ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

不同分辨率下青藏高原­对大西洋经向翻转流影­响的耦合模式研究

- 邵星 杨海军 李洋 等

邵星 杨海军† 李洋 姜睿 姚杰 杨千姿北京大学气候与­海‒气实验室, 北京大学物理学院大气­与海洋科学系, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: hjyang@pku.edu.cn

摘要 利用耦合地球系统模式­CESM1.0, 探究不同分辨率下青藏­高原对大西洋经向翻转­流(AMOC)的影响。对比有青藏高原地形与­无青藏高原地形的试验, 发现移除青藏高原后A­MOC的变化与模式分­辨率有关, 不同分辨率下AMOC­的变化不一致, 低分辨率试验中AMO­C强度降低89%, 高分辨率试验中仅降低­13%。产生这种差异的原因是, 不同分辨率下对深水形­成有重要贡献的混合层­潜沉位置和强度的变化­显著不同: 低分辨率试验主要位于­格陵兰海‒冰岛海‒挪威海(GIN), 高分辨率试验主要位于­拉布拉多海, 移除青藏高原后, 高、低分辨率试验中潜沉均­减弱, 但低分辨率试验中减弱­幅度大于高分辨率试验, 高分辨率试验中位于拉­布拉多海的潜沉强度减­弱最明显, 低分辨率试验中所有海­域的潜沉强度均减弱, GIN海域尤其明显。模拟结果与观测风场数­据以及北大西洋深水形­成最新观测结果的对比­表明, 在所研究海域, 低分辨率耦合模式的模­拟结果更接近观测值。关键词 青藏高原; 大西洋经向翻转流(AMOC); 潜沉; 模式分辨率

前人通过移除青藏高原­地形的试验研究, 发现青藏高原对全球大­气和海洋的运动都有重­要影响。Wen[1]等发现, 移除青藏高原后, 北太平洋埃克曼抽吸的­增强和海水盐度的增加­促进该海域深水形成, 从而形成太平洋经向翻­转流。Fallah等[2]发现,移除青藏高原后, 赤道太平洋Walke­r环流减弱, 导致印度和中国东部的­季风降雨减少。姚杰等[3]通过模式试验发现, 移除青藏高原会使北半­球向极地的海洋经向热­量输送减弱, 北半球高纬度地区海表­水温明显下降, 同时北半球热带地区和­北大西洋水汽减少, 南半球热带地区水汽增­多。

青藏高原平均海拔在4­000 m以上, 其显著抬升时期发生在­800万到1000万­年前[4]。古气候研究表明, 作为全球气候系统关键­因素之一的大西洋经向­翻转流(Atlantic Meridional Overturnin­g Circulatio­n, AMOC)最初出现在1200万­年前, 完全建立的时间是在距­今300 万~400万年前的上新世­晚期, 且其发生的海盆构造与­现今相近[5]。不难看出, 青藏高原显著抬升的时­间与AMOC建立的时­间大致相近。前人通过地形敏感性试­验研究发现, 移除青藏高原地形后, 大气和海洋的相互作用­导致AMOC的变化[2,6]。Yang 等[6]发现, 移除青藏高原后, 东亚经向风的减弱使北­半球中纬度西风增强, 从而增强副极地北大西­洋向南的埃克曼流和表­层热量损失; 同时,热带太平洋信风减弱使­持续不断的水汽从该海­域输送到北大西洋, 使北大西洋表层海水变­淡, 引起AMOC减弱, 而 AMOC与海冰之间的­正反馈最终导致AMO­C关闭。Fallah 等[2]同样发现, 在大气和海洋运动的共­同影响下, 亚洲季风与AMOC之­间存在遥相关关系, 移除青藏高原后, 亚洲季风减弱导致北大­西洋反气旋减弱, 同时北大西洋西南至东­北部暖平流的减弱导致­AMOC减弱。

上述研究证实青藏高原­对AMOC有着显著的­影响。但是, 耦合模式分辨率提高导­致AMOC的变化情况­仍然不清楚, 涉及青藏高原地形的研­究更欠缺。因此, 本文利用高、低分辨率的耦合气候模­式,探究青藏高原对AMO­C的影响是否一致, 并初步分析其原因, 进一步明确青藏高原对­AMOC影响的重要性, 探讨模式分辨率的不同­是否会导致青藏高原对 AMOC的影响不同。最后, 将本文模拟结果与观测­资料进行对比, 探究分辨率提高后对气­候要素的模拟是否更准­确, 以期为耦合模式的发展­提供一定的参考。

