南太平洋和南印度洋亞南極模態水潛沉率的長期變化趨勢*

劉 凱 高 山,4① 侯穎琳 趙 軍 王 凡,4

(1. 中國科學院海洋研究所 山東青島 266071; 2. 中國科學院海洋環流與波動重點實驗室 山東青島 266071; 3. 中國科學院大學 北京 100049; 4. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室 山東青島 266237)

亞南極模態水(sub-Antarctic mode water, SAMW)作為南半球大洋中重要的水團, 主要由冬季海面變冷主導的上層海水潛沉形成(Hanawaet al, 2001)。該水團形成的區域位于亞極地區域(sub-Antarctic zone,SAZ)。該區域的北界和南界分別是亞熱帶鋒面(sub-tropical front, STF)和亞極地鋒面(sub-Antarctic front, SAF)。亞南極模態水通過潛沉過程形成后, 會將大氣的信號通過通風過程傳遞到海洋內部(Robinsonet al, 1959; Welander, 1959; Luytenet al, 1983; Speeret al, 1992; Primeauet al, 2006; Liuet al, 2012;Trossmanet al, 2012)。通風的潛沉水繼而在主溫躍層的深度向北和向西運動, 進入中深層的亞熱帶環流圈當中參與大洋環流(McCartney, 1982; Sloyanet al,2001; Salléeet al, 2006; Joneset al, 2016)。亞南極模態水被證實在儲存和輸運熱量、氧氣、二氧化碳等方面均發揮著重要的作用(McNeilet al, 2001;Sloyanet al, 2001; Sabineet al, 2004; Sarmientoet al, 2004;Khatiwalaet al, 2009; Iudiconeet al, 2010; Salléeet al,2013; DeVrieset al, 2017)。隨著觀測資料和模式數據的逐年豐富, 我們已經對SAMW 的一些性質以及變化趨勢有了初步的認識。Gao 等(2018)通過分析Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)資料發現, SAMW 顯著地增厚、加深和變暖。該現象可以解釋65%的上層2 000 m 海洋熱含量的增加, 這為全球變暖間斷缺失的熱量提供了一個可能的去處。需要指出的是, 盡管SAMW 在整個南大洋都有生成, 但是生成率最高、水團面積最大的區域是在南印度洋和南太平洋(Salléeet al, 2006; Cerove?kiet al, 2013;Downeset al, 2017), 鑒于發現了SAMW 水團對氣候重要的調節作用, 圍繞這兩個區域的關于SAMW 趨勢和變率的研究成為了一個熱點。Hong 等(2020)的研究表明, 在Argo 觀測時段內, 南印度洋亞熱帶模態水(southeast Indian sub-Antarctic mode water, SEISAMW)的體積下降了10%, 并指出該變化主要由馬斯克林高壓變化相關的海表面強迫導致的, Qiu 等(2021)用CMIP6 氣候數據資料進一步證實了這一趨勢。然而在南太平洋, Qu等(2020)同樣使用Argo資料, 發現南太平洋SAMW的潛沉率存在準2 a周期的變率, 并且潛沉率存在長期增加的趨勢。這和Gao 等(2018)的結論是相符的。并且兩者都指出引起太平洋中該增加趨勢的是與南半球環狀模(southern annular mode, SAM)增強相關的西風增強。綜上來看, 南印度洋和南太平洋SAMW 水團體積表現出的相反的變化趨勢體現出兩個大洋對SAMW 有著不同的控制機制。

