MOM4_L40模式對全球海洋CFC-11分布的模擬及其通風(fēng)能力評估

譚娟，李清泉，王蘭寧，趙其庚

1 中國氣象局資產(chǎn)管理事務(wù)中心，北京 1000812 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 2100443 國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 4 北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875

?

MOM4_L40模式對全球海洋CFC-11分布的模擬及其通風(fēng)能力評估

譚娟1，李清泉2,3*，王蘭寧4，趙其庚3

1 中國氣象局資產(chǎn)管理事務(wù)中心，北京 1000812 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 2100443 國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 4 北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875

CFC-11是評估全球海洋環(huán)流模式的一個(gè)重要工具，海水中溶解的CFC-11被用來分析全球海洋模式的通風(fēng)模擬.本文在中國氣象局國家氣候中心發(fā)展的40層全球海洋環(huán)流模式(MOM4_L40)增加了示蹤物CFC-11模塊，然后利用該模式研究了CFC-11在全球海洋中的分布，并評估了模式的通風(fēng)能力.對CFC-11的海表濃度、柱總含量以及大洋剖面的垂直濃度分布和滲透深度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，與觀測相比，模式較好地再現(xiàn)了CFC-11在海洋表面的水平分布特征，CFC-11主要儲存區(qū)位于西北大西洋、副熱帶北太平洋及南大洋，其濃度分布與溫度分布梯度相反.沿三個(gè)大洋的5個(gè)剖面的CFC-11垂直分布模擬也與觀測基本吻合.模式模擬的CFC-11分布情況與全球平均經(jīng)向流函數(shù)吻合，在南大洋模擬效果更加接近觀測值，深海模擬效果較好，滲透深度接近觀測.同時(shí)，模擬與觀測相比也存在偏差.比如在北大西洋主要的存儲區(qū)域，模式低估了CFC-11的吸收，這與高緯的CFC-11向低緯過度輸送有關(guān)，可能是受溫鹽環(huán)流和強(qiáng)迫資料的影響.總體來說，MOM_L40模式模擬大洋吸收的CFC-11總量是理想的，通過模擬被動示蹤物CFC-11很好地再現(xiàn)了海洋的通風(fēng)能力.

海洋模式；CFC-11；柱總含量；滲透深度；海洋通風(fēng)

1 引言

海洋是地球上一個(gè)巨大的碳庫，對于吸收和存儲溫室氣體具有重要作用.海洋模式已經(jīng)成為檢驗(yàn)海洋環(huán)流和碳循環(huán)的主要工具，而且通常采用被動示蹤物檢驗(yàn)海洋環(huán)流模式的模擬效果.氯氟烴化合物(CFCs，主要指CFC-11和CFC-12)是20世紀(jì)早期由增加的人類活動排放到大氣中的人為含碳物質(zhì).CFCs通過氣體交換進(jìn)入海洋表面，海氣交換時(shí)間較短，沸點(diǎn)較高且不易溶于水，穩(wěn)定性較好且噪聲低，作為十年時(shí)間尺度上的環(huán)流和混合過程的被動和守恒示蹤物在海洋中攜帶(Bullister and Weiss，1983；Weiss et al.，1985；Wallace and Lazier，1988；Warner and Weiss，1992；Doney and Bullister，1992；Smethie，1993；Rhein，1994；Warner et al.，1996；Smythe-Wright and Boswell，1998；Andrié et al.，1999).所以CFCs能夠參與年代際時(shí)間尺度海氣交換并作為示蹤物在海洋中參與循環(huán)和混合過程，也是探究海洋環(huán)流模式的非常重要的示蹤物之一.

雖然CFCs在大氣中的濃度自20世紀(jì)30年代從零開始呈指數(shù)增長，但只有30%留存在大氣，其余的被海洋吸收并向下輸送.許多研究采用被動示蹤物CFCs評估海洋環(huán)流模式(England,1995a；Robitaille and Weaver，1995；Heinze et al.，1998).Bullister和Weiss(1983)總結(jié)和回顧了運(yùn)用CFCs為海洋環(huán)流示蹤物的過程，他們指出CFCs是評估海洋環(huán)流模式的一個(gè)非常有價(jià)值的工具.England等(1994)利用低分辨率的海洋模式對CFCs進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)使用經(jīng)典的海-氣交換公式能大大提高CFCs的模擬深度.Dutay等(2002)比較了德國、澳大利亞、日本、法國、美國、挪威、瑞士、英國、比利時(shí)9個(gè)國家的13個(gè)參與第二次海洋碳循環(huán)模式比較計(jì)劃(OCMIP-2)模式模擬的CFC-11分布狀況，發(fā)現(xiàn)模式間的模擬效果差別比較大，在南大洋尤為明顯.Seferian等(2013)評估了三個(gè)含海洋生物地球化學(xué)的模式，發(fā)現(xiàn)通過檢查CFC-11可以直接獲取海洋模式的通風(fēng)能力.李陽春等(2006)和趙琦等(2012)分別使用中國科學(xué)院大氣物理研究所的全球海洋模式L30T63和LICOM研究了CFC-11在全球海洋的分布和吸收，并初步討論了其可能決定因素和對傳輸速度的敏感性.方怡等(2014)進(jìn)一步研究了LICOM模式中不同風(fēng)場引起的不同海氣傳輸速度對CFC-11在海洋中的分布和吸收產(chǎn)生的影響，選出適用于LICOM模式模擬海洋對氣體吸收的風(fēng)場.

20世紀(jì)80—90年代，世界大洋環(huán)流試驗(yàn)(World Ocean Circulation Experiment，WOCE)觀測和收集了大量的CFC-11濃度數(shù)據(jù)，但是就全球海洋來說，它們非常有限.為了彌補(bǔ)觀測樣本不足，可以用全球海洋環(huán)流模式填補(bǔ)空白.另一方面，CFC-11作為一種惰性的被動示蹤物被廣泛應(yīng)用于海洋模式的檢驗(yàn)與評估中.美國地球物理流體動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GFDL)的模塊化海洋模式(MOM)是目前國際上最廣泛應(yīng)用的海洋環(huán)流模式之一，中國氣象局國家氣候中心在MOM4的基礎(chǔ)上發(fā)展了全球海洋環(huán)流模式MOM4_L40(李清泉等，2015).李清泉等(2015)曾利用MOM4_L40模式研究了海洋中碳和營養(yǎng)物的自然分布，但目前尚未發(fā)現(xiàn)有人利用被動示蹤物CFC-11對MOM4_L40或MOM4進(jìn)行檢驗(yàn)和評估.因此，本文利用CFC-11作為示蹤物，模擬了CFC-11在MOM4_L40模式中的分布，并將模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)相比較，對MOM4_L40的模式基本性能和通風(fēng)能力進(jìn)行了細(xì)致地檢驗(yàn)和評估，為模式改進(jìn)和發(fā)展提供參考信息.

