基于MOM 4模式的太平洋區(qū)域環(huán)流模式的模擬評(píng)估與分析*

劉成彥

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

基于MOM 4模式的太平洋區(qū)域環(huán)流模式的模擬評(píng)估與分析*

劉成彥

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

本文初步評(píng)估基于MOM 4海洋環(huán)流模式建立的較高分辨率(0.25(°)×0.25(°))太平洋區(qū)域環(huán)流模式的模擬能力。研究表明,模式較好的再現(xiàn)了氣候態(tài)的海表面溫度、鹽度、流、海表高度、等密面位渦模態(tài)、混合層深度等水平分布場(chǎng);同時(shí)也較為準(zhǔn)確地模擬了黑潮流軸的流量,溫鹽流結(jié)構(gòu)等。相對(duì)于低分辨率模式,具有高分辨率的模式能有效地控制黑潮的流幅,以及黑潮離岸的位置,并且對(duì)模態(tài)水的模擬也比較清晰。

北太平洋;高分辨率模式;氣候態(tài)模擬;黑潮

太平洋是地球上面積最大的海域,它對(duì)全球的氣候有著重要的影響。赤道太平洋上的ENSO事件是最顯著的年際信號(hào)之一[1-3]。另外,通過大氣橋和海洋通道,ENSO的信號(hào)能夠波及全球,從而影響當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蟠髿庾兓痆4-5]。在年代際時(shí)間尺度上,太平洋年代際振蕩(PDO)是中緯度海洋-大氣變化最顯著的信號(hào)之一[6]。其中黑潮延伸體處的海氣相互作用是產(chǎn)生PDO的可能機(jī)制之一[7]。鑒于太平洋在全球氣候系統(tǒng)中起的作用,尤其是黑潮及其延伸體對(duì)氣候的影響,本文在這里試圖構(gòu)建1個(gè)較高分辨率的太平洋環(huán)流模型,為太平洋環(huán)流動(dòng)力學(xué)及氣候的研究提供1個(gè)有力的研究工具。

計(jì)算機(jī)條件的不斷成熟為高分辨率的海洋模擬提供了可能性。分辨率的提高對(duì)地形的刻畫更加精確,也使得混合,對(duì)流,中尺度渦等現(xiàn)象的模擬過程中對(duì)參數(shù)化的依賴程度逐漸降低,同時(shí)減小了海表面強(qiáng)迫場(chǎng)的誤差。前人的研究表明高分辨率海洋模式可以有效地控制在粗分辨率模式中溫躍層較深,較寬,黑潮延伸體偏北的偏差(GA TES[8]),同時(shí)對(duì)西邊界流的模擬也更加細(xì)致。近年來(lái)以針對(duì)北太平洋的高分辨率模式研究也獲得了許多成果,如Qu等[9]用日本海洋科學(xué)技術(shù)中心(Japan M arine Science and Technology Center JAM STEC)基于MOM 2研發(fā)的高分辨率(1/4)(°)模式探究了北太平洋模態(tài)水的潛沉率;Kei[10]以緯向(1/36)(°)、徑向(1/54)(°)的超高分辨率研究了親潮的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和季節(jié)變化。同樣,日本海洋科學(xué)技術(shù)中心開發(fā)的高分辨率的海洋環(huán)流模式也用來(lái)評(píng)估了NEC分叉點(diǎn)的季節(jié)和年際變化(Kim等[11])。Bunmei[12]基于MOM 3研發(fā)的(1/10)(°)渦分辨率的模式結(jié)果分析了黑潮延伸體的年代際變化。Hiroyuki[13]使用緯向(1/4)(°)、徑向(1/6)(°)分辨率的MRI.COM研究了北太洋模態(tài)水的形成和循環(huán)。

本文使用MOM 4建立了1個(gè)較高分辨率的太平洋大洋環(huán)流模式,以此來(lái)評(píng)估MOM 4對(duì)北太平洋環(huán)流整體的模擬能力,包括環(huán)流的季節(jié)變化,一方面為下一步將模式提高到渦分辨率的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃奠定基礎(chǔ),同時(shí)也為將要開展的針對(duì)北太平洋環(huán)流的不同模式模擬能力比對(duì)提供參考。

1 模式簡(jiǎn)介和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文使用的數(shù)值模式是美國(guó)普林斯頓大學(xué)地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory,GFDL)開發(fā)的模塊化大洋環(huán)流模式——Modular Ocean Model Version 4.1(MOM 4)。MOM以數(shù)值方法求解海水靜力學(xué)原始方程,最初是作為研究全球,區(qū)域和近岸海洋氣候系統(tǒng)的工具。MOM 4是GFDL海洋模式最新的版本,而它最早的研發(fā)工作可追溯至1960年代。

