呂慶平張 瑰張東凌張勝軍

(1.中國人民解放軍91001部隊(duì),北京100143;2.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部,江蘇 南京211101;3.中國科學(xué)院 大氣物理研究所,北京100029;4.中國人民解放軍92192部隊(duì),浙江 寧波315122)

隨著海洋觀測資料的長時間積累和數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品的不斷推出,20世紀(jì)90年代后,10 a及以上年代際尺度的海洋氣候變化成為國際氣候?qū)W研究中的熱點(diǎn)問題。2008年,Di Lorenzo[1]對東北太平洋海域的海表面高度(Sea Surface Height,SSH)定義了一個新的氣候模態(tài),北太平洋環(huán)流振蕩(North Pacific Gyre Oscillation,NPGO),即東北太平洋(180°～110°W,25°～62°N)SSHA EOF 分解第二模態(tài)。NPGO 模態(tài)不僅很好地反映了風(fēng)應(yīng)力和海表面鹽度距平的變化,而且與東北太平洋中生物變量的變化趨勢相關(guān)性很高。由于海表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)和SSH 的變化趨勢相關(guān)較高[2],所以SST 的年代際變化也能反映NPGO 模態(tài)[3]。

NPGO 和北太平洋年代際振蕩模態(tài)(Pacific Decadal Oscillation,PDO)都是中緯度北太平洋SST 的主要模態(tài),觀測和海洋環(huán)流模式均揭示出NPGO 模態(tài)和PDO 模態(tài)分別對應(yīng)于特定的大氣強(qiáng)迫場[4-6]:PDO 模態(tài)對應(yīng)于阿留申低壓(Aleutian Low,AL)異常強(qiáng)迫,而NPGO 則對應(yīng)于北太平洋濤動(North Pacific Oscillation,NPO)的異常強(qiáng)迫。AL 異常是北太平洋海平面氣壓(Surface Level Pressure,SLP)異常變率的EOF(Empirical Orthogonal Function)分解第一模態(tài),而NPO 是北太平洋SLP 異常變率的EOF 分解第二模態(tài)。NPGO 模態(tài)和PDO 模態(tài)及其對應(yīng)的特定大氣異常強(qiáng)迫可以從長時間序列的觀測資料中得到[7],這一結(jié)果得到了IPCC AR4海氣耦合模式結(jié)果的驗(yàn)證[8]。然而,以往的工作大多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[9-10],難以解釋NPGO 模態(tài)形成的物理機(jī)制,本文利用大洋環(huán)流模式來探索NPGO 的形成機(jī)理,這樣物理意義更加明確。

1 資料與方法

1.1 資料

研究使用的緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速、海面風(fēng)速、海平面氣壓、海表氣溫、相對濕度、凈短波輻射和總云量等資料來自于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP/NCAR),空間分辨率為2.5°×2.5°,時間范圍為1948年1月至2006年12月,共計(jì)708個月;月平均SST 資料來自于美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(National Climatic Data Center,NCDC)[11],空間分辨率為2°×2°。此外,本文還引入了NPGO 指數(shù)[1],該指數(shù)反映了NPGO 的強(qiáng)弱。月平均SST 資料和NPGO 指數(shù)的時間范圍均為1958年1月至2006年12月,共588個月。

1.2 場相似度概念

本文引入了曾慶存等[12-14]提出的場相似度概念,用以表示2個物理量場空間分布結(jié)構(gòu)的相似(相關(guān))程度。2個物理量場F1,F2的場相似度為R=(F1,F2)/(‖F(xiàn)1‖·‖F(xiàn)2‖),(F1,F2)表示F1與F2的內(nèi)積,‖F(xiàn)1‖ 和‖F(xiàn)2‖ 分別是F1和F2的范數(shù),且-1≤R≤1。 當(dāng)R=1時,場F1與場F2的空間分布結(jié)構(gòu)相同;當(dāng)R=-1時,場F1與場F2空間分布態(tài)勢一樣,但空間位相配置相反;當(dāng)R=0時這2個場正交,即兩者不相關(guān)。|R|越大,則表示這兩個場相關(guān)程度越高,其空間場的分布態(tài)勢也越接近。