下面，首先簡要介紹模式框架和CFC-11模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì).然后，通過海表面和沿不同海洋剖面比較模式和觀測結(jié)果，分析模式模擬CFC-11分布的能力，檢驗(yàn)評估模式通風(fēng)能力和路徑.最后是結(jié)論與討論.

2 模式和試驗(yàn)介紹

2.1 模式介紹

MOM4_L40模式是中國氣象局國家氣候中心在美國地球物理流體動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GFDL)第4版模塊化海洋模式(MOM4)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的(李清泉等，2015).原始的GFDL MOM4模式只有垂直28層和50層兩個(gè)版本.國家氣候中心根據(jù)自己的計(jì)算機(jī)性能設(shè)計(jì)和發(fā)展了這個(gè)垂直40層的全球海洋環(huán)流模式MOM4_L40.模式采用了三極格點(diǎn)，北美和歐亞大陸為兩個(gè)“北極”.模式水平分辨率為全球沿緯圈方向?yàn)?°經(jīng)度，在30°S 至30°N之間為(1/3)°緯度、30°S和30°N到南、北極為1°緯度；垂直方向采用Z坐標(biāo)系，海洋最大深度為5334 m，上層200 m均分為20層，每10 m一層，再往下為不均勻的20層.模式垂直格點(diǎn)由(1/10)°地形資料制作，對模式不能分辨的重要海峽(如臺灣海峽)作了特別處理.除了垂直和水平分辨率與原始的GFDL MOM4模式不同外，MOM4_L40還通過試驗(yàn)選擇了最佳的物理過程參數(shù)化方案,例如基于示蹤物的三階平流方案,等體積線示蹤物混合和擴(kuò)散方案，拉普拉斯水平摩擦方案，KPP垂直混合方案，完全對流方案，基于葉綠素濃度空間分布的短波滲透方案等.該模式還采用了海底地形邊界和陡坡的地形處理溢流方案，地形起伏隨著垂直分辨率和網(wǎng)格分布而變化，在地形坡度非常緩和極陡峭區(qū)域模擬效果更好.此外，MOM4_L40中還帶有一個(gè)動力-熱力海冰模式，其水平分辨率與MOM4_L40 相同，垂直方向有三層，包括一層雪和兩層冰，可以計(jì)算海冰的濃度、厚度、溫度、鹽度等.對MOM4_L40模式的詳細(xì)介紹可參見李清泉等(2015).

2.2 CFC-11海-氣通量的參數(shù)化方案

CFC-11通過海氣相互作用進(jìn)入海洋，通過海洋的水平和垂直運(yùn)動的物理過程進(jìn)行輸送.本文參考國際上第二次海洋碳循環(huán)模式比較計(jì)劃(Ocean Carbon Cycle Model Intercomparison Project-Phase 2，OCMIP-2)提供的CFC-11海-氣通量參數(shù)化方案，海洋表面的CFC-11交換通量可由下面的公式表示：

(1)

其中，Kw是海-氣氣體傳輸速度(m·s-1)；Csat是水汽飽和時(shí)空氣中的CFC-11濃度(mol·m-3)；Csurf是模式模擬的海洋表面CFC-11濃度(mol·m-3).Csat計(jì)算公式如下：

(2)

其中，αlpha是大氣水汽飽和時(shí)的CFC-11溶解度，是根據(jù)Warner和Weiss(1985)的溶解度方程、利用模式海表溫度和海表鹽度計(jì)算得到；PCFC是1個(gè)總大氣壓下干空氣中的CFC-11大氣分壓；P是當(dāng)?shù)睾Ｃ婵偞髿鈮?，取月平均氣候?Esbensen and Kushnir，1981)；P0是1 atm.

海-氣氣體傳輸速度計(jì)算公式(Wanninkhof，1992)如下：

(3)

其中Fice是海表被冰覆蓋的比例，根據(jù)Walsh(1978)和Zwally等(1983)的氣候值給定，范圍在0.0～1.0，且隨著緯度變化而變化的.Sc是施密特(Schmidt)數(shù)，根據(jù)Zheng等(1998)的公式用模式SST計(jì)算得到.Xconv和a是常數(shù)，分別取值為1/(3.6×105)和0.337.u2是月平均海表面風(fēng)速平方，v是該月的瞬時(shí)風(fēng)速方差.風(fēng)速信息取自第一和第二次特別遙感微波圖像(Special Sensor Microwave Imager，SSMI)衛(wèi)星資料.

2.3 試驗(yàn)介紹

本研究的大氣CFC-11模擬時(shí)段為1931—1999年.大氣CFC-11濃度由美國二氧化碳信息分析中心(Carbon Dioxide Information Analysis Center，CDIAC)提供的資料(http:∥cdiac.ornl.gov/ftp/oceans/CFC_ATM_Hist/CFC_ATM_Hist_2014/).從1931—1999年大氣CFC-11濃度隨時(shí)間變化曲線(圖1)可見，北半球CFC-11的濃度比南半球的高.這是由于世界各主要工業(yè)國家大都集中在北半球.南、北兩半球的大氣穿越赤道完全混合大概需要兩年的時(shí)間(Walker et al.,2000)，因此南半球CFC-11落后北半球CFC-11大約2年的時(shí)間，但增長速率相同.從20世紀(jì)30年代開始大氣中的CFC-11非線性地增加并且達(dá)到北半球最大值264 ppt(parts per trillion)和南半球的最大值260 ppt(Walker et al.,2000).大氣環(huán)流以及北半球較大的排放量使得南北半球間的梯度基本保持為4 ppt.

圖1 大氣CFC-11濃度的時(shí)間變化曲線(單位：parts per trillion)Fig.1 Time series of atmospheric CFC-11 concentrations (unit:parts per trillion)

在試驗(yàn)中，首先將MOM4_L40模式在有季節(jié)變化的氣候態(tài)(包括輻射、氣溫、氣壓、比濕、風(fēng)場等要素)強(qiáng)迫下自靜止?fàn)顟B(tài)開始積分1000年，使其達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài)；然后把模式積分第1000年作為1931年，模式自第1000年起在大氣CFC-11的強(qiáng)迫下，將CFC-11作為被動示蹤物從1931年開始積分至1999年，共積分59年.1931年海洋和大氣中的CFC-11濃度為零.