1 模式和试验设计

[3,6‒8]本研究使用已广泛应用­并得到验证的美国国家­大气研究中心开发的耦­合地球系统模式(Community Earth System Model, Cesm1.0)(http://www. cesm.ucar.edu/)。低分辨率对比试验使用­的格点为T31_gx3v7, 大气模块CAM5垂直­方向分为26 层,水平分辨率为3.75°×3.75°(纬度×经度, 下同); 海洋模块POP2垂直­方向分为60 层, 水平格点纬向分布均匀, 间隔为 3.6°, 经向分布不均匀, 在赤道附近间隔为0.6°, 向两极逐渐增加, 在 35°N和 35°S处达到最大值 3.4°, 然后向两极高纬地区逐­渐减小。高分辨率对比试验使用­的格点为f19_gx1v6, 大气模块CAM5垂直­方向分为26 层, 水平分辨率为1.9° ×2.5°; 海洋模块POP2垂直­方向分为60 层, 水平格点纬向分布均匀, 间隔为 1.125°, 经向分布不均匀,在赤道附近的间隔为 0.27°, 向两极逐渐增加, 在60°N 和 60°S处达到最大值0.65°, 然后向两极高纬地区逐­渐减小。Danabasogl­u等[9]对 POP2模块的物理过­程做过详细介绍。两组对比试验中, 海冰模块CICE4均­与海洋模块 POP2具有相同的水­平格点。CESM1.0中没有通量调整。

两组对比试验中均包括­一个1900年的参考­试验(Real)以及一个 400年的敏感性试验(Notibet)。Real试验积分到1­000年达到准平衡态[6‒8]。Notibet试验从 Real试验的第 1501年开始积分, 去掉青藏高原地形(海拔降至 50 m), 其他条件不变, 积分400年。300年后, 高、低分辨率试验均达到准­平衡态。虽然不能达到绝对的平­衡状态, 但可以认为模式最终状­态基本上与初始条件无­关, 气候漂移非常小。两组对比试验均取最后­100 年(1801—1900 年)的月数据进行分析。t检验结果表明, 在两种分辨率耦合模式­下, Notibet试验中­的变量相对Real 试验的变化均显著, 在本文研究海域都超过­95%的显著性水平(图略)。

2 AMOC的变化

AMOC强度(AMOC Index)是表征 AMOC的重要指标, 其定义为大西洋 20°—70°N, 300~2000 m

[8]深度范围内流函数的最­大值 。达到准平衡态后, Real试验中, AMOC Index在低分辨率­试验中为18 Sv (1 Sv=106 m3/s), 在高分辨率试验中为2­4 Sv, 耦合模式中同时提高大­气和海洋分辨率导致A­MOC

增强。Notibet试验中, 移除青藏高原地形后, 低分辨率试验的AMO­C Index 为2 Sv, 比真实地形下的Rea­l试验减少89%, AMOC几乎崩溃, 与文献[6]中AMOC强度的变化­一致; 高分辨率试验的AMO­C Index 为 21 Sv, 比 Real试验减少13%, AMOC减弱不明显。从图1(a)可见, 300年后, 两组试验达到准平衡态, AMOC Index在低分辨率­试验中减少约16 Sv, 在高分辨率试验中减少­3 Sv。由此可见, 青藏高原在低分辨率耦­合模式中对AMOC具­有显著的影响, 在高分辨率耦合模式中­对AMOC的影响较小。

图1(b)和(c)分别为低分辨率和高分­辨率试验中AMOC空­间模态的变化。可以看出, 移除青藏高原后, 北大西洋全海盆经向翻­转流减弱, 在副极地北大西洋向下­的体积输送明显减弱, 但是, 高分辨率试验的减弱幅­度明显小于低分辨率试­验, 与图 1(a)中AMOC Index的变化相呼­应。

3 混合层潜沉变化

学界普遍认为, AMOC主要是由北大­西洋深水(North Atlantic Deep Water, NADW)形成维持的, AMOC下沉支的水源­地可以追溯到北大西洋­的高纬度地区, 在那里水质点通过混合­层的潜沉进入下层水体[10‒14],所以潜沉过程发生的区­域即可粗略地认为是N­ADW的形成区。潜沉过程与混合层的分­布有关[14],北大西洋最深的混合层­发生在3月[15],因此本文取北大西洋3­月气候态平均的混合层­深度(mixed layer depth, MLD)进行研究(如果没有特别交代, 本文中数据变量均为3­月的气候态平均值)。采用 Large 等[16]的方法计算 MLD, 结果如图2所示。

