北太平洋副熱帶西部模態(tài)水年代際變化特征及其機(jī)制分析*

代秋亭 劉子洲 劉 聰 翟方國(guó) 顧艷鎮(zhèn) 李元杰

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 青島 266100; 2. 海南浙江大學(xué)研究院 三亞 572000;3. 中國(guó)人民解放軍75839 部隊(duì) 廣州 510080)

Masuzawa (1969)發(fā)現(xiàn)并命名了北太平洋副熱帶西部模態(tài)水(subtropical mode water, STMW), 指出STMW 位于北太平洋副熱帶環(huán)流西北部溫躍層內(nèi), 溫度范圍為 16—19 °C, 具有性質(zhì)均一、位勢(shì)渦度(potential vorticity, PV)低等特點(diǎn), 主要形成于黑潮及黑潮延伸體(Kuroshio Extension, KE)南側(cè)深混合層區(qū)。

從11 月至次年3 月, KE 流域受強(qiáng)東亞季風(fēng)的控制, 巨大的海氣溫差和風(fēng)應(yīng)力在海洋上層引起強(qiáng)烈的垂向混合, 使得該海域南側(cè)混合層快速發(fā)展。至3月初, 混合層深度(mixing layer depth, MLD)達(dá)到最深(Hanawa, 1987; Sugaet al, 1990; Bingham, 1992;Croninet al, 2013)。隨后, 季節(jié)性溫躍層形成并將潛沉的低位勢(shì)渦度水體與大氣環(huán)境相隔離(Sugaet al,1990, 1995)。潛沉后形成的STMW, 被風(fēng)生副熱帶環(huán)流輸送至臺(tái)灣島東側(cè)黑潮流域以及副熱帶逆流(subtropical countercurrent, STCC)北側(cè)(Kubokawaet al, 1999; Liuet al, 2007; Yanet al, 2013; Yuet al,2015), 改變當(dāng)?shù)卮伪韺訙佧}結(jié)構(gòu)。部分STMW 隨黑潮再次回到生成區(qū)通過(guò)浮露進(jìn)入冬季混合層, 改變生成區(qū)冬季混合層水體溫度。因此, STMW 再通風(fēng)也被認(rèn)為是海洋對(duì)太平洋年代際濤動(dòng)(Pacific decadal oscillation, PDO)(Trenberthet al, 1994; Mantuaet al,1997)的負(fù)反饋機(jī)制之一(Liuet al, 2007; Newmanet al, 2016)。此外, 部分STMW 在STCC 北側(cè)堆棧形成低PV 池, 引起溫躍層抬升, 利于東向STCC 的形成和維持(Kubokawaet al, 1999; Yamanakaet al, 2008;Kobashiet al, 2012)。又因, 具有晚冬混合層水體性質(zhì)的模態(tài)水富含溶解氧、可溶性有機(jī)物、無(wú)機(jī)碳、營(yíng)養(yǎng)鹽等, STMW 分布對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)亦有重要意義(Sukigaraet al, 2009, 2014)。

綜上, STMW 能夠常年保留生成區(qū)海氣相互作用的信號(hào), 影響北太平洋副熱帶環(huán)流以及氣候變化, 同時(shí)也影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。因此, 其年代際變化機(jī)制一直是近幾十年的研究重點(diǎn)。而引起STMW 體積年代際變化的機(jī)制主要有兩種, 即海氣相互作用和海洋動(dòng)力過(guò)程。早期研究普遍認(rèn)為海氣相互作用是調(diào)制STMW 溫度特性以及體積變化的主要機(jī)制(Bingham,1992; Sugaet al, 1995; Yasudaet al, 1999)。而隨后,Qiu 等(2006)利 用 1993—2005 年 期 間 的 CTD(conductivity-temperature-depth) 和 XBT(expendable bathythermograph)數(shù)據(jù)研究了冬季海表冷卻以及KE系統(tǒng)動(dòng)力狀態(tài)對(duì)STMW 形成的影響, 指出KE 動(dòng)力狀態(tài)是STMW 年代際變化的主要影響因素。當(dāng)KE 處于動(dòng)力不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí), 氣旋式渦旋活動(dòng)加強(qiáng), 將大量高位勢(shì)渦度性質(zhì)的KE 水體注入副熱帶環(huán)流, 使得海洋層結(jié)加強(qiáng), 不利于深混合層發(fā)展, 由此造成STMW厚度減小。另外, 有不少研究表明KE 動(dòng)力狀態(tài)可能與PDO 誘導(dǎo)的中東太平洋的風(fēng)應(yīng)力旋度異常密切相關(guān): PDO 正相位期間, 中東太平洋海表有正的風(fēng)應(yīng)力旋度異常, 產(chǎn)生負(fù)的海表面高度異常(sea surface height anomaly, SSHA); 這種SSHA 異常信號(hào)將以第一斜壓Rossby 波的速度向西傳輸, 約3—4 a 后抵至KE 流域, 引起KE 系統(tǒng)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變(Seageret al, 2001; Schneideret al, 2002; Qiu, 2003; Taguchiet al,2007; Sasakiet al, 2013; Qiuet al, 2014)。此外, Yu 等(2015)分析62 a 的模式模擬數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)STMW 生成區(qū)的潛沉率及次表層水體位勢(shì)渦度也都呈現(xiàn)出明顯的PDO 信號(hào)。以上可知STMW 年代際變化實(shí)際上能與PDO 有所聯(lián)系, 且KE 是兩者相聯(lián)系的重要紐帶。同時(shí), 近期 Kim 等(2020)通過(guò)運(yùn)行海洋環(huán)流模式(Ocean General Circulation Model)對(duì)STMW 在1960—2009 年的年代際變化機(jī)制的診斷結(jié)論明確指出,STMW 年代際變化的主要驅(qū)動(dòng)因素在20 世紀(jì)80 年代后期發(fā)生轉(zhuǎn)變: 由海氣相互作用主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ髣?dòng)力過(guò)程主導(dǎo), 而這主要?dú)w因于西太平洋和中東太平洋的大氣強(qiáng)迫條件的變化。