由于南太平洋和南印度洋SAMW 面積廣闊, 其性質并非均一。前人多采用將SAMW 看作整體的方式來研究南大洋SAMW 的變率, 這對于研究SAMW導致的整體的氣候效應具有顯而易見的意義。但是這樣卻無法體現出具體的區域差異性。既然南印度洋和南太平洋表現出了相反的變化趨勢, 那就說明很有可能在單一大洋內部同樣存在著趨勢變化不同的區域。為此, 本文使用1958～2016 年的長時間的OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式數據, 給出南太平洋和南印度洋的SAMW 潛沉率長期變化趨勢的空間分布。在驗證前人關于南太平洋和南印度洋SAMW 水團長期變化的研究結果的基礎上, 進一步分析了影響具體區域的潛沉率趨勢的主要因素, 并按照潛沉密度的空間分布來對SAMW 進行分組。這樣可以將對SAMW 長期趨勢的研究進行更細致的劃分, 從而抓住其影響氣候的主要部分。本文隨后的第一部分介紹了本研究使用的數據和潛沉率的計算方法。第二部分的結果分析中, 首先對OFES 模式對于潛沉率以及其他相關變量的模擬情況同觀測資料進行了比對評估, 得到長期平均結果下的潛沉率的分布, 給出了SAMW 潛沉率長期變化趨勢在南太平洋和南印度洋的空間分布結果, 然后我們對影響不同區域潛沉率趨勢的因素進行了系統分析。第三部分是對本文研究內容的總結。

1 數據與方法

1.1 數據介紹

OFES 是高分辨率的全球性的海洋模式(Masumotoet al, 2004; Sasakiet al, 2008), 該模式基于GFDL/NOAA (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration)的MOM3 (Modular Ocean Model)模式, 并改進為并行計算。該模式幾乎覆蓋了75.9°S～75.9°N 的除了北極海域的全球區域, 水平分辨率為1/10°, 垂向上從海面到5 850 m 深度處共分為了100 層, 每層的厚度參考了真實海洋的溫躍層厚度, 隨深度增加而逐漸變大, 即便是在較深的海洋中, 層與層之間的垂向間隔也沒有很大。模式的地形采用的是南安普頓中心奧卡姆(OCCAM)計劃測得的1/30°的地形測量數據, 動量方程中的水平湍流擴散項采用雙調和算子以抑制水平網格尺度的誤差, 垂直混合采用KPP 邊界層混合方案。表面熱通量采用NCEP/NCAR 的再分析數據的月平均輸出結果, 月平均風應力也是采用1950～1999年的NCEP/NCAR 的再分析數據, 溫鹽資料用的是WOA98 (World Ocean Atlas)的結果。在本文中, 采用的數據的時間跨度是從1958～2016 年。由于其較合理的模擬結果, OFES 數據在研究中得到了廣泛認可和采用(Masumoto, 2010; Melnichenkoet al, 2010)。

同時, 我們采用Argo 數據的結果來同OFES 模式的結果進行對比, Argo 數據是目前最重要的海洋觀測數據集之一, 自本世紀初以來, 已經有數千個Argo 浮標被布放到海洋當中, 獲取了從5～2 000 m 的典型上層海洋的溫度和鹽度(T/S)剖面。在這里使用的是夏威夷大學國際太平洋研究中心的亞太數據研究中心(Asia-Pacific Data Research Center, APDRC)(http://apdrc.soest.hawaii.edu/)根據Argo 剖面數據在1°×1°網格上建立的接近實時的月平均T/S 數據, 數據時間從2005 年1 月至今, 共有26 個垂直分層。這里使用了月平均的結果。根據該溫鹽數據資料, 我們計算出了相對于2 000 m 深靜止參考面的地轉流。計算Ekman 泵壓速度使用的風應力采用了NCEP 再分析數據集中的月平均的風場。

根據OFES 和Argo 的溫鹽數據資料, 計算了混合層深度。混合層深度的定義為海水位勢密度相對表層增加0.125 kg/m3(Gaoet al, 2014)的深度。

1.2 年潛沉率的拉格朗日計算方法

本文年潛沉率Sann的計算這里采用的是Qiu 等(1995)中采用的拉格朗日計算方法, 其原始計算公式為

由于OFES 模式輸出有垂直速度, 相比于用β螺旋和風應力來估算的垂直速度顯然更有優勢, 因此,本文中直接以模式中的垂直速度來代替, 計算公式得到簡化:

2 結果與分析

2.1 SAMW 潛沉率的長期平均狀態

OFES 模式數據對于海表面溫度和海表面鹽度的模擬與Argo 相比, 從分布到量值都幾乎完全一致(圖1a～1d)。由公式(2)看出, 混合層深度(mixed layer depth, MLD)是影響潛沉率的重要因素。在混合層深度的模擬上, 由OFES 計算得到的冬季混合層深度的空間分布圖像也同Argo 一樣, 存在著西北到東南的傾斜的條帶狀峰值區, 不同的是OFES 模式由同一判據計算得到的混合層深度的量值相比Argo 偏大(圖1e 和圖1f), 這很有可能是Argo 的垂向分辨率不高產生的差異。上述結果可知, 盡管存在一些量值上的差異, OFES 對于南大洋上層海洋的模擬還是比較準確的, 使用該數據計算的潛沉率是合理可信的。

圖1 長期平均(2005～2016 年)的南半球海表面溫度、海表面鹽度、冬季(9 月)混合層深度分布Fig.1 Long-term averaged southern hemisphere sea surface temperature, sea surface salinity, and mixed layer depth distribution in winter (September)

根據前人研究(Hanawaet al, 2001; Gaoet al,2018; Quet al, 2020), SAMW 通常被定義為在海表面密度26.5～27.1 kg/m3范圍內通過潛沉生成的水。在該范圍以南, 是強勁的南極繞極流(Antarctic circumpolar current, ACC), 通過SAF 向北的Ekman 輸送會迫使該范圍內的海水產生向下的Ekman 泵壓速度。另外, 中緯度強烈的季節變化使得該區域的混合層深度在深冬后快速變淺, 產生大量潛沉水。使用Argo 數據得到的潛沉率如圖2b 所示, 該結果與Qu 等(2020)等使用Argo 計算得到的潛沉率結果保持一致。而使用OFES 數據以傳統拉格朗日方法得到的在該區域多年平均的SAMW 潛沉率分布如圖2a 所示。結合混合層的空間分布來看(圖1e), 較大的潛沉率基本對應著冬季混合層較深的區域。在南印度洋中, 潛沉率的峰值位于60°～150°E 的經度范圍內, 在南太平洋中則位于150°～60°W 的范圍內, 并接近緯向分布。OFES 模式數據的潛沉率結果和Argo 的存在較好的一致性, 只是OFES 得到的潛沉的面積和量值要比Argo 更廣和更大, 這一點在印度洋中體現的尤為明顯。導致該差異的原因可能是由于OFES 的分辨率更高導致的混合層深度與Argo 的計算差異。另外, Argo 潛沉率的計算中采用的水平流場是地轉流, 垂直流速則是用風應力旋度加β螺旋進行的估計, 而OFES 則是直接使用模式輸出的流速, 因此, 使用OFES 計算潛沉率時的流體質點的運動軌跡更加合理。

圖2 使用OFES (a)和Argo (b)數據計算的長期平均(2005～2016 年)的SAMW 年潛沉率Fig.2 Long-term averaged (2005～2016) annual subduction rate in southern hemisphere ocean using OFES(a) and Argo(b) data

圖3 是長期平均的潛沉率的兩個分量, 垂向泵壓項和側向導入項的空間分布, 二者分別在不同程度上以不同的物理機制對潛沉率產生貢獻。可以看到側向導入項對于潛沉率的貢獻占絕對優勢, 而垂向泵壓項在海盆中則通常存在于較低緯度的熱帶海域,這主要是由于低緯度海區較強的風應力旋度導致,而對于本文研究的SAMW 潛沉區, 其貢獻則不是很大。該結果與前人的研究是一致的, Qu 等(2020)的研究表明, 長期平均的Argo 潛沉率的主分量是側向導入項。因為是混合層深度的變化是產生側向導入分量的重要因素[公式(2)], 所以混合層深度對于SAMW潛沉率的計算是至關重要的。

圖3 OFES 長期平均(2005～2016 年)的南半球大洋年潛沉率(a)、側向導入分量(b)、垂向泵壓分量(c)Fig.3 Long-term averaged (2005～2016) annual subduction rate (a), lateral induction component (b) and vertical pumping component (c)in southern hemisphere ocean using OFES data