本實(shí)驗(yàn)使用MOM 4來(lái)進(jìn)行太平洋的大洋環(huán)流模擬。本文采用了1個(gè)局部加細(xì)的高分辨率網(wǎng)格:在30°S～75°N、30°E～70°W區(qū)域之間,網(wǎng)格水平分辨率為0.25(°)×0.25(°),其外的網(wǎng)格精度為5(°);垂直方向?yàn)椴坏染嗟?2層。此分辨率實(shí)驗(yàn)在氣候平均風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下積分30 a,其中上邊界條件使用的是NCEP氣候態(tài)風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)和CORE.v2[14]——Common Ocean-ice Reference Experiments的氣候態(tài)熱通量場(chǎng),積分過程中海表面的表面鹽度和溫度分別向Levitus氣候態(tài)平均SST和SSS恢復(fù)。模式在積分30 a后達(dá)到穩(wěn)定,再用CORE.v2數(shù)據(jù)集的風(fēng)速場(chǎng),熱通量場(chǎng)從1985—2005年實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng),其強(qiáng)迫場(chǎng)的時(shí)間間隔是6 h,空間為不規(guī)則網(wǎng)格。在實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)20 a后,得到20 a的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的結(jié)果,考慮模式強(qiáng)迫場(chǎng)轉(zhuǎn)換所需的調(diào)整時(shí)間,本文取后15 a平衡態(tài)的結(jié)果分析。

本文采用SODA再分析資料與模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。SODA是美國(guó)馬里蘭大學(xué)(Maryland University)開發(fā)的海洋同化資料,是在全球海洋環(huán)流模式MOM(Modular Ocean Model)基礎(chǔ)上融合衛(wèi)星觀測(cè)和實(shí)測(cè)資料進(jìn)行實(shí)時(shí)同化再分析得到的格點(diǎn)化海洋再分析產(chǎn)品,其中有風(fēng)應(yīng)力、溫度、鹽度、二維流速和海表面高度等7個(gè)變量[15],包括1958—2007年的逐月數(shù)據(jù),水平空間分辨率為0.25(°)×0.4(°)(投影到0.5(°)×0.5(°)網(wǎng)格),垂向上自海表至海底分為40層。模式強(qiáng)迫場(chǎng)采用歐洲氣象中心(European Centre for Medium-Range Weather Fo recasts,ECWM F)40 a再分析資料(ECWM F 40 year reanalysis data archive,ERA 40)的逐日表面風(fēng)場(chǎng)。總體而言,SODA資料在時(shí)間和空間上具有很好的連續(xù)性,資料要素也較為完整,能夠很好地刻畫海洋的精細(xì)特征。

2 MOM 4對(duì)太平洋基本物理量的模擬

MOM 4較好地模擬了海表面溫度的氣候態(tài)特征(未展示)。在北太平洋中緯度大洋內(nèi)區(qū),等溫線基本呈緯向帶狀分布,并在西北太平洋黑潮親潮延伸體處(KOE)形成了很強(qiáng)的溫度鋒。溫度的這種不對(duì)稱性分布主要與高溫高鹽的(低溫低鹽)西邊界流黑潮(親潮)有關(guān)。西邊界流的存在造成了流經(jīng)區(qū)域強(qiáng)的溫度鋒。MOM 4模擬的中緯度溫度鋒與SODA類似。在赤道太平洋,暖池與冷舌的存在形成了很強(qiáng)的緯向溫度梯度。冷舌區(qū)SST的強(qiáng)度與SODA模擬的結(jié)果相當(dāng),而暖池區(qū)模擬的SST比SODA高2℃左右。暖池區(qū)海溫的偏高可能與熱通量強(qiáng)迫場(chǎng)的偏差、模式誤差等因素有關(guān)。另外,MOM 4很好地模擬出了SST的季節(jié)變化,如暖池的季節(jié)南北移動(dòng),西邊界流鋒冬季強(qiáng)夏季弱的特征,冷舌秋季強(qiáng)春季弱的特點(diǎn)等。

MOM 4對(duì)海表面鹽度(SSS)的模擬結(jié)果與SODA接近(未展示)。鹽度的分布基本與凈淡水通量場(chǎng)(蒸發(fā)減降水)對(duì)應(yīng):在蒸發(fā)比較強(qiáng)的副熱帶,鹽度較高,而在降水較多的副極地和ITCZ區(qū),鹽度較低。另外,鹽度的分布也受海流的影響,例如在西邊界流區(qū)存在著很強(qiáng)的鹽度鋒,這主要與黑潮(親潮)的高鹽(低鹽)特性有關(guān)。