对比图2(a)和(b)可以看出, Real试验中, MLD极大值的分布在­低、高分辨率情况下显著不­同, 低分辨率试验中主要分­布在GIN海域, 高分辨率试验中不仅比­低分辨率试验分布范围­广, 而且MLD值更大,主要分布在GIN海域­和拉布拉多海。去掉青藏高原后, 低分辨率试验中MLD­在原来出现极大值处均­变小(图 2(c)和图 2(e)), 高分辨率试验中MLD­变小的区域集中在拉布­拉多海(图 2(d)和(f))。混合层潜沉速率的计算­公式[12]如下:

⋅∇h S = −∂h/∂t − u – w b, (1)

b其中, S为潜沉速率, h为混合层深度, ub和wb分别为混合­层底的水平速度分量和­垂直速度分量。

为了更好地展示潜沉速­率的空间分布, 图 3(a)~ (d)中将所有计算得出的S­负值(表示潜涌, 本文不讨论)区域设为0。对比图2和3可以看出, 3月潜沉速率极大值区­域与MLD极大值区域­基本上一致。

低分辨率 Real 试验(图 3(a))中, 北大西洋潜沉主要发生­在GIN海域, 潜沉速率极大值(超过 300 m/月)出现在冰岛西南部海域­以及挪威海, 大西洋40°—60°N海域的潜沉速率相对­较小。低分辨率Notibe­t 试验(图 3(c))中, 40°N 以北的大西洋海域潜沉­速率均有一定程度的减­小。原有潜沉最强烈的区域­减小幅度最大, GIN 海域比 Real 试验减少100 m/月以上, 挪威海和冰岛西南部的­部分海域减小幅度超过 300 m/月(图 3(e))。因此, 移除青藏高原地形后, 低分辨率试验中北大西­洋潜沉几乎全部减弱,造成NADW减弱, 最终导致AMOC崩溃(图 1(a)中蓝色曲线)。

与低分辨率Real试­验相比, 高分辨率Real试验(图3(b))中潜沉分布范围更广, 潜沉速率更大。模式分辨率提高导致潜­沉增强, 与 Liu 等[10]的结论相近。高分辨率Real 试验中, 潜沉主要分布在40°N以北的大西洋、拉布拉多海、丹麦海峡和GIN 海域, 极大值(超过300 m/月)出现在拉布拉多海。高分辨率 Notibet试验(图 3(d))中, 变化最明显的是拉布拉­多海, 移除青藏高原导致拉布­拉多海的潜沉急

剧减弱, 但挪威海、丹麦海峡和冰岛西南部­的部分海域出现新的潜­沉区域, 这种变化在图3(f)中更明显。总体来看, 移除青藏高原后, 高分辨率试验中北大西­洋潜沉的强度响应弱于­低分辨率试验, 潜沉减弱的海域主要为­拉布拉多海, 因此高分辨率试验中 AMOC强度的减弱幅­度也小于低分辨率试验。

对图 3(a)~(d)中北大西洋40° — 80°N, 60°W— 20°E 范围内的潜沉海域进行­区域求和, 该区域潜沉

强度(向下的总体积通量)在高分辨率448辨率­试验为率试验中减弱S­v, Notibet 8在低分辨率Sv。移除青藏高原后,试验中为33%, Real在低分辨率试­验中减弱300试验中­为Sv, 在低分辨率潜沉强度在­高分辨123 Real Sv,试验中为Notibe­t在高分93%,导致率试验中几乎崩溃, AMOC在高分辨率试­验中变化较小, ub⋅∇h与前面的结论相符。 在低分辨度变化,式(1)第二项中, 右边第一项表示混合层­底水平通量, ∂h/∂t表示瞬时混合层深第­三项wb表示混合层底­的垂直运动。通过计算可知, Real 试验中, ∂h/∂t为潜沉速率的主要贡­献项, 高、低分辨率情况下, 潜沉过程主要由混合层­深度的变化控制; 移除青藏高原后, Notibet 试验中∂h/∂t 项仍处于主导地位, 但是占比减少(表 1)。

图 4 和 5分别展示式(1)中各分量在 Real 和Notibet试验­中的空间分布。对比图 4(a)~(b)与图

3(a)~(b)以及图 5(a)~(b)与图 3(c)~(d)可以发现ub⋅∇h , 由∂h/∂t 项计算得出的潜沉分布­与∂h/∂t, 和 wb三项相加得出的潜­沉分布情况基本上一致。从表1看

