量的季节变化Fig.4　Seasonal variation of simulated STC transport

由于DTC的北向流量很小，且无明显的季节变化，因此我们仅讨论DTC南向流量的季节变化机理。图5为由各数值试验得到的DTC南向流量的季节变化。可以看到，当风应力增强时(试验B)，DTC南向流量的季节变幅显著增大，而且其季节变化趋势也有所改变，与试验A的关系较弱，其同期相关系数为0.67；与之相反，当风应力显著减弱时(试验C)，DTC南向流量的季节变幅随之变小，但其季节变化趋势却与试验A比较一致，其同期相关系数高达0.96。当热通量和淡水通量分别增大或减小(试验E，F，H和I)时，DTC南向流量的季节变幅并无显著的改变，而且其季节变化趋势与试验A也非常一致，其同期相关系数均为0.99。由此可以认为，风应力是DTC南向流量季节变化的主要影响因素，而热通量和淡水通量的影响却较小，这与TC和STC的结果相一致。

图5　模式模拟的DTC南向流量的季节变化Fig.5　Seasonal variation of simulated DTC southward transport

还应指出的是，由于各驱动场皆存在着不同的季节变化，而这些驱动场的季节差异将对TC，STC和DTC产生怎样的影响迄今尚不清楚，因此，下面将分别讨论各驱动场的季节变化对这3个环流圈的影响，从而进一步揭示TC，STC和DTC的季节变异机理。

3.2风应力和热盐通量季节变化情况下的敏感性试验

我们通过对比2个敏感性试验(试验K和L)和基准试验A对比来讨论风应力和热盐通量的季节变化对3个流环圈的影响。

图6分别为由试验K，L和A得到的TC南、北向流量的季节变化。可以看到，试验K对TC南、北向流量季节变化的影响较试验L大。就TC的北向流量而言，由试验K得到的流量的季节变化趋势与试验A并不完全一致，而是存在着一定的差异(图6a)，因此两者间的关系也较弱，其同期相关系数为0.82；由试验L得到的结果与试验A比较接近，其季节变化趋势较为一致(图6a)，两者间的同期相关系数高达0.99。对于TC的南向流量，由试验K得到的流量与试验A的结果具有反位相的季节变化，两者间的同期相关系数为-0.57，而由试验L得到的南向流量的季节变化与试验A的结果颇为一致(图6b)，两者间的同期相关系数为0.96。由此可见，当风应力固定不变而热盐通量发生季节振荡时，TC南、北向流量的季节变化均与试验A有所不同，而当热通量和淡水通量固定不变而风应力出现季节振荡时，TC南、北向流量的季节变化却与试验A非常一致。这进一步表明，TC南、北向流量的季节变化主要是由风应力的季节振荡引起的，而热通量和淡水通量的影响却较小。

图6　模式模拟的TC流量的季节变化Fig.6　 Seasonal variation of simulated TC transport

如图7所示，由试验K得到的STC南、北向流量的季节变化均较小，而且与试验A的结果大相径庭，但由试验L得到的STC南、北向流量的季节变化却比较显著，并与试验A的结果非常一致。相关分析结果表明，对STC的北向流量而言，试验K与试验A的同期相关系数为0.30，而试验L与试验A的同期相关系数则为0.81；对于STC的南向流量而言，试验K与试验A的同期相关系数为0.70(但其流量差值较大)，而试验L与试验A的同期相关系数则高达0.94。很显然，当风应力固定不变、热盐通量发生季节振荡时，STC南、北向流量的季节变化与试验A的结果明显不同，而当热通量和淡水通量固定不变、风应力发生季节振荡时，STC南、北向流量的季节变化却与试验A较为一致。因此可以认为，STC南、北向流量的季节变化也是由风应力的季节振荡引起的，而热通量和淡水通量的影响也较小。