1.3 大洋環(huán)流模式簡介

我們使用的海洋環(huán)流模式是李東輝[17]在L30T63大洋環(huán)流模式[15-16]基礎(chǔ)上改進(jìn)的準(zhǔn)全球海洋環(huán)流模式,并將其命名為OGCM1。OGCM1提高了L30T63大洋環(huán)流模式的水平分辨率,將原有的緯向網(wǎng)格加密到1.5°,經(jīng)向網(wǎng)格加密到1°;垂直分辨率則保持不變,仍為不等距的30層,其中最上面300 m 有12 層,各層間距都是25 m,這使溫躍層內(nèi)的分辨率得以提高。該模式最大海深為5600 m。除個別地方外,該模式保留了L30T63 OGCM 的動力框架和物理過程。該模式不考慮北冰洋,北邊界取到65°N,南邊界取到68°S,全球海洋除北冰洋外幾乎為該模式所包含。在南北邊界取剛壁邊界條件,溫鹽法向?qū)?shù)取為0。模式海底地形場從美國海軍海洋辦公室(Naval Oceanographic Office)的DBDB5(Digital Bathymetric Data Base 5 min)的海洋深度資料中提取,DBDB5 的分辨率則為(1/12)°×(1/12)°。

使用數(shù)值模式進(jìn)行試驗(yàn)前,首先要得到模式的穩(wěn)定狀態(tài)。王力群等[18]使用氣候態(tài)強(qiáng)迫場,對OGCM1模式從靜止?fàn)顟B(tài)積分至1000年結(jié)束,然后將模擬結(jié)果與SODA 海洋同化資料氣候平均值進(jìn)行比較分析,結(jié)果與實(shí)況基本一致,可認(rèn)為此時模式達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。本文的數(shù)值模擬和試驗(yàn)均在該穩(wěn)定狀態(tài)上進(jìn)行。

模式的強(qiáng)迫場包括緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速、海面風(fēng)速、海平面氣壓、海表氣溫、相對濕度、凈短波輻射和總云量等,其中通過緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速、海面風(fēng)速、海平面氣壓和海表氣溫可分別計(jì)算得到緯向風(fēng)應(yīng)力和經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力;通過海平面氣壓、海面氣溫和相對濕度可得到飽和水汽壓;而模式初始的溫鹽場則使用Levitus氣候平均溫鹽資料,在本文的數(shù)值實(shí)驗(yàn)中,初始溫鹽場均照此選取,不再贅述。

本文在模式穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)上,加進(jìn)各物理量強(qiáng)迫場,進(jìn)行數(shù)值模擬(控制試驗(yàn))以及氣候敏感性試驗(yàn)。在控制試驗(yàn)中,強(qiáng)迫場采用各年12個月各物理量的理想(假想)場或?qū)嶋H場,并積分至指定年數(shù),此時的強(qiáng)迫場具有月際、年際、年代際變化。在氣候敏感性試驗(yàn)中,一年12個月的強(qiáng)迫場則按照需要構(gòu)造,這種按需構(gòu)造的強(qiáng)迫場只有月際變化,而無年際、年代際變化。這兩種情況在該模式中可分別用開關(guān)EXP和CLM 來控制。當(dāng)進(jìn)行控制試驗(yàn)時,打開EXP開關(guān);當(dāng)進(jìn)行氣候控制試驗(yàn)時,打開CLM 開關(guān)。

在本文的數(shù)值模擬(控制試驗(yàn))中,取1948—2006年的NCEP/NCAR 的月平均資料作為大氣強(qiáng)迫場,積分59 a;并取后49 a的模式輸出結(jié)果作為1958—2006年實(shí)際大洋狀態(tài)的模擬場,而前10 a的結(jié)果舍棄不用。

