北太平洋副熱帶模態(tài)水鹽度的年代際變化?

胡睿坤, 邊志剛， 劉子洲??， 劉 聰， 翟方國， 顧艷鎮(zhèn)

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 交通運輸部天津海事測繪中心，天津 300202； 3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000)

STMW是廣泛存在于海洋躍層內(nèi)的具有低位勢渦度性質(zhì)的一種水團(tuán)，具體表現(xiàn)為其溫度、鹽度和密度的垂向均一性[1]，在垂向溫鹽(T-S)圖上展現(xiàn)出明顯的模態(tài)[2]。STMW產(chǎn)生于晚冬強烈對流導(dǎo)致的環(huán)流或鋒面的暖水側(cè)的深混合層，開春后被季節(jié)性溫躍層隔絕與大氣的接觸，“封閉” 在次表層水體中。之后，部分STMW在下一個冬季再次被卷吸入混合層，調(diào)節(jié)海水表面溫度， 另一部分模態(tài)水則通過潛沉作用，進(jìn)入永久性溫躍層，并且在背景環(huán)流和中尺度渦的輸運下攜帶著生成區(qū)域的溫度、鹽度和低位渦信號擴散到整個副熱帶海區(qū)[3-5]，影響上層海洋的層結(jié)。部分模態(tài)水在低緯度海區(qū)在黑潮上升流的作用下浮露回到表層水體[6]，影響低緯度海區(qū)的海表面溫度和次表層體積輸運通量，進(jìn)而影響當(dāng)?shù)厮男盘柕哪觌H和年代際低頻變化[7]。另一方面，STMW潛沉和擴散的過程中也攜帶著溶解氧、營養(yǎng)鹽等生態(tài)信號[8-9]。因此，STMW對氣候變化和海洋生態(tài)系統(tǒng)有著重要的意義。

鹽度是海水的主要屬性之一，在北太平洋副熱帶海域，包括STMW在內(nèi)的次表層水體的鹽度特征一直受到人們關(guān)注。Oka等[10]通過Argo資料，發(fā)現(xiàn)形成STMW的區(qū)域海表面鹽度有明顯的空間分布差異。Ren等[11]通過Argo、世界海洋環(huán)流實驗(World Ocean Circulation Experiment; WOCE)和世界海洋數(shù)據(jù)庫2001(World Ocean Database 2001; WOD01)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2000年以來北太平洋溫躍層鹽度發(fā)生顯著變化，次表層海水鹽度普遍呈現(xiàn)持續(xù)淡化的趨勢，并且這個淡化趨勢在時間和空間上都是大尺度的。Sugimoto等[12]通過Argo數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)了2008年暖季降水造成2009—2010年STMW核心明顯淡化(S< 34.7)，比通常年份低0.1的現(xiàn)象。對137°E斷面長期觀測數(shù)據(jù)的研究也顯示，西北太平洋副熱帶環(huán)流的表層和次表層水體鹽度均具有約10年的準(zhǔn)年代際震蕩，以及1990s開始，持續(xù)至今的約20年的淡化趨勢[13-14]。STMW做為副熱帶海區(qū)次表層水體的一部分，連通著表層和次表層。研究STMW鹽度對我們理解副熱帶海區(qū)上述淡化現(xiàn)象有顯著的幫助。