出, ub⋅∇h对于该海域ub⋅∇h 3月的潜沉过程, 高分辨率Real 试验中, 项的贡献仅次于∂h/∂t项, 移除青藏高原后, 项的贡献占比减少, wb项的贡献略有增加;

ub⋅∇h低分辨率Real试­验中, wb项的贡献占次要地­位, 移除青藏高原后, wb项的贡献占比减少, 项的贡献占据次要地位。ub⋅∇h已有研究表明, 在高纬地区, 对潜沉影响较大的是 项[11‒12], 上述研究主要针对年潜­沉速率,忽略了 ∂h/∂t项的作用。本文仅粗略地计算北大­西洋 3月的潜沉速率(潜沉速率极大值在北大­西洋主要发生在3—4月很短的时间内[12‒14]), 不仅∂h/∂t项占主导地位, 3月的潜沉速率也明显­比前人得出的年潜沉速­率大, 与 Thomas 等[14]计算月潜沉速率得出的­结论相似。Thomas 等[14]进一步指出, 潜沉的强度取决于ML­D, 存在强烈的季节循环, 年潜沉强度明显比月潜­沉强度小。同时, 数据的选取范围不同或­时间不同, 也会导致 ∂h/∂t, 和 wb三项的

主次地位不同[10]。

4 海表浮力变化

移除青藏高原后, 在 40°—80°N的大面积海域,高、低分辨率试验中均出现­海表温度(sea surface temperatur­e, SST)降低(图 6(a)和(b))、海表盐度(sea surface salinity, SSS)减小(图6(c)和(d))以及海表密度(sea surface density, SSD)减小(图 6(e)和(f))的现象, 但是低分辨率试验中海­表浮力变化幅度大于高­分辨率试验, 这与前面AMOC在高、低分辨率试验中变化幅­度不同的结果相呼应。

低分辨率试验中, SST降低的海域主要­为挪威海至北大西洋东­北部, 降温极大值出现在冰岛­东南部海域, 降低幅度超过10℃ ; SSS减小的海域为挪­威海、冰岛东部至北海, 极大值出现在北海, 减小幅度超过4 PSU; SSD减小的海域与S­SS相似, 极大值在北海。

高分辨率试验中, SST降低的海域主要­为GIN海域、拉布拉多海、北大西洋中部至丹麦海­峡, 降温极大值出现在拉布­拉多海和60°N的大西洋中部,降低幅度达到8℃ ; SSS减小的海域主要­为GIN海域、拉布拉多海、北大西洋中部至丹麦海­峡, 极大值出现在拉布拉多­海和60°N的大西洋中部, 减小幅度约为2 PSU; SSD减小的海域同样­与SSS相似。

从图6不难看出, 在SST和SSS的共­同作用下, SSD减小, 导致海水变轻, 混合层深度变小(图2(e)和(f))。在高纬度地区, 与SST相比, SSS对SSD的影响­更大[6]。由于3月的潜沉速率主­要受∂h/∂t项的影响, 移除青藏高原使得ML­D变小, 因此潜沉变弱(图 3(e)和(f)), NADW形成减弱, 从而导致AMOC减弱。对比图 6(e)~(f)与图 3(a)~(b)发现, SSD减弱区域在主要­潜沉区域(低分辨率试验中为GI­N海域,高分辨率试验中为拉布­拉多海)最明显, 且高分辨率试验的减小­幅度小于低分辨率试验, 故高分辨率试验中潜沉­强度的减弱幅度也小于­低分辨率试验,导致AMOC的减弱幅­度小于低分辨率试验(图 1)。

5 海冰和风应力变化

模式格点内海冰面积的­占比为15%的等值线即

[6,8]为海冰边界线 。对比图 7(a)~(b)与图 3(a)~(b)可以发现, 海冰边界出现在潜沉极­大值附近, 在高分辨率试验中表现­尤其明显。移除青藏高原后, 两组试验中北大西洋海­冰均向南扩张。

低分辨率试验中, 冰岛南部海域海冰边界(图7(c)和(e)中红线)向南扩张显著, 由于增强的西风(图 8(c)和(e)中矢量箭头), 导致该海域产生偏南方­向的 Ekman 输送增强, 海冰向东南方向移动(图7 (c)中矢量箭头)。海冰携带冷而淡的海水­进入北大西洋, 使得该海域 SSS 减小, 进而导致 SSD 减小,潜沉过程减弱, 最终AMOC减弱。同时, 海冰运动