該大洋模式將第一層(水深12.5 m)作為海表層,本文針對模式輸出場中的SST,對北太平洋海域模擬的冬季SSTA 進(jìn)行EOF 分析(這里SSTA 場由每年SST 場減去多年氣候平均場得到),以探討模擬場中NPGO 模態(tài)是否存在;此后,設(shè)計(jì)一系列敏感試驗(yàn),以探討海洋對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)和海洋中NPGO 模態(tài)形成的直接原因。本文北太平洋海域均指(110°E～110°W,24°～62°N)海域,而冬季則指1—3月的平均。

2 控制試驗(yàn)

為揭示北太平洋海域經(jīng)典NPGO 模態(tài)的空間結(jié)構(gòu),利用研究海域內(nèi)1958—2006 年冬季SSTA 與NPGO 指數(shù)進(jìn)行回歸分析。圖1為回歸系數(shù)場分布圖,可見:北太平洋上SSTA 呈南北向的偶極子分布,其北部的負(fù)值中心位于(165°～140°W,42°～48°N),南部的正值中心位于(180°E～165°W,27°～34°N),零線位于40°N 附近,這意味著北、南部的SST 分別有冷、暖異常,屬于經(jīng)典NPGO 的暖位相,圖中的正、負(fù)值區(qū)域?yàn)榕?、冷異常的范圍?/p>

為揭示模擬SST 場中NPGO 模態(tài)的存在性,對模擬的北太平洋海域冬季SSTA 做EOF 分析,第一、第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為33.68%和19.56%,均通過了North檢驗(yàn)。圖2為模擬的第二模態(tài)空間場,可以看出:SSTA 呈南負(fù)北正的偶極子分布,偶極子的正值中心位于(160°～150°W,40°～45°N),負(fù)值中心位于(170°E～165°W,24°～32°N),零線位于37°N 附近。模擬的第二模態(tài)空間場與經(jīng)典NPGO 模態(tài)空間場(圖1)基本一致,均呈偶極子分布,正、負(fù)中心位置也基本一致,只是正、負(fù)中心相反,類似于經(jīng)典NPGO 模態(tài)的冷位相。

圖1 實(shí)況SSTA 對NPGO 指數(shù)的回歸系數(shù)場Fig.1 Regression coefficient field of real SSTA against the NPGO index

此外,對模擬SSTA EOF 第二模態(tài)時間系數(shù)與NPGO 指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),相關(guān)系數(shù)絕對值為0.72,相關(guān)性較高;隨后,對其進(jìn)行小波分析發(fā)現(xiàn),存在主周期為13 a的年代際變化(圖略),這與NPGO 模態(tài)的周期一致[9]。上述結(jié)果表明,OGCM1模擬SSTA EOF 第二模態(tài)的時間系數(shù)與空間場,能夠重現(xiàn)NPGO模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)和時間演變,這說明該模式對NPGO 的模擬是成功的。

3 氣候敏感性試驗(yàn)

采用數(shù)值模式,進(jìn)一步進(jìn)行大氣強(qiáng)迫的氣候敏感性試驗(yàn),主要探討海洋對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)和海洋中NPGO 模態(tài)形成的直接原因。

在進(jìn)行氣候敏感性試驗(yàn)之前,首先進(jìn)行氣候控制試驗(yàn)。將大氣實(shí)況場中的各物理量進(jìn)行59 a(1948—2006年)的月氣候平均,將氣候月平均場作為大氣強(qiáng)迫場,稱之為氣候態(tài)強(qiáng)迫場;打開CLM 開關(guān),進(jìn)行59 a的積分,并稱之為氣候控制試驗(yàn)。此時每年的強(qiáng)迫均相同,也即強(qiáng)迫場只有月際變化,而無年際、年代際變化。

