南太平洋和南印度洋亚南极模态水潜沉率的长期变化趋势*

刘 凯 高 山,4① 侯颖琳 赵 军 王 凡,4

(1. 中国科学院海洋研究所 山东青岛 266071; 2. 中国科学院海洋环流与波动重点实验室 山东青岛 266071; 3. 中国科学院大学 北京 100049; 4. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室 山东青岛 266237)

亚南极模态水(sub-Antarctic mode water, SAMW)作为南半球大洋中重要的水团, 主要由冬季海面变冷主导的上层海水潜沉形成(Hanawaet al, 2001)。该水团形成的区域位于亚极地区域(sub-Antarctic zone,SAZ)。该区域的北界和南界分别是亚热带锋面(sub-tropical front, STF)和亚极地锋面(sub-Antarctic front, SAF)。亚南极模态水通过潜沉过程形成后, 会将大气的信号通过通风过程传递到海洋内部(Robinsonet al, 1959; Welander, 1959; Luytenet al, 1983; Speeret al, 1992; Primeauet al, 2006; Liuet al, 2012;Trossmanet al, 2012)。通风的潜沉水继而在主温跃层的深度向北和向西运动, 进入中深层的亚热带环流圈当中参与大洋环流(McCartney, 1982; Sloyanet al,2001; Salléeet al, 2006; Joneset al, 2016)。亚南极模态水被证实在储存和输运热量、氧气、二氧化碳等方面均发挥着重要的作用(McNeilet al, 2001;Sloyanet al, 2001; Sabineet al, 2004; Sarmientoet al, 2004;Khatiwalaet al, 2009; Iudiconeet al, 2010; Salléeet al,2013; DeVrieset al, 2017)。随着观测资料和模式数据的逐年丰富, 我们已经对SAMW 的一些性质以及变化趋势有了初步的认识。Gao 等(2018)通过分析Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)资料发现, SAMW 显著地增厚、加深和变暖。该现象可以解释65%的上层2 000 m 海洋热含量的增加, 这为全球变暖间断缺失的热量提供了一个可能的去处。需要指出的是, 尽管SAMW 在整个南大洋都有生成, 但是生成率最高、水团面积最大的区域是在南印度洋和南太平洋(Salléeet al, 2006; Cerovečkiet al, 2013;Downeset al, 2017), 鉴于发现了SAMW 水团对气候重要的调节作用, 围绕这两个区域的关于SAMW 趋势和变率的研究成为了一个热点。Hong 等(2020)的研究表明, 在Argo 观测时段内, 南印度洋亚热带模态水(southeast Indian sub-Antarctic mode water, SEISAMW)的体积下降了10%, 并指出该变化主要由马斯克林高压变化相关的海表面强迫导致的, Qiu 等(2021)用CMIP6 气候数据资料进一步证实了这一趋势。然而在南太平洋, Qu等(2020)同样使用Argo资料, 发现南太平洋SAMW的潜沉率存在准2 a周期的变率, 并且潜沉率存在长期增加的趋势。这和Gao 等(2018)的结论是相符的。并且两者都指出引起太平洋中该增加趋势的是与南半球环状模(southern annular mode, SAM)增强相关的西风增强。综上来看, 南印度洋和南太平洋SAMW 水团体积表现出的相反的变化趋势体现出两个大洋对SAMW 有着不同的控制机制。

由于南太平洋和南印度洋SAMW 面积广阔, 其性质并非均一。前人多采用将SAMW 看作整体的方式来研究南大洋SAMW 的变率, 这对于研究SAMW导致的整体的气候效应具有显而易见的意义。但是这样却无法体现出具体的区域差异性。既然南印度洋和南太平洋表现出了相反的变化趋势, 那就说明很有可能在单一大洋内部同样存在着趋势变化不同的区域。为此, 本文使用1958～2016 年的长时间的OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式数据, 给出南太平洋和南印度洋的SAMW 潜沉率长期变化趋势的空间分布。在验证前人关于南太平洋和南印度洋SAMW 水团长期变化的研究结果的基础上, 进一步分析了影响具体区域的潜沉率趋势的主要因素, 并按照潜沉密度的空间分布来对SAMW 进行分组。这样可以将对SAMW 长期趋势的研究进行更细致的划分, 从而抓住其影响气候的主要部分。本文随后的第一部分介绍了本研究使用的数据和潜沉率的计算方法。第二部分的结果分析中, 首先对OFES 模式对于潜沉率以及其他相关变量的模拟情况同观测资料进行了比对评估, 得到长期平均结果下的潜沉率的分布, 给出了SAMW 潜沉率长期变化趋势在南太平洋和南印度洋的空间分布结果, 然后我们对影响不同区域潜沉率趋势的因素进行了系统分析。第三部分是对本文研究内容的总结。