綜上可知, 近40 a STMW 年代際變化主要受海洋動(dòng)力過(guò)程的影響, 且主要由海洋預(yù)先層結(jié)調(diào)控。但就目前而言, 對(duì)STMW 年代際變化的具體調(diào)節(jié)方式還尚不明確。為解決這一問(wèn)題, 本文對(duì)混合層形成體積進(jìn)行了量化分析, 指出KE 上游南側(cè)區(qū)域的海洋上層預(yù)先層結(jié)年代際變化(3.1)可以通過(guò)調(diào)節(jié)混合層底部的卷吸作用使冬季混合層體積產(chǎn)生顯著年代際變化(3.2), 以此影響春季潛沉水體體積, 調(diào)控STMW形成體積年代際變化。因此, 本研究通過(guò)混合層收支量化分析將預(yù)先層結(jié)對(duì)STMW 的調(diào)節(jié)過(guò)程用卷吸和潛沉串聯(lián)起來(lái), 更深入地剖析了STMW 年代際變化機(jī)制。另外, 本文指出STMW 年代際變化實(shí)際上受PDO 的遠(yuǎn)場(chǎng)調(diào)控(3.3)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

為了探究STMW 形成的年代際變化特征及機(jī)制,本文使用來(lái)自大洋環(huán)流模式ECCO2 (the estimating the circulation and climate of the ocean, Phase II project)中Cube 92 的再分析數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)時(shí)間選擇了1992 年 1 月—2019 年 3 月, 水平分辨率為 1/4°(～27 km), 垂向上共有50 層, 最深深度達(dá)6 135 m。ECCO2 通過(guò)使用格林函數(shù)結(jié)合多種觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)流模型進(jìn)行同化, 擁有精細(xì)的分辨率, 能再現(xiàn)全球范圍的海洋。數(shù)據(jù)約束包了高度計(jì)資料中的海表平面高度異常、平均海平面、全球海洋數(shù)據(jù)同化實(shí)驗(yàn)高分辨率海表溫度試點(diǎn)項(xiàng)目(global ocean data assimilation experiment high resolution sea surface temperature pilot project)的海表面溫度數(shù)據(jù)以及來(lái)自海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(world ocean circulation experiment)、熱帶海洋大氣(tropical atmosphere ocean)、實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)海洋學(xué)陣列(array for real-time geostrophic oceanography, ARGO)、拋棄式深水溫度計(jì)(expendable bathythermograph)等的溫鹽剖面數(shù)據(jù); 控制參數(shù)包括初始溫度和鹽度, 大氣表層邊界條件, Large 等(1994) KPP(K-profile parameterization)方案中的背景場(chǎng)垂向擴(kuò)散及理查森數(shù), 海氣/海冰/氣冰拖曳系數(shù), 冰/海洋/雪反照率, 底部阻力和垂直黏度。詳細(xì)信息可以參閱Menemenlis等(2008)和Fox-Kemper 等(2008)。另外, 本文所使用的ECCO2 數(shù)據(jù)中, 海表熱通量及蒸發(fā)由Large 等(1982)的塊體公式計(jì)算得出; 海表風(fēng)應(yīng)力的計(jì)算使用了E. Vera 的阻力系數(shù)參數(shù)(Largeet al,1995); 降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自全球降水氣候?qū)W計(jì)劃(global precipitation climatology project)。

圖1 155°E 剖面處ECCO2 和EN4 氣候態(tài)平均數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.1 Comparison between ECCO2 and EN4 climatological data at 155°E section

1.2 方法

在副熱帶環(huán)流西北有一個(gè)深MLD 池, 其向東南遞減, 并與南部淺MLD 區(qū)域之間存在狹窄的深度遞減帶, 即MLD 鋒; 低PV 水形成于MLD 鋒和露頭線的交界處, 密度越高的低PV 水形成位置越偏向東北(Kubokawaet al, 1999)。因此, 探討混合層年代際變化機(jī)制對(duì)研究STMW 年代際變化十分重要。在這里,MLD 被定義為密度較10 m 處密度大0.1 kg/m3水體所在深度(Oka, 2009; Guoet al, 2018); 混合層體積守恒公式如下(Nishikawaet al, 2013; Guoet al, 2018):

