北冰洋中层水的数值模拟研究

发布时间：2020-05-21 02:01

【摘要】：北极环极边界流是除南极绕极流外又一支绕地轴运动的大尺度海流，它将北大西洋暖水带入北冰洋，形成广泛分布的北冰洋中层水。北冰洋中层水因其高温特性，有显著的气候意义，因而成为北极物理海洋学研究的热点问题。但由于北极环境恶劣，实测数据稀少，且中层无法使用卫星资料，虽近年来涌现出大量研究成果，但尚未形成系统性的对北冰洋中层水团与环流的认识。在这种情况下，数值模式无疑成为重要研究手段与方法。而由AOMIP各模式的模拟结果分析可知，大多数模式无法正确模拟出北冰洋中层水的特点。文中选用了公开的IPCC中有代表性的CCSM3和CCSM4气候模式的结果和有同化数据的SODA与GLORYS再分析数据，以北冰洋中层水核心温度（AWCT）为指标，参照气候态数据集PHC，定量计算了中层热含量的相对误差，评价了三者对北冰洋中层水的模拟能力。结果表明，CCSM的模拟结果的AWCT和相应深度在空间分布上与PHC相比偏差较大，此数据显著的问题是错误的反映了FSB与BSB对北冰洋中层水组成的贡献，没有正确模拟出BSB在巴伦支海和卡拉海冷却混合变性的过程。SODA同化结果从气候平均场来看，在北冰洋中层水再现方面上是三套数据里最好的，其AWCT和相应深度的空间分布相对合理。然而，相邻两月的空间分布差别过大，不符合热量由上游扩展到下游的物理过程。作者认为，这是由于空间不均匀的同化数据来源造成的。GLORYS的同化数据不包含北冰洋的观测，因而可以看作自由运行的结果，在不到二十年的过程中，欧亚海盆特别是东部的AWCT与相应深度均发生了巨大的偏差。从热含量相对误差上看，CCSM的结果在所有区域均为正值，且在加拿大海盆很大。SODA在各个区域都较小，是三者中误差最小的。GLORYS数据1993年的误差较小，但2009年的结果在各个海盆均有较大负值误差，同样体现出在模拟过程中的显著的热含量损失。文中使用NEMO冰海耦合模式进行了10年的气候态强迫下的模拟，通过与实测比较SST，北极海冰，SSH与上层环流，证明了该全球大洋环流模式是可信的，且在北冰洋上层的模拟也是合理的。但是，与其它模式结果有相似性，北冰洋中层水的模拟上存在较大偏差，特别在欧亚海盆，AWCT偏低0.5度以上，相应深度也相差几百米不等。通过对热传导方程各项的贡献分析，文中指出GM90中的等密度面混合方案会导致欧亚海盆陆坡附近北冰洋中层水的温度产生过度的垂向混合。而这个过度的混合是由于在欧亚陆坡处特殊的水文环境，即水平密度梯度造成的，在PHC中也有反映。因而我们认为这个在大部分海区广泛应用的粗分辨下的水平混合方案，在北冰洋不再适用。依靠一个限制这个垂直混合的敏感性实验，虽然AWCT并没有改善，但我们得到了热传导方程中相对合理的各项贡献，即平流项与水平混合项，而不是原实验下的平流项与垂直混合项为温度变化的主要贡献项。而作为唯一的热量来源的平流不足，，很可能是AWCT没有改善的原因。 Neptune参数化方案与提高水平分辨率均可以有效的改善北大西洋水在弗拉姆海峡的入流，并加强环极边界流，因而欧亚海盆特别是西部的北冰洋中层水的模拟结果得以改善。从而证明了北冰洋中层水的维持机制是平流与水平混合的平衡。而涡与地形相互作用亦是北冰洋中层水模拟的一个敏感因素，而粗分辨率网格无法反映这个物理机制，有必要通过参数化的形式加入到数值模式里。同时，也说明高分辨率模式在北冰洋动力机制研究中的必要性。此外，文中对其它可能影响北冰洋中层水模拟结果的因素作了简单讨论，如启动时间和气候态强迫场。
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2图 1-1 北冰洋及其边缘海分布图，图片来自 AMAP (Arctic MonitoringAssessment Programme)（http://www.amap.no）北冰洋的划分在不同场合略有区别和争议，部分人认为北冰洋应该包括 GIN海，这样就包括了重要的热盐环流的下沉区，因而有人在研究大西洋经向环流以及全球海洋输送带时把这一海区也划入北冰洋，也有部分人认为巴伦支海也应该算做大西洋，因为北大西洋暖流的缘故，这里几乎终年不冻。本文采用相对统一的一种认识，即北冰洋包括北冰洋海盆和周围的 7 个边缘海。7 个边缘基本上绕

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上方空气温度相差 20 摄氏度以上，海水迅速失热会源源不断的产生造成 SSS 迅速升高，因而引起海水的静力不稳定，造成盐度对convection），高盐水体下沉对流对北冰洋水团的形成，上层海洋混合起到重要作用（Rudels 等, 2004）。相反在夏天，由于大量海冰融化，下降，密度跃层形成，破坏冬季形成的高盐混合层（Rudels 等, 2004在北冰洋内部形成的海冰会随东格陵兰海流从弗拉姆海峡流出北格陵兰海和北大西洋，对全球海洋输送带的下沉区的盐度有一定影响能影响其下沉的速率，因而也成为近几年研究的热点。另外，据联合候变化专门委员会 2007 年第四次报告（IPCC AR4,2007），北极是全响应最快的地区，气温上升程度明显高于其它地方，北冰洋已经成为化的指示器。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P731.2

【参考文献】