北大西洋热盐环流年代际振荡机制研究

北大西洋热盐环流年代际振荡机制研究

1气候变化与thc热盐周期（th）是海洋中的全球周期。在重力的作用下，高纬度重水团的下降，低纬度轻水团的上升。这是大西洋循环的显著特点，其存在和变化对全球气候系统的气候系统有很大影响。从气候平均态角度来看,THC由低纬度向高纬度的热输送功率量级在1015W。由于大西洋热盐环流输送带在气候变化中的重要性,围绕大西洋THC变化及海洋大气要素对大西洋THC的影响研究一直是气候变化研究中的重要课题[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。由于海洋观测资料的限制,相关研究一直进展缓慢。随着气候模式近年来的不断发展,有关研究也取得了一定的进展。鉴于北大西洋涛动(NAO)在该地区气候变率中的主导作用,与北大西洋相关的任何海气相互作用,都有可能涉及到NAO活动,NAO的低频振荡可能就是驱动北大西洋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北大西洋THC的年代际振荡机制进行探讨意义不大。本文基于前文的研究,探讨了北大西洋海洋要素和大气要素对北大西洋THC年代际振荡的影响过程,并就北大西洋深层水的两个主要生成源地格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域和拉不拉多海同THC年代际变化的相互关系进行了深入阐述。2北大西洋暖流强度及表层密度特征在前文中,已经揭示了北大西洋THC的24a周期震荡机制。分析发现:当时滞是-6a的时候大西洋径向翻转环流(MOC)开始加强,在这里,我们以-6a,0a和+6a为时滞,分析北大西洋海洋要素同北大西洋THC年代际振荡的关系。图1和图2分别是北大西洋表层温度、盐度、密度(取上500m进行平均)和表层海水体积输运与MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后回归系数分布。这里把全球海洋的海水以位势密度(位势密度的计算以2000m为参考面)为标准分成3层:σ1<36.8,36.8<σ2<37.05和σ3>37.05。这3个密度层分别代表大西洋表层水(UW)、深层水(DW)和底层水(BW)。图2中表层海水体积输运就是UW的体积输运。通常UW在北大西洋的厚度是1000m左右,由于上500m受上表面条件变化的影响更加显著,所以图1中的表层温度、盐度、密度只取上500m进行平均也是为了让异常信号更加明显。当时滞是-6a的时候,几乎整个北大西洋的表层温度出现负异常,表层盐度出现正异常,由此导致北大西洋的副极地海区出现表层密度正异常,表层温度、盐度和密度的最大异常中心出现在副极地流环的中心。此时在副极地流环的中心(北大西洋)的表层海水受冷,密度增加,海表面下降,产生从副极地流环边界指向副极地流环的中心的压强梯度力,根据地转平衡关系北大西洋副极地海区的上层海洋会出现一个气旋式的环流异常(副极地流环得到加强),同时北大西洋暖流也得到了加强。副极地流环和北大西洋暖流的加强导致向北大西洋和格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域输运更多暖而咸的海水,这种输运的异常导致深层对流区域(即北大西洋深层水形成区域)温度增加,同时盐度也增加。如图1b和图1e所示,当时滞为0a时北大西洋和GIN海域存在暖而咸的海水,且盐度正异常的幅度较大。在此情况下,在深层对流区域盐度变化对密度变化的贡献占主导,由图1h可见在格陵兰海和拉不拉多海出现密度正异常。当时滞为0a时,MOC异常强度最大,如图2b所示,此时上层海洋从赤道到北大西洋的西边界流以及北大西洋暖流有了明显的增强。MOC的加速导致北大西洋高纬度地区海水变暖,因此,当时滞是+6a时整个副极地海区表层温度呈现正异常。此时北大西洋表层盐度呈现负异常,但是幅度不大。在此情况下,温度变化对密度变化的贡献占主导,如图1i所示北大西洋海区表层密度呈现负异常,进而导致副极地流环和北大西洋暖减弱。同时滞是-6a相反,当时滞是+6a时,由于北大西洋暖流的减弱,向北大西洋和GIN海域输运的暖而咸的海水减少。由此表明,在MOC强度达到最大之后,北大西洋高纬度地区表层海水的变暖对MOC变化态势的逆转起非常重要的作用。为了进一步研究北大西洋海洋要素同北大西洋THC年代际振荡的关系,我们定义了一个副极地海区表层密度指数和北大西洋暖流强度指数。