方程左邊為混合層形成體積, 是時(shí)間1t至t2時(shí)刻控制體的體積變化量; 右邊各項(xiàng)分別為海氣形成體積、平流輸運(yùn)體積、卷吸體積以及表征越密混合體積的殘余項(xiàng)(R)。MLD 具有明顯的季節(jié)性變化特征, 但只有晚冬的MLD 信號(hào)能夠保留在STMW 之中(Stommel,1979)。因此這里本文選擇MLD 加深時(shí)期進(jìn)行時(shí)間積分。關(guān)于積分時(shí)間的選擇在3.2 節(jié)再詳細(xì)說(shuō)明。

本次研究將STMW 定義為黑潮南側(cè), 混合層之下,PV≤2×10-10m-1s-1且θσ?[24.6, 25.6] kg/m3的低PV 水體。另外, KE 主軸由0.4 m 的海表高度等值線表征。這里對(duì)STMW 的密度范圍相對(duì)于以往研究更大, 主要是考慮到近年來(lái)KE 南側(cè)表層水體的溫度持續(xù)上升且該區(qū)域鹽度從2008 年開(kāi)始顯著降低, 引起KE 南側(cè)冬季混合層水體以及模態(tài)水密度發(fā)生顯著變化(Sugimotoet al, 2013, 2017)。定義STMW 密度范圍較小時(shí), 會(huì)使得較輕的低位勢(shì)渦度水體被去除, 造成模態(tài)水體積減小的虛假信號(hào)。

在黑潮南側(cè)MLD 具有顯著的季節(jié)變化, 其在冬季迅速加深, 至3 月達(dá)到最深, 在這一階段MLD 的持續(xù)加深為STMW 形成提供重要的物質(zhì)準(zhǔn)備。隨后,季節(jié)性溫躍層逐漸建立, MLD 迅速變淺, 部分混合層水體潛沉進(jìn)入到溫躍層中形成STMW(Rainvilleet al,2007; Oka, 2009; Daviset al, 2011)。至5 月, 季節(jié)性溫躍層形成, 潛沉結(jié)束。因此本研究將3—5 月劃分為STMW 形成的時(shí)期, 這一時(shí)期STMW 體積在局部迅速增大, 侵蝕和輸運(yùn)對(duì)STMW 體積影響可以忽略,STMW 的形成體積Vf、形成厚度Hf可以5 月及3 月間STMW 體積和厚度差異表征:

這里的下標(biāo)‘f’表示形成, ‘5’和‘3’分別表示5 月和3 月。STMW 的形成面積則以STMW 形成厚度大于10 m 的區(qū)域面積表征。另外, 本文選擇3—5月(此處以下標(biāo)‘345’表示)對(duì)潛沉進(jìn)入到溫躍層的水體體積進(jìn)行積分, 以得到年潛沉體積:

式中, 345 表示3、4、5 月。KE 南側(cè), 根據(jù)STMW 定義,θσ?[24.6, 25.6] kg/m3的混合層水體年潛沉體積即為STMW 形成體積。

2 STMW 體積年代際變化

為了方便后文對(duì)STMW 形成年代際變化機(jī)制的分析, 在這一部分, 我們?cè)谶@里引入STMW 生成區(qū)(133—170°E、30—36°N; 圖3 中藍(lán)色矩形框框出), 該區(qū)域是具有STMW 密度性質(zhì)水體的3 月露頭區(qū), 也是MLD 以及低PV 水體形成厚度年變化最顯著區(qū)域。其中低 PV 水形成厚度的年變化標(biāo)準(zhǔn)差普遍高于170 m(圖3a), MLD 的年變化相對(duì)較小(圖3b)。而無(wú)論是低PV 水形成厚度還是MLD, 它們的年變化信號(hào)都集中于生成區(qū)北部近KE 處, 特別是KE 向北凸起處南側(cè)。其中在(140°E, 32°N)、(144°E, 34°N)、(150°E,34°N)附近存在MLD 年較差中心。對(duì)應(yīng)的低PV 水體厚度在這3 個(gè)中心附近都較大。東部的兩個(gè)中心對(duì)應(yīng)KE 主軸向北凸起南側(cè), 正好是SSH 抬升的區(qū)域。由圖3 可發(fā)現(xiàn), 顯著的低PV 水形成厚度年變化出現(xiàn)在偏西位置, 本文將其中具體的原因在3.1 機(jī)制分析中進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

圖2 混合層體積收支控制體Fig.2 The control body for mixing layer volume budget

圖3 低PV 水體形成厚度及3 月MLD 的年變化標(biāo)準(zhǔn)差場(chǎng)Fig.3 Multi-year standard deviation field of low PV water formation thickness and March MLD

繪制3 月和5 月STMW 的體積, STMW 形成體積、形成厚度、形成面積, 3 月生成區(qū)混合層體積以及其區(qū)域面積及平均如圖4 所示。圖4a 為5 月(紅線)和3 月(藍(lán)線)STMW 體積的年變化曲線, 由此可知,由ECCO2 和EN4 數(shù)據(jù)得到的STMW 體積都存在較為同步且顯著的年代際變化, 且振幅相當(dāng)。往年形成水體經(jīng)過(guò)侵蝕后殘存的STMW 信號(hào)可以在3 月體現(xiàn)出來(lái), 隨后與新形成的STMW(圖4b 黑色實(shí)線)疊加使5 月STMW 體積年代際變化進(jìn)一步放大。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是, 3 月STMW 雖存在年代際變化, 但其峰值落后于5 月STMW 以及STMW 形成體積1—2 a的時(shí)間, 顯然3 月STMW 體積只是往年殘存年代際信號(hào)的體現(xiàn), 并不能作為促使STMW 體積產(chǎn)生年代際變化的決定性因素, 唯有STMW 形成體積可決定STMW 體積的年代際變化。

