周舒嵐，林霄沛，張進樂

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東青島，266100；2.國家海洋局廈門海洋預報臺，福建廈門，361008）

北太平洋冬季SST、風場及環(huán)流對淡水強迫的響應＊

周舒嵐1，林霄沛1，張進樂2

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東青島，266100；2.國家海洋局廈門海洋預報臺，福建廈門，361008）

通過海氣耦合模式CCSM3（The Community Climate System Model version 3），研究在北大西洋高緯度淡水強迫下，北太平洋冬季的海表溫度SST、風場及流場的響應及其區(qū)域性差異。結果表明：淡水的注入使北太平洋整體變冷，但有部分區(qū)域異常增暖；在太平洋東部赤道兩側，SST的變化出現(xiàn)北負南正的偶極子型分布。阿留申低壓北移的同時中緯度西風減弱，熱帶附近東北信風增強。黑潮和南赤道流減弱，北太平洋副熱帶逆流和北赤道流增強，日本海被南向流控制。風場及流場的改變共同導致了北太平洋SST異常出現(xiàn)復雜的空間差異：北太平洋中高緯度SST的降溫主要由大氣過程決定，海洋動力過程主要影響黑潮、日本海及副熱帶逆流區(qū)域的SST，太平洋熱帶地區(qū)SST異常由大氣與海洋共同主導。

北太平洋；冬季；淡水強迫；海表溫度；風場；流場

全球氣候變化下區(qū)域氣候變化是目前國際研究的熱點，其中海洋環(huán)流被普遍認為是影響氣候變化的關鍵因子。歷史上曾多次發(fā)生相似的氣候突變事件，如12ka B.P.的新仙女木期。Broecker等根據(jù)格陵蘭冰芯推斷出在末次冰期結束時，Laurentide冰蓋撤退后將融化的淡水注入大西洋，導致了大西洋經向翻轉環(huán)流（簡稱AMOC）中斷［1］，這一結論目前較為公認；也有研究認為，隨著溫室氣體的排放增加，全球氣溫升高，會最終導致大洋的熱鹽環(huán)流減弱［2－4］。

AMOC是大洋熱鹽環(huán)流的主體部分，其減弱或停止會引起全球大氣與海洋的變化。大量研究證明，AMOC對高緯度海區(qū)的表面浮力（特別是鹽度通量）的變化是非常敏感的［5－11］。該海區(qū)冰川所帶來的淡水會增加海表面浮力并改變AMOC平衡態(tài)或導致其暫時中斷［12－16］。模擬全球氣候變暖時在北大西洋高緯度地區(qū)可能產生的淡水源，能夠預測在淡水強迫條件下未來氣候可能產生的極端變化。

對于淡水強迫，全球氣候變化在區(qū)域海洋中的響應（溫度、流場等）并不是一致的。在北大西洋高緯度地區(qū)加入淡水強迫后，AMOC迅速減弱或中斷，導致北大西洋顯著變冷；南大西洋略為升溫，大西洋熱帶輻合帶（ITCZ，Intertropical Convergence Zone）南移［17－19］。這些響應在古氣候記錄和若干模式運行結果中均得到體現(xiàn)［17－23］。然而，氣候的冷卻并非只局限于北大西洋，而是出現(xiàn)在整個北半球。當AMOC減弱至中斷時，北太平洋溫度顯著降低，各種模式結果和古氣候記錄也顯示了北太平洋的這種響應［7，10，19－28］。一些模式結果中，熱帶太平洋東部的海表面溫度（SST，Sea Surface Temperature）異常呈現(xiàn)出厄爾尼諾或拉尼娜的形態(tài)，最大異常值出現(xiàn)在赤道附近［17，20］；另一些模式則顯示出了類似大西洋北負南正的偶極子模態(tài)［21－22］。海溫對氣候變化的響應是比較復雜的。目前在研究北太平洋SST對淡水強迫的響應機制時，更多聚焦在大氣過程對其的影響上，認為大氣運動（如大西洋高緯度地區(qū)與太平洋大氣的遙相關作用）是北太平洋冷卻的重要原因及驅動力［17，19］。但另一個原因也不可忽視：北大西洋在淡水輸入下海平面上升，白令海峽的貫通流翻轉，把冷水和淡水從北冰洋輸入到北太平洋，也顯著地影響了北太平洋的熱鹽平衡［19，29－32］。因此除了大氣過程，海洋動力過程（如平流熱輸送）也是影響海溫變化，特別是產生溫度分布區(qū)域性差異的重要因素。目前在北太平洋范圍內對這種海洋動力過程的研究較為少見，因而系統(tǒng)地研究淡水強迫下北太平洋大氣與海洋的響應，對于全面認識并預測太平洋區(qū)域氣候變化十分必要。