1 数据与方法

1.1 数据介绍

OFES 是高分辨率的全球性的海洋模式(Masumotoet al, 2004; Sasakiet al, 2008), 该模式基于GFDL/NOAA (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration)的MOM3 (Modular Ocean Model)模式, 并改进为并行计算。该模式几乎覆盖了75.9°S～75.9°N 的除了北极海域的全球区域, 水平分辨率为1/10°, 垂向上从海面到5 850 m 深度处共分为了100 层, 每层的厚度参考了真实海洋的温跃层厚度, 随深度增加而逐渐变大, 即便是在较深的海洋中, 层与层之间的垂向间隔也没有很大。模式的地形采用的是南安普顿中心奥卡姆(OCCAM)计划测得的1/30°的地形测量数据, 动量方程中的水平湍流扩散项采用双调和算子以抑制水平网格尺度的误差, 垂直混合采用KPP 边界层混合方案。表面热通量采用NCEP/NCAR 的再分析数据的月平均输出结果, 月平均风应力也是采用1950～1999年的NCEP/NCAR 的再分析数据, 温盐资料用的是WOA98 (World Ocean Atlas)的结果。在本文中, 采用的数据的时间跨度是从1958～2016 年。由于其较合理的模拟结果, OFES 数据在研究中得到了广泛认可和采用(Masumoto, 2010; Melnichenkoet al, 2010)。

同时, 我们采用Argo 数据的结果来同OFES 模式的结果进行对比, Argo 数据是目前最重要的海洋观测数据集之一, 自本世纪初以来, 已经有数千个Argo 浮标被布放到海洋当中, 获取了从5～2 000 m 的典型上层海洋的温度和盐度(T/S)剖面。在这里使用的是夏威夷大学国际太平洋研究中心的亚太数据研究中心(Asia-Pacific Data Research Center, APDRC)(http://apdrc.soest.hawaii.edu/)根据Argo 剖面数据在1°×1°网格上建立的接近实时的月平均T/S 数据, 数据时间从2005 年1 月至今, 共有26 个垂直分层。这里使用了月平均的结果。根据该温盐数据资料, 我们计算出了相对于2 000 m 深静止参考面的地转流。计算Ekman 泵压速度使用的风应力采用了NCEP 再分析数据集中的月平均的风场。

根据OFES 和Argo 的温盐数据资料, 计算了混合层深度。混合层深度的定义为海水位势密度相对表层增加0.125 kg/m3(Gaoet al, 2014)的深度。

1.2 年潜沉率的拉格朗日计算方法

本文年潜沉率Sann的计算这里采用的是Qiu 等(1995)中采用的拉格朗日计算方法, 其原始计算公式为

由于OFES 模式输出有垂直速度, 相比于用β螺旋和风应力来估算的垂直速度显然更有优势, 因此,本文中直接以模式中的垂直速度来代替, 计算公式得到简化:

2 结果与分析

2.1 SAMW 潜沉率的长期平均状态

OFES 模式数据对于海表面温度和海表面盐度的模拟与Argo 相比, 从分布到量值都几乎完全一致(图1a～1d)。由公式(2)看出, 混合层深度(mixed layer depth, MLD)是影响潜沉率的重要因素。在混合层深度的模拟上, 由OFES 计算得到的冬季混合层深度的空间分布图像也同Argo 一样, 存在着西北到东南的倾斜的条带状峰值区, 不同的是OFES 模式由同一判据计算得到的混合层深度的量值相比Argo 偏大(图1e 和图1f), 这很有可能是Argo 的垂向分辨率不高产生的差异。上述结果可知, 尽管存在一些量值上的差异, OFES 对于南大洋上层海洋的模拟还是比较准确的, 使用该数据计算的潜沉率是合理可信的。

图1 长期平均(2005～2016 年)的南半球海表面温度、海表面盐度、冬季(9 月)混合层深度分布Fig.1 Long-term averaged southern hemisphere sea surface temperature, sea surface salinity, and mixed layer depth distribution in winter (September)