3 結(jié)果分析

為了檢查模式模擬結(jié)果，本文采用了全球海洋資料分析項(xiàng)目GLODAP(Global Ocean Data Analysis Project)提供的觀測資料與模擬結(jié)果進(jìn)行比較.GLODAP是由美國國家海洋-大氣管理局、能源部和國家科學(xué)基金聯(lián)合支持的一個(gè)綜合航海研究項(xiàng)目，它提供了包括CFC-11、 CFC-12、鹽度等要素的三維氣候?qū)W分析資料.該資料是用10年WOCE(World Ocean Circulation Experiment,世界大洋環(huán)流試驗(yàn))航測資料通過資料同化得到的，為20世紀(jì)90年代的平均值(Key et al.,2004).本文選取相應(yīng)時(shí)間段(1990—1999年)模式模擬結(jié)果的平均值進(jìn)行分析，并與GLODAP提供的CFC-11觀測資料相比較.CFC-11作為被動示蹤物，它的吸收和存儲主要是受海洋物理場的影響，因此，我們不僅分析了CFC-11的分布特征，還分析了海洋溫度和流函數(shù)的模擬情況.

3.1 海洋表面CFC-11濃度

圖2為模擬和觀測的年平均CFC-11海表濃度及其差值分布圖.由圖2可見，模擬的CFC-11濃度分布與觀測基本一致，海表濃度高值區(qū)主要分布在南大洋、西北大西洋、西北太平洋，中高緯度的CFC-11濃度比低緯度大.由于CFC-11的海表溶解度主要是溫度的函數(shù)(Warner and Weiss，1985)，海表的CFC濃度分布受海表溫度影響較大，CFC-11的濃度值大小分布與溫度分布(圖略)梯度剛好相反.在熱帶地區(qū)溫度較高，CFC-11的濃度值較?。幌喾?，在高緯地區(qū)溫度較低，CFC-11的濃度值較大.在太平洋區(qū)域，西太平洋附近的黑潮地區(qū)經(jīng)向溫度梯度較大，所以西太平洋CFC-11的梯度要大于東太平洋.

同時(shí)，海洋表面CFC-11分布也與海洋物理場有關(guān).比如在赤道東太平洋存在上翻流，將深層含有低濃度CFC-11的海水向上輸送，導(dǎo)致東太平洋海表的CFC-11濃度較小.在冷SST和強(qiáng)垂直混合區(qū)(如南大洋、大西洋和西北太平洋)CFC-11的濃度都很高，如模式在南大洋中高緯度地區(qū)的CFC-11濃度最大，在副熱帶的濃度小1/2～1.

從模擬與觀測的差值圖(圖2c)也可以看到，在全球大部分海域，CFC-11模擬值大于觀測值，其中鄂霍次克海和白令海峽附近模擬比觀測偏高2～4 pmol/kg，拉布拉多海域及其附近的北大西洋、50°S—70°S附近的南大西洋和南太平洋等地偏高1～2 pmol/kg，這可能與海洋表面溫度模擬存在偏差有關(guān).計(jì)算北半球大洋和南大洋觀測與模擬值的空間相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.98，說明與北半球大洋相比，南大洋模擬效果更加接近觀測.

圖2 全球海洋表面CFC-11年平均濃度分布(單位：pmol/kg)(a) 觀測；(b) 模擬；(c) 模擬與觀測的差值.Fig.2 Global sea surface CFC-11 concentration (unit:pmol/kg)(a) Observation；(b) Simulation；(c) The difference between simulation and observation.

圖3為海表面CFC-11緯向積分總量隨緯度變化圖.由圖3可見，總體來說，南半球CFC-11濃度比北半球大，觀測最大值在55°S附近，約為68 mol·m-2；模擬最大值在60°S附近，約為78 mol·m-2，主要由于那里是南半球模態(tài)水的俯沖帶位置(Séférian et al.，2013).在60°S—70°S和20°S—40°S地區(qū)，模擬基本上與觀測一致；在其他緯度地區(qū)，模擬值比觀測值略偏大.南半球最大偏差位于55°S—60°S附近，北半球最大偏差位于40°N—65°N附近，模擬比觀測大10 mol·m-2左右.在65°N—90°N之間無觀測，模擬值在2～25 mol·m-2.在海洋模式中，南半球吸收的CFC-11比北半球多，CFC-11緯向積分總量在兩半球之間的非對稱性主要是由于海陸分布引起的.與Séférian等(2013)評估的三個(gè)模式結(jié)果相比，MOM4_L40模式在南大洋的模擬結(jié)果與觀測值更為接近.

圖3 全球海洋表面CFC-11年平均濃度的緯向積分總量(單位：mol·m-2)實(shí)線為觀測，虛線為模擬.Fig.3 Zonal integral inventory of global sea surface CFC-11 (unit:mol·m-2)Solid and dashed curves denote observation and simulation,respectively.

3.2 海洋CFC-11的柱總含量

CFC-11的柱總含量是檢驗(yàn)海洋CFC-11吸收狀況的重要手段之一.由圖4可看出，模擬的CFC-11柱總含量空間分布(圖4b)基本上與觀測(圖4a)一致：中高緯度含量比低緯度高，北大西洋含量比北太平洋高；最低值在阿拉伯海、孟加拉灣、赤道附近的東印度洋、赤道附近的中東太平洋和大西洋東部；最高值在50°N—60°N的北大西洋.但是模擬值較觀測值總體偏高.從觀測值可以明顯地看出，在北大西洋的東、西邊界有細(xì)長而密集的等值線.模擬結(jié)果也基本上呈現(xiàn)出這一特征，但模擬的CFC-11經(jīng)向梯度偏小，且低估了CFC-11的吸收.

圖4 全球CFC-11柱總含量分布(單位：103 pmol·m/kg)(a) 觀測；(b) 模擬；(c) 模擬與觀測的差值.Fig.4 Global ocean CFC-11 inventory (unit:103 pmol·m/kg)(a) Observation；(b) Simulation；(c) The difference between simulation and observation.

從觀測和模擬結(jié)果都可以看到，CFC-11濃度的高值區(qū)主要集中在西北大西洋的拉布拉多海域和南大洋.拉布拉多海的海洋混合層延伸至800～1300 m(Canuto et al.,2004)，它是北大西洋深層水一個(gè)重要的源頭.同時(shí)，由于在西北大西洋存在強(qiáng)對流混合，可將海表低溫、高濃度的海水向下、向北輸送到近2000 m以下，從而形成CFC-11的主要存儲區(qū).在拉布拉多海域、丹麥海峽、冰島—蘇格蘭溢出區(qū)存在大西洋水團(tuán)的俯沖帶，在這些區(qū)域的深海，CFC-11沿大西洋的東、西邊界向南輸送.觀測到的另一個(gè)CFC-11濃度的高值區(qū)位于南大洋，其最高值達(dá)3500 pmol·m/kg；同時(shí)，南大洋40°S—60°S區(qū)域的CFC-11柱總含量相對于北半球海洋總體值比較大，主要是由于南大洋深混合層和亞南極模態(tài)水儲存了大量的CFC-11，南極大陸附近下沉流比較強(qiáng)，且為不飽和區(qū).模擬結(jié)果基本上很好地反映了這些分布特征.此外，模擬結(jié)果表明，北冰洋的CFC-11柱總含量為500～3000 pmol·m/kg左右，我國東南沿海以及菲律賓附近的海域CFC-11柱總含量為500～1000 pmol·m/kg，在這些地區(qū)沒有觀測.