本文應用海氣耦合模式CCSM3（The Community Climate System Model version 3）所執(zhí)行的1組淡水試驗，主要研究北太平洋冬季海溫、風場及流場對北大西洋高緯度淡水強迫的響應，以期更好地理解認識極端氣候事件下的海洋與大氣變化，提高對未來氣候的預測能力。

1 模式介紹和試驗設計

1.1 模式介紹

海氣耦合模式CCSM（The Community Climate System Model）包括大氣、海洋、海冰、陸地4個組成部分，通過耦合器實現(xiàn)這4個子模式間的耦合。本文所用的模式是2004年6月發(fā)布的版本CCSM3，其中大氣模式是CAM3版本，陸地模式是CLM3版本，海冰模式是CSIM5版本，海洋模式是基于POP 1.4.3版本。使用網(wǎng)格為中等分辨率的T42×1，即大氣與陸地模式采用T42網(wǎng)格，海冰與海洋模式為近1°的水平分辨率，海洋垂直為40層［33］。在完全耦合的條件下，該模式完成了1 000a的長期積分（控制試驗）。

1.2 淡水強迫試驗設計

所謂淡水強迫試驗（Water－h(huán)osing experiments）是指在北大西洋50°N～70°N地區(qū)人為地加入持續(xù)的淡水通量，以減弱甚至中斷AMOC，并研究在這個條件下全球氣候的響應［2］。本文所用的數(shù)據(jù)是基于CCSM3模式，加入1Sv（1Sv＝106m3·s－1）的淡水通量，持續(xù)積分100a，利用最后30a的結果進行分析。本文所用的淡水試驗數(shù)據(jù)基于CCSM3模式，持續(xù)積分100a，期間注入的淡水通量始終保持1Sv（1Sv＝106m3·s－1），此注入量相當于全球所有河流的總量，足以使大西洋熱鹽環(huán)流減弱至中斷［18］，并且在100a后會導致全球平均海平面高度增加9m［19］。根據(jù)前人的研究結果，最初的幾十年里，1Sv的淡水強迫會使大西洋熱鹽環(huán)流的強度迅速衰減，并出現(xiàn)較大的震蕩；之后其強度逐漸恢復，趨勢較為平穩(wěn)。本文取最后30年的結果與控制實驗做比較。

2 結果與分析

2.1 無淡水強迫下的海表溫度、風場及流場

作為淡水試驗的參照，控制試驗顯示出在當今氣候條件下冬季的北太平洋SST、海表面風場與海洋上層流場，結果如圖1。

SST等溫線呈緯向帶狀分布，平均溫度22℃，最高溫度可達31℃，位于西太平洋赤道附近海域。黑潮和北太平洋副熱帶逆流從熱帶地區(qū)流向較高緯度地區(qū)，將熱量向北輸送，導致北太平洋西邊界及夏威夷島以西，等溫線均偏離帶狀分布向極地彎曲。

北太平洋冬季風場（見圖1b）顯示，在高緯度地區(qū)存在1個強大的氣旋式大氣環(huán)流，其低壓中心約在178°W、55°N，稱為阿留申低壓。北太平洋副高壓則位于大洋東部，34°N附近，強度較弱；位于緯度帶0°N～25°N盛行東南風，32°N～45°N盛行西風。