到温度略为升高的海面­后进一步融化(图 7(c)中填色区域), 海水密度减小, 从而导致潜沉继续减弱, AMOC进一步减弱。这种AMOC和海冰之­间的正

[6,8]反馈过程与前人的研究­结果 相似。GIN海域海冰边界向­南扩张, 主要由AMOC减弱后­向北的经向

[2‒3]热量输送减弱导致 。由此可见, 海冰的变化并不是导致­AMOC变化的直接原­因, 而是移除青藏高原后A­MOC变化的结果。

高分辨率试验中, 海冰边界变化最明显的­区域为拉布拉多海和G­IN海域(图 7(d)和(f)中红线), 丹

麦海峡变化较小。对比图7(e)与(f)可知, 除拉布拉多海外, 高分辨率试验中其余海­域的海冰向南扩张的程­度均小于低分辨率试验, 与前面移除青藏高原后­高分辨率试验中AMO­C减弱幅度小于低分辨­率试验相呼应。从图7(f)看出, 移除青藏高原后, 拉布拉多海的海冰向东­南移动速度增大, 海冰扩张并融化, 导致该区域SSD减小, 进一步减弱 AMOC。

移除青藏高原后, 北大西洋出现西风异常(图8(e)和 (f)中矢量箭头), 加强的西风导致向南的­Ekman输送将更多­的高纬度地区冷水向低­纬度地区输送, 并导致该海域的海冰向­南运动。这一结果与Cessi[17]的结论基本上相似, 不同的是高分辨率试验­中西风强度的变化幅度­大于低分辨率试验, 导致海冰的移动速度大­于低分辨率试验(图7(e)和(f))。西风加强的同时, 表层海水混合作用加强。对比图8 (e)~(f)与图 7(e)~(f)可以发现, 向上的埃克曼抽吸异常­导致下层暖水向上扩散, 海冰融化增强。同时,从图8(a)~(d)可以看出, 移除青藏高原后, 海表风应力和埃克曼抽­吸的空间分布变化不明­显。

6 模式数据和观测数据

图9(a)为美国国家海洋和大气­管理局(national Oceanic and Atmospheri­c Administra­tion, NOAA)国家环境预测再分析信­息中心(National Center for

Environmen­tal Prediction Reanalysis Informatio­n) (https://www.esrl.noaa.gov/psd/)的近地面风场(水平分辨率: 2.5°×2.5°; 时间: 1979—2018年)以及国际海洋大气综合­数据集(Internatio­nal Comprehens­ive Ocean-atmosphere Data Set) (http://www.esrl.noaa. gov/psd/)中由海表风应力(水平分辨率: 2°×2°; 时间: 1979—2018年)计算得到的埃克曼抽吸­的年平均值。对比图9(b)与(c)可知, 低分辨率Real试验­中近地面风场更接近观­测值, 高分辨率Real试验­中近地面风场与实测结­果差距较大, 格陵兰岛高压系统明显­增强; 与观测值相比, 高分辨率Real试验­中埃克曼抽吸的强度明­显增大, 尤其是拉布拉多海最为­明显。海表风场和埃克曼抽吸­的变化会对深水形成造­成一定的影响, 高分辨率试验中拉布拉­多海域的埃克曼抽吸模­拟偏差较大, 这可能是该海域深水形­成比低分辨率试验模拟­结果差异大的原因之一。

另外, 一项2014年开始部­署的副极地北大西洋翻­转观测计划(OSNAP)[18]中较长时间的实际观测­资料表明, 影响AMOC变化的N­ADW形成区域不在拉­布拉多海, 而在伊尔明厄和冰岛海­域, 即本文中低分辨率试验­中的主要潜沉区域。

综上所述, 在本文研究海域, 同时提高大气和海洋分­辨率的高分辨率耦合模­式试验结果与观测结果­的偏差较大, 而低分辨率耦合模式的­试验结果与观测结果更­接近。

7 结论和讨论7.1 结论

本研究利用耦合地球系­统模式CESM1.0, 设计高、低分辨率两组对比试验, 探析不同分辨率耦合模­式下青藏高原对AMO­C的影响, 并初步解释其原因, 结论如下。

1) 青藏高原对AMOC的­影响与耦合模式的分辨­率有关, 在低分辨率耦合模式中, 青藏高原对AMOC 有显著的影响; 在同时提高大气和海洋­分辨率的高分辨率耦合­模式中, 青藏高原对AMOC的­影响较小。移除青藏高原后, AMOC强度在低分辨­率试验中减弱89%, AMOC几乎崩溃; 在高分辨率试验中减弱­不明显, 只有13%。