由于觀測數(shù)據(jù)空間覆蓋(137°E斷面長期觀測數(shù)據(jù))及時間長度(Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù))的問題，對STMW鹽度的年代際變化及空間分布特征的研究還存在諸多需要解決的方面問題。本文利用長時間高分辨率模式后報數(shù)據(jù)OFES研究STMW鹽度的年代際變化及空間分布特征，理清STMW鹽度年代際變化的機理，特別是與PDO的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文主要使用全球高分辨率數(shù)值模擬輸出結(jié)果(OGCM for the Earth Simulator; OFES),其是在Modular Ocean Model, version 3(MOM3)的基礎(chǔ)上，由美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction; NCEP) 再分析的風(fēng)場驅(qū)動的模型，覆蓋 75°S～75°N 的全球大洋， 水平分辨率為0.1°×0.1°， 垂向分成54層，從表層2.5 m 至最大深度5 900 m，垂向間隔隨深度從5 m逐漸增至330 m。結(jié)果包括海表面鹽度通量(Salinity Flux; Sflx)、海表面高度(Sea Surface Height; SSH)、溫度、鹽度和流速等。原始OFES時間間隔為3天，本研究選用月平均的 OFES 數(shù)據(jù)。從亞洲太平洋數(shù)據(jù)研究中心(http://apdrc.soest.hawaii.edu/dods/public_ofes/OfES )選取并下載北太平洋(20°N～40°N，120°E～170°W)內(nèi)1950—2015年的OFES 數(shù)據(jù)。同時參考了2003—2017年的全球Argo數(shù)據(jù)(http://www.argo.org.cn/index.php?m=content&c=index&f=lists&catid=31)和1967—2017年的137°E斷面重復(fù)觀測數(shù)據(jù)(http://www.data.jma.go.jp/gmd/kaiyou/db/mar_env/results/OI/137E_OI_e.html)。

本文所使用的每月蒸發(fā)-降水(Evaporation-precipitation; E-P)速率主要來自1948年至今的NCEP再分析數(shù)據(jù)中的全球降水速率和潛熱通量數(shù)據(jù)，兩者的時間間隔都為6 h，空間分辨率1.87°×1.87°，更多關(guān)于NCEP的信息可查閱美國國家海洋與氣象局官方網(wǎng)站https://www.esrl.noaa.gov/psd/。蒸發(fā)速率E由潛熱通量L根據(jù)公式[14]：

E=L/(ρw)，

(1)

1.2 方法

本文中位勢渦度(Potential Vorticity; PV)計算公式為：

(2)

式中:f是科里奧利力參數(shù);ρ0為參考海水密度，取為1 025 kg·m-3；σθ為位勢密度；z為垂向坐標(biāo)。選取σθ比10 m水深處增加0.1 kg·m-3的深度為混合層深度(Mixed Layer Depth; MLD)。定義STMW為位于MLD下方，位勢溫度(Potential Temperature; PT)介于16～19.5 ℃，PV小于2.0×10-10m-1·s-1低PV水體，并將厚度小于25 m或僅存在于100 m以淺的低PV水體視為擾動項略去，并將STMW水體層中垂向PV最小值處定義為STMW核心(Core)[10]。STMW核心所在深度的水體屬性，如深度、鹽度、位溫和位渦等，稱為STMW核心層深度(Core Layer Depth；CLD)、鹽度(Core Layer Salinity；CLS)、位溫(Core Layer Potential Temperature；CLT)和位渦(Core Layer Potential Vorticity；CLPV)。

MLS收支計算公式為[15]：

(3)

式中：E代表蒸發(fā)速率；P代表降水速率；S是MLS；h是MLD；V是MLD內(nèi)平均的水平流速；We是卷吸速度；S是混合層內(nèi)水體平均鹽度同MLD以下20 m處水體鹽度的差值(前者減后者)。

由于OFES自帶的是作為驅(qū)動場的海表面鹽度通量數(shù)據(jù)，而非蒸發(fā)-降水速率，所以需要對式(3)右側(cè)第一項改造。改造后的公式為：

(4)

式中：sflx是海表面鹽度通量，單位為g·m-2·s-1而不是kg·m-2·s-1，以保證其符合海水鹽度的定義。

卷吸速度We的計算公式為：

(5)

其中H是單位躍階函數(shù)：

(6)

這是因為由卷出混合層的水不影響MLS，所以只考慮正的卷吸速度。

1.3 STMW生成區(qū)與侵蝕區(qū)

將海表面溫度(Sea Surface Temperature; SST)為16～19.5 ℃的區(qū)域作為露頭區(qū)，以保持同定義的STMW位溫范圍一致。選取SSH=0.5 m等值線作為KE軸[16]。