圖1 無淡水強迫下冬季北太平洋的SST（a）（等值線間隔為2℃）、海表面風場（b）（等值線表示風速，間隔0.5m／s；箭頭表示風向）和上層579m平均流場（c）（等值線表示流速，間隔1cm／s；箭頭表示流向）Fig.1 The SST（a）（contour interval is 2℃），sea surface wind（b）（contour is wind speed and its interval is 0.5m／s，arrow shows its direction）and mean ocean current in upper 579mof North Pacific in boreal winter in the control run（c）（contour is current velocity and its interval is 1cm／s，arrow shows its direction）

從圖1c的流場圖上可以清楚地分辨出太平洋上層主要的環(huán)流，如強勁的東風作用下的南北赤道流以及赤道逆流；北太平洋西邊界流黑潮及其延伸體；黑潮向日本海的分支對馬暖流。同時還能看到夏威夷島以西存在一支東北向逆風流，其位置與北太平洋副熱帶逆流相符［34－35］。

綜上所述，模式結果基本合理，能大致再現(xiàn)北太平洋的主要環(huán)流結構。模式結果是合理可靠的。基于該模式進行的淡水強迫試驗結果，可以用來研究北太平洋大氣與海洋動力過程與海溫變化的關系。

2.2 SST對淡水強迫的響應

圖2是淡水試驗對比控制試驗得出的北太平洋冬季SST異常。可以看出，SST對1Sv的淡水強迫有明顯的響應并具有復雜的空間分布特征。SST異常在赤道兩端呈現(xiàn)出偶極子形態(tài)：赤道以北地區(qū)（0°N～60°N）溫度降低，平均降幅1.7℃，赤道以南地區(qū)（0°S～20°S）SST平均升溫0.3℃。

北太平洋中高緯度地區(qū)（35°N～60°N、150°E～150°W）是降溫幅度最大的地區(qū)，平均降溫3.2℃。其中降幅最高值出現(xiàn)在日本海，超過7℃。次高值在40°N、160°E附近，幅度可達5℃以上。黑潮流域降溫信號相對較弱，SST異常值在－2℃左右；特別是黑潮上游20°N～24°N附近，SST異常值只有－1℃左右。同樣的，北赤道流及北太平洋副熱帶逆流區(qū)域的降溫相對不明顯，幅度在1℃以下。在北半球總體變冷的背景下，靠近夏威夷島西北側的副熱帶逆流區(qū)域還出現(xiàn)了異常增暖的現(xiàn)象，增幅最大可達1℃。從圖2還可以看出，太平洋赤道以南（0°～20°S）東西溫差加大略有減小，升溫主要集中在南美洲西側5°S～20°S附近海域，最大值為1℃左右。

圖2 淡水強迫下冬季北太平洋海表溫度（SST）與控制試驗的差異Fig.2 SST anomaly of North Pacific in boreal winter

2.3 風場對淡水強迫的響應

圖3是冬季北太平洋風場對淡水強迫的響應?？梢钥闯?，阿留申低壓北移至172°W、56°N，其原來所在區(qū)域的風速平均增加0.4m／s，最大增幅2.2m／s。增強的風速引起北太平洋高緯度的冷水加速向東輸送，使中高緯海域出現(xiàn)較強的冷信號。在25°N～45°N間的西風減弱，風速平均減小0.6m／s，最小值出現(xiàn)的地區(qū)靠近日本島，降幅在1.8m／s左右。

跨越中美洲海峽的大氣響應顯著，0°～18°N之間的東北信風增強并略為南移，促進了北太平洋東南部低緯度的冷水加速向西輸送，導致低緯度海區(qū)的SST下降。6°S～12°N附近風速平均增加0.8m／s，最大值出現(xiàn)在南美洲海岸附近，大于4m／s。這是由于淡水的注入，使得AMOC中斷，熱帶大西洋的冷異常加強了跨越中美洲的東北信風。風場的增強使熱帶太平洋大氣與大西洋的干冷空氣產生強烈的深對流，加強了海表面湍流熱通量、海洋上層混合及上升流。通過觸發(fā)東北太平洋風—蒸發(fā)—海表溫度反饋（WES feedback），冷卻了北太平洋熱帶東部，造成了圖2中太平洋赤道以南SST異常的東西差異。