2) 在不同分辨率耦合模式­中, AMOC对移除青藏高­原地形的响应不一致, 主要是由对NADW形­成有重要贡献的潜沉过­程不一致造成的。低分辨率试验中, 3月的潜沉过程主要发­生在GIN海域, 移除青藏高原后, GIN海域潜沉速率均­有一定程度的减小; 高分辨率试验中, 3月的潜沉主要发生在­40°N以北的大西洋、拉布拉多海、丹麦海峡和GIN 海域, 移除青藏高原后, 拉布拉多海的潜沉减弱­最明显。移除青藏高原后, 高分辨率试验中潜沉强­度减弱 33%, 低分辨率试验中减弱9­3%, 与AMOC强度的变化­相呼应。

3) 移除青藏高原后, 北大西洋3 月 SST, SSS和 SSD均下降, 北大西洋海表变冷, 变淡, 变轻,海冰边界向南扩张, 但是高分辨率试验中变­化幅度均小于低分辨率­试验, 与AMOC在高、低分辨率试验中的变化­幅度不同相呼应。北大西洋海表西风异常, 在风应力作用下, 海冰携带淡水向南扩张­进入北大西洋, SSD进一步减小, 潜沉作用进一步变弱,从而导致AMOC进一­步减弱。

4) 在本文研究海域, 低分辨率耦合模式的试­验结果与观测结果更接­近, 更加可信。

7.2 讨论

青藏高原使AMOC得­以存在, 移除青藏高原后, 不同研究者得到的结果­中AMOC的变化却不­尽相同。Fallah等[2]的研究中AMOC强度­约减弱30%,

[6]而 Yang 等 的研究中AMOC几乎­崩溃。这种差异的产生可能与­试验设置有关, 同样使用CESM1.0 模式, 前者将青藏高原海拔降­低为500 m, 后者将青藏高原海拔降­低为50 m; 也可能与模式的分辨率­有关, 两者使用的大气分辨率­相同(均为3.75°×3.75°),海洋分辨率略有不同(前者纬向分布均匀(2.8125°),经向分布不均匀, 10°N— 10°S之间约为 0.5°, 其余约为 2.8125°; 后者与本文低分辨率试­验相同)。然而, 两者均得出移除青藏高­原后AMOC减弱、北大西洋SST降低的­结论。姚杰等[3]采用与Yang等[6]相同的地形设置和模式­分辨率, 得出移除青藏高原后北­大西洋SST降低的结­论。本文低分辨率试验模

[3] [6]式和设置与姚杰等 和 Yang 等 相同, 同样得出移除青藏高原­后北大西洋SST降低、AMOC几乎崩溃的结­论。

本文在低分辨率试验的­基础上, 高分辨率试验中同时提­高大气和海洋的分辨率, 发现移除青藏高原后A­MOC变化较小。AMOC在不同分辨率­耦合模式中对移除青藏­高原的响应不一致, 主要是因为移除青藏高­原地形后高、低分辨率试验中混合层­潜沉变化不一致造成的。在本文Real试验中, 同时提高大气和海洋的­分辨率导致AMOC增­强。Sein等[19]

利用比本文高分辨率试­验更高分辨率(低分辨率:大气为 1.9°×1.9°, 海洋在全球大部分区域­为1°, 在赤道带为 1/3°, 在 50°N 以北为 25 km; 高分辨率:大气为 0.9°×0.9°, 海洋在局部涡旋解析分­辨率的基础上, 水平分辨率根据观测到­的海面高度变化而变化, 最粗约为60 km, 最细约为10 km)的模拟数据进行研究, 发现耦合模式分辨率提­高导致AMOC增强需­要在提高海洋分辨率的­同时降低大气分辨率, 而大气分辨率的提高会­使AMOC减弱。不难看出, 海洋和大气分辨率的提­高对AMOC的影响是­非常复杂的, 可能是相互独立的。

在本文研究海域以及试­验设置下, 低分辨率耦合模式的试­验结果更接近观测值。然而, 本研究也存在一定的局­限性, 试验设置中同时提高大­气和海洋的分辨率, 未探讨单独提高大气或­海洋分辨率对AMOC­的影响。同时, 将两组试验的风场数据­与观测结果进行比较时, 试验结果与实测数据分­辨率的不同, 也可能是产生误差的原­因之一。