图7　模式模拟的STC流量的季节变化Fig.7　Seasonal variation of simulated STC transport

图8为由试验K，L和A得到的DTC南向流量的季节变化。可以看出，由试验K得到的DTC流量值较小，且其季节变化趋势与试验A的结果也有所不同，两者间的同期相关系数为0.85；由试验L得到的DTC流量值较大，而且其季节变化趋势与试验A的结果颇为一致，两者间的同期相关系数高达0.95。由此可见，当风应力固定不变、热盐通量存在季节变化时，DTC南向流量的季节变化与试验A的结果有所不同，而当热通量和淡水通量固定不变、风应力出现季节振荡时，DTC南向流量的季节变化却与试验A非常一致。这表明，DTC南向流量的季节变化也是由风应力的季节振荡引起的，而热通量和淡水通量的作用也较小。

图8　DTC南向流量输送的季节变化Fig.8　Seasonal variation of simulated DTC southward transport

综上所述可知，TC和STC的南、北向输送以及DTC的南向输送主要是由风应力的季节振荡引起的，而热通量和淡水通量的影响较小。

4　结　语

本文基于NEMO模式分别对TC，STC和DTC经向流量的季节变异机制进行了模拟研究。为了确保模式的可靠性和实用性，我们首先对模式的模拟结果进行了检验，然后运用该模式进行了一系列敏感性试验，详细地模拟研究了风应力、淡水通量和热通量场对TC，STC和DTC季节变化的影响。敏感性试验表明，TC和STC的南、北向输送以及DTC的南向输送主要是由风应力的季节振荡引起的，而热通量和淡水通量的影响较小。

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Numerical Study on the Mechanism of Seasonal Variation of Meridional Overturning Circulation in the North Pacific

LIU Hong-wei1,2,3,4, ZHANG Qi-long1,2,3, DUAN Yong-liang5, XU Yong-sheng1,2,3

(1.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences, Qingdao 266071, China;2.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou 310012, China; 3.KeyLaboratoryofOceanCirculationandWaves,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao 266071, China; 4.LaboratoryforOceanDynamicsandClimate,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao 266237, China;5.CenterforOceanandClimateResearch,TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

The North Pacific meridional overturning circulation (NPMOC) is the general name of all the North Pacific overturning cells. The tropical cell (TC), subtropical cells (STC) and deep tropical cell (DTC) located in the tropical-subtropical region of the North Pacific are very important for meridional material and energy exchange. The mechanisms of seasonal variation of TC, STC and DTC meridional transports are studied with the NEMO model in this paper. Numerical experiments with strengthened and weakened forcing fields show that the wind stress plays an important role in seasonal variations of southward and northward transports of TC and STC and southward transport of DTC, heat flux and freshwater flux, however, have much weaker influences. Numerical experiments of the wind stress and heat-salt transport reveal that the seasonal changes in the wind stress is the key factor of the seasonal variation of NPMOC, while the heat and freshwater fluxes play a minor role.

North Pacific； meridional overturning circulation； seasonal variation； NEMO

May 11, 2015

2015-05-11

国家自然科学基金项目——北太平洋经向翻转环流的热盐输送研究(41406012)；卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放基金项目——北太平洋经向翻转环流的热量输送研究(SOED1613)；国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室开放基金项目——南海上层海洋热含量变异对我国旱涝的影响研究(GCMAC1501)；中国科学院海洋环流与波动重点实验室开放基金项目——东印度洋爪哇沿岸上升流的变化特征研究(KLOCAW1405)；山东省自然科学基金项目——东南印度洋爪哇上升流区局地海气耦合过程对海表温度季节变化的影响研究(ZR2014DP011)；国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目——物理海洋与气候(U1406401)

刘洪伟(1985-)，女，河北衡水人，助理研究员，博士，主要从事物理海洋方面研究. E-mail: liuhongwei@qdio.ac.cn

徐永生(1970-)，男，山东青岛人，研究员，博士生导师，博士，主要从事物理海洋、海洋遥感方面研究. E-mail: yongsheng.xu@qdio.ac.cn

(李燕编辑)

P731

A

1671-6647(2016)03-0347-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.004