圖4b 中, STMW 生成體積的年變化特征(黑色加粗曲線), 在年至年代際上顯然都與3 月生成區(qū)混合層水體體積(黑色加粗虛線)相吻合, 也呈現(xiàn)出顯著的年代際變化特征以及整體減小趨勢(shì), 振幅為3×1014—4×1014m3, 其中混合層體積的年代際變化由MLD 的年代際變化決定, 而STMW 形成體積的年代際變化同時(shí)體現(xiàn)在其形成面積和形成厚度上。STMW形成及混合層體積的遞減速率分別為0.057×1014m3/a和0.023×1014m3/a。其中混合層體積的遞減應(yīng)與近年觀測(cè)到的海表升溫有關(guān)(Sugimotoet al, 2017; Yuet al,2020)。

圖4 3 月和5 月STMW 體積、STMW 形成及3 月混合層的時(shí)間序列Fig.4 Time series of March and May STMW volume, STMW formation, and March mixed layer

將STMW 生成體積和生成區(qū)混合層體積的整體變化趨勢(shì)剔除, 我們發(fā)現(xiàn)STMW 形成體積及混合層體積呈現(xiàn)明顯正、負(fù)異常(如圖4b 陰影區(qū)和空白區(qū)):正異常分別在 1992—1997 年、2000—2005 年和2011—2017 年; 負(fù)異常對(duì)應(yīng)在 1998—1999 年和2006—2010 年。盡管在正、負(fù)異常期間MLD 差較STMW 形成厚度差明顯更大(圖4c), 但在年代際變化及生成區(qū)MLD 體積與STMW 形成體積在空間分布上十分吻合(圖5)。首先, 對(duì)于3 月生成區(qū)MLD 來(lái)說(shuō), 其在STMW 形成體積正異常期間, 普遍大于240 m, 最大MLD 可超過(guò)300 m(圖5b); 而STMW 形成體積負(fù)異常期間, MLD 厚度相對(duì)減小了60 m 左右, 最大深度只能達(dá)到240 m(圖5d)。此外, 正、負(fù)異常期間的MLD 差呈現(xiàn)出東南-西北向的條狀帶, 在這些條狀帶上MLD 差取顯著正值, 對(duì)應(yīng)其上正SSHa 由外向內(nèi)迅速增加(圖5f)。再對(duì)比STMW 體積正、負(fù)異常期間, KE 主軸的彎曲狀態(tài), 便可以發(fā)現(xiàn)正相位時(shí)期KE主軸相對(duì)有規(guī)律的南北彎曲能夠使其向北凸起處南側(cè)的MLD 加深及SSH 升高, 而向南凹陷處南側(cè)的MLD 及SSH 有弱減小。

而在STMW 形成體積正異常期間, STMW 形成厚度在黑潮及KE 上游南側(cè)區(qū)域增加顯著, 特別是在138—144°E 之間的區(qū)域(圖5e)。此外, MLD 在西部有更為明顯的加深, 可知生成區(qū)西部是STMW 形成厚度及MLD 年代際變化產(chǎn)生的關(guān)鍵區(qū)域。

圖5 STMW 形成厚度(a, c)、3 月MLD(b, d)以及它們?cè)赟TMW 形成體積正、負(fù)異常時(shí)期的差(e, f)Fig.5 Multi-year mean field of STMW formation thickness (a, c), March MLD (b, d), and their difference in positive and negative phases of STMW formation volume

以上的內(nèi)容, 主要探討了正負(fù)相位時(shí)期STMW形成厚度及MLD 的分布差異。但STMW 形成體積的年代際變化同時(shí)展現(xiàn)在形成厚度和面積上, 于此本文進(jìn)一步分析了STMW 形成區(qū)域的緯度分布特征。以155°E 剖面為例, 5 月和3 月PV、STMW 密度邊界、MLD 在STMW 體積正、負(fù)異常期間多年平均結(jié)果如圖6 所示。圖中STMW 密度邊界(圖6 中兩條白色曲線)由5 月STMW 在剖面處的密度性質(zhì)決定, 以準(zhǔn)確地再現(xiàn)不同時(shí)期STMW 所在密度層。雖然這里的密度邊界于STMW 形成體積正、負(fù)異常期間取不同值,但可以準(zhǔn)確定位3 月STMW 露頭區(qū)(圖6 中白色曲線之間的水體在海表的位置)。如圖6a 和c 可見(jiàn), STMW體積正、負(fù)異常期間3 月混合層除了有顯著的深度變化之外, 露頭區(qū)南北邊界也向外擴(kuò)張(圖6b 和6d): 在STMW 體積負(fù)異常期間, 露頭區(qū)南邊界在30°N, 北邊界在36°N; 而在正異常期間, 露頭區(qū)南邊界向外擴(kuò)了0.5°, 北邊界擴(kuò)張不明顯。露頭區(qū)的擴(kuò)張也引起了5 月STMW 形成面積增加。如圖6a 和6c 所示,STMW 厚度在28°N 左右有一個(gè)往北迅速遞增的鋒面,可見(jiàn)當(dāng)年形成的STMW 在5 月主要分布在28°N 以北,相對(duì)于露頭區(qū)偏于南部1°—2°。厚度鋒面受3 月露頭區(qū)影響, 在不同時(shí)期有明顯的位置變化。