2.2 SAMW 潛沉率的長期變化趨勢

如前文所述, 為了探究南印度洋和南太平洋SAMW 潛沉區中潛沉率變化趨勢具體的區域性差異,我們首先同前人一樣(Honget al, 2020; Quet al, 2020;Qiuet al, 2021)進行兩個大洋SAMW 整體潛沉量的研究。首先, 使用OFES 數據計算了1958～2015 年每年的SAMW 的潛沉率。在這里, 我們以150°E 作為南太平洋和南印度洋的分界, 并分別以海表面密度(sea surface density, SSD)為26.5 和27.1 kg/m3作為SAMW 潛沉區的北界和南界。然后, 統計出南印度洋和南太平洋在SAMW 潛沉區域中總的潛沉量的時間變化, 如圖4 所示, 兩個區域的潛沉量平均值大致相當, 均在4×107m3/s)左右, 但是在58 a 的長時間序列中, 兩個大洋的潛沉率變化呈現出相反的線性趨勢,即在太平洋中呈微弱的上升趨勢, 在印度洋則呈明顯下降的趨勢。該結果與已有的研究結果(Honget al,2020; Quet al, 2020; Qiuet al, 2021)相符。同時, 該結果反映出了兩個大洋中控制SAMW 整體變化趨勢的物理機制可能是不同的。

圖4 SAMW 潛沉區域總潛沉水量以及各分量潛沉水量的變化和線性趨勢Fig.4 Variation and linear trends of total and component subduction water volume in the SAMW subduction region

由于SAMW 空間分布極廣, 且其水團性質的差異較大, 所以通過整個區域的SAMW 總體水量的變化來進行研究并不能夠細致反映其具體的空間分布的變化特征。因此, 為了具體探究SAMW 潛沉率的長期變化趨勢的空間分布, 我們對該研究區域的每一點做了線性趨勢的分析。結果表明(圖5), SAMW 潛沉率的長期變化趨勢在空間上并不統一, 而是存在較大的區域差異。其中, 在南印度洋中, 其西北海域的SAMW 潛沉率有長期增加的趨勢, 而其東南海域中的潛沉率則普遍傾向于減小趨勢。而對于太平洋來說, 情況剛好相反, 在其西北海域是減小的趨勢, 而東南海域的潛沉率則是增加的趨勢。下面對SAMW不同區域的潛沉率趨勢分別進行系統的分析。

在南印度洋中, 從等密度線可以看出(圖5), 潛沉率呈上升趨勢的部分主要位于北部的海表面密度為26.5～26.8 kg/m3的范圍內, 而下降趨勢的海域的海表面密度則集中在南部的海表面密度為26.8～ 27.1 kg/m3之間。Hong 等(2020)在研究南印度洋SAMW 的變化趨勢時并沒有針對潛沉率進行研究, 而是對水團本身進行研究, 得出導致SAMW 體積存在長期減少的趨勢的密度范圍為 26.8～26.9 kg/m3, 而密度范圍在26.6～26.8 kg/m3的SAMW 則有體積增加的趨勢。該研究與我們的上述結果一致, 即在南印度洋SAMW 中,密度小的水有體積增加的趨勢, 而密度大的水則有體積減小的趨勢。根據本文的研究, 這兩種趨勢對應的水分別位于南印度洋中的西北和東南海域。

圖5 南印度洋和南太平洋年潛沉率(a)、側向導入分量(b)和垂向抽吸分量(c)的線性變化趨勢系數的分布Fig.5 Distribution of linear trend coefficients for annual subduction rate (a), lateral induction component (b) and vertical pumping component (c) in the Southern Indian Ocean and South Pacific

在南太平洋, SAMW 潛沉量的整體變化呈現微弱上升趨勢(圖4a)。Gao 等(2018)和Qu 等(2020)使用Argo觀測資料得出了整個南大洋SAMW 增強的結論, 在此處只單獨考慮了太平洋中的情況, 而印度洋中則是下降的趨勢, 這表明前人對于南大洋SAMW 增強的結論更單獨適合于南太平洋。由圖5 的結果表明, 在南太平洋中潛沉率呈下降趨勢的西部海域, 其海表面密度范圍主要分布在26.5～26.9 kg/m3, 而海表面密度在26.9～27.1 kg/m3的潛沉率則有明顯增加的趨勢。

