副热带东北太平洋冬季混合层形成机制及其对辐射强迫增加的响应
副热带东北太平洋（10° N-40°N，160°W-110°W）冬季混合层较深，有利于海水潜沉和东部模态水的形成，是一个能将副热带大气-海洋相互作用信号通过潜沉和平流输送传递到热带海区的海域，因此，该海域冬季混合层的深浅在气候变化中起重要作用。本论文在前人工作的基础上，通过对国际耦合模式比较计划(CMIP5)9个模式历史模拟结果和未来预估实验结果的分析，结合Levitus和ARGO观测资料，给出了现在气候背景下副热带东北太平洋冬季混合层深度空间非均匀分布的特征，发现了海洋热平流效应对混合层深度空间不均匀分布的贡献。探究了该海域冬季混合层深度对辐射强迫增加的响应特征，给出了辐射强迫增加背景下艾克曼抽吸、海气界面净热通量以及海洋平流效应对混合层深度空间不均匀性变化的相对贡献。定量评估了9个CMIP5模式历史情景模拟中该海区主要潜沉区的潜沉率分布特点及其对辐射强迫增加的响应特征，讨论了混合层深度空间分布非均匀性对潜沉率的影响。本文取得的主要创新性成果如下: 1.依据ARGO观测资料指出了副热带东北太平洋冬季（2-3月）混合层深度空间分布非均匀特征:最大值可超过130m，出现位置在(28°N，140°W)附近，在（25° N-32°N，150°W-135°W）范围内基本都超过90m。发现混合层深度从最大值中心向北侧变浅的幅度较向南变浅的幅度缓，在混合层深度最大值区域南侧存在一个显著的带状混合层深度锋面，其强度最大可以达到0.24m/km。Levitus观测资料也显示了类似的结果。9个CMIP5模式历史情景的模拟中都能模拟出上述冬季混合层深度空间非均匀分布的特征，特别是都能模拟出深混合层南部的带状混合层深度锋面。 2.依据9个CMIP5模式历史情景模拟的集合平均结果定量地给出影响副热带东北太平洋冬季混合层深度空间分布非均匀性的主要因素各自的贡献。研究表明，由于副热带东北太平洋位于北太平洋副热带环流的东侧，与副热带环流西侧相比，海洋跃层要浅得多，艾克曼抽吸的季节变化可以通过影响海洋跃层季节变化决定冬季混合层深度大值区的整体位置，特别是混合层深度大值区的东北边界;海气界面净热通量也是使混合层深度冬季加深的重要因素之一，它决定了混合层深度大值区域的西北边界;带状混合层深度锋面形成的主要原因是锋面南北上层海洋热平流的差异:锋面北侧上层海洋冷平流对混合层加深的贡献(大约为21.4m/mon)与海气界面净热通量的贡献(大约30.4m/mon)相当，导致混合层较深;锋面南侧由于上层海洋暖平流对混合层加深的贡献（大约为-29.0m/mon）与海气界面净热通量的贡献（大约33.4m/mon）相反，导致混合层深度较浅。 3.依据逐个模式的分析结果发现了副热带东北太平洋混合层深度对辐射强迫增加的响应也存在空间分布的不均匀性。9个模式集合平均结果表明:辐射强迫增加背景下，冬季混合层深度最大值变小了50m左右，各模式中普遍在混合层深度锋面以北混合层深度变小的更多(均超过30m)，而在混合层深度锋面以南混合层变浅最大值都不超过30m，个别模式甚至有一定加深。因此混合层深度锋面在辐射强迫增加背景下显著变弱，锋面最大强度从0.24m/km变到0.15m/km。辐射强迫增加背景下上层海洋温度升高，净热通量变化导致的层结加强使混合层深度整体变浅，而东北信风减弱导致的暖平流减弱则是造成混合层深度锋面南侧混合层变浅较少的主要原因。 4.9个模式集合平均结果表明:现在气候背景下，艾克曼抽吸和侧向潜沉率对主要潜沉区域（20° N-28°N，145°W-120°W）潜沉率大小的贡献基本各占一半，但由于艾克曼抽吸速率的空间分布较为均匀，潜沉率的空间不均匀分布特征主要是由侧向潜沉率决定的，混合层深度锋面海区成为主要的潜沉区和北太平洋副热带东部模态水的主要源地。辐射强迫增加后，潜沉率减弱了0.47×10-6m·s-1，由于艾克曼抽吸速率几乎不变，侧向潜沉率的减少(0.40×10-6 m·s-1)决定了潜沉率的变小，其贡献超过85％。混合层深度空间变化不均匀性使混合层深度锋面减弱，是造成侧向潜沉率减弱的主要原因。潜沉率的减弱最终导致东部模态水的减弱。
海洋动力学;混合层深度;热平流效应;辐射强迫
中国海洋大学
博士
物理海洋学
刘秦玉
2015
中文
P731.2
125
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）