在氣候控制試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),輸出的第10年與第20年的冬季北太平洋SST 場相似度可達(dá)0.9995,表明輸出結(jié)果在積分約10 a后便可應(yīng)用;故在下面的氣候敏感性試驗(yàn)中,均只積分10 a,并取第10年的結(jié)果來做分析。

3.1 試驗(yàn)方案

圖3為進(jìn)行18個月高斯濾波后的1958—2006年間的NPGO 指數(shù)。將濾波后NPGO 指數(shù)超過+1的年份定義為NPGO 的正強(qiáng)年;反之,NPGO 指數(shù)低于-1的年份則定義為NPGO 的負(fù)強(qiáng)年。由此定義可知,NPGO 的 正強(qiáng)年 為1961年、1975年、1976年、1977年、1988年、1989年、1999年、2000年、2001年、2002年和2003年,共11 a。為揭示在NPGO 正強(qiáng)年期間,海洋對大氣的響應(yīng)特征;將NPGO 正強(qiáng)年的各月大氣強(qiáng)迫場分別做合成后,可得到相應(yīng)氣候正強(qiáng)年各月平均的大氣強(qiáng)迫場,用之進(jìn)行氣候敏感性試驗(yàn),并記為EXP1,該試驗(yàn)的強(qiáng)迫場只存在月際變化,而無年際、年代際變化。

3.2 結(jié)果分析

圖4為EXP1的SST 異常場的空間結(jié)構(gòu),這里SST 異常場為試驗(yàn)輸出SST 場與氣候控制試驗(yàn)中SST場的差值,后續(xù)試驗(yàn)SST 異常場與此相同。由圖4可見,該異常場的空間結(jié)構(gòu)與控制試驗(yàn)SSTA EOF分析第二模態(tài)(圖2)的空間場基本一致,也表現(xiàn)為北太平洋偶極子分布,與典型NPGO 模態(tài)的冷位相類似,只是該偶極子的正、負(fù)值中心偏西,零線略偏北(位于42°N 附近)。

圖4 EXP1的SST 異常場的空間結(jié)構(gòu)Fig.4 SST anomaly field of EXP1

以上結(jié)果表明,使用NPGO 氣候正強(qiáng)年的大氣強(qiáng)迫場來強(qiáng)迫該海洋模式,其SST 場的異常場能較好再現(xiàn)NPGO 的空間場特征。這說明采用該大洋環(huán)流模式研究海洋對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)是可行的。大氣強(qiáng)迫場的改變對NPGO 有非常明顯的影響,也即海洋的響應(yīng)強(qiáng)烈依賴于大氣的強(qiáng)迫,大氣強(qiáng)迫是造成NPGO 現(xiàn)象的直接原因。

4 動力與熱力強(qiáng)迫的影響

為進(jìn)一步探討強(qiáng)迫場中究竟何物理量對NPGO 模態(tài)的影響更顯著,本節(jié)將對NPGO 正強(qiáng)年強(qiáng)迫場的物理量進(jìn)行不同配置后,再進(jìn)行敏感試驗(yàn)。

大氣強(qiáng)迫場中緯向風(fēng)應(yīng)力、經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和海面風(fēng)速的強(qiáng)迫屬于動力強(qiáng)迫,海平面氣壓及海面氣溫屬于熱力強(qiáng)迫,飽和水汽壓由海平面氣壓及海表氣溫計(jì)算而得,而凈短波輻射及總云量亦屬熱力強(qiáng)迫范疇。對于熱力強(qiáng)迫,可將海平面氣壓、海表氣溫和飽和水汽壓稱為熱通量強(qiáng)迫,而將凈短波輻射和總云量稱為其他熱力強(qiáng)迫,簡稱為其他強(qiáng)迫?，F(xiàn)為考察動力強(qiáng)迫、熱通量強(qiáng)迫和其他強(qiáng)迫中各個物理量對NPGO 模態(tài)的不同影響,分別設(shè)計(jì)了2組敏感性試驗(yàn),各積分了10 a,并對積分第10年后的結(jié)果進(jìn)行分析討論。該2組試驗(yàn)除物理量強(qiáng)迫的選取不同外,其他試驗(yàn)流程和處理方案都與上節(jié)的氣候敏感性試驗(yàn)相同。