根据前人研究(Hanawaet al, 2001; Gaoet al,2018; Quet al, 2020), SAMW 通常被定义为在海表面密度26.5～27.1 kg/m3范围内通过潜沉生成的水。在该范围以南, 是强劲的南极绕极流(Antarctic circumpolar current, ACC), 通过SAF 向北的Ekman 输送会迫使该范围内的海水产生向下的Ekman 泵压速度。另外, 中纬度强烈的季节变化使得该区域的混合层深度在深冬后快速变浅, 产生大量潜沉水。使用Argo 数据得到的潜沉率如图2b 所示, 该结果与Qu 等(2020)等使用Argo 计算得到的潜沉率结果保持一致。而使用OFES 数据以传统拉格朗日方法得到的在该区域多年平均的SAMW 潜沉率分布如图2a 所示。结合混合层的空间分布来看(图1e), 较大的潜沉率基本对应着冬季混合层较深的区域。在南印度洋中, 潜沉率的峰值位于60°～150°E 的经度范围内, 在南太平洋中则位于150°～60°W 的范围内, 并接近纬向分布。OFES 模式数据的潜沉率结果和Argo 的存在较好的一致性, 只是OFES 得到的潜沉的面积和量值要比Argo 更广和更大, 这一点在印度洋中体现的尤为明显。导致该差异的原因可能是由于OFES 的分辨率更高导致的混合层深度与Argo 的计算差异。另外, Argo 潜沉率的计算中采用的水平流场是地转流, 垂直流速则是用风应力旋度加β螺旋进行的估计, 而OFES 则是直接使用模式输出的流速, 因此, 使用OFES 计算潜沉率时的流体质点的运动轨迹更加合理。

图2 使用OFES (a)和Argo (b)数据计算的长期平均(2005～2016 年)的SAMW 年潜沉率Fig.2 Long-term averaged (2005～2016) annual subduction rate in southern hemisphere ocean using OFES(a) and Argo(b) data

图3 是长期平均的潜沉率的两个分量, 垂向泵压项和侧向导入项的空间分布, 二者分别在不同程度上以不同的物理机制对潜沉率产生贡献。可以看到侧向导入项对于潜沉率的贡献占绝对优势, 而垂向泵压项在海盆中则通常存在于较低纬度的热带海域,这主要是由于低纬度海区较强的风应力旋度导致,而对于本文研究的SAMW 潜沉区, 其贡献则不是很大。该结果与前人的研究是一致的, Qu 等(2020)的研究表明, 长期平均的Argo 潜沉率的主分量是侧向导入项。因为是混合层深度的变化是产生侧向导入分量的重要因素[公式(2)], 所以混合层深度对于SAMW潜沉率的计算是至关重要的。

图3 OFES 长期平均(2005～2016 年)的南半球大洋年潜沉率(a)、侧向导入分量(b)、垂向泵压分量(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 潜沉率的长期变化趋势

如前文所述, 为了探究南印度洋和南太平洋SAMW 潜沉区中潜沉率变化趋势具体的区域性差异,我们首先同前人一样(Honget al, 2020; Quet al, 2020;Qiuet al, 2021)进行两个大洋SAMW 整体潜沉量的研究。首先, 使用OFES 数据计算了1958～2015 年每年的SAMW 的潜沉率。在这里, 我们以150°E 作为南太平洋和南印度洋的分界, 并分别以海表面密度(sea surface density, SSD)为26.5 和27.1 kg/m3作为SAMW 潜沉区的北界和南界。然后, 统计出南印度洋和南太平洋在SAMW 潜沉区域中总的潜沉量的时间变化, 如图4 所示, 两个区域的潜沉量平均值大致相当, 均在4×107m3/s)左右, 但是在58 a 的长时间序列中, 两个大洋的潜沉率变化呈现出相反的线性趋势,即在太平洋中呈微弱的上升趋势, 在印度洋则呈明显下降的趋势。该结果与已有的研究结果(Honget al,2020; Quet al, 2020; Qiuet al, 2021)相符。同时, 该结果反映出了两个大洋中控制SAMW 整体变化趋势的物理机制可能是不同的。

图4 SAMW 潜沉区域总潜沉水量以及各分量潜沉水量的变化和线性趋势Fig.4 Variation and linear trends of total and component subduction water volume in the SAMW subduction region

由于SAMW 空间分布极广, 且其水团性质的差异较大, 所以通过整个区域的SAMW 总体水量的变化来进行研究并不能够细致反映其具体的空间分布的变化特征。因此, 为了具体探究SAMW 潜沉率的长期变化趋势的空间分布, 我们对该研究区域的每一点做了线性趋势的分析。结果表明(图5), SAMW 潜沉率的长期变化趋势在空间上并不统一, 而是存在较大的区域差异。其中, 在南印度洋中, 其西北海域的SAMW 潜沉率有长期增加的趋势, 而其东南海域中的潜沉率则普遍倾向于减小趋势。而对于太平洋来说, 情况刚好相反, 在其西北海域是减小的趋势, 而东南海域的潜沉率则是增加的趋势。下面对SAMW不同区域的潜沉率趋势分别进行系统的分析。