圖1展示了2003—2015年2月研究區(qū)域的MLD、SSH和16～19.5 ℃等SST線分布。2月的MLD一般為全年最深。此時，KE軸和16 ℃等SST線在142°E～165°E范圍平均緯度約36°N，過165°E后向逐漸南移。海表19.5 ℃等SST線在132°E～170°W范圍平均緯度約28°N。36°N以南的MLD高值區(qū)集中于[132°E～180°E,28°N～ 36°N]。MLD的140 m等深線在150°E以西平均緯度～28°N，150°E以東平均緯度～29°N?；贛LD高值區(qū)、海表露頭區(qū)、KE軸位置，選取[132°E～180°E,28°N～ 36°N]作為STMW的生成區(qū)(Formation Region; FR)，選取28°N以南區(qū)域為STMW侵蝕區(qū)(Erosion Region; ER)。

(填色圖為MLD，棕線為MLD = 140 m等值線，黑線為SSH等值線，粗黑線為KE軸。上下紫紅線分別為16 ℃和19.5 ℃等SST線，其包絡(luò)范圍為露頭區(qū)。藍(lán)色虛線矩形(132°E～180°E,28°N～ 36°N)區(qū)域為STMW生成區(qū)，28°N以南為侵蝕區(qū)。The color shading represents the MLD； The brown line is MLD = 140 m contours； The black line is the SSH contours； The bold black line is the KE axis； The purple lines are the 16 ℃(upper) and 19.5 ℃(lower) SST contours.)

圖1 基于OFES和Argo的2003—2015年2月MLD、SSH和16 ℃、19.5 ℃ SST等值線分布
Fig.1 February MLD, SSH and 16 ℃, 19.5 ℃ SST contours during 2003—2015 based on OFES and Argo

2 STMW核心層鹽度

2.1 CLS的空間分布及長期變化特征

1967—2015年，OFES中137°E斷面上歷年1月的CLS(見圖2(a)，藍(lán)線)均值為34.85±0.03 ，137°E斷面實測CLS(見圖2(a)，紅線)均值為34.77±0.02，前者均值大于后者，但是兩者均值長期變化的標(biāo)準(zhǔn)差相近。前者在1980，1989，1995，2005，2011年存在極小值，在1975，1986，1992，2000，2008年存在極大值；后者在1977，1990，2003，2011年存在極小值，在1987，1996，2007存在極大值，兩者極值點所以的年份接近。1975年后，兩者具有相近的時間變化特征，相關(guān)系數(shù)0.51。兩者的溫鹽散點圖(見圖2(b))顯示，兩者137°E斷面上的STMW核心層位都密集中于25.1～25.4 kg·m-3。另一方面，此時間段內(nèi)，OFES中137°E斷面上歷年CLS(CLD)的標(biāo)準(zhǔn)差平均(未展示)為0.02(25.60 m)，實測結(jié)果則為0.04(63.07 m)，兩者CLD較大的離散性導(dǎo)致了兩者CLS較大的離散性，這可能主要同137°E斷面上CLD所在深度(～300 m)上OFES和實測數(shù)據(jù)較大的垂向間隔差別(前者～35 m，后者1 m)有關(guān)?？偟膩碚f，雖然OFES和實測數(shù)據(jù)存在數(shù)值和小尺度變化上的差別，但OFES反映的STMW在長時間和大尺度上的特征是可信的。

北太平洋區(qū)域內(nèi)STMW的CLS存在季節(jié)性震蕩和明顯的年代際尺度的變化見(見圖3(a))，1950—2015的平均鹽度為34.81。年代際上，CLS在1960、1977、2005年前后存在極小值，在1956、1969、1996、2010年前后存在極大值。1960—1969年和1977—1996年CLS分別以每年0.005 9和0.003 2的速度增大，1996年后則呈現(xiàn)每年-0.001 6震蕩淡化的趨勢。1980s前CLS低于長期均值，平均鹽度為～34.79，1980s后則高于長期均值，平均鹽度為～34.83，比1980s前高了～0.04。

((a)藍(lán)線(紅線)為OFES(實測)的斷面CLS均值, 紫線表示1975年；(b)藍(lán)三角(紅空心圓)為OFES(實測)的137°E斷面上各年CLS(CLT)均值，背景斜線為等位密線。(a) The blue (red) line is the CLS from OFES (observation); The purple line denotes the 1975; (b) The blue triangles (red circles) are the annual CLS (CLT) along 137°E section base on OFES (observation)；The background lines are the potential density contours.)