圖6 5 月(a, c)和3 月(b, d)155°E 斷面處的PV 分布圖Fig.6 PV distribution at cross section 155°E in May (a, c) and March (b, d)

取STMW 上邊界為STMW 厚度頂部, STMW 下邊界為STMW 厚度底部, 繪制STMW 生成區(qū)區(qū)域平均的5 月STMW 上下邊界、3 月MLD、5 月STMW厚度、24.6 和25.6 kg/m3所在深度的年變化曲線, 結(jié)果如圖7 所示。可知, 盡管24.6、25.6 kg/m3的深度存在與STMW 形成體積、厚度和面積類(lèi)似的年代際變化, 但STMW 厚年年代際變化并不由其定義的密度邊界位置決定, 主要由下邊界深度變化引起, 而這進(jìn)一步與3 月MLD 深度有關(guān)。

圖7 生成區(qū)區(qū)域平均的5 月24.6 和25.6 kg/m3 等密度面所在深度、STMW 上下邊界、STMW 厚度及3 月MLD 的年時(shí)間序列Fig.7 Annual time series of the isopycnic faces of 24.6 kg/m3 and 25.6 kg/m3, the upper and lower boundary, and thickness of STMW in May and MLD in March

3 機(jī)制

3.1 影響因素

結(jié)合(2)式可知, 海氣形成率由單位密度上海表浮力通量隨密度的變化梯度表征。而從圖8 中不難發(fā)現(xiàn)B(t)從黑潮及KE 主軸向南北兩側(cè)遞減, 南側(cè)遞減梯度更大, 可知KE 南側(cè)STMW 形成區(qū)有較大的海氣形成率, 為該區(qū)域晚冬深MLD 的形成提供必要條件。

如圖9a 所示, 海表浮力通量正異常與正SSHa 區(qū)域重疊, 特別是在圖中紅色框圈定的范圍(144°—163°E, 33°—36°N)。STMW 體積正(負(fù))異常期間, KE 主軸即圖9 紅棕色加粗實(shí)(虛)線向北(南)遷移。而在KE 流域, 越往北海表風(fēng)應(yīng)力越強(qiáng)(圖8a 和8b),因此KE 主軸的向北遷移, 不免造成KE 海表蒸發(fā)失熱加劇, 導(dǎo)致海表浮力通量的顯著增加。

圖8 海表浮力通量、海表渦動(dòng)能(EKE)和預(yù)先層結(jié)(N)在STMW 體積正異常(左)和負(fù)異常(右)時(shí)期的多年平均空間場(chǎng)Fig.8 Multi-year mean spatial fields of surface buoyancy flux (B), surface eddy kinetic energy (EKE), and pre-stratification (N) at positive (left) and negative (right) anomaly of STMW formation volume

圖9 海表浮力通量(B)、海表渦動(dòng)能(EKE)和預(yù)先層結(jié)(N)在STMW 體積正負(fù)異常時(shí)期間的差異Fig.9 Differences of surface buoyancy flux (B), surface eddy kinetic energy (EKE), and pre-stratification (N) between positive and negative anomalies of STMW volume

KE 南側(cè)海域海表EKE 是KE 動(dòng)力狀態(tài)的間接反映: KE 不穩(wěn)定時(shí), KE 路徑快速變化, 區(qū)域EKE 成倍增加(Qiuet al, 2007)。如圖8e—8f 所示, EKE 主要沿著KE 主軸分布, 且于140°—152°E KE 主軸向南彎曲處最大, 且140°—152°E 的KE 路徑變化較顯著。STMW 體積正異常時(shí), EKE 在KE 上游南側(cè)(圖9c 藍(lán)框, 132°—147°E, 30°—35°N)表現(xiàn)出極強(qiáng)的負(fù)異常信號(hào), 對(duì)應(yīng)其上也有有正的SSHa 差(圖9c)。

預(yù)先層結(jié)的分布如圖8g 和8h 所示。由圖可知預(yù)先層結(jié)在KE 及黑潮附近具有與EKE 相似的分布形態(tài)。而在KE 南側(cè)至28°N, 預(yù)先層結(jié)相對(duì)較弱, 這也是STMW 生成區(qū)具有深MLD 的重要原因(Yuet al,2020)。同時(shí), 相對(duì)于STMW 體積負(fù)異常時(shí)期, STMW正異常時(shí)期, 預(yù)先層結(jié)明顯減弱。STMW 體積正、負(fù)異常時(shí)期間的層結(jié)頻率差與EKE 差相似, 同樣在KE上游南側(cè)藍(lán)色框所圈定的區(qū)域(132°—147°E,30°—35°N)內(nèi)具有顯著的負(fù)異常(圖9d)。