從對上述的不同密度范圍分別進行的潛沉量變化的統計結果(圖6)可以更細致的看到引起兩個大洋中潛沉率變化的水的來源。結果表明, 在南印度洋和南太平洋的SAMW 的潛沉區中, 密度較輕部分的趨勢變化均很微弱, 而密度較大部分的趨勢變化則非常明顯。南印度洋中, 在26.5～26.8 kg/m3密度范圍內潛沉的SAMW 的平均值為2.514×107m3/s, 其變化趨勢很微弱, 僅有每年1×104m3/s (圖6a)。而在26.8～27.1 kg/m3范圍內潛沉的SAMW 平均值則為1.309×107m3/s, 其下降趨勢則非常明顯, 達到每年2.5×105m3/s (圖6b), 在1983 年以后, 其潛沉量則幾乎一直在平均值以下了。由此可見, 南印度洋SAMW體積的減小可能主要是由表面密度為26.8～27.1 kg/m3的潛沉量減少造成的。與此同時, 在南太平洋, 位于26.5～26.9 kg/m3密度范圍的潛沉水量為 6.91×106m3/s, 而位于26.9～27.1 kg/m3密度范圍的潛沉水量為3.478×107m3/s, 單從潛沉水量上來看, 后者占絕對優勢, 而這部分水呈現的長期增加趨勢也導致了整個南太平洋SAMW 的潛沉率的增加(圖6d)。同樣地, 南太平洋中密度較小的水團潛沉量很小, 且變化趨勢不明顯(圖6c)。

圖6 南印度洋和南太平洋SAMW 潛沉區域不同密度范圍內的潛沉水量以及各分量潛沉水量的變化和線性趨勢Fig.6 Variation and linear trend of subduction water and its components in different density ranges in the South Indian Ocean and South Pacific SAMW subduction regions

2.3 影響SAMW 潛沉率長期趨勢分布的因素

前人研究表明, 影響SAMW 變化的主要因素為風應力(Gaoet al, 2018; Quet al, 2020)和海表面浮力強迫(Honget al, 2020)。其中, 影響潛沉率的最重要因素是混合層深度, 更深的混合層深度往往導致更大的潛沉量。當然, 潛沉率大小還要受到另一個因素,流場的影響, 所以其變化并不完全由混合層深度決定。將SAMW 潛沉區的冬季混合層深度與其潛沉率兩者的長期變化趨勢的空間分布(圖5 和圖7)進行對比可見, 雖然兩者不完全一致, 但在幾個主要區域內呈現較好的對應關系。其中在南太平洋, SAMW 潛沉區的混合層深度在170°～130°W 的范圍內呈長期減小的趨勢, 而在130°W 以東的部分則是呈現長期增加的趨勢, 兩個區域的趨勢明顯且相反, 構成了一個偶極子, 而這與該區域潛沉率的變化趨勢基本一致(圖5); 而在南印度洋, 雖然西北海域的對應關系并不是很好, 但是如前所述, 引起南印度洋SAMW 潛沉率長期減小趨勢的主要是潛沉密度較大的東南海域,而東南海域的混合層深度恰好也是長期變淺的(圖7)。由此可以推斷, SAMW 潛沉區的混合層深度的變化可能是引起潛沉率變化的主要因素。

圖7 南印度洋和南太平洋混合層深度的線性變化趨勢系數的分布Fig.7 Distribution of linear trend coefficients of mixed layer depth in the Southern Indian Ocean and South Pacific