圖2 1967—2015年1月OFES和實測的137°E斷面上(a)CLS年代際變化和(b)CLS與CLT的散點圖
Fig.2 (a) CLS and (b) CLT-CLS scatter diagram of OFES and observation along 137°E section in January during 1967—2015

((a)綠線為月際變化，藍(lán)線為經(jīng)13個月滑動平均處理，紅線為經(jīng)8年低通濾波處理后的年代際變化，黑線為均值線，小數(shù)字為紅線的極值點的年份；(b) 填色圖為CLS的空間分布，黑線為SSH等值線，粗黑線為0.5 m等SSH線代表的K/KE軸，藍(lán)虛線框代表STMW生成區(qū)。(a) The green line is the monthly variation, the blue line is smoothed by a 13-month running mean; The red line is the decadal variation smoothed by an 8-yr low-pass filter; The black line is the average. The numbers are the years which have maximum or minima of the red line; (b) The color shading is the distribution of CLS, the black lines are the SSH contours； The bold black line denotes the KE axis; The blue rectangle represents the formation region.)

圖3 1950—2015年北太平洋全部區(qū)域內(nèi)STMW的CLS平均的長期變化和空間分布
Fig.3 The long-term variation and distribution of CLS in the North Pacific during 1950—2015

圖3(b)展示了1950—2015年CLS和SSH的空間分布。28°N以南的SSH等值線呈現(xiàn)東北-西南的走勢，表明侵蝕區(qū)的背景流場是從東北向西南方向流動的。CLS等值線同背景流場(等SSH線)分布的相近，表明背景流場的輸運影響CLS的空間分布。沿緯向CLS從西邊界至165°E逐漸減小，165°E～170°W逐漸增大的特征，中心位于(134°E，28°N)的半永久性反氣旋渦內(nèi)和180°以東的兩個CLS高值區(qū)的鹽度分別約為34.89和34.91，[165°E，28°N]附近的CLS低值區(qū)鹽度約為34.82，CLS沿28°N，135°E～165°E的梯度約為-0.002 3/(°)，165°E～170°W的梯度約為0.003 6 /(°)。經(jīng)向上CLS呈從28°N向南北兩側(cè)遞減的特征，近似呈現(xiàn)以28°N為對稱軸的馬鞍形分布的特征。165°E斷面上的STMW南北邊界CLS分別約為34.78和34.75，CLS從28°N向南北遞減的梯度分別約為0.006 7/(°)和0.008 8/(°)。

2.2 生成區(qū)和侵蝕區(qū)CLS

生成區(qū)和侵蝕區(qū)的STMW總體積一般占全部STMW體積的96%以上，而28°N以北，180°以東，不屬于生成區(qū)和侵蝕區(qū)的小塊區(qū)域內(nèi)的STMW體積占比則少于4%，表明生成區(qū)和侵蝕區(qū)STMW對全部的STMW具有充分的代表性。

(綠(藍(lán))虛線為經(jīng)13個月滑動平均后的生成區(qū) (侵蝕區(qū)) CLS，紅(黑)實線為經(jīng)8年低通濾波后的生成區(qū)(侵蝕區(qū))CLS。A green (blue) line is the 13-month running means of the CLS in the FR (ER); Red(black) line is the CLS in the FR(ER) by an 8-yr low-pass filter.)