CFC-11柱總含量在北大西洋模擬與觀測偏差較大，模擬值比觀測值明顯偏小(圖5c).大多數(shù)模式都低估了北大西洋和南大洋的CFC-11儲量(Ishida et al.,2007)，模式MOM4_L40也同樣出現(xiàn)了低估北大西洋的情況，說明在此處經(jīng)向輸送較強(qiáng)，存在過度輸送.但是我們發(fā)現(xiàn)在南大洋，MOM4_L40高估了CFC-11儲量，尤其是在維德爾海和南斯海附近，可能與模式帶有一個(gè)動力-熱力海冰模式有關(guān).CFC-11模擬結(jié)果對于模式本身以及強(qiáng)迫資料有一定的依賴性，模式物理場的改進(jìn)主要是溫鹽結(jié)果的改進(jìn)，模式的基本性能決定著溫鹽環(huán)流的模擬效果，溫度和鹽度模擬偏差會導(dǎo)致CFC-11濃度模擬偏差.本文中大西洋CFC-11濃度模擬偏差較大，與李清泉等(2015)研究發(fā)現(xiàn)MOM4_L40模擬的大西洋海溫偏差較大的結(jié)論相吻合.

為了更好地檢驗(yàn)CFC-11在海洋上層的輸送情況，圖5給出了1200 m以上海洋中的CFC-11全球緯向及沿各海區(qū)剖面平均的柱總量.根據(jù)觀測資料情況，本文選取了北大西洋30°W、北太平洋179°E、南太平洋170°W、南印度洋29°E以及南大西洋0°E分析沿各海區(qū)剖面平均的CFC-11柱總含量.

由圖5a可見，在30°S—30°N區(qū)域，模式模擬的全球緯向平均CFC-11柱總含量與觀測最為接近.在70°S—30°N附近模擬較觀測偏大，在30°N—60°N附近模擬較觀測偏小，在 60°N附近CFC-11觀測值為4400 pmol·m/kg，而模擬值只有2400 pmol·m/kg.在60°N以北，模式模擬的全球平均柱總含量為1400～2400 pmol·m/kg左右.南大洋緯向平均CFC-11柱總含量整體比觀測值略偏大，在60°S—80°S模擬較觀測偏大200～1200 pmol·m/kg左右.

圖5 全球緯向平均CFC-11柱總含量(a)及沿北大西洋(b)，北太平洋(c)，南太平洋(d)，南印度洋(e)，南大西洋(f)剖面平均的CFC-11柱總含量(單位：103 pmol·m/kg)實(shí)線為觀測，虛線為模擬.Fig.5 Zonal mean CFC-11 column inventory in the global ocean (a)(unit:1010 pmol·m2/kg)，the North Atlantic (b)，North Pacific (c)，South Pacific (d)，South Indian Ocean (e)，South Atlantic (f) (unit:103 pmol(m/kg)Solid and dashed curves denote observation and simulation,respectively.

在北大西洋、北太平洋、南太平洋、南印度洋、南大西洋(圖5b、5c、5d、5e、5f)，總體來說，模式模擬的分布形勢與觀測值較為一致.在沿北大西洋30°W剖面(圖5b)，模擬值偏小，說明模式在北大西洋低估了CFC-11的吸收；沿北太平洋179°E剖面(圖5c)，在10°N附近CFC-11柱總含量最低，10°N為赤道無風(fēng)帶，有很強(qiáng)的上升流，上升流將海底低濃度的CFC-11海水帶到海洋表面，使得整個(gè)CFC-11柱總含量呈現(xiàn)北高南低的形勢；沿南太平洋170°W剖面(圖5d)，模擬和觀測的CFC-11柱總含量都是在高緯度地區(qū)較大、越靠近赤道越小，最小值為600 pmol·m/kg，這與Dixon等(1996)結(jié)果也是一致；沿南印度洋29°E剖面(圖5e)，在40°S—50°S附近是CFC-11的高儲存區(qū)，CFC-11柱總含量等值線分別向高緯、赤道區(qū)域遞減；沿南大西洋0°E剖面(圖5f)，模擬效果最為接近觀測值.

就全球緯向平均CFC-11柱總含量來說，MOM4_L40模式基本抓住了CFC-11的通風(fēng)過程，模式模擬的兩個(gè)重要CFC-11存儲區(qū)分別位于南大洋45°S和北大西洋60°N附近.與Danabasoglu等(2009)、Valsala等(2008)、李陽春等(2006)的模擬結(jié)果相比較，本文模擬的CFC-11柱總含量分布形勢相似，MOM4_L40模式在60°N附近同樣也低估了北大西洋CFC-11的吸收，但偏差相對較小，說明該模式在北大西洋的模擬有一定優(yōu)勢.

3.3 海洋CFC-11垂直分布

本文選取北大西洋30°W剖面、北太平洋179°E剖面、南太平洋170°W剖面、南印度洋29°E剖面以及南大西洋0°E剖面進(jìn)一步分析CFC-11的垂直分布.

3.3.1 北大西洋

如前所述，西北大西洋是CFC-11主要的存儲區(qū)，因此這里進(jìn)一步分析沿北大西洋30°W剖面平均的CFC-11垂直分布(圖6).北大西洋的主要水團(tuán)由北大西洋深層水(NADW)組成，北大西洋的深層水包括下層深層水(LANDW)和上層深層水(UNADW)，在1000 m以下的海水主要是由深層水的不斷更新決定的.可以看出，模擬(圖6a)基本呈現(xiàn)了上述特性，與觀測(圖6b)也基本吻合，CFC-11從高緯度向下向南輸送，都有一個(gè)水舌從高緯度延伸到低緯度，這主要是深核心區(qū)向下向南輸送，此區(qū)域?yàn)楸贝笪餮蠡旌蠈雍Ｋ鲁林辽顚铀?

但是模擬也存在偏差(圖6c).觀測最大值2 pmol/kg的深核心區(qū)達(dá)到2000 m，而模擬值只達(dá)到1200 m左右.同樣，觀測值的0.1 pmol/kg等值線最大滲透深度為3000 m左右，而模擬結(jié)果在2200 m左右，滲透深度模擬不夠.說明MOM4_L40模式在模擬CFC-11時(shí)存在過度向南輸送，將高緯度的CFC-11輸送到低緯度，但向下輸送的深度不夠，就造成了在大西洋高緯度模擬的CFC-11柱總含量偏低，Valsala等(2008)模擬也遇到同樣的問題.