MOM 4模擬的氣候態(tài)流函數(shù)的分布與SODA資料的結(jié)果相似(見圖1a,b)。在北太平洋副熱帶海域,負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度驅(qū)動(dòng)起了順時(shí)針的副熱帶環(huán)流,即正的流函數(shù)值。反之,在副極地海域?yàn)樨?fù)的流函數(shù)值。總體而言,MOM 4模擬的流函數(shù)值在副熱帶海區(qū)較SODA資料偏小,而在副極地海域較SODA資料偏大,這在海表面高度圖中也得以體現(xiàn)(見圖1e,f)。這種量上的偏差可能與風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫場(chǎng)的誤差有關(guān)。值得注意的是,相對(duì)于SODA的結(jié)果,MOM 4中的流函數(shù)零線的位置偏南,意味著黑潮離開西邊界匯入大洋內(nèi)區(qū)的分離點(diǎn)被有效地控制住,沒有出現(xiàn)很多低分辨率模式模擬的黑潮延伸體過于向北入射的現(xiàn)象。這在接下來(lái)的流場(chǎng)圖中也很清楚地體現(xiàn)出(見圖1c,d)。

MOM 4較為合理地模擬了黑潮的分離點(diǎn)(見圖1c,d)。在中緯度海區(qū),黑潮離開西邊界匯入大洋的分離點(diǎn)位于35°N,減少了大部分低分辨率模式中黑潮過于向北入射的問題。但是模式結(jié)果中黑潮延伸體位置偏北的現(xiàn)象依然存在,并且由于此現(xiàn)象出現(xiàn)導(dǎo)致中部模態(tài)水形成區(qū)位置偏北。同時(shí),黑潮和親潮的流幅也模擬地與觀測(cè)較為接近。但是,MOM模擬的一大缺陷是中緯度的慣性回流區(qū)太弱。這可能跟模式的地形,非線性參數(shù)化方案有關(guān)。另一方面,MOM模擬的赤道流系的分布與SODA氣候態(tài)比較相似,北赤道流系(NEC)主要位于10°N～15°N之間,北赤道逆流(NECC)大體位置在5°N～10°N之間。NEC的分叉點(diǎn)與SODA資料也非常相似,但是NEC與NECC的主軸略微偏南。

模態(tài)水的形成是北太平洋1個(gè)重要的物理過程,其主要特征為層結(jié)弱、位勢(shì)渦度低。3月是模態(tài)水潛沉率最大的時(shí)期,因此本文主要考察MOM 4中3月北太平洋各個(gè)主要等密面上的位渦(PV)分布。從位渦的分布中,可以清楚地看到北太平洋西部、中部和東部模態(tài)水(見圖2)。從24.7,25.5和25 kg/m3等密面中可以看到比較清晰的西部和東部模態(tài)水。前人的研究表明西部模態(tài)水主要是受到穿越等密面的平流影響,而東部模態(tài)水則主要由局地風(fēng)應(yīng)力旋度改變?cè)斐傻臐摮磷饔每刂芠16]。從27 kg/m3等密面則可以看到中部模態(tài)水,它主要受到平流的影響[17],中部模態(tài)水的形成位置比較偏北,這也主要是由于模式的黑潮延伸體位置偏北的現(xiàn)象造成。總體而言,MOM 4較為合理地模擬出了北太平洋模態(tài)水的分布,但是未能模擬出日本以東的交換區(qū)的模態(tài)水(見圖2f)。

模態(tài)水的形成與冬季混合層密切相關(guān)(見圖3)。在北太平洋,MOM 4模擬的混合層最深的地區(qū)在黑潮流經(jīng)區(qū)域及KOE地區(qū),這主要與這個(gè)區(qū)域的風(fēng)的攪拌以及潛熱損失導(dǎo)致的浮力強(qiáng)迫有關(guān)。與SODA資料相比,MOM 4模擬的混合層深度普遍偏深,尤其是在黑潮延伸體地區(qū),深度超過100 m,且范圍向東延伸至150°E。這可能是MOM 4的西部和中部模態(tài)水(見圖2c,e)強(qiáng)于SODA資料中的模態(tài)水(見圖2d,f)的原因之一。另一方面,與東部模態(tài)水形成相關(guān)的潛沉區(qū)(20°N,135°W)處的混合層深度模式與SODA資料比較接近。相應(yīng)地,兩者模擬的東部模態(tài)水的位置和范圍也比較一致。