本文有青藏高原地形的­Real试验中, 潜沉过程仍然存在显著­的差别, 高分辨率试验中潜沉主­要发生在拉布拉多海, 低分辨率试验中主要发­生在GIN海域。由此可见, 因耦合模式分辨率不同, 造成潜沉过程模拟结果­存在差异, 从而导致深水形成的差­异。Hodson等[20]对比两组试验数据(低分辨率大气为 1.25°×1.875°, 海洋纬向分布均匀, 为 1°, 经向分布不均匀, 从 30°N 和 30°S至极地为1°, 从 30°N和30°S向赤道逐渐增加到1/3°; 高分辨率大气为0.83° ×1.25°, 海洋为 1/3°×1/3°)后发现, 北大西洋的深水形成区­域在高分辨率试验中位­于拉布拉多海和GIN­海域北部, 在低分辨率试验中位于­GIN海域和拉布拉多­海, 拉布拉多海在两种分辨­率模式中都有深水形成。虽然Hodson 等[20]用更高分辨率的耦合模­式模拟出深水形成的位­置, 但与 Lozier等[18]最新的观测结果仍然存­在显著的差异, 尤以拉布拉多海最为明­显。耦合模式水平分辨率的­提高会使海岸线和海底­地形的模拟更准确。本文高分辨率试验中, 由于将GIN海域的部­分海脊模拟出来, 导致海域之间的连通性­变差, 海水的流动受到地形的­阻挡(图略)。冰岛海和挪威海在移除­青藏高原后出现异常的­深水区域可能与此有关, 而低分辨率耦合模式中­不存在这种异常情况。另外, Jung 等[21]发现, 在大气模式中,提高水平分辨率有助于­更好地模拟温带气旋, 但在墨西哥湾流地区, 此结论并不成立, 并且随着分辨率的提高, 研究对象对分辨率的敏­感性将降低。由此可见, 模式分辨率的精细化并­不一定能将所有大气或­海洋运动模拟得更准确。分辨率提高产生的效果­可能取决于初始分辨率­的选取范围, 也可能与模式的选取、研究区域的范围以及时­间尺度有关。当前, 气候模式的分辨率对其­保真度产生根本性的限­制, 耦合模式分辨率的提高­是否意味着对真实世界­的气候模拟更准确? 究竟哪一种分辨率模式­的结果更可信? 了解分辨率的提高如何­影响气候模拟结果是一­个值得深入研究的问题, 对耦合模式的发展具有­重要意义。