3.3.2 北太平洋

圖7為沿北太平洋179°E的CFC-11垂直剖面圖.從整體分布形勢上來看，模擬結(jié)果與觀測較為一致.模擬的CFC-11最大濃度出現(xiàn)在次表層，3 pmol/kg等值線的水舌從亞極地向南延伸至20°N，滲透深度約為400 m左右.在40°N以北，模擬和觀測的最大值都是4 pmol/kg.與溫度梯度相反，高緯度地區(qū)為CFC-11高濃度區(qū)，隨著海洋環(huán)流向南輸送，北赤道流和黑潮將赤道海區(qū)CFC-11低濃度海水向北輸送，而來自高緯度的攜帶CFC-11的海水下沉到高溫、低CFC-11 的黑潮區(qū)，在25°N—35°N之間下沉到最大深度，最大滲透深度都約為1000 m左右，且等值線緩慢向南抬升.10°N附近滲透深度減到最小，向南滲透深度又明顯加深，這主要是由于在10°N附近，海水的密度也最低.與觀測相比，模擬高濃度水舌向南延伸存在偏差，而最大滲透深度則比較一致.從模擬與觀測的差值圖(圖7c)上可以看到，在30°N以南，1000 m以上模擬偏大0.5 pmol/kg左右、1000 m以下略偏??；在30°N—50°N之間，400 m以上模擬略偏大、400 m以下偏小0.5 pmol/kg左右；在50°N以北，表層200 m以上模擬偏大、200 m以下偏小0.5 pmol/kg左右.存在這種偏差的原因，很可能是與溫躍層模擬存在偏差有關(guān).

3.3.3 南太平洋

圖8是沿南太平洋170°W剖面平均的CFC-11垂直分布.從圖8可見，模擬結(jié)果與觀測整體趨勢一致，都是從高緯度向赤道延伸，整體分布形式呈“V”型分布.50°S以南的高緯度地區(qū)為CFC-11的高濃度區(qū)，中心值約為3.5 pmol/kg，CFC-11從高緯度向下向北輸送，觀測和模擬的0.05 pmol/kg等值線的最大滲透深度都在4000 m左右.CFC-11濃度在靠近南極大陸架的地區(qū)急劇減少，模擬在60°S附近很好地體現(xiàn)了這一特征.南太平洋海洋環(huán)流與西南大西洋的南極繞級流(ACC)有關(guān)，以向東運(yùn)動為主的ACC極大阻礙了南大洋中上層的南北向物質(zhì)和能量的交換，而西風(fēng)漂流中的亞熱帶鋒(38°S)和亞南極鋒寬度越窄，濃度較高的CFC-11滲透深度也就越淺.觀測的2 pmol/kg水舌向北延伸至20°S附近，模擬的2 pmol/kg水舌向北延伸至5°S附近.由圖8c可見，40°S以北，1000 m以上模擬總體大于觀測，1000 m以下，模擬小于觀測；60°S以南，模擬總體大于觀測；50°S—60°S，表層模擬較觀測偏大0.5 pmol/kg左右，次表層至1000 m模擬較觀測偏小0.5 pmol/kg左右.

3.3.4 南印度洋

比較沿南印度洋29°E剖面CFC-11的觀測和模擬結(jié)果(圖9)可見，模擬與觀測相似，從65°S的南極副聚帶附近將海表面的高濃度CFC-11向北、向下輸送，CFC-11等濃度線較為平滑.模擬和觀測的0.5 pmol/kg等值線滲透深度都較淺，大約位于1200 m左右.但是模擬的最大值核心區(qū)一直延伸到42°S附近，而觀測只延伸到46°S附近.模擬值在65°以南開始急劇下降，這是由于靠近大陸架區(qū)域，CFC-11穿透深度急劇加深，這可能與海洋垂直運(yùn)動有關(guān).與李陽春等(2006)模擬結(jié)果相比，MOM4_L40在此剖面較好再現(xiàn)了海洋的運(yùn)動過程，模擬效果有一定的優(yōu)勢.由圖9c可見，在60°S以南，模擬值基本上大于觀測值；在60°S以北，誤差向下向北傾斜.在52°S—60°S之間，1000 m以上模擬值大多小于觀測；在44°S以北，1000 m以上模擬值大于觀測值.

圖8 沿南太平洋170°W剖面的CFC-11垂直分布(單位：pmol/kg)(a) 觀測；(b) 模擬；(c) 模擬與觀測的差值.Fig.8 CFC-11 concentration in the South Pacific along 170°W (unit:pmol/kg)(a) Observation；(b) Simulation；(c) The difference between simulation and observation.

圖9 沿南印度洋29°E剖面的CFC-11垂直分布(單位：pmol/kg)(a) 觀測；(b) 模擬；(c) 模擬與觀測的差值.Fig.9 CFC-11 concentration in the South Indian Ocean along 29°E (unit:pmol/kg)(a) Observation；(b) Simulation；(c) The difference between simulation and observation.

3.3.5 南大西洋

從沿南大西洋0°E剖面的CFC-11垂直分布圖(圖10)可以看到，觀測和模擬的CFC-11最大值均為4 pmol/kg左右，位于44°S以南；CFC-11在54°S以南密集地集中在200 m附近，在54°S以北向北、向南伸展，最大滲透深度為1200 m，位于40°S附近；在1000 m以上，南大西洋模擬的CFC-11濃度比觀測值大0.4 pmol/kg左右(圖10c).本文模擬的CFC-11垂直分布形勢與Dutay等(2002)、Valsala等(2008)模擬結(jié)果相似，與觀測值也十分相近，這說明MOM4_L40模式模擬效果較好.同時(shí)發(fā)現(xiàn)沿南大西洋0°E剖面的CFC-11垂直分布特征與沿南印度洋29°E的分布形勢很相似，這主要是因?yàn)槟洗笱笫艿侥蠘O繞流的影響，各大洋物理特性差異較小(李陽春等，2006).

3.4 海洋CFC-11滲透深度

如前所述，CFC-11主要儲存區(qū)位于西北大西洋、副熱帶北太平洋及南大洋.圖11a和11b分別是MOM4_L40模式模擬和觀測的CFC-11滲透深度，定義為CFC-11上層500 m垂直積分濃度除以表面濃度(Dutay et al.,2002)，代表表面濃度到垂直積分的參考深度的最大滲透深度.由圖11可見，總的來說，模式模擬的CFC-11滲透深度與觀測基本吻合.在中高緯度的北太平洋、北大西洋和南大洋的滲透深度較大，而在赤道印度洋、赤道太平洋、赤道大西洋以及50°N—60°N的北太平洋、50°S—70°S的南大洋、阿拉伯海和孟加拉灣等地滲透深度較小.最大的滲透深度位于中緯度東南印度洋和北大西洋西部，中緯度北大西洋和北太平洋的滲透深度分別比南大西洋和南太平洋的滲透深度大.由模擬與觀測的差值圖(圖11c)可見，在大部分海區(qū)模擬值大于觀測值，副熱帶地區(qū)偏差較大，如在0°—20°N的北太平洋和20°S—40°S的南太平洋以及0°—20°S的西印度洋模擬值比觀測值大100～200 m左右.這可能是由于模式在這些區(qū)域過度模擬了垂直運(yùn)動所致(Valsa et al.,2008).