混合層深度的年較差直接影響模態(tài)水形成區(qū)的局地項(xiàng),MOM 4模擬的混合層深度的年較差(見圖4a)集中于35°N、180°E,呈現(xiàn)出向東北傾斜的帶狀分布,表明位于中部模態(tài)水形成區(qū)中的低緯度地區(qū)中的形成因素中局地項(xiàng)可能占到了很大的比例,而年際變化的標(biāo)準(zhǔn)方差(見圖4b)較大的區(qū)域集中在40°N的緯度帶,180°E的核心區(qū)域意味著在混合層的年際變化影響較大的情況下模式模擬結(jié)果里中部模態(tài)水可能會(huì)有較大的年際變化。

圖1 (a)MOM 4氣候態(tài)正壓流函數(shù)分布(單位:Sv),(c)MOM 4上層200m平均流場(chǎng)(單位:m/s),(e)MOM 4海表面高度布(單位:m)(b)SODA氣候態(tài)正壓流函數(shù)分布(單位:Sv),(d)SODA上層200m平均流場(chǎng)(單位:m/s),(f)SODA海表面高度布(單位:m)Fig.1 (a)Climatological barotropic streamfunction(unit is Sv),(c)flow filed averaged in the upper 200m(unit ism/s)and(e)sea surface height(unit ism)respectively in the MOM 4 simulation.(b)(d)(f):Same as(a),(c),(e),respectively,but in SODA reanalysis

圖2 MOM 4(a)24.7(c)25.5(e)27位密面上的位渦的分布(單位:10-10 m-1·s-1),(b),(d),(f):SODA資料的結(jié)果,同(a),(c),(f)Fig.2 Potential vorticity along different poential density p lane(unit is 10-10m-1·s-1)(a)24.7,(c)25.5,(e)27 in MOM 4,(b),(d),(f):Same as(a),(c),(e)respectively,but with SODA reanalysis data

圖3 北太平洋混合層深度Fig.3 North Pacific mixed layer dep th

圖4 北太平洋混合層標(biāo)準(zhǔn)方差Fig.4 Statabdard of North pacific mixed layer depth

3 MOM 4對(duì)斷面溫鹽及流量的模擬

為檢驗(yàn)MOM 4對(duì)北太平洋溫躍層的模擬能力,作者選擇137°E斷面作為示例。該斷面等溫線在副熱帶海區(qū)下凹,在熱帶和中緯度迅速抬升,從而在中緯度形成很強(qiáng)的溫度鋒(見圖5a),這與SODA資料的結(jié)果比較一致(見圖5b)。不管是在中緯度地區(qū)(30°N～35°N)還是在熱帶地區(qū)(5°N～15°N)地區(qū),MOM 4模擬的溫躍層的變化比SODA平緩,意味著MOM模擬的黑潮、北赤道流以及北赤道逆流都比SODA弱。

圖5 137°E斷面上MOM 4模擬的(a)溫度(單位:℃)、(c)鹽度(單位:psu)、(e)緯向流速(單位:m/s)、(f)位渦的分布(單位:10-10m-1·s-1)及(b),(d),(f),(h)的SODA的模擬結(jié)果同(a)(c)(e)(f)Fig.5 (a)Temperature(unit is℃)(c)Salinity(unit is psu)(e)Zonal velocity(unit ism/s)(f)Potential vorticity(unit is 10-10m-1·s-1)along 137°E section in MOM 4 and(b)(d)(f)(h)are same as(a),(c),(e),(f)respectively,but with SODA reanalysis

MOM 4模擬的137°E斷面上的鹽度分布與SODA資料在結(jié)構(gòu)上比較相似,但在量上有一定的差異(見圖5c,d)。在表層降水較多的ITCZ地區(qū)和中緯度KOE地區(qū),鹽度相對(duì)低,而在蒸發(fā)比較強(qiáng)的副熱帶,鹽度較高。總體而言,相對(duì)與SODA資料,MOM 4模擬的鹽度偏低。在次表層,1個(gè)很明顯的現(xiàn)象是副熱帶的高鹽舌向南入侵,甚至可抵達(dá)赤道潛流區(qū),意味著赤道潛流中的高鹽水有一部分可能來(lái)自于副熱帶[18],這在MOM 4和SODA中都清楚地展現(xiàn)出來(lái)。

MOM 4模擬的緯向流場(chǎng)分布在位置上與SODA對(duì)應(yīng)(見圖5e,f),但是在量上,除了北赤道流系,其它流系都偏弱。與SODA資料明顯的區(qū)別是,MOM 4沒有模擬出西太平洋慣性回流,這可能與模式對(duì)非線性的處理方法及參數(shù)化方案有關(guān)系。另外南赤道流系和北赤道逆流模擬地也很弱,這可能受南面開邊界的影響。