圖4 生成區(qū)和侵蝕區(qū)STMW的CLS和對比
Fig.4 The compare between CLS in the FR with in the ER

1950—2015年生成區(qū)CLS平均為34.82，侵蝕區(qū)CLS平均為34.81(見圖4)，侵蝕區(qū)CLS的年際變化比生成區(qū)CLS相對劇烈。年代際上，生成區(qū)CLS在1968、1996、2010年存在極大值，在1958、1976、2004年存在極小值，侵蝕區(qū)CLS在1956、1969、1998、2011年存在明顯的極大值，在1952、1960、1977、2006年存在明顯的極小值。從極值所在年份的分布看，侵蝕區(qū)年份滯后生成區(qū)約1～2年。整體上，生成區(qū)和侵蝕區(qū)CLS的數(shù)值和走勢是接近，經(jīng)13個月滑動平均后兩者的相關(guān)性為0.78，經(jīng)8年低通濾波后兩者相關(guān)性為0.87。這種侵蝕區(qū)和生成區(qū)STMW的CLS的相關(guān)滯后，主要是由于侵蝕區(qū)的STMW不是在源地生成，而是由生成區(qū)STMW在水平流作用下從再生環(huán)流(Recirculation gyre)內(nèi)輸運而來的原因。

2.3 STMW和MLD的季節(jié)循環(huán)

基于氣候態(tài)平均的生成區(qū)STMW、MLD和露頭區(qū)存在明顯的季節(jié)循環(huán)過程(見圖5)，單次STMW季節(jié)循環(huán)可以分為三個階段：將19.5 ℃等SST線到達(dá)KE軸附近，KE軸以南區(qū)域開始形成露頭區(qū)，MLD明顯加深的12月份至MLD和STMW上界開始脫離，STMW厚度增大，CLPV減小的次年4月份稱為STMW生成期；MLD迅速變淺并和STMW上界脫離，STMW厚度開始減小，SST = 19.5 ℃等值線接近KE軸，露頭區(qū)消失前后的5—6月稱為隔離期；露頭區(qū)徹底消失，STMW上界和核心層持續(xù)加深的7—11月稱為侵蝕期。這個循環(huán)過程也在20°N～40°N的155°E斷面的單次季節(jié)循環(huán)和Argo數(shù)據(jù)中得到進(jìn)一步確認(rèn)(未展示)。STMW核心層代表較新的STMW的屬性，在生成區(qū)內(nèi)其代表當(dāng)年新生成的STMW的性質(zhì)，并因STMW為混合層的殘留水團(tuán)，理論上生成區(qū)內(nèi)STMW核心層的性質(zhì)同生成期，尤其是MLD最大時的2—3月混合層水體性質(zhì)緊密相關(guān)。侵蝕區(qū)內(nèi)STMW核心則主要代表著由生成區(qū)方向新輸運而來的STMW的屬性，并滯后于生成區(qū)STMW屬性的變化，這在侵蝕區(qū)STMW(見圖5(b))相對弱的季節(jié)循環(huán)，和STMW上界和MLD距離一般保持100 m以上的特征中也能體現(xiàn)。

圖6展示了1986年10月(上一年的侵蝕期)和1987年2月(生成期)、5月(隔離期)、8月(侵蝕期)的155°E斷面狀態(tài)，以進(jìn)一步說明圖5中展示的MLD、STMW和露頭區(qū)季節(jié)變化過程。選取經(jīng)向斷面是因為西北太平洋MLD、溫度和鹽度的等值線整體沿緯向分布(見圖1)，經(jīng)向斷面更能反映特征。選取155°E斷面是因為其位于本文研究區(qū)域的中間，具有較好的代表性。選取1986—1987年則是因為此段時間155°E斷面受渦旋作用不明顯，STMW在經(jīng)向上沒有隔斷，KE鋒面的位置和傾斜程度也相對穩(wěn)定，即干擾因素相對較少。在侵蝕期后期(見圖6(a))，MLD較淺，19.5 ℃等SST線在KE以北較遠(yuǎn)處，生成區(qū)和侵蝕區(qū)CLD分布無明顯差別。在生成期(見圖6(b))，19.5(16)℃等SST線位于28°N(KE鋒面)附近，此時MLD加深并且在生成區(qū)內(nèi)更加明顯，STMW上界和MLD靠近，CLD不穩(wěn)定。到了隔離期(見圖6(c))，19.5 ℃等SST線向北回移，MLD迅速變淺并和STMW上界脫離，留下的MLD下方水體成為當(dāng)年的STMW，生成區(qū)內(nèi)CLD由上一年STMW層內(nèi)轉(zhuǎn)到較淺的新生STMW層內(nèi)，CLS代表了當(dāng)年新生STMW的鹽度，侵蝕區(qū)內(nèi)CLD則相對穩(wěn)定。最后在侵蝕期(見圖6(d))，19.5 ℃等SST線完全到達(dá)KE以北的較遠(yuǎn)處，KE以南區(qū)域內(nèi)的露頭區(qū)消失，生成區(qū)內(nèi)STMW上界和CLD也逐漸加深。以上過程進(jìn)一步闡述了圖5中的MLD、STMW和露頭區(qū)的季節(jié)循環(huán)特征。