本文還選取了沿全球大洋經(jīng)圈平均、北大西洋30°W剖面、北太平洋179°E剖面、南太平洋170°W剖面、南印度洋29°E剖面以及南大西洋0°E剖面進(jìn)一步分析CFC-11在海洋上層1200 m的滲透深度(圖12).

總體來說，就滲透深度而言，模式在南大洋中高緯度比在北大洋中高緯度模擬好，南印度洋和南大西洋的模擬比南太平洋模擬好，與Sen Gupta和England(2004)模擬結(jié)果也是一致的.結(jié)合前面討論的CFC-11柱總含量，可以看出，CFC-11柱總含量越大的區(qū)域，滲透深度也越深；柱總含量越小的區(qū)域，滲透深度越小.比如在北太平洋區(qū)域，10°N附近出現(xiàn)最低值，是因?yàn)楸背嗟姥罅骱湍媪鞯姆纸缇€所致(Sen Gupta and England,2004)，模擬很好地體現(xiàn)了CFC-11滲透深度變淺的過程，但是變淺程度不夠，可能是與模式模擬的北太平洋中層水的強(qiáng)度比較弱有關(guān)系.

圖10 沿南大西洋0°E剖面平均的CFC-11濃度垂直分布(單位：pmol/kg)(a) 觀測；(b) 模擬；(c) 模擬與觀測的差值.Fig.10 CFC-11 concentration in the South Atlantic along 0°E (unit:pmol/kg)(a) Observation；(b) Simulation；(c) The difference between simulation and observation.

圖11 CFC-11上層500 m海洋滲透深度(單位：m)(a) 觀測；(b) 模擬；(c) 模擬與觀測的差值.Fig.11 Penetration depth of surface CFC-11 concentration with respect to 500 m vertical integral concentration (unit:m)(a) Observation；(b) Simulation；(c) The difference between simulation and observation.

圖12 全球及沿大洋剖面平均CFC-11 滲透深度(單位：m)實(shí)線為觀測值，虛線為模擬值.(a) 全球；(b) 北大西洋；(c) 北太平洋；(d) 南太平洋；(e) 南印度洋；(f) 南大西洋.Fig.12 Mean CFC-11 penetration depths of global ocean and along ocean sections (unit:m)Solid and dashed curves denote observation and simulation,respectively.(a) Global；(b) North Atlantic；(c) North Pacific；(d) South Pacific；(e) South Indian Ocean；(f) South Atlantic.

圖13 全球海洋年平均經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的流函數(shù)(單位：Sv)Fig.13 Meridional overturning circulation for global ocean (unit:Sv)

大洋的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流是海洋內(nèi)部經(jīng)向溫鹽交換的主要通道.就緯向平均而言，大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流指海洋中經(jīng)向和垂直方向運(yùn)動構(gòu)成的一個(gè)閉合環(huán)流，包括上層環(huán)流和深層環(huán)流兩部分，直接影響到海洋內(nèi)部示蹤物的輸送情況.圖13是MOM4_L40模式模擬的年平均經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的流函數(shù)，正值表示順時(shí)針方向流動，負(fù)值表示逆時(shí)針方向流動.由圖13可以看出，在大洋上層、赤道附近有兩個(gè)明顯的翻轉(zhuǎn)流，這是由Ekman輸送產(chǎn)生的.南半球約35°S—70°S之間的迪肯環(huán)流(Deacon Cell)的向下伸展最大深度為3500 m，模擬的中心強(qiáng)度超過32 Sv.迪肯環(huán)流以下向北輸送的是南極底層水(AABW)，模擬結(jié)果的中心強(qiáng)度約為16 Sv.在北半球30°N—60°N區(qū)域，存在一個(gè)正值區(qū)，主要是由北大西洋深層水形成的.北半球約1000～2000 m深度上存在強(qiáng)勁的自北而南的經(jīng)向流，主要反映了北大西洋深水(NADW)的輸送.全球平均流函數(shù)的模擬與CFC-11在北半球向南輸送、在南半球向北輸送，且在30°N—60°N附近有明顯的抬升是一致的.由圖13可見，MOM4_L40模擬的北大西洋經(jīng)向流中心位于40°N—50°N附近、1000 m左右，強(qiáng)度達(dá)20 Sv.Roemmich和Wunsch(1985)曾估算在24°N處北大西洋深水的向南輸送為20 Sv，其他一些研究(D??s and Webb,1994；Ganachaud and Wunsch，2000;Talley et al.，2003；朱耀華等，2014；虎雅瓊等，2015)也估計(jì)NADW中心強(qiáng)度最大值為17～22 Sv.因此，MOM4_L40模式模擬的海洋經(jīng)圈環(huán)流是合理的.

4 結(jié)論與討論

本文利用國家氣候中心發(fā)展的一個(gè)較高分辨率全球海洋環(huán)流模式MOM4_L40，耦合了CFC-11示蹤物模塊，對全球海洋CFC-11分布進(jìn)行了模擬和分析，并進(jìn)一步評估了該模式的通風(fēng)能力.

分析表明，海洋表面CFC-11濃度受溫度的影響顯著，與溫度分布相似，梯度相反.海表濃度高值區(qū)主要分布在南大洋、西北大西洋、西北太平洋，MOM4_L40模式模擬的CFC-11濃度分布與觀測基本一致.模式模擬了北極地區(qū)、我國南海以及菲律賓附近海域、北冰洋等CFC-11濃度，在這些地方?jīng)]有CFC-11觀測，所以模擬無法與觀測比較.但是，同時(shí)也說明在資料缺乏的地區(qū)，模擬可以彌補(bǔ)觀測的不足.對于CFC-11的分布，由于全球海洋同步測量難度比較大，觀測資料在60°N—90°N缺測，模式能夠模擬出這一區(qū)域的值，可能是由于模式中考慮了海冰的作用，說明MOM4_L40模擬在高緯極地區(qū)域是有一定優(yōu)勢的.

模擬和觀測的全球海洋表面CFC-11年平均濃度的緯向積分總量都表明，南半球吸收的CFC-11比北半球多，CFC-11緯向積分總量在兩半球之間的非對稱性主要是由于海陸分布引起的.與Seferian 等(2013)評估的模式結(jié)果相比，MOM4_L40模式在南大洋模擬結(jié)果與觀測值更為接近.