MOM 4和SODA資料均顯示137°E斷面上的高位渦水主要集中在NEC流區(qū)的次表層,其核心區(qū)域深度大約在100～150 m,異常信號(hào)很難穿越這個(gè)障礙到低緯度,因此被稱之為位渦障礙區(qū)。另外,MOM 4模擬的低位渦水主要集中在25°N～25°N的上200 m,相比之下,SODA在該海區(qū)的低位渦水不太明顯。

總體而言,從137°E斷面來(lái)看,MOM 4較好地模擬了北太平洋內(nèi)區(qū)的溫、鹽、環(huán)流結(jié)構(gòu),下面進(jìn)一步考察MOM 4對(duì)黑潮的模擬能力,主要從黑潮源地(18°N),臺(tái)灣以東(22°N),東海黑潮(PN斷面)以及黑潮延伸體(150°E)4個(gè)斷面來(lái)探討。

18°N斷面上,MOM 4與SODA資料的溫鹽結(jié)果基本一致(圖未展示),等溫線在50 m以下基本呈緯向分布,而在西邊界有很強(qiáng)的溫度鋒,這主要是由于黑潮攜帶的高溫水體導(dǎo)致的等溫線下凹所導(dǎo)致的。而在上50 m的混合層內(nèi),等溫線基本呈垂直分布。上混合層有明顯的季節(jié)變化,冬季混合層較深,夏季混合層較淺。在混合層以下,季節(jié)變化不明顯。在鹽度剖面上可以看出在上混合層,等鹽線呈垂直分布,混合層以下,250 m以上有很明顯的副熱帶大洋內(nèi)區(qū)延伸過來(lái)的高鹽舌,而在250 m以下,等鹽線基本呈緯向帶狀分布。另外在西邊界,受黑潮的影響存在著很強(qiáng)的鹽度鋒。

18°N斷面上徑向流速在MOM 4與SODA資料中對(duì)應(yīng)得比較好,量值相當(dāng)且位置也比較一致(見圖6a,b)。在西邊界陡峭的等溫線、等鹽線附近存在著很強(qiáng)的向北流動(dòng)的西邊界流(熱成風(fēng)關(guān)系可知),相比之下,大洋內(nèi)區(qū)的流動(dòng)符號(hào)相反且非常小。

總體而言,18°N斷面處MOM的模擬與SODA資料非常接近,這為以后的研究提供了可信度。另外在其它的沿黑潮流軸的斷面上,如臺(tái)灣以東22°N斷面,PN斷面等,結(jié)果都與18°N斷面類似,在這里不再重復(fù)。

日本以東150°E斷面上溫度場(chǎng)、鹽度場(chǎng)(未展示)的結(jié)構(gòu)與137°E斷面上類似,都呈典型的碗狀結(jié)構(gòu)。然而MOM 4模擬的中緯度的鋒區(qū)比SODA模擬的強(qiáng)度要強(qiáng),充分體現(xiàn)了分辨率高的優(yōu)越性。在鹽度剖面上,同樣在中緯度存在著很強(qiáng)的鹽度鋒,且MOM 4模擬的強(qiáng)度更強(qiáng)。鹽度的分布結(jié)構(gòu)與137°E斷面類似,在降雨較多的ITCZ和KOE地區(qū)鹽度較低,而在蒸發(fā)較強(qiáng)的副熱帶鹽度較高。另外在15°N～30°N的等鹽線是露頭的,并且這些高鹽水能夠在次表層向南入侵,直至赤道潛流區(qū)。這一現(xiàn)象在位渦剖面圖中也能清楚地看到(見圖6e):25°N～35°N冬季露頭的低位渦水向下并向南入侵。然而SODA資料中位渦潛沉的現(xiàn)象并不明顯(見圖6f)。總得來(lái)說(shuō),MOM 4模擬的模態(tài)水潛沉現(xiàn)象比SODA更為明顯,也更接近實(shí)際。同時(shí),在10°N～20°N之間,MOM 4很好地模擬了高位渦障礙。在緯向流速場(chǎng)(見圖6c,d)中,流場(chǎng)與SODA相比特點(diǎn)是黑潮延伸體流速較小流域較寬。但是延伸體的位置被控制在40°N以南,克服了大多數(shù)模式中出現(xiàn)的黑潮延伸體過于偏北的癥狀。同樣其它流系雖然偏弱,但是位置還是與觀測(cè)比較相似。