圖3 淡水強迫下冬季北太平洋海表面風場與控制試驗的差異Fig.3 Sea surface wind speed anomaly of North Pacific in boreal winter

日本海海域的風速減小了0.2～0.6m／s，在黑潮流域風速略為增強，幅度在1m／s以下；黑潮形成區(qū)域（18°N附近）的風場減弱0.8m／s左右。副熱帶逆流所在區(qū)域的風場增強，幅度在1m／s左右。但在這些區(qū)域，風場的變化不足以解釋SST的響應機制，仍需結合流場進行分析。

2.4 流場對淡水強迫的響應

分析1Sv淡水強迫下的北半球冬季及夏季流場（圖未列）可以發(fā)現(xiàn)，白令海峽貫通流均由控制試驗的南向流翻轉為北向流，與其他模式運行結果相符合［30－32］。這種翻轉現(xiàn)象的出現(xiàn)會導致北冰洋相對較冷的海水及試驗中所加入的部分淡水流入北太平洋，是聯(lián)系AMOC在淡水強迫條件下的中斷與北太平洋的冷卻現(xiàn)象的重要原因之一［19］。

北太平洋上層流場異常（見圖4）顯示，在北太平洋的35°N～60°N地區(qū)，流速相對于控制試驗變化較小，基本在1cm／s以下，不足以解釋圖2中該區(qū)域SST的劇烈降低，猜測主要是大氣冷卻的作用所導致。流速對淡水強迫的響應并不顯著，對比圖3中該區(qū)域的風場異常，可以推斷北太平洋高緯度地區(qū)SST的響應主要由大氣過程控制。

在北太平洋的西邊界，黑潮中上游流軸略向西移，平均流速約減少6～10cm／s，最大值在20°N附近，可達15cm／s以上；黑潮延伸體平均流速約減少2～5 cm／s。分別在24°N和132°E取2個斷面計算黑潮的流量，位置如圖5。結果表明，在淡水強迫下，黑潮在斷面1上的流量比控制試驗減少3.1Sv；斷面2上減少了4.3Sv。由此可見，淡水強迫減弱了黑潮及黑潮延伸體的強度，使黑潮攜帶的熱量更多的滯留在斷面1和2之間，這與圖2中黑潮中上游地區(qū)降溫相對不明顯的位置相吻合。黑潮延伸體的減弱，可以解釋其影響區(qū)域在西風減弱背景下依然冷卻的現(xiàn)象（見圖2）。受黑潮減弱的影響，其分支對馬暖流在對馬海峽處流速減小10～19cm／s。對馬暖流向日本海輸送的熱量減少，導致了日本海SST出現(xiàn)強烈的負異常。因此，在黑潮流域和日本海，SST對淡水強迫的響應主要受到海洋熱平流作用的影響。

圖4 淡水強迫下冬季北太平洋上層579m平均流場與控制試驗的差異Fig.4 Mean ocean current velocity anomaly in upper 579mof North Pacific in boreal winter

從圖4的流場變化上還可以清楚地看到，淡水強迫使北太平洋副熱帶逆流增強，在175°W附近其流量比控制試驗增加約1.3Sv，在169°W左右其流軸向北移動約2°。這支逆風流主要是由西北太平洋模態(tài)水導致的上層海洋密度梯度的改變而產生的［36］。副熱帶逆流從西向東，從低緯度流向高緯度，攜帶出低緯度西太平洋溫度相對較高的海水，導致其流域的SST在風場增強的背景下出現(xiàn)異常增暖（見圖2，3）。因此，在北太平洋副熱帶逆流區(qū)域，SST的變化同樣由海洋的動力過程控制。