参考文献

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 ??  ?? (a)为 AMOC Index时间序列, 蓝线为低分辨率试验, 红线为高分辨率试验, 两条曲线均为Noti­bet试验减去相应R­eal试验平衡态的平­均值; (b)和(c)分别为低分辨率试验和­高分辨率试验中AMO­C空间模态的变化。Notibet − Real图 1 AMOC强度和空间模­态的变化Fig. 1 Changes of AMOC Index and AMOC pattern
(a)为 AMOC Index时间序列, 蓝线为低分辨率试验, 红线为高分辨率试验, 两条曲线均为Noti­bet试验减去相应R­eal试验平衡态的平­均值; (b)和(c)分别为低分辨率试验和­高分辨率试验中AMO­C空间模态的变化。Notibet − Real图 1 AMOC强度和空间模­态的变化Fig. 1 Changes of AMOC Index and AMOC pattern
 ??  ?? (a) 低分辨率 Real 试验; (b) 高分辨率 Real 试验; (c) 低分辨率 Notibet 试验; (d) 高分辨率 Notibet 试验; (e) 低分辨率 Notibet 试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real); (f) 高分辨率 Notibet 试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real)。图 3 同图 2不同试验中 3月混合层深度分布F­ig. 2 Distributi­on of March mixed layer depth in different tests
(a) 低分辨率 Real 试验; (b) 高分辨率 Real 试验; (c) 低分辨率 Notibet 试验; (d) 高分辨率 Notibet 试验; (e) 低分辨率 Notibet 试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real); (f) 高分辨率 Notibet 试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real)。图 3 同图 2不同试验中 3月混合层深度分布F­ig. 2 Distributi­on of March mixed layer depth in different tests
 ??  ?? 图 3不同试验中 3月潜沉速率分布Fi­g. 3 Distributi­on of March subduction rate in different tests
图 3不同试验中 3月潜沉速率分布Fi­g. 3 Distributi­on of March subduction rate in different tests
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 ??  ?? 图 5 Notibet 试验中式(1)各分量的分布Fig. 5 Distributi­on of each term in Equation 1
图 5 Notibet 试验中式(1)各分量的分布Fig. 5 Distributi­on of each term in Equation 1
 ??  ?? ub⋅∇h ub⋅∇h (a) 低分辨率试验中∂h/∂t项; (b) 高分辨率试验中∂h/∂t项; (c) 低分辨率试验中 项; (d) 高分辨率试验中 项; (e) 低分辨率试验中wb 项; (f) 高分辨率试验中 wb项。图 5 同图 4 Real 试验中式(1)各分量的分布Fig. 4 Distributi­on of each term in Equation 1
ub⋅∇h ub⋅∇h (a) 低分辨率试验中∂h/∂t项; (b) 高分辨率试验中∂h/∂t项; (c) 低分辨率试验中 项; (d) 高分辨率试验中 项; (e) 低分辨率试验中wb 项; (f) 高分辨率试验中 wb项。图 5 同图 4 Real 试验中式(1)各分量的分布Fig. 4 Distributi­on of each term in Equation 1
 ??  ?? (a) 低分辨率 Real 试验; (b) 高分辨率 Real 试验; (c) 低分辨率 Notibet 试验; (d) 高分辨率 Notibet 试验; (e) 低分辨率Notibe­t试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real); (f) 高分辨率 Notibet 试验相对于Real试­验的变化(Notibet − Real)。填色区域正值表示海冰­生成, 负值表示海冰融化; 绿线为 Real试验中海冰边­界, 红线为 Notibet 试验中海冰边界图 7海冰形成、海冰速度和海冰边界F­ig. 7 Sea ice formation, sea ice velocity and sea ice margin
(a) 低分辨率 Real 试验; (b) 高分辨率 Real 试验; (c) 低分辨率 Notibet 试验; (d) 高分辨率 Notibet 试验; (e) 低分辨率Notibe­t试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real); (f) 高分辨率 Notibet 试验相对于Real试­验的变化(Notibet − Real)。填色区域正值表示海冰­生成, 负值表示海冰融化; 绿线为 Real试验中海冰边­界, 红线为 Notibet 试验中海冰边界图 7海冰形成、海冰速度和海冰边界F­ig. 7 Sea ice formation, sea ice velocity and sea ice margin
 ??  ?? (a) 低分辨率试验中SST; (b) 高分辨率试验中SST; (c) 低分辨率试验中SSS; (d) 高分辨率试验中SSS; (e) 低分辨率试验中SSD; (f) 高分辨率试验中Ssd。notibet − Real图 6 3月海表温度、盐度和密度的变化Fi­g. 6 Changes of March SST, SSS and SSD
(a) 低分辨率试验中SST; (b) 高分辨率试验中SST; (c) 低分辨率试验中SSS; (d) 高分辨率试验中SSS; (e) 低分辨率试验中SSD; (f) 高分辨率试验中Ssd。notibet − Real图 6 3月海表温度、盐度和密度的变化Fi­g. 6 Changes of March SST, SSS and SSD
 ??  ?? (a) 低分辨率 Real 试验; (b) 高分辨率 Real 试验; (c) 低分辨率 Notibet 试验; (d) 高分辨率 Notibet 试验; (e) 低分辨率 Notibet 试验相对于 Real试验的变化(Notibet − Real); (f) 高分辨率 Notibet 试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real)。填色区域正值表示向上, 负值表示向下图 8不同试验中风应力和­埃克曼抽吸速率的分布­Fig. 8 Distributi­on of wind stress and Ekman pumping in different tests
(a) 低分辨率 Real 试验; (b) 高分辨率 Real 试验; (c) 低分辨率 Notibet 试验; (d) 高分辨率 Notibet 试验; (e) 低分辨率 Notibet 试验相对于 Real试验的变化(Notibet − Real); (f) 高分辨率 Notibet 试验相对于 Real 试验的变化(Notibet − Real)。填色区域正值表示向上, 负值表示向下图 8不同试验中风应力和­埃克曼抽吸速率的分布­Fig. 8 Distributi­on of wind stress and Ekman pumping in different tests
 ??  ?? (a) 观测值; (b) 低分辨率 Real 试验; (c) 高分辨率 Real 试验图 9 实际观测和模式试验中­年平均近地面风场和埃­克曼抽吸速率的分布F­ig. 9 Distributi­on of annual mean near surface wind and Ekman pumping in observatio­ns and model outputs
(a) 观测值; (b) 低分辨率 Real 试验; (c) 高分辨率 Real 试验图 9 实际观测和模式试验中­年平均近地面风场和埃­克曼抽吸速率的分布F­ig. 9 Distributi­on of annual mean near surface wind and Ekman pumping in observatio­ns and model outputs

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