本文用PN斷面的日本海洋數(shù)據(jù)中心的CTD觀測(cè)數(shù)據(jù)與MOM 4模擬結(jié)果做比較。在PN斷面上,MOM 4模擬的溫度垂向分布(見圖7c)模態(tài)呈現(xiàn)出在127.5°E存在高溫的區(qū)域,而溫度的觀測(cè)數(shù)據(jù)(見圖7d)表明此高溫的區(qū)域在127.5°E以西,而且溫度比模式模擬結(jié)果略高1.5℃。這可能表明在觀測(cè)資料中黑潮的路徑比MOM 4模式模擬中更加偏西一些,并且流量也可能大于模擬結(jié)果。MOM 4模擬結(jié)果中黑潮路徑的偏差也許與模式的地形空間分辨率有關(guān),此外模式的垂向混合系數(shù)與實(shí)際的偏差也導(dǎo)致了該高溫區(qū)的深度達(dá)到了100 m左右,大于觀測(cè)中的50 m左右。而MOM 4模擬的鹽度在PN斷面上的分布(見圖7a)則與觀測(cè)中的鹽度分布(見圖7a)比較相符,在200 m深度上都呈現(xiàn)出從東部延伸至西部的高鹽度鋒面。

北赤道流分叉點(diǎn)的緯度分布(見圖8)在MOM 4模擬結(jié)果體現(xiàn)出與SODA資料基本一致的季節(jié)變化。模式模擬結(jié)果和SODA資料都呈現(xiàn)出夏季北赤道流的分叉點(diǎn)比冬季偏南,但是MOM 4模擬結(jié)果中分叉點(diǎn)位置全年都比SODA資料中的緯度偏南1(°)左右,這可能與模式驅(qū)動(dòng)場(chǎng)中風(fēng)應(yīng)力的緯度分布有關(guān)。

本文還比較了這幾個(gè)斷面上的流量。在18°N斷面上,MOM 4模擬的流量與SODA相當(dāng),但是在季節(jié)變化上還是有些區(qū)別(見圖9c)。SODA資料顯示此處的流量1 a有2個(gè)峰值,分別為3月和7月,但是MOM 4模擬的流量峰值只是在3月比較明顯,是典型的單峰結(jié)構(gòu)。而在150°E斷面上,MOM 4模擬的流量的季節(jié)變化與SODA一致,大致都在5月和9月達(dá)到極大值,但是SODA模擬的量值比MOM 4模擬大得多(見圖9d)。臺(tái)灣以東斷面和PN斷面兩種資料不僅在量上有差異,季節(jié)變化也不一致(見圖9a,b)。這些差異的原因可能是由好多方面決定的,如模式地形的精確性,強(qiáng)迫場(chǎng)的誤差,初始場(chǎng)的選擇,開邊界的方案,數(shù)據(jù)同化的影響等。

圖6 MOM 4中(a)18°N斷面和(c)150°E斷面的經(jīng)向速度分布(單位:m/s);(e):MOM 4中150°E斷面上的位渦分布(單位:10-10m-1·s-1);(b)(d)(f)為SODA資料的結(jié)果,同(a)(c)(e)Fig.6 Meridional velocity(unit ism/s)along(a)18°N and(c)150°E section in MOM 4.(e)Potential vorticity along 150°E section in MOM 4(unit is 10-10m-1·s-1)and(b),(d),(f)are same as(a),(c),(e)respectively,but in SODA reanalysis

圖7 (a):MOM 4中PN斷面的鹽度(單位:psu);(c):MOM 4中PN斷面的溫度(單位:℃);(b)(d)觀測(cè)結(jié)果同(a)(c)Fig.7 (a)Salinity(unit is psu)along PN section in MOM 4;(c)Temperature(unit is℃)and(a)(c)are same as(b),(d)respectively,but with oberservation

圖8 北赤道流分叉點(diǎn)緯度位置Fig.8 The latitude of the North Equatorial Current bifurcation

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)評(píng)估了高分辨率的MOM 4模式對(duì)北太平洋氣候態(tài)的模擬狀況。本文采用了CORE風(fēng)速資料和熱通量資料來(lái)強(qiáng)迫北太平洋局部加細(xì)的大洋環(huán)流模式,并使其在穩(wěn)定后的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)積分20 a。取后15 a平均的結(jié)果作為穩(wěn)定態(tài)的模擬結(jié)果。同時(shí)與SODA再分析資料作比較,從而來(lái)評(píng)估MOM 4的模擬能力。基本結(jié)論如下:

MOM 4較好地模擬了海洋基本物理量水平場(chǎng)(溫,鹽,流,SSH,PV,混合層深度)的氣候態(tài)分布。SST的模擬在大洋內(nèi)區(qū)基本呈緯向分布,在西邊界受西邊界流的影響存在著很強(qiáng)的溫度鋒。北太平洋中緯度模擬地也比較好,KOE地區(qū)溫度鋒的強(qiáng)度和位置接近觀測(cè),且與SODA資料的結(jié)果相近。但是在赤道太平洋海域,暖池的溫度模擬得偏高,這可能與加的上邊界熱通量強(qiáng)迫有關(guān)。鹽度的模擬與SODA的結(jié)果比較一致。鹽度的分布在大洋內(nèi)區(qū)主要與凈淡水通量有關(guān),在西邊界同時(shí)受海流的影響。MOM 4很好地模擬了黑潮的流軸,流幅,黑潮大彎曲現(xiàn)象,同時(shí)也很好地控制了大多數(shù)低分辨模式模擬的黑潮向北穿越現(xiàn)象,充分體現(xiàn)了分辨率提高的優(yōu)越性。但是在中緯度西太平洋,MOM 4模擬的慣性回流非常弱,這可能跟地形數(shù)據(jù)的精確性,參數(shù)化方案等有關(guān)系。MOM 4對(duì)SSH的模擬符合動(dòng)力學(xué)基本原理,在副熱帶海區(qū)是SSH的高值區(qū),在副極地海域是SSH的低值區(qū)。值得注意的是MOM 4對(duì)模態(tài)水模擬得十分清晰,北太平洋東部,西部,中部模態(tài)水都能夠很清楚地看到,這與高分辨率的優(yōu)勢(shì)是分不開的。另一方面,MOM 4準(zhǔn)確地再現(xiàn)了北太平洋冬季混合層的分布,與SODA資料的結(jié)果比較一致。

圖9 各個(gè)斷面西邊界流流量(單位:Sv)Fig.9 Transport of western boundary current along different section(Unit:Sv)

通過幾個(gè)經(jīng)典斷面的分析比較,發(fā)現(xiàn)MOM 4較好地抓住了海洋次表層的基本特征。在經(jīng)向斷面上(137°E,150°E),溫度的分布都呈碗狀結(jié)構(gòu),在副熱帶海域,等溫線下凹,在赤道和中緯度,等溫線迅速抬升。并且在中緯度KOE地區(qū)都存在著很強(qiáng)的溫度鋒。緯向流的分布與溫度場(chǎng)的結(jié)構(gòu)有著很好的熱成風(fēng)配置關(guān)系。基本流系的位置與SODA資料接近,但是在量值上偏弱。表層鹽度的模擬符合上邊界淡水通量的變化,次表層則突出了副熱帶高鹽水的向南入侵,暗示著赤道潛流的鹽度與中緯度高鹽區(qū)的聯(lián)系。次表層的入侵現(xiàn)象在PV分布圖中也可以清楚地看到。低位渦水在露頭區(qū)形成并向下向南潛沉,在MOM 4中這一現(xiàn)象比SODA資料的結(jié)果更為明顯。在緯向斷面上(18°N,22°N),上層50 m(混合層),等溫線,等鹽線呈垂直分布,50 m以下大洋內(nèi)等溫線區(qū)基本呈緯向帶狀分布,在西邊界受西邊界流的影響,等溫線發(fā)生彎曲且存在著很強(qiáng)的溫度鋒。等鹽線在混合層以下有明顯的大洋內(nèi)區(qū)延伸過來(lái)的高鹽舌,同時(shí)西邊界也存在著很強(qiáng)的鹽度鋒。這些現(xiàn)象MOM 4與SODA的結(jié)果是比較一致的。經(jīng)向流特別是向北流動(dòng)的黑潮無(wú)論在大小上還是在位置上,MOM 4模擬得都跟SODA很接近。

總體而言,MOM 4較好地模擬了北太平洋的基本物理特性,但是還是有一些不足,例如慣性回流的模擬,暖池的溫度偏差,黑潮流量的季節(jié)變化等。此外中部模態(tài)水的位置分布也受到了比較偏北的黑潮延伸體的影響,副熱帶逆流在模式結(jié)果中沒有能夠體現(xiàn)出來(lái),這需要以后更多的模擬和觀測(cè)來(lái)改進(jìn)和驗(yàn)證。造成以上不足的原因可能在于模式分空間辨率依然需要進(jìn)一步提高至渦分辨率級(jí)別,這樣會(huì)在模式中產(chǎn)生中尺度現(xiàn)象的影響;采用更加適合MOM 4模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)插值方式;進(jìn)一步調(diào)整垂向混合、水平混合、長(zhǎng)短波穿透率的參數(shù)化方案和回復(fù)場(chǎng)時(shí)間選擇方案等。

致謝:非常感謝吳立新教授對(duì)本文的悉心指導(dǎo),同時(shí)感謝俞永強(qiáng)研究員、劉海龍研究員,吳方華博士在模式設(shè)計(jì)上的指導(dǎo);張麗萍,馬浩在論文寫作過程中給予的協(xié)助。

[1] Tourre Y M,White W B.ENSO signals in global upper-ocean temperature[J].J Phys Ocean,1995,25:1317-1332.