4.1 第一組試驗(yàn)

第一組敏感性試驗(yàn)共有3個,分別稱之為EXP2,EXP3和EXP4,其試驗(yàn)方案見表1。表中物理量取1值,表示采用試驗(yàn)EXP1中的強(qiáng)迫場,即NPGO 氣候正強(qiáng)年的強(qiáng)迫場;物理量取0值,表示采用氣候控制試驗(yàn)中的強(qiáng)迫場,即氣候態(tài)強(qiáng)迫場。這就表明,若某物理量取1值,則該物理量帶有NPGO 正強(qiáng)年的信息,若取0值,則不帶此信息。

圖5a～5c為試驗(yàn)EXP2～EXP4輸出的SST 場異常場,由圖5可知:EXP2～EXP4的SST 異常在北太平洋均存在偶極子分布,只是當(dāng)風(fēng)場動力強(qiáng)迫取氣候態(tài)時(EXP2),SST 異常場(圖5a)在西海岸處與典型NPGO 模態(tài)(圖4)有所差異;當(dāng)熱通量強(qiáng)迫取氣候態(tài)時(EXP3),SST 異常場(圖5b)的北太平洋偶極子中心值較弱,且西海岸處出現(xiàn)一個負(fù)異常中心;當(dāng)只有其他強(qiáng)迫取氣候態(tài)時(EXP4),SST 異常場(圖5c)類似于典型NPGO 模態(tài)的冷位相,與圖4基本相同。

為進(jìn)一步定量化上述試驗(yàn)與NPGO 模態(tài)的差異,分別計(jì)算了EXP2～EXP4 中的各SST 異常場與EXP1 中的SST 異常場的場相似度。結(jié)果顯示:動力強(qiáng)迫(EXP2)對NPGO 模態(tài)的影響最大,其場相似度最小,僅為0.6447;熱通量強(qiáng)迫(EXP3)對NPGO 模態(tài)的影響次之,其場相似度為0.7930;而其他強(qiáng)迫對NPGO 模態(tài)的影響很小,其場相似度高達(dá)0.9974,接近于1。

表1 敏感性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table1 Configuration of sensitivity experiments

圖5 第一組試驗(yàn)SST 異常場的空間結(jié)構(gòu)Fig.5 SST anomaly fields of the first group of experiments

4.2 第二組試驗(yàn)

由第一組試驗(yàn)可知,凈短波輻射和總云量對NPGO 模態(tài)幾乎無影響,故在第二組試驗(yàn)中均取EXP1中的合成異常場。為進(jìn)一步揭示強(qiáng)迫場中哪個物理量對NPGO 模態(tài)的影響更大,根據(jù)大氣強(qiáng)迫場中的6個物理量,即緯向風(fēng)應(yīng)力、經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、海面風(fēng)速、海平面氣壓、海面氣溫及飽和水汽壓,設(shè)計(jì)了6個敏感性試驗(yàn)。6個氣候敏感性試驗(yàn)分別改變強(qiáng)迫場中的6個物理量場,并記為EXP5～EXP10。表2為這些試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案,表中值取0和1的意義與第一組試驗(yàn)相同,不再贅述。

表2 敏感性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 2 Configuration of sensitivity experiments