以上, 我們知道在STMW 體積正異常期間, 在KE 上游南側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)有EKE 減小與預(yù)先層結(jié)減弱,在KE 下游近KE 主軸處對(duì)應(yīng)海表浮力通量升高。而在它們顯著變化的區(qū)域上, 都有海表面升高與之相對(duì)應(yīng)。其中海表浮力通量產(chǎn)生顯著變化的區(qū)域位于STMW 生成區(qū)偏東部, 其上的MLD 年變化特征并不顯著。因此, 本文將重點(diǎn)放在了KE 上游南側(cè)區(qū)域, 探究EKE 與預(yù)先層結(jié)對(duì)冬季MLD 加深的影響。

如圖10 所示, 本文分析了STMW 生成區(qū)、KE上游泳南側(cè)及其下游區(qū)域的MLD 與SSH、EKE 與SSH、預(yù)先層結(jié)與EKE 之間的關(guān)系。分析可知, 同一組變量在不同區(qū)域的相關(guān)性差異很明顯。首先對(duì)于MLD 與SSH 來(lái)說(shuō), 兩者在STMW 生成區(qū)、生成區(qū)中的KE 上游以及KE 下游都為正相關(guān), 相關(guān)性最高的區(qū)域在KE 上游, 但是與其他兩個(gè)區(qū)域相差不大。在KE 上游, SSH 每升高0.1 m, MLD 對(duì)應(yīng)加深35 m。然后, 對(duì)于EKE 與SSH 來(lái)說(shuō), 兩者之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),不同區(qū)域它們之間的相關(guān)性顯著不同, 在KE 上游EKE 與SSH 之間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)–0.53, 而在整個(gè)STMW 生成區(qū)EKE 與SSH 相關(guān)性只有–0.17。上游區(qū)域SSH 每上升0.1 m, EKE 對(duì)應(yīng)減小約0.03 m2/s2。

圖10 STMW 生成區(qū)、KE 上游南側(cè)及其下游區(qū)域的MLD-SSH、EKE-SSH 和N-EKE 相關(guān)性Fig.10 MLD-SSH, EKE-SSH and N-EKE correlations in the STMW formation region, south side of KE upstream and downstream region of KE

而受KE 狀態(tài)影其向南分離出來(lái)的渦旋活動(dòng), 海洋層結(jié)也發(fā)生相應(yīng)變化(Qiuet al, 2005, 2006, 2007)。如圖10g—10h, EKE 與預(yù)先層結(jié)表現(xiàn)為正相關(guān), 特別是在KE 上游, 兩者的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.68。在該區(qū)域, EKE每增加0.1 m2/s2, 可促使預(yù)先層結(jié)升高0.1×10–3s–1?？梢?jiàn), 相對(duì)生成區(qū)中的其它區(qū)域, KE 上游南側(cè)區(qū)域(132°—147°E, 30°—35°N)的MLD 及SSHA 更易受到海洋動(dòng)力狀態(tài)和層結(jié)強(qiáng)度的調(diào)節(jié): 在STMW 體積正(負(fù))異常時(shí)期, KE 上游南側(cè)出現(xiàn)的渦動(dòng)能和預(yù)先層結(jié)強(qiáng)度負(fù)異常(正異常)將進(jìn)一步地調(diào)控當(dāng)?shù)氐腗LD 和SSHA, 促使深厚(淺薄)的混合層水體在晚冬形成。

3.2 混合層體積收支

在3.1 節(jié), 分析了受控于海洋動(dòng)力過(guò)程的預(yù)先層結(jié)(Qiuet al, 2007)和能夠反映海氣相互作用的海表浮力通量?jī)烧叩目臻g分布特性, 初步認(rèn)識(shí)到影響MLD 發(fā)展的不同物理過(guò)程具有區(qū)域差異。本節(jié)將進(jìn)一步量化海洋動(dòng)力環(huán)境和海氣相互作用對(duì)混合層加深的影響, 深入探討引起混合層體積年代際變化的主要原因。同時(shí), 前文分析得出的海表浮力通量變化難以對(duì)STMW 生成區(qū)混合層產(chǎn)生顯著影響的結(jié)論,在本節(jié)會(huì)再一次得到驗(yàn)證。

本節(jié)研究基于混合層體積收支方程(7), 該方程表明, 混合層體積變化主要受4 個(gè)過(guò)程調(diào)節(jié), 它們分別為海氣形成率、沿著等密度面的側(cè)向輸運(yùn)、混合層底部卷吸以及越密混合。各項(xiàng)作用于圖2 所示的控制體, 是密度和時(shí)間的函數(shù)。其中控制體的密度半徑取0.1 kg/m3(θσΔ =0.1 kg/m3)、中心密度為θσ。若以月為單位進(jìn)行時(shí)間積分再取氣候平均可得到各項(xiàng)對(duì)不同密度范圍控制體作用的月變化如圖11 所示。首先,側(cè)向輸運(yùn)在STMW 生成區(qū)及24.6—25.6 kg/m3密度層上為負(fù)(圖11d), 且整體較其他項(xiàng)小了一個(gè)量級(jí), 可見(jiàn)其對(duì)混合層體積的影響非常微弱。同時(shí), 越密混合項(xiàng)(R)在24.6—25.6 kg/m3密度層上, 對(duì)冬季的混合層體積變化的作用也不顯著(圖11e)。