[2] Tourre Y M,White W B.Evolution of the ENSO signal over the Indo-Pacific domain[J].J Phys Ocean,1997,27:683-696.

[3] Sobel A H,Held IM,Bretherton C S.The ENSO signal in tropical tropospheric temperature[J].Journal of Climate,2002,15:2702-2706.

[4] A lexander M A,Blad I,Newman M,et al.The atmospheric bridge:The influence of ENSO teleconnections on air sea interaction over the global oceans[J].Journal of Climate,2002,15:2205-2231.

[5] Peel M C,M cMahon T A,Finlayson B L.Variability of annual precipitation and its relationship to the El Ni?o-Southern Oscillation[J].Journal of Climate,2002b,15(5):545-551.

[6] Biondi F,Gershunov A,Cayan D R.North Pacific decadal climate variability since 1661[J].Journal of Climate,2001,14:5-10.

[7] Schneider N,Cornuelle B D.The forcing of the Pacific decadalos-cillation[J].Journal of Climate,2005,18:4355-4373.

[8] Gates W L,Mitchell J F B,Boer G J,et al.Climate modeling,climate prediction and model validation[C].∥Houghton J T,Canllendar B A,Varney S K.Climate change 1992[R].[s.l.]:The Supplementary Report to the IPCC Scientific Assessment.Cambridge University Press,1992:101-134.

[9] Qiu B,Huang R X.Ventilation of the North A tlantic and North Pacific:Subduction versus obduction[J].J Phys Ocean,1995,25:2374-2390.

[10] Sakamoto K,Tsujino H,Nishikawa S,et al.Dynamics of the coastal oyashio and its seasonal variation in a high-resolution western north Pacific oceanmodel[J].J Phys Ocean,2010,40:1283-1301.

[11] KiMy Y,Qu T,Jensen T,et al.Seasonal and interannual variationsof the NEC bifur-cation in a high-resolution OGCM[J].J Geophys Res,2004,109,C03040,doi:10.1029/2003JC002013.

[12] TaguchiB,Xie SP,Schneider N,et al.Decadal variability of the Kuroshio extension:Observations and an eddy-resolving model hindcast[J].Journal of Climate,2007,20:2357-2377.

[13] Tsujino H,Yasuda T.Formation and circulation of mode waters of the north Pacific in a high-resolution GCM[J].J PhysOcean,2004,34(2):399-415.

[14] Large W,Yeager S.Diurnal to decadal global forcing for ocean and sea-ice models:The data sets and flux climatologies[R].Boulder:Tech Note NCAR/TN-460+STR,CGD Div.of the Natl.Cent for A tmos Res,2004.

[15] Carton J A,Chepurin G,Gao X H,et al.A simple ocean data assimilation analysisof the global upper ocean 1950～1995[J].J Phys Ocean,2000,30:294-309.

[16] 潘愛軍,劉秦玉,劉征宇.層結(jié)穩(wěn)定性“豁口”與北太平洋副熱帶中部模態(tài)水形成機(jī)制[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(1):77-87.

[17] 胡海波,劉秦玉,劉偉.北太平洋副熱帶模態(tài)水形成區(qū)潛沉率的年際變化及其機(jī)制[J].海洋學(xué)報(bào),2006,28(2):22-28.

[18] Lu P,M cCreary J P,Klinger B A.Meridional circulation cells and the source watersof the Pacific Equatorial Undercurrent[J].J Phys Ocean,1998,28:62-84.

The Simulation Analysis and Evaluation of the Pacific Circulation Based on MOM 4

L IU Cheng-Yan
(The Laboratory of Physical Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

This paper evaluates the ability of a general circulation model based on MOM 4 model with high resolution(0.25(°)×0.25(°))to simulate regional No rth Pacific Ocean.The result show s that the sea surface climatology including temperature and salinity,sea surface height,mode water as well as mixed layer dep th field are reproduced well in MOM 4.Moreover,MOM 4 cap tures the position of Kuroshio axis,thermal structure,especially in the Kuroshio separation region.Compared to the low resolution model,a model with higher resolution is consistent with observation.Meanw hile,the mode water also becomes clearer.

North Pacific;high resolution;climatology simulation;kuroshio

P722

A

1672-5174(2011)09-009-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007CB411800)資助

2010-10-07;

2011-03-21

劉成彥(1983-),男,博士生。主要從事海-氣相互作用和氣候變化研究。E-mail:killy0804@ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