北美地形对海洋经圈翻转流影响的耦合模式简介

北美地形对海洋经圈翻转流影响的耦合模式简介4摘 要本文首先利用美国国家大气研究中心（National Center for Atmosphere Rese-arch，NCAR）开发的地球气候系统模式（Community Earth System Model，CESM1.0）完成了全球无地形试验（Flat试验），发现大西洋经向翻转流（Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC）明显减弱，太平洋经向翻转流（Pacific Meridional Overturning Circulation,PMOC）增强，并将此跷跷板效应的产生归因于北美落基山脉的消失。本文继续利用CESM研究北美地形高度对海洋经圈翻转流（Meridional Overturning Circulation,MOC）的影响，旨在对以上结论进行验证。本文在控制实验（Real试验）的基础上设计了无北美地形高度试验（usa_ntopo试验），前者模拟全球真实地形，后者将北美位势高度设为10米。与Real试验相比，usa_ntopo试验中Hadley环流北支减弱，使副热带高压减弱，对流层低层热带和副热带间气压梯度减小，东北信风减弱，低纬度太平洋海表风应力减小，副热带环流（Subtropical Cell，STC）随之减弱。由于没有落基山脉的阻挡，北美西侧对流减弱，且水汽辐合减弱，降水减少，更多的海水蒸发，且河流向阿拉斯加湾输送的淡水减少，北太平洋深水形成区（North Pacific Deep Water，NPDW）盐度增加。然而，高盐度海水仅能下沉到1000米深度，使4560N范围内PMOC增强，其他区域PMOC减弱。然而，北大西洋表面由于风的增强，更多的海水蒸发抵消了降水的增强所导致的海表盐度降低，使北大西洋深水形成区（North Atlantic Deep Water，NADW）盐度也增加。北大西洋更高盐度的深水下沉到23km深度使整个大西洋AMOC增强。因此，北美山脉的消失并不是Flat试验中PMOC增强、AMOC减弱这种跷跷板效应产生的主要因素。大尺度海洋环流在气候系统中扮演着重要角色，它通过向北输送温暖的热带、副热带表层水和向南输送冷的北大西洋深层水，能够将巨大的热量自热带输送到高纬1。因此，海洋经向翻转流2对于气候及气候的变化具有重要的意义3。在现实世界中，AMOC占主导地位，而太平洋只在表面有风生的大尺度环流4。古气候数据显示，在1750015000年前的Heinrich事件里，由于冰川融化导致AMOC明显减弱，PMOC增强，大西洋和太平洋经向翻转流之间出现了跷跷板效应5。Y. Okazaki6利用模式EMIC（Earth System Model of Intermediate Complexity）进行淡水强迫试验（在北大西洋持续加入淡水100年），模拟Heinrich事件的冰川融化，研究PMOC和AMOC的改变机制。研究表明：向北大西洋持续注入淡水100年，北大西洋海水盐度降低，深水对流减弱，AMOC减弱甚至崩溃。AMOC减弱会导致全球向北热量输送减弱，整个北半球大尺度降温。海气相互作用和大气遥相关作用使北太平洋也明显降温。由于AMOC的减弱和北大西洋降温，太平洋大西洋间的水汽输送减弱，太平洋的热带辐合带南移，导致北太平洋降水持续减少，进一步使北太平洋海表盐度增加。一旦PMOC形成，表层洋流会将副热带高盐度的海水向北输送，使PMOC增强并维持（图1）。Hu A7则认为大西洋和太平洋这种跷跷板效应只在白令海峡关闭时出现，并利用CCSM3（Community Climate System Model Version3）模式对其进行验证。结果表明，在白令海峡打开的试验中，AMOC由于淡水的注入而减弱，大西洋盐度降低，低盐度海水输送到北冰洋，并通过白令海峡输送给太平洋。且高纬度降温使冬季海冰向南扩张，更多的海冰在夏季融化也会给北太平洋带来淡水。更多的淡水在北太平洋堆积，不利于北太平洋深水的形成，因此PMOC并没有增强。在白令海峡关闭的试验中，AMOC在前期由于淡水的注入也减弱，太平洋淡水的来源主要是海冰融化，因此北太平洋淡水增加的幅度不大。一旦AMOC崩溃，太平洋上海水蒸发明显增强，抵消降水的增强。太平洋海表盐度增加，深水对流随即产生，PMOC增强，如图2所示。（Okazaki et al.2010） 图1. 太平洋表层060米平均温度和速度差异阴影代表敏感性试验和控制试验300400年的温度差异；箭头代表速度差异（Hu A, Meehl G A et al.2012）图2. AMOC和PMOC指数随时间变化序列图CBS：关闭白令海峡；OBS：打开白令海峡蓝色和黑色实线代表AMO