在南印度洋中, 从等密度线可以看出(图5), 潜沉率呈上升趋势的部分主要位于北部的海表面密度为26.5～26.8 kg/m3的范围内, 而下降趋势的海域的海表面密度则集中在南部的海表面密度为26.8～ 27.1 kg/m3之间。Hong 等(2020)在研究南印度洋SAMW 的变化趋势时并没有针对潜沉率进行研究, 而是对水团本身进行研究, 得出导致SAMW 体积存在长期减少的趋势的密度范围为 26.8～26.9 kg/m3, 而密度范围在26.6～26.8 kg/m3的SAMW 则有体积增加的趋势。该研究与我们的上述结果一致, 即在南印度洋SAMW 中,密度小的水有体积增加的趋势, 而密度大的水则有体积减小的趋势。根据本文的研究, 这两种趋势对应的水分别位于南印度洋中的西北和东南海域。

图5 南印度洋和南太平洋年潜沉率(a)、侧向导入分量(b)和垂向抽吸分量(c)的线性变化趋势系数的分布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 潜沉量的整体变化呈现微弱上升趋势(图4a)。Gao 等(2018)和Qu 等(2020)使用Argo观测资料得出了整个南大洋SAMW 增强的结论, 在此处只单独考虑了太平洋中的情况, 而印度洋中则是下降的趋势, 这表明前人对于南大洋SAMW 增强的结论更单独适合于南太平洋。由图5 的结果表明, 在南太平洋中潜沉率呈下降趋势的西部海域, 其海表面密度范围主要分布在26.5～26.9 kg/m3, 而海表面密度在26.9～27.1 kg/m3的潜沉率则有明显增加的趋势。

从对上述的不同密度范围分别进行的潜沉量变化的统计结果(图6)可以更细致的看到引起两个大洋中潜沉率变化的水的来源。结果表明, 在南印度洋和南太平洋的SAMW 的潜沉区中, 密度较轻部分的趋势变化均很微弱, 而密度较大部分的趋势变化则非常明显。南印度洋中, 在26.5～26.8 kg/m3密度范围内潜沉的SAMW 的平均值为2.514×107m3/s, 其变化趋势很微弱, 仅有每年1×104m3/s (图6a)。而在26.8～27.1 kg/m3范围内潜沉的SAMW 平均值则为1.309×107m3/s, 其下降趋势则非常明显, 达到每年2.5×105m3/s (图6b), 在1983 年以后, 其潜沉量则几乎一直在平均值以下了。由此可见, 南印度洋SAMW体积的减小可能主要是由表面密度为26.8～27.1 kg/m3的潜沉量减少造成的。与此同时, 在南太平洋, 位于26.5～26.9 kg/m3密度范围的潜沉水量为 6.91×106m3/s, 而位于26.9～27.1 kg/m3密度范围的潜沉水量为3.478×107m3/s, 单从潜沉水量上来看, 后者占绝对优势, 而这部分水呈现的长期增加趋势也导致了整个南太平洋SAMW 的潜沉率的增加(图6d)。同样地, 南太平洋中密度较小的水团潜沉量很小, 且变化趋势不明显(图6c)。

图6 南印度洋和南太平洋SAMW 潜沉区域不同密度范围内的潜沉水量以及各分量潜沉水量的变化和线性趋势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 影响SAMW 潜沉率长期趋势分布的因素

前人研究表明, 影响SAMW 变化的主要因素为风应力(Gaoet al, 2018; Quet al, 2020)和海表面浮力强迫(Honget al, 2020)。其中, 影响潜沉率的最重要因素是混合层深度, 更深的混合层深度往往导致更大的潜沉量。当然, 潜沉率大小还要受到另一个因素,流场的影响, 所以其变化并不完全由混合层深度决定。将SAMW 潜沉区的冬季混合层深度与其潜沉率两者的长期变化趋势的空间分布(图5 和图7)进行对比可见, 虽然两者不完全一致, 但在几个主要区域内呈现较好的对应关系。其中在南太平洋, SAMW 潜沉区的混合层深度在170°～130°W 的范围内呈长期减小的趋势, 而在130°W 以东的部分则是呈现长期增加的趋势, 两个区域的趋势明显且相反, 构成了一个偶极子, 而这与该区域潜沉率的变化趋势基本一致(图5); 而在南印度洋, 虽然西北海域的对应关系并不是很好, 但是如前所述, 引起南印度洋SAMW 潜沉率长期减小趋势的主要是潜沉密度较大的东南海域,而东南海域的混合层深度恰好也是长期变浅的(图7)。由此可以推断, SAMW 潜沉区的混合层深度的变化可能是引起潜沉率变化的主要因素。