在8—11 月, 24.6—25.6 kg/m3之間的混合層水體(黑色虛線之間)的露頭區(qū)主要位于KE 北側(cè), 各月混合層形成體積為正值, 混合層體積持續(xù)增加(圖11a),而這期間海氣形成率為負(fù)值(圖11b), 只有卷吸項(xiàng)能為混合層體積的增大做出貢獻(xiàn)(圖11c)。另外, 圖中紅色的曲線為133°—170°E 經(jīng)向平均的30°N 和36°N 等緯度線。若以此為參照, 可發(fā)現(xiàn)混合層體積年內(nèi)變化強(qiáng)度在不同緯度差異較大。而 8—11 月, 24.6—25.6 kg/m3露頭區(qū)在KE 北部, 海表浮力通量隨密度的向北增加而減小(圖8a 和8b), 因此在這一時(shí)期, 海氣形成體積為負(fù)值。當(dāng)12 月露頭區(qū)回歸STMW 形成區(qū)時(shí), 該區(qū)域具有的弱層結(jié)、高海表浮力通量梯度等特點(diǎn)使得冬季MLD 可以達(dá)到很深的深度, 直至3 月初, 混合層都迅速加深, 混合層形成、海氣形成及卷吸體積都表現(xiàn)出顯著正值。綜上可知, 24.6—25.6 kg/m3露頭區(qū), 在8 月至次年3 月初不斷南移, 混合層形成主要受到混合層底部的卷吸作用調(diào)控; 當(dāng)其露頭區(qū)遷移至STMW 形成區(qū)時(shí)(12 月至3 月), 卷吸作用增強(qiáng)的同時(shí)正的海氣形成也顯著增加, 在兩者共同的作用下混合層迅速加深。

圖11 133°—170°E 范圍內(nèi)不同密度層上混合層體積收支公式中各項(xiàng)的季節(jié)變化Fig.11 Seasonal variation of each item in the mixed layer volume budget formula at different density layers in 133°—170°E

為了進(jìn)一步評(píng)估海氣形成作用、卷吸作用等對(duì)生成區(qū)混合層體積變化的影響, 本文計(jì)算了上年10 月至3 月密度處于24.6—25.6 kg/m3之間的各項(xiàng)作用。其中海氣形成體積(～2×1014m3/a)的年代際變化相對(duì)不明顯; 卷吸體積(～3×1014m3/a)與混合層形成體積(～4×1014m3/a)在年變化上幾乎是同步的, 且具有顯著的年代際變化; 側(cè)向輸運(yùn)體積(～0.6×1014m3/a)對(duì)混合層的發(fā)展具有抑制作用, 但相對(duì)其他項(xiàng)小了約一個(gè)量級(jí), 且沒(méi)有明顯的年代際變化。

3—5 月為潛沉發(fā)生時(shí)期(圖11c), 累積該時(shí)段內(nèi)24.6—25.6 kg/m3密度層上的卷吸率, 得到圖12 藍(lán)色虛線所示的卷吸體積, 其負(fù)值為潛沉體積。由圖12可知潛沉體積與混合層形成體積具有大小相當(dāng)且同步的年代際變化。而潛沉體積年代際變化由混合層形成體積年代際變化決定。綜上, 本次研究進(jìn)一步表明卷吸項(xiàng)主要調(diào)控混合層形成體積的年代際變化, 使生成區(qū)混合層具有顯著的年代際變化, 以此調(diào)控STMW 形成。

圖12 混合層體積收支中各項(xiàng)及潛沉年變化Fig.12 Annual variation of each item in mixed layer volume budget and spring subduction

3.3 PDO 調(diào)制

回顧前文, 影響STMW 年代際變化無(wú)論是MLD還是預(yù)先層結(jié)、EKE 等都與SSHA 緊密聯(lián)系, 因此本文借助ECCO2 的SSHA 數(shù)據(jù)對(duì)其年代際變化進(jìn)行了溯源。

如圖13c 所示, PDO 指數(shù)呈現(xiàn)出顯著的年代際變化。當(dāng)PDO 處于正(負(fù))相位時(shí)期, 遠(yuǎn)離STMW 形成區(qū)的東太平洋(130°—162°W, 20°—50°N)被激發(fā)出正(負(fù))的風(fēng)應(yīng)力旋度異常(圖13a), 海表為Ekman 輻散(輻聚), 引起海洋上層有向上(下)的Ekman 抽吸速度異常, 導(dǎo)致海表面高度降低(升高), 對(duì)應(yīng)溫躍層抬升(加深); 海表面高度和溫躍層異常信號(hào)再以第一斜壓Rossby 波的速度向西傳輸, 于3—4 a 后抵達(dá)KE 上游南側(cè)STMW 生成區(qū)(圖13b), 可顯著增強(qiáng)(減弱)南側(cè)模態(tài)水生成區(qū)(132°—147°E, 30°—35°N)的預(yù)先層結(jié),從而削弱混合層底部地卷吸過(guò)程, 并最終阻礙(促進(jìn))冬季混合層形成, 使得STMW 形成體積減少(增加)。