((a)(b)中紫線為MLD、藍(lán)線和黑線分別為STMW上下界深度、紅線為CLD、綠線為CLS; (c)中紅線為生成區(qū)CLPV，藍(lán)線為侵蝕區(qū)CLPV; (d)中黑線、紅線、藍(lán)線分別為KE軸、16 ℃線、19.5 ℃線的平均緯度。各誤差棒為各數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。In(a)(b)， the purple lines are MLD, the bule (black) lines are upper (lower) STMW boundary, the red lines are CLD, the green lines are CLS; (c) The red (blue) line is CLPV at the FR(ER)； (d) The black line is the KE axis and the red (blue) line is the SST= 16(19.5)℃ contour. The error bars are the standard deviation.)

圖5 1950—2015年生成區(qū)(a)和侵蝕區(qū)(b)MLD、STMW上下界深度、CLD、CLS、CLPV(c)以及(d)SST = 16 ℃等值線、SST=19 ℃等值線、KE軸平均緯度的氣候態(tài)月變化
Fig.5 The mean seasonal cycle of MLD, STMW boundary depth, CLD, CLS, CLPV (c) in the (a) FR and (b) ER during 1950—2015 and (d) The mean seasonal cycle of the mean latitude of 16℃, 19.5℃ SST contour and KE axis at 132°E～180°E during 1950—2015

2.4 生成區(qū)CLS和MLS

生成區(qū)內(nèi)同年的不同階段CLD和CLS(見圖7(a)、(b))在垂向上體現(xiàn)出2.3節(jié)描述的季節(jié)循環(huán)特征，而兩者各循環(huán)階段特征的年代際走向是基本一致的。這種不同階段長期走勢的一致性也在Argo數(shù)據(jù)中得到確認(rèn)。這進(jìn)一步證實了2.3節(jié)的結(jié)論。所以，本文主要關(guān)注生成區(qū)內(nèi)隔離期CLS 的年代際變化特征。

長期而言，12月份至次年5月份生成區(qū)的MLS和CLS十分接近(見圖7(c))，6月份及之后MLS迅速減小使得其和CLS的差距加大，9月份后MLS開始加大，和CLS的差距開始變小，至12月份生成區(qū)內(nèi)MLD和CLS接近一致。MLS和CLS在12月和次年4月最接近，首先是因為這部分混合層是新生成的(見圖5(a))，時間上其自身鹽度保持較為一致，其次是因為這段時間處于STMW的生成期，MLD已經(jīng)達(dá)到比較深的程度，已經(jīng)接近或淺于一年中STMW上界最淺的深度，是當(dāng)年新生成的STMW的主要來源。MLS和CLS在5月份同樣接近，則可能是由于早春上層海洋增溫導(dǎo)致季節(jié)性溫躍層形成，海水改變，MLD迅速減小，此時的表層海洋雖然溫度改變明顯，但是鹽度結(jié)構(gòu)卻是相對穩(wěn)定。5月份的MLD雖已與STMW上界脫離，但未減至當(dāng)年最小，混合層底部依然是當(dāng)年的混合層水體。而當(dāng)6—8月份MLD達(dá)到最淺并準(zhǔn)新一輪循環(huán)，但是STMW核心存留在原先的深度，仍然保留上一個生成期的MLS的信息，使得生成區(qū)內(nèi)CLS和MLS產(chǎn)生差異。2月份MLS和5月份CLS在年代際變化上的高相關(guān)性(0.91)也暗示了這一點。