副极地海区表层密度指数定义为40°～60°N,70°W—0°E海区上500m的平均密度。北大西洋暖流强度指数定义为35°～45°N,70°～20°W区域上500m的平均纬向速度。图3a是副极地海区表层密度指数和MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后相关(实线),以及北大西洋暖流强度指数和MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后相关(虚线),绿线代表95%的置信度。副极地海区表层密度指数和MOC的PC1的最大正相关发生在-7a滞后上;随之在3a之后(即时滞为-4a的时候)北大西洋暖流强度指数和MOC的PC1达到最大正相关。这表明副极地海区表层密度变化领先MOC变化7a,北大西洋暖流的变化领先MOC变化4a。图3b是丹麦海峡溢流水强度和MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后相关(实线),以及法鲁海峡入流水强度和MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后相关(虚线),绿线代表95%的置信度。由图3b可见,作为北大西洋暖流延伸的法鲁海峡入流水和MOC的PC1的最大正相关也发生在-4a滞后上,这表明北大西洋暖流强度的变化和法鲁海峡入流水强度的变化基本上是同步的;随之在1a之后(即时滞为-3a的时候)丹麦海峡溢流水强度和MOC的PC1达到最大正相关的,由于丹麦海峡溢流水的来源就是法鲁海峡入流水,这表明经过大约1a的时间,整个GIN海域完成了正压和斜压调整,法鲁海峡入流水的变化信号传到了丹麦海峡溢流水。图3c是法鲁海峡入流水强度和丹麦海峡溢流水强度的超前/滞后相关,当时滞是-1a的时候法鲁海峡入流水和丹麦海峡溢流水达到最大正相关,再次证明法鲁海峡入流水的变化领先丹麦海峡溢流水的变化1a。图3d是丹麦海峡溢流水强度和法鲁海峡溢流水强度的超前/滞后相关,时滞为0a时二者达到最大正相关,相关系数达到0.84,表明DSO和FBO的同步相关性非常好。由此可以认为格陵兰-苏格兰海脊溢流水强度(包括丹麦海峡溢流水和法鲁海峡溢流水,是北大西洋深层水的重要来源)的变化领先MOC的变化3a。3北大西洋大气要素变化对美经济的影响北大西洋涛动(NAO)是指亚速尔高压和冰岛低压之间的气压的反向变化关系,即亚速尔地区气压偏高时,冰岛地区气压偏低,反之亦然。NAO是北大西洋地区大气最显著的模态。对冬季平均海平面气压(MSLP)进行EOF分解,之所以选取冬季MSLP进行分析,主要是由于NAO在冬季强度更大,更具代表性。图4是冬季(12,1,2月)北大西洋平均海平面气压(MSLP)EOF分解第一模态空间型。如图4所示,北大西洋冬季MSLP的EOF分解第一模态呈现明显的双核结构,即冰岛附近是负异常中心,亚速尔附近是正异常中心,第一模态的NAO特征十分明显,它可以解释总方差的42.8%。北大西洋冬季MSLP的EOF分解第一模态相对应的主分量(PC1)作为NAO指数。图5是NAO指数的Morlet子波分析,由图5可以看出,达到95%置信度的主导周期是3a和16a。为了研究北大西洋大气要素变化对大西洋THC年代际振荡的影响,对MOC的PC1和NAO指数进行交叉谱分析。交叉谱分析可以研究两个时间序列在频率变化上的相互关系。图6是MOC第一主分量(PC1)和NAO指数的交叉谱分析结果,图6a为凝聚谱,图6b为位相谱,正的位相差表明NAO的变化领先MOC的变化。由图6a的凝聚谱可见MOC的PC1和NAO指数在26a的频率上相关性达到最大;由图6b的位相谱可见,在26a这个频率上NAO变化领先MOC变化位相大约65°,也就是说大气大约领先海洋5a。为了进一步揭示北大西洋大气要素同大西洋THC年代际振荡的关系,把北大西洋年平均MSLP和海表热通量对MOC的PC1做超前/滞后回归分析。图7为北大西洋年平均海平面气压(MSLP)以及海表热通量与MOC第一主分量的超前/滞后回归系数分布。当时滞为-6a的时候,由图7a,b,c可见在北大西洋高纬度地区MSLP呈现负异常,中纬度地区呈现正异常,这是典型的NAO正位相,与此相对应的大气环流异常是高纬度地区表现为气旋式环流异常,中纬度地区表现为反气旋式环流异常。高纬度地区正环流异常导致正的风应力涡度异常,正的风应力旋度异常引起Ekman上升流,导致温跃层上升,使上层海洋降温,进而使副极地环流和北大西洋暖流加强,作为北大西洋暖流延伸的法鲁海峡入流水增加,更多高盐度的北大西洋水进入GIN海域,由此可以导致GIN海域表层密度上升,使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生。