那么, 在SAMW 潛沉區的混合層深度的變化是由什么因素支配的呢？通常認為海表面密度和風應力旋度的綜合效應決定了混合層深度的變化。對兩大洋的SAMW 潛沉區的冬季海表面溫度(sea surface temperature, SST)變化趨勢的分析表明(圖8), 除了在印度洋的西南海域是長期減小的趨勢外, 在其他區域都是增加的趨勢, 該趨勢主導了SSD 在大部分區域的變小。而南印度洋西南海域鹽度的降低使得該區域的密度也同其他區域一樣呈減小趨勢, 這可能跟淡水通量的減小有關。另一方面, 風應力旋度在整個SAMW 潛沉區域內都是長期增加的趨勢, 這與近年來SAM 的增強有關(Quet al, 2020)。盡管海表面密度普遍減小, 但在不同的區域內, 其減小的幅度也是不同的。例如在南印度洋海表面密度較大的南側和南太平洋海表面密度較小的西側, 海表面密度減小的趨勢則相較于其他區域要更明顯, 而這兩個區域的混合層深度是明顯降低的(圖7), 因此, 我們認為在這兩個區域內, 控制混合層深度長期變淺從而導致潛沉率長期減小的主要原因是海面浮力強迫引起的海表面密度變小, 該作用要大于風應力旋度增加而導致的混合層加深的效應。而在某些區域的情況則相反,例如130°W 以東的位置, 海表面密度的減小趨勢并不是很大(圖8c), 因此, 風應力旋度增大引起的混合層增加效應則占主導, 最終導致了混合層深度的增加。另外, 在南印度洋SAMW 的西北海域, 混合層深度是增加的(圖7), 而相同位置處其海表面密度的減小趨勢并不如其他區域那么明顯, 因此, 該區域的混合層的變化以至于潛沉率的變化也是風應力旋度增加所主導的。

圖8 南印度洋和南太平洋SAMW 潛沉區域冬季海表面溫度(a), 冬季海表面鹽度(b)和冬季海表面密度(c)與風應力旋度(d)的線性變化趨勢系數的分布Fig.8 Distribution of linear trend coefficients of winter sea surface temperature (a), winter sea surface salinity (b), winter sea surface density (c), and wind stress curl (d) in SAMW subduction region in the Southern Indian Ocean and South Pacific

3 結論

本文使用長時間序列高分辨率的OFES 模式數據研究了SAMW 潛沉率的長期變化趨勢。結果表明,在南印度洋和南太平洋中, 產生長期變化趨勢的SAMW 可以更具體的歸源為表層的某一部分水: 在南印度洋中, 表層密度位于26.8～27.1 kg/m3范圍內的水的潛沉率的長期減小主導了南印度洋潛沉率的長期下降趨勢。而在南太平洋中, 則是表層密度位于26.9～27.1 kg/m 的潛沉水主導了南太平洋潛沉率的長期上升趨勢, 而其余部分的潛沉水則不具備明顯的趨勢, 總的來看, 密度較大的SAMW 潛沉水團比密度較小的潛沉水團表現出更顯著的長期變化的趨勢,有趨勢的潛沉水量(4.787×107m3/s)大概占到了SAMW 總潛沉水量(7.922×107m3/s)的 60%。在SAMW 幾個主要的潛沉區域內, 潛沉率長期變化的空間分布與冬季混合層深度存在著比較好的對應關系, 而風應力旋度和海表面浮力強迫通過影響混合層深度來影響潛沉率的變化, 在南印度洋SAMW 潛沉區海表面密度較大的南側海域, 其混合層深度的變化主要由浮力強迫的改變引起, 最終導致了SAMW 潛沉率的降低, 這和Hong 等(2020)估算的南印度洋SAMW 體積減小的現象能夠很好的對應起來。在南太平洋中, 潛沉率的長期增大則主要是由于風應力旋度的增強, 而風應力的增強則與近年來SAM 的增強有關。Gao 等(2018)和Qu 等(2020)將SAMW 作為一個整體進行研究, 得出了SAMW 有增強的趨勢, 從本文的結果來看該結論似乎更適用于太平洋, 因為在太平洋中有上升趨勢的水量占了大部分, 而在印度洋中, 盡管風應力旋度的增強導致西北部分海域的潛沉有增加趨勢, 但是整體的下降趨勢是由海表面浮力強迫導致的海表面密度的長期減小所導致的。