不過單月的數(shù)據(jù)是缺乏可信度的，因為MLD加深和STMW生成是持續(xù)數(shù)月而不是在一個月內(nèi)就是完成的過程?？紤]MLD和STMW的季節(jié)循環(huán)，尤其是次表層海水的通風(fēng)過程(見圖5)，本文關(guān)注生成區(qū)內(nèi)5—6月份隔離期CLS和2—4月份生成區(qū)MLS間的關(guān)系。這里選取2—4月份的MLS是因為此段時間處于STMW的生成期，且MLD達(dá)到全年最深而后迅速變淺的時間段。圖7(d)展示了所選的各自時間段內(nèi)，生成區(qū)CLS和MLS的年際和8年滑動平均后的年代際變化。結(jié)果顯示，CLS和MLS數(shù)值和走勢接近，兩者年際和年代際變化的相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.91，表明生成區(qū)內(nèi)，生成期的MLS相當(dāng)程度上決定著生成區(qū)內(nèi)當(dāng)年STMW的CLS。

(填色圖：水體鹽度；棕線：MLD；灰線：STMW上下界；黑色：CLD；紫紅線：19.5 ℃等位溫線；白線：16.0 ℃等位溫線。The color shading is the salinity of water； The brown lines are the MLD； The gray lines are the vertical boundaries of STMW； The black lines are the CLD； The purple(white) lines are the 19.5(16.0) ℃ potential temperature contour.)

圖6 1986年10月(a)和1987年2月(b)、5月(c)、8月(d)155°E斷面
Fig.6 The section of 155°E in October 1986(a) and in February(b), May(c), August (d) in 1987

3 生成區(qū)MLS

3.1 MLS的年代際變化

生成區(qū)MLS(見圖8(a)，紅線)存在同CLS類似的年代際變化，其在1956、1975和2000年前后存在極小值，在1967、1989和2011年前后存在極大值，極值點所在的年份同CLS的極值點年份相近，并且存在與CLS類似的，1976/1977年P(guān)DO躍變前后長期趨勢由負(fù)轉(zhuǎn)正的現(xiàn)象。生成區(qū)2—4月份的MLS(簡稱：晚冬MLS)比全年MLS平均值高(見圖8(a))，其原因?qū)⒃?.2節(jié)MLS收支分析進(jìn)行討論。晚冬MLS(見圖8(a)，紫紅線)與全年MLS(見圖8(a)，紅線)的經(jīng)8年低通濾波后獲得的年代際變化有很好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)0.92)，即生成區(qū)2—4月的MLS變化可以相當(dāng)好的反映生成區(qū)MLS的年代際變化特征。

另一方面，1950—2015年，PDO和生成區(qū)MLS的年代際變化相關(guān)性為0.6(見圖8(b))，和生成區(qū)CLS的相關(guān)性則為0.57(見圖8(c))，兩者相關(guān)性都較高。1950—1985、1995—2005期間PDO和生成區(qū)MLS的震蕩頻率和幅度都十分接近，這通過兩者的極值點所在年份能明顯體現(xiàn)。從PDO和生成區(qū)MLS的年代際震蕩曲線看，1950—2015年兩者在1950—1955，1995—2005年的變化接近同步，1955—1985年則呈后者滯后前者1～3年的特征，少數(shù)PDO短期劇烈震蕩的年份(如：1990、2010)，MLS未呈現(xiàn)對PDO的明顯響應(yīng)。生成區(qū)CLS的特征和MLS類似，但是CLS的極值點特征不如MLS明顯，年代際變化幅度也小于MLS。相比較而言，MLS對PDO的響應(yīng)比CLS對PDO的響應(yīng)更快和更強。