由图7d,e,f可见,与此同时海表热通量在大西洋副极地海区是负异常,表明此时是海洋失去热量,进一步导致北大西洋副极地海区上层海洋降温。当时滞是-3a和0a的时候,北大西洋高纬度地区的气旋式环流异常继续向北移动,位于GIN海域的中心。GIN海域是深层水的主要下沉区,在GIN海域通过深层对流形成深层水。气旋式环流异常位于GIN海域,加强了Ekman上升流,使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生。与此同时GIN海域的海表热通量是负异常,使GIN海域的上层海水冷却,这样也使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生。大气变化对大西洋THC年代际变化的影响有两个途径:一类是间接影响,通过调整北大西洋副极地环流的强度,影响法鲁海峡高盐入流水的强度,从而影响GIN海域深层水的生成;另一类是直接影响,通过风应力旋度和海表热通量直接影响GIN海域深层水的生成。4自变量与自适应时代的拉伸和混合层深度指数的分析北大西洋深层水的两个主要生成源地是GIN海域和拉不拉多海,在这两个海域通过垂直深层对流,表层水密度增加下沉变为深层水。混合层深度是表征深层水生成率强弱的一个重要物理量,混和层深度越深表明垂直的深层对流越强,有更多的表层水密度增加下沉变为深层水。将拉不拉多海表层密度指数定义为45°～60°N,60°～40°W海区上500m的平均密度;拉不拉多海混合层深度指数定义为上述海区平均混合层深度;GIN海域表层密度指数定义为65°～75°N,20°W—5°E海区上250m的平均密度;GIN海域混合层深度指数定义为上述海区平均混合层深度。图8是拉不拉多海和GIN海域表层密度指数(虚线)以及混合层深度指数(实线)和MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后相关。由图8可见,当时滞是-8a的时候,拉不拉多海表层密度指数以及混合层深度指数和MOC第一主分量PC1达到最大正相关,相关系数为0.2和0.3;当时滞是-3a的时候,GIN海域表层密度指数以及混合层深度指数和MOC第一主分量PC1达到最大正相关,相关系数为0.42和0.53。由此表明,GIN海域的深层对流相对于拉不拉多海对大西洋THC年代际振荡的影响更大,二者的关系更加紧密。由前面的分析结果可知格陵兰-苏格兰海脊溢流水的变化领先MOC的变化3a,且为正相关。这表明当GIN海域的深层对流达到最强时,格陵兰-苏格兰海脊溢流水强度达到最大,其原因是格陵兰-苏格兰海脊溢流水来源于GIN海域由于深层对流形成的深层水,故此溢流水达到最强的3a后MOC达到最强。图9是北大西洋表层密度(上250m平均)和混合层深度与MOC第一主分量的超前/滞后回归系数分布。由此图可以看出,当时滞是-8a的时候,拉不拉多海的表层密度和混合层深度呈现最大正异常;当时滞是-3a的时候,GIN海域的表层密度和混合层深度呈现最大正异常,这同上面的结果一致。图10是GIN海域表层密度(Den),表层温度变化引起的表层密度变化(Den(T))以及表层盐度变化(Den(S))引起的表层密度变化和MOC第一主分量(PC1)的超前/滞后相关。如图10所示,Den和MOC的PC1以及Den(S)和MOC的PC1在时滞为-3a的时候同时达到最大正相关,相关的同步性非常好;而Den(T)和MOC的PC1的相关同Den和MOC的PC1相关没有明显的同步性。这表明GIN海域表层密度的变化主要是由盐度变化效应引起的。5大气要素变化对营造对比的影响本文基于对大西洋THC年代际振荡机制的最新研究进展,针对北大西洋海气要素对大西洋THC年代际振荡的贡献和GIN海域对大西洋THC年代际变化的影响,进行了系统而全面的探讨,得出结论如下:北大西洋海气要素变化对大西洋THC年代际振荡有非常重要的调制作用。副极地海区表层密度变化领先MOC变化7a,北大西洋暖流的变化领先MOC变化4a,格陵兰-苏格兰海脊溢流水强度(包括丹麦海峡溢流水和法鲁海峡溢流水,是北大西洋深层水的重要来源)的变化领先MOC的变化3a。研究揭示当GIN海域的深层对流达到最强时,格陵兰-苏格兰海脊溢流水强度达到最大,其原因为格陵兰-苏格兰海脊溢流水来源于GIN海域由于深层对流形成的深层水,这也是溢流水达到最强