模式模擬的全球CFC-11柱總含量分布形勢與觀測相似，但是較觀測值總體偏低，模式在北大西洋明顯低估了CFC-11的吸收.進(jìn)一步分析沿北大西洋30°W、北太平洋179°E、南太平洋170°W、南印度洋29°E以及南大西洋0°E剖面的柱總含量、垂直分布、滲透深度，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與觀測非常接近.但是，也發(fā)現(xiàn)該模式在大部分海域都過度模擬了垂直運(yùn)動，導(dǎo)致滲透深度較觀測偏大.與以往的模擬研究(Danabasoglu et al.，2009；Valsala et al.,2008；李陽春等,2006)相比較，MOM4_L40模式同樣低估了北大西洋CFC-11的吸收，但是偏差較小，說明該模式有一定的優(yōu)勢.

總的來說，MOM_L40模式基本再現(xiàn)了被動示蹤物CFC-11在海洋中的分布特征，體現(xiàn)了模式較好的通風(fēng)能力，滲透深度接近觀測，與其他模式相比，MOM4_L40具有自身優(yōu)勢.但是CFC-11的柱總含量模擬值較觀測值總體偏高，模式在北大西洋明顯低估了CFC-11的吸收，可能與模擬的北大西洋對流混合偏強(qiáng)有關(guān).MOM4_L40模式在模擬CFC-11時(shí)存在過度向南輸送，將高緯度的CFC-11輸送到低緯度，但向下輸送的深度不夠，造成了在大西洋高緯度模擬的CFC-11柱總含量偏低.由此可見，海洋模式物理場(環(huán)流、溫度、鹽度等)模擬與觀測的偏差會造成CFC-11模擬偏差(李陽春等，2006).另一方面，大氣強(qiáng)迫資料(如風(fēng)場)也會影響海洋CFC-11的分布和吸收(方怡等，2014).這些將在今后工作中逐步改進(jìn).

致謝 感謝兩位審稿專家為完善本文提出的寶貴建議.

Andrié C,Ternon J F,Bourlès B,et al.1999.Tracer distributions and deep circulation in the western tropical Atlantic during CITHER 1 and ETAMBOT cruises,1993—1996.J.Geophys.Res.,104(C9):21195-21215.

Bullister J L,Weiss R F.1983.Anthropogenic chlorofluoromethanes in the Greenland and Norwegian seas.Science,221(4607):265-268.

Canuto V M,Howard A,Hogan P,et al.2004.Modeling ocean deep convection.Ocean Modelling,7(1-2):75-95.

Danabasoglu G,Peacock S,Lindsay K,et al.2009.Sensitivity of CFC-11 uptake to physical initial conditions and interannually varying surface forcing in a global ocean model.Ocean Modelling,29(1):58-65.

Dixon K W,Bullister J L,Gammon R H,et al.1996.Examining a coupled climate model using CFC-11 as an ocean tracer.Geophys.Res.Lett.,23(15):1957-1960.

Doney S C,Bullister J L.1992.A chlorofluorocarbon section in the eastern North Atlantic.Deep Sea Research Part A.Oceanographic Research Papers,39(11-12):1857-1883.

D??s K,Webb D J.1994.The Deacon cell and the other meridional cells of the Southern Ocean.Journal of Physical Oceanography,24(2):429-442.

Dutay J C,Bullister J L,Doney S C,et al.2002.Evaluation of ocean model ventilation with CFC-11:Comparison of 13 global ocean models.Ocean Modelling,4(2):89-120.

England M H.1995a.Using chlorofluorocarbons to assess ocean climate models.Geophys.Res.Lett.,22:3051-3054.

England M H,Garcon V,Minster J F.1994.Chlorofluorocarbon uptake in a world ocean model:1.Sensitivity to the surface gas forcing.J.Geophys.Res.,99(C12):25215-25233.

England M H,Hirst A C.1997.Chlorofluorocarbon uptake in a world ocean model.2.Sensitivity to surface thermohaline forcing and subsurface mixing parameterizations.J.Geophys.Res.Atmospheres,102(C7):15709-15731.

Esbensen S K,Kushnir J.1981.The heat budget of the global oceans：An atlas based on estimates from marine surface observations.Climatic Research Institute Report 29.

Fang Y,Xu Y F,Li Y C,et al.2014.Influence of wind fields on the uptake of CFC-11 in the global ocean model.Marine Sciences (in Chinese),38(2):6-20.

Ganachaud A,Wunsch C.2000.Improved estimates of global ocean circulation,heat transport and mixing from hydrographic data.Nature,408(6811):453-457.

Hu Y Q,Liu H W,Li Y C,et al.2015.Responses of a global ocean model to different forcing fields.Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese),39(1):180-196.

Ishida A,Sasai Y,Yamanaka Y.2007.Role of eddies in chlorofluorocarbon transport in wind-driven oceanic layers.Journal of Physical Oceanography,37(10):2491-2508.

Key R M,Kozyr A,Sabine C L,et al.2004.A global ocean carbon climatology:Results from Global Data Analysis Project (GLODAP).Global Biogeochemical Cycles,18(4):357-370.

Li Q Q,Tan J,Wang L N,et al.2015.Simulation of distribution of carbon nutrient in the ocean based on the global oceanic carbon cycle model MOM4_L40.Chinese Journal of Geophysics (in Chinese),58(1):63-78,doi:10.6038/cjg20150106.

Li Y C,Xu Y F,Zhao L,et al.2006.Preliminary study of the simulated distribution of CFC-11 in the global ocean circulation model.Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese),30(4):671-681.

Rhein M.1994.The deep western boundary current:Tracers and velocities.Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers,41(2):263-281.

Robitaille D Y,Weaver A J.1995.Validation of sub-grid-scale mixing schemes using CFCs in a global ocean model.Geophys.Res.Lett.,22(21):2917-2920.

Roemmich D H,Wunsch C.1985.Two transatlantic sections:Meridional circulation and heat flux in the subtropical North Atlantic Ocean.Deep Sea Research Part A.Oceanographic Research Papers,32(6):619-664.

Séférian R,Bopp L,Gehlen M,et al.2013.Skill assessment of three earth system models with common marine biogeochemistry.Climate Dynamics,40(9-10):2549-2573.

Sen Gupta A,England M H.2004.Evaluation of interior circulation in a high-resolution global ocean model.PartⅠ:Deep and bottom waters.Journal of Physical Oceanography,34(12):2592-2614.

Smethie Jr W M.1993.Tracing the thermohaline circulation in the western North Atlantic using chlorofluorocarbons.Prog.Oceanogr.,31(1):51-99.Smythe-Wright D,Boswell S.1998.Abyssal circulation in the Argentine Basin.J.Geophys.Res.,103(C8):15845-15851.

Talley L D,Reid J L,Robbins P E.2003.Data-based meridional overturning stream functions for the global ocean.J.Climate,16(9):3213-3226.