圖13 PDO 指數(shù)及與之有關(guān)的海表風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度及SSHAFig.13 PDO index and the surface wind stress, wind stress curl, and SSHA corresponding to PDO

4 結(jié)論

近年來(lái), 許多研究就影響STMW 生成的機(jī)制進(jìn)行了探討, 將20 世紀(jì)80 年代后STMW 的年代際變化歸因于海洋的動(dòng)力過(guò)程, 即由其調(diào)控的海洋預(yù)先層結(jié)引起。然而, 這些動(dòng)力過(guò)程對(duì)STMW 年代際變化的調(diào)節(jié)方式還尚不明確。因此本文采用ECCO2 再分析數(shù)據(jù)對(duì)1992—2019 年STMW 的年代際變化及其機(jī)制進(jìn)行了探討。

特征分析結(jié)果表明, STMW 形成體積年代際變化完全反映在晚冬生成區(qū)(133°—170°E, 30°—36°N)混合層體積的變化上, STMW 形成厚度和面積均呈現(xiàn)類(lèi)似的年代際變化。其中, STMW 形成厚度的變化由其下邊界深度決定, 而這進(jìn)一步取決于生成區(qū)MLD。另外, 其形成面積的變化與露頭區(qū)的南北收縮、擴(kuò)張有關(guān)。STMW 形成體積在1992—1997 年、2000—2005年和2011—2017 年為正異常, 在1998—1999 年和2006—2010 年為負(fù)異常。正異常期間 MLD 以及STMW 形成厚度顯著增加的區(qū)域?qū)?yīng)正SSHa, 且主要集中于生成區(qū)西部。

隨后, 本文對(duì)STMW 形成體積正負(fù)異常期間,海洋層結(jié)、海表EKE、海表浮力通量特征進(jìn)行了探討。結(jié)果表明, STMW 形成體積正異常時(shí)期, 在KE 上游南側(cè)(132°—147°E, 30°—35°N)對(duì)應(yīng)有EKE 減小與預(yù)先層結(jié)減弱, 在KE 下游近KE 主軸處對(duì)應(yīng)海表浮力通量升高。而在它們顯著變化的區(qū)域上, 都有正SSHA 與之相對(duì)應(yīng)。KE 上游南側(cè)區(qū)域(132°—147°E,30°—35°N)預(yù)先層結(jié)被削弱(增強(qiáng)), 是促進(jìn)(阻礙)晚冬深MLD 形成主要因素。

此外, 本文利用了混合層體積收支公式對(duì)混合層形成體積進(jìn)行量化分析。混合層體積變化主要受四個(gè)過(guò)程影響, 它們分別為海氣形成率、沿著等密度面的水體側(cè)向輸運(yùn)、混合層底部卷吸以及越密混合。各密度層上各項(xiàng)引起的體積隨月份的變化顯示,24.6—25.6 kg/m3露頭區(qū), 在8—11 月初不斷南移, 混合層形成主要受到混合層底部的卷吸作用調(diào)控; 12 月開(kāi)始其露頭區(qū)遷移至STMW 形成區(qū)時(shí), 卷吸作用增強(qiáng)的同時(shí)正的海氣形成也顯著增加, 在兩者共同作用下混合層迅速加深。累積上年10 月至3 月24.6—25.6 kg/m3密度層上的各項(xiàng)作用, 得出的各項(xiàng)引起的體積變化量的年時(shí)間序列顯示, 其中海氣形成體積(～2×1014m3/a)以及側(cè)向輸運(yùn)體積(～0.6×1014m3/a)的年代際變化相對(duì)不明顯, 卷吸體積(～3×1014m3/a)與混合層形成體積(～4×1014m3/a)具有大小相當(dāng)且同步的年代際變化。因此, 混合層底部的卷吸作用主要調(diào)控混合層形成體積的年代際變化, 是調(diào)控STMW 形成體積的年代際變化的間接主導(dǎo)因素。

進(jìn)一步的分析結(jié)果表明, 當(dāng)PDO 處于正(負(fù))相位時(shí)期, 遠(yuǎn)離 STMW 形成區(qū)的中、 東太平洋(130°—162°W, 20°—50°N)被激發(fā)出正(負(fù))的風(fēng)應(yīng)力旋度異常, 海表為Ekman 輻散(輻聚), 引起海洋上層有向上(下)的Ekman 抽吸速度異常, 導(dǎo)致海表面高度降低(升高), 東太平洋產(chǎn)生負(fù)(正)SSHA 信號(hào), 對(duì)應(yīng)溫躍層抬升(加深); 海表面高度和溫躍層異常信號(hào)再以第一斜壓Rossby 波的速度向西傳輸, 于3—4 a 后抵達(dá)KE 上游, 可顯著增強(qiáng)(減弱)KE 南側(cè)模態(tài)水生成區(qū)的預(yù)先層結(jié), 從而削弱混合層底部的卷吸過(guò)程, 并最終阻礙(促進(jìn))冬季混合層形成, 使得STMW 形成體積減少(增加)。