在熱帶地區(qū)，由于東風的加強（見圖3），北赤道流平均流速增加15～23cm／s，在160°E的斷面處流量增加29.9Sv左右。盡管流量增加，對應北赤道區(qū)域的SST異常卻為負值（見圖2）。相反地，南赤道流平均流速減少10～14cm／s，在120°W處的斷面流量減少17.4Sv左右，對應南赤道流區(qū)域的SST異常為正值。由于WES反饋的存在，熱帶太平洋地區(qū)大氣與海洋的相互作用極為更為強烈［17，19，37］，因此該區(qū)域的SST響應可以被視作大氣過程和海洋過程共同起主導作用。

圖5 淡水強迫下冬季黑潮流域上層579m平均流速異常及斷面位置Fig.5 Mean ocean current velocity anomaly in upper 579mof Kurshio in winter and the position of the selected section

3 結論

本文基于海氣耦合模式CCSM3的淡水強迫試驗，分別從海表溫度SST、風場及流場幾個角度分析了冬季北太平洋對淡水強迫的響應。主要結論有：

（1）北大西洋高緯度淡水的注入使北太平洋整體變冷，但SST的變化并非一致，而是呈現(xiàn)復雜的區(qū)域性差異：SST異常在太平洋東部赤道兩側形成北負南正的偶極子型分布；在北太平洋中高緯度及日本海地區(qū)冷卻信號最強；黑潮中上游的SST降溫相對不明顯；在副熱帶逆流部分流域出現(xiàn)升溫。這些差異是由大氣和海洋動力共同作用決定的。

（2）阿留申低壓向北移動；北太平洋中緯度西部西風減弱；黑潮及北太平洋副熱帶逆流區(qū)域的風場增強；東北信風增強且南移。

（3）北太平洋熱帶地區(qū)南北赤道流呈現(xiàn)相反的變化，北赤道流增強，南赤道流減弱。黑潮流速及流量均減少，日本海內部的南向流增強，北向流減弱；北太平洋副熱帶逆流增強。

（4）北太平洋中高緯度地區(qū)的SST異常主要受大氣過程影響，而黑潮、日本海及副熱帶逆流區(qū)域主要受海洋動力過程影響；熱帶太平洋則受大氣和海洋動力過程的共同影響。

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The Response of North Pacific Sea Surface Temperature，Wind Speed and Ocean Circulation to the Freshwater Forcing in Boreal Winter

ZHOU Shu－Lan1，LIN Xiao－Pei1，ZHNAG Jin－Le2
（1.College of Physical and Environment Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Xiamen Marine Forecasting Center，State Oceanic Administration，Xiamen 361008，China）

The changes and its regional differences of sea surface temperature，wind speed and ocean circulation in North Pacific Ocean induced by freshwater input in North Atlantic Ocean are investigated using The Community Climate System Model version 3（CCSM 3）.The analyses are based on boreal winter responses.The results demonstrate as follow：warming in particular areas on North Pacific Ocean although cooling is dominated；SST increases on south of the equator in the eastern tropical Pacific and causes tropical SST dipole.Aleutian low is shifted northward while midlatitude westerlies are weakened；the northeast trades are intensified in tropical Pacific.Kurshio and south equatorial current are weakened while subtropical countercurrent and north equatorial current are intensified.The southward currents play a crucial role in Japan Sea.The changing of wind and ocean current together cause SST in north Pacific anomaly distributes in a complex space variability.The cooling in North Pacific mid and high latitudes are dominated by atmospheric processes.Ocean dynamic process mainly affects the area of Kuroshio，Japan Sea and subtropical countercurrent.But tropical Pacific SST anomaly results from a mixed effect of atmosphere and ocean.

North Pacific Ocean；winter；freshwater forcing；SST；wind speed；sea water velocity

P722

A

1672－5174（2012）05－014－06

國家自然科學基金項目（40976004，40921004，40930844）；國家基礎研究規(guī)劃項目（2007CB411804）；高等學校創(chuàng)新引智計劃項目（B07036）；教育部新世紀優(yōu)秀人才項目（NECT－07－0781）資助

2011－04－11；

2011－05－07

周舒嵐（1986－），女，碩士生。E－mail：zsl516＠gmail.com

責任編輯 龐 旻