為判定表2中各物理量對形成NPGO 模態(tài)的相對重要性,這里也分別計(jì)算了EXP5～EXP10中的SST異常場與EXP1 中的SST 異常場的場相似度,其值分別為0.7600,0.9788,0.9602,0.9992,0.9653 和0.9446。由場相似度的大小可知:緯向風(fēng)應(yīng)力(EXP5)對NPGO 模態(tài)的影響最大,其場相似度值最小,為0.7600。飽和水汽壓(EXP10)、海面風(fēng)速(EXP7)、海面氣溫(EXP9)的影響次之,場相似度值分別為0.9446,0.9602,0.9653。海平面氣壓(EXP8)的影響最小,其場相似度值為0.9992。盡管單獨(dú)緯向風(fēng)應(yīng)力對NPGO模態(tài)的影響最大,但仍不如整個風(fēng)場的動力強(qiáng)迫作用大,因EXP2與EXP1的場相似度為0.6447,其值更小;不過單獨(dú)的緯向風(fēng)應(yīng)力對NPGO 模態(tài)的影響仍較第一組試驗(yàn)中的熱通量強(qiáng)迫要大,因前者的場相似度值為0.7600,后者為0.7930。上述事實(shí)表明,大氣強(qiáng)迫場中的多個物理量必須協(xié)同作用,相互配合才能強(qiáng)迫得到海洋中的NPGO 模態(tài),NPGO 現(xiàn)象是大氣動力強(qiáng)迫和熱通量強(qiáng)迫相互配合的結(jié)果。

最后要指出的是:對于氣候尺度的真實(shí)大氣,因其具有準(zhǔn)地轉(zhuǎn)、準(zhǔn)靜力的性質(zhì),故動力強(qiáng)迫與熱力強(qiáng)迫兩者不是獨(dú)立的;當(dāng)存在動力強(qiáng)迫異常時,必然存在熱力強(qiáng)迫的異常,反之亦然。由此可知,在如表2所示的敏感性試驗(yàn)中,有些在實(shí)際中可能是很難或不會出現(xiàn)的,因其僅給出了動力或熱力異常,而其他強(qiáng)迫則取正常(氣候值),故這些試驗(yàn)中的強(qiáng)迫場在實(shí)際中可能并不存在。然而,利用這些敏感性試驗(yàn)可探討某些實(shí)際現(xiàn)象與所研究問題的內(nèi)在聯(lián)系,并揭示其物理機(jī)制,而這正是這些敏感性試驗(yàn)的必要及有意義之處。當(dāng)然,也要看到這些敏感性試驗(yàn)局限的一面,在分析時合理對待。

5 結(jié) 語

本文使用大洋環(huán)流模式OGCM1做了控制試驗(yàn)、氣候控制試驗(yàn)和氣候敏感性試驗(yàn),并與實(shí)況資料做了對比分析,探討了海洋對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)及NPGO 模態(tài)形成的直接原因,所得主要結(jié)論有:

1)對數(shù)值模擬的SSTA 場做了EOF分解后,發(fā)現(xiàn)其第二模態(tài)的空間場在北太平洋呈南北偶極子分布,類似于經(jīng)典的NPGO 模態(tài);時間系數(shù)具有13 a的年代際變化周期,與NPGO 指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.72,這表明對NPGO 的模擬是成功的。

2)使用NPGO 模態(tài)正強(qiáng)年的合成強(qiáng)迫場來強(qiáng)迫該模式,SST 場的異常場能較好再現(xiàn)NPGO 的空間場特征;故采用該模式來研究海洋對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)是可行的,且發(fā)現(xiàn)海洋狀態(tài)強(qiáng)烈依賴于大氣強(qiáng)迫。

3)風(fēng)場動力強(qiáng)迫對NPGO 模態(tài)的影響最大,其中更以緯向風(fēng)應(yīng)力居首,大氣強(qiáng)迫場中的各物理量必須共同作用,相互配合才能強(qiáng)迫得到海洋中的NPGO 模態(tài),NPGO 現(xiàn)象是海洋對大氣各物理量綜合強(qiáng)迫的直接響應(yīng)。

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