图7 南印度洋和南太平洋混合层深度的线性变化趋势系数的分布Fig.7 Distribution of linear trend coefficients of mixed layer depth in the Southern Indian Ocean and South Pacific

那么, 在SAMW 潜沉区的混合层深度的变化是由什么因素支配的呢？通常认为海表面密度和风应力旋度的综合效应决定了混合层深度的变化。对两大洋的SAMW 潜沉区的冬季海表面温度(sea surface temperature, SST)变化趋势的分析表明(图8), 除了在印度洋的西南海域是长期减小的趋势外, 在其他区域都是增加的趋势, 该趋势主导了SSD 在大部分区域的变小。而南印度洋西南海域盐度的降低使得该区域的密度也同其他区域一样呈减小趋势, 这可能跟淡水通量的减小有关。另一方面, 风应力旋度在整个SAMW 潜沉区域内都是长期增加的趋势, 这与近年来SAM 的增强有关(Quet al, 2020)。尽管海表面密度普遍减小, 但在不同的区域内, 其减小的幅度也是不同的。例如在南印度洋海表面密度较大的南侧和南太平洋海表面密度较小的西侧, 海表面密度减小的趋势则相较于其他区域要更明显, 而这两个区域的混合层深度是明显降低的(图7), 因此, 我们认为在这两个区域内, 控制混合层深度长期变浅从而导致潜沉率长期减小的主要原因是海面浮力强迫引起的海表面密度变小, 该作用要大于风应力旋度增加而导致的混合层加深的效应。而在某些区域的情况则相反,例如130°W 以东的位置, 海表面密度的减小趋势并不是很大(图8c), 因此, 风应力旋度增大引起的混合层增加效应则占主导, 最终导致了混合层深度的增加。另外, 在南印度洋SAMW 的西北海域, 混合层深度是增加的(图7), 而相同位置处其海表面密度的减小趋势并不如其他区域那么明显, 因此, 该区域的混合层的变化以至于潜沉率的变化也是风应力旋度增加所主导的。

图8 南印度洋和南太平洋SAMW 潜沉区域冬季海表面温度(a), 冬季海表面盐度(b)和冬季海表面密度(c)与风应力旋度(d)的线性变化趋势系数的分布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 结论

本文使用长时间序列高分辨率的OFES 模式数据研究了SAMW 潜沉率的长期变化趋势。结果表明,在南印度洋和南太平洋中, 产生长期变化趋势的SAMW 可以更具体的归源为表层的某一部分水: 在南印度洋中, 表层密度位于26.8～27.1 kg/m3范围内的水的潜沉率的长期减小主导了南印度洋潜沉率的长期下降趋势。而在南太平洋中, 则是表层密度位于26.9～27.1 kg/m 的潜沉水主导了南太平洋潜沉率的长期上升趋势, 而其余部分的潜沉水则不具备明显的趋势, 总的来看, 密度较大的SAMW 潜沉水团比密度较小的潜沉水团表现出更显著的长期变化的趋势,有趋势的潜沉水量(4.787×107m3/s)大概占到了SAMW 总潜沉水量(7.922×107m3/s)的 60%。在SAMW 几个主要的潜沉区域内, 潜沉率长期变化的空间分布与冬季混合层深度存在着比较好的对应关系, 而风应力旋度和海表面浮力强迫通过影响混合层深度来影响潜沉率的变化, 在南印度洋SAMW 潜沉区海表面密度较大的南侧海域, 其混合层深度的变化主要由浮力强迫的改变引起, 最终导致了SAMW 潜沉率的降低, 这和Hong 等(2020)估算的南印度洋SAMW 体积减小的现象能够很好的对应起来。在南太平洋中, 潜沉率的长期增大则主要是由于风应力旋度的增强, 而风应力的增强则与近年来SAM 的增强有关。Gao 等(2018)和Qu 等(2020)将SAMW 作为一个整体进行研究, 得出了SAMW 有增强的趋势, 从本文的结果来看该结论似乎更适用于太平洋, 因为在太平洋中有上升趋势的水量占了大部分, 而在印度洋中, 尽管风应力旋度的增强导致西北部分海域的潜沉有增加趋势, 但是整体的下降趋势是由海表面浮力强迫导致的海表面密度的长期减小所导致的。