Valsala V,Maksyutov S,Motoyoshi I.2008.Design and validation of an offline oceanic tracer transport model for a carbon cycle study.J.Climate,21(12):2752-2769.

Walker S J,Weiss R F,Salameh P K.2000.Reconstructed histories of the annual mean atmospheric mole fractions for the halocarbons CFC-11,CFC-12,CFC-113,and carbon tetrachloride.J.Geophys.Res.,105(C6):14285-14296.

Wallace D W R,Lazier J R N.1988.Anthropogenic chlorofluoromethanes in newly formed Labrador Sea water.Nature,332(6159):61-63.

Walsh J E.1978.A data set on northern hemisphere sea ice extent,1953—1976.Glaciology Data Report.1978.GD-2.Arctic Sea Ice (World Data Center for Glaciology,Boulder,CO,1978),Part 1,49-51.

Wanninkhof R.1992.Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean.J.Geophys.Res.,97(C5):7373-7382.

Warner M J,Weiss R F.1985.Solubilities of chlorofluorocarbons 11 and 12 in water and seawater.Deep Sea Research Part A.Oceanographic Research Papers,32(12):1485-1497.

Warner M J,Weiss R F.1992.Chlorofluoromethanes in South Atlantic Antarctic intermediate water.Deep Sea Research Part A.Oceanographic Research Papers,39(11-12):2053-2075.

Warner M J,Bullister J L,Wisegarver D P,et al.1996.Basin-wide distributions of chlorofluorocarbons CFC-11 and CFC-12 in the North Pacific:1985-1989.J.Geophys.Res.,101(C9):20525-20542.

Weiss R F,Bullister J L,Gammon R H,et al.1985.Atmospheric chlorofluoromethanes in the deep equatorial Atlantic.Nature,314(6012):608-610.

Zhao Q,Chen Z X,Xu Y F,et al.2012.Sensitivity of CFC-11 uptake in a global ocean model to air-sea gas transfer velocity.Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese),36(6):1253-1268.

Zheng M,De Bruyn W J,Saltzman E S.1998.Measurements of the diffusion coefficients of CFC-11 and CFC-12 in pure water and seawater.J.Geophys.Res.,103(C1):1375-1379.

Zhu Y H,Wei Z X,Fang G H,et al.2014.Interbasin exchanges and their roles in global ocean circulation:A study based on 1400 years′ spin up of MOM4p1.Acta Oceanologica Sinica (in Chinese),36(2):1-15.

Zwally H J,Comiso J C,Parkinson C L,et al.1983.Antarctic Sea Ice,1973—1976:Satellite Passive-Microwave Observations.Washington D C:NASA,206.

附中文參考文獻(xiàn)

方怡,徐永福,李陽春等.2014.風(fēng)場對全球海洋CFC-11吸收的影響.海洋科學(xué),38(2):6-20.

虎雅瓊,劉海文,李陽春等.2015.全球海洋模式對不同強(qiáng)迫場的響應(yīng).大氣科學(xué),39(1):180-196.

李清泉,譚娟,王蘭寧等.2015.全球海洋碳循環(huán)模式MOM4_L40對碳和營養(yǎng)物自然分布的模擬.地球物理學(xué)報(bào),58(1):63-78,doi:10.6038/cjg20150106.

李陽春,徐永福,趙亮等.2006.全球海洋模式對CFC-11分布的初步模擬研究.大氣科學(xué),30(4):671-681.

趙琦,陳中笑,徐永福等.2012.全球海洋CFC-11吸收對傳輸速度的敏感性.大氣科學(xué),36(6):1253-1268.

朱耀華,魏澤勛,方國洪等.2014.洋際交換及其在全球大洋環(huán)流中的作用:MOM4p1積分1400年的結(jié)果.海洋學(xué)報(bào),36(2):1-15.

(本文編輯 何燕)

Simulation of CFC-11 distribution based on the global oceanic carbon cycle model MOM4_L40 and assessment of its ventilation capability

TAN Juan1,LI Qing-Quan2,3*,WANG Lan-Ning4,ZHAO Qi-Geng3

1 Asset Operation Centre，China Meteorological Administration,Beijing 100081,China2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China3 Laboratory for Climate Studies，National Climate Center,China Meteorological Administration,Beijing 100081，China 4 College of Global Change and Earth System Science，Beijing Normal University,Beijing 100875，China

CFC-11 is an important tool to assess the ocean cycle model,which dissolved in seawater is used to analyze ocean ventilation.In this paper,a tracer CFC-11 module is developed on the basis of a global oceanic carbon cycle circulation model MOM4_L40 developed by National Climate Center of China Meteorological Administration.Then this model is employed to study the distribution of CFC-11 in the global ocean and to assess the model ventilation capacity.The simulated parameters,such as global sea surface CFC-11 concentration,inventory,vertical penetration depth and concentration distribution,are verified against their observations.The results show that the model can reasonably simulate the surface and vertical distribution of CFC-11.The main storage of CFC-11 is located in the Northwest Atlantic,subtropical North Pacific and the Southern Ocean.Distributions of CFC-11 concentrations in the ocean surface are remarkably affected by sea surface temperature.The distribution of simulated CFC-11 agrees well with that of observations,showing an opposite gradient to sea surface temperature.Compared with the observations of five sections in three oceans,the simulation results of CFC-11 are generally in agreement with the observations in most areas.In addition,the distribution of simulated CFC-11 is consistent with meridional overturning circulation in the global ocean，such as better simulation in the Southern Ocean and deep ocean,as well as the penetration depths.However,there are some deviations between the observation and simulation.For example,in the North Atlantic where there is a main storage of CFC-11,our model underestimates the absorption of CFC-11 related to over-transport from high latitudes to low latitudes,which may be influenced by thermohaline circulation and forced data.By and large,MOM_L40 simulates well the absorption of total CFC-11 in the ocean appreciably well,and reproduces the ocean ventilation capability by the simulated CFC-11 with a passive tracer.

Oceanic model;CFC-11;Column inventory;Penetration depth;Ocean ventilation

譚娟，李清泉，王蘭寧等.2016.MOM4_L40模式對全球海洋CFC-11分布的模擬及其通風(fēng)能力評估.地球物理學(xué)報(bào)，59(11):3960-3973,

10.6038/cjg20161103.

Tan J,Li Q Q,Wang L N,et al.2016.Simulation of CFC-11 distribution based on the global oceanic carbon cycle model MOM4_L40 and assessment of its ventilation capability.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):3960-3973,doi:10.6038/cjg20161103.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB955203)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0602204)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2010AA012404)資助.

譚娟，女，1985年生，工程師，主要從事氣候變化模擬研究.E-mail:tanjuan@cma.gov.cn

*通訊作者 李清泉，E-mail:liqq@cma.gov.cn

10.6038/cjg20161103

P467

2016-02-24,2016-08-09收修定稿