((a)和(b)紫紅線：生成期的1—2月；藍(lán)線：隔離期的5—6月；紅線(黑線)：侵蝕期的7—8月(10—11月); (c)藍(lán)線：CLS；紅線：MLS ，(d) 綠(藍(lán))線: 13個月滑動平均(8年低通濾波)后的CLS，黑線(藍(lán)線): 13個月滑動平均(8年低通濾波)后的。(a) And (b) the purple lines: January-February within formation period. The blue line: isolation period during May-June. The red (black) line: July-August (October-November) within erosion period).(c) The blue line: CLS, the red line: MLS. (d) The green (blue) line: the CLS smoothed by a 13-month running mean (8-yr low-pass filter). The black (red) line: the MLS smoothed by a 13-month running mean (8-yr low-pass filter).)

圖7 生成區(qū)內(nèi)(a)不同階段CLD、(b)CLS時間變化 、(c)CLS和MLS氣候態(tài)的月變化、(d)5—6月CLS和2—4月MLS的時間變化
Fig.7 The time series of (a) CLD、(b) CLS of different period at the FR (c)、(c)the mean seasonal cycle of STMW and MLS at the FR during 1950—2015、 (d) The time series of CLS from May to June、MLS from February to April at the FR

3.2 MLS收支

通過計算得到的式(4)右側(cè)各項作用導(dǎo)致的生成區(qū)MLS變化速率和OFES中生成區(qū)MLS變化速率整體符合較好(見圖9(a1)和(a2))。生成區(qū)內(nèi)，E-P項(sflx項)和卷須項對MLS的季節(jié)循環(huán)起著主要作用，平流項的作用相對不顯著(見圖9(b))。其中E-P項作用一般在6—7月最明顯，卷吸項則在7月混合層開始加深后作用逐漸變得明顯。來自NCEP的E-P項(見圖9(b)，灰線)的絕對值比sflx項(見圖9(b)，紅線)大很多，這可能是由于兩者來自不同模式導(dǎo)致的，但是作為都是受認(rèn)可度較高的模式，由NCEP數(shù)據(jù)獲得的E-P項的長期變化趨勢仍是可供參考的。

圖9(c)展示了式(3)和式(4)右側(cè)各項變化的長期時間序列。1950—2015年，經(jīng)8年滑動平均后，年代際上卷吸項、水平流、蒸發(fā)項、sflx項都存在小幅震蕩，但整體平穩(wěn)。E-P項則存在相對明顯的年代際震蕩，其在1955、1975、2000年前后偏強，在1965、1990、2008年前后偏弱,同MLS的年代際變化(見圖9(d))具有良好的相關(guān)性，經(jīng)8年低通濾波后得到的兩者相關(guān)系數(shù)為0.83。由降水項和蒸發(fā)項(見圖9(c))長期變化可以看出，這種變化主要是降水項的年代際變化引起的，即MLS的年代際變化主要是降水項的年代際變化導(dǎo)致(8年低通濾波后的相關(guān)系數(shù)0.79)的。

3.3 降水項與卷吸項

1950—2015年生成區(qū)MLD在存在年代際震蕩，但整體穩(wěn)定在60～65 m范圍內(nèi) (見圖10(a))。1950—2015年蒸發(fā)速率(見圖10(b)，藍(lán)線)在年代際上存在小幅波動，均值(14.53±0.759 5) cm/月,整體上升速率0.034 cm/月/年，降水速率(見圖10(b)，黑線)則存在相對明顯的波動，均值(11.37±1.12) cm/月,整體增大速率0.024 cm/月/年，在1964、1975、2000、2011年存在極大值，在1959、1968、1987、2006存在極小值，其中1975和2000緊鄰發(fā)生PDO躍變的1976/77和1998/1999。表明生成區(qū)E-P項的年代際變化主要是由蒸發(fā)-降水速率，尤其是生成區(qū)內(nèi)降水速率的年代際的變化導(dǎo)致的。

((a)紅(藍(lán))線：8年低通濾波(13個月滑動平均)后的生成區(qū)MLS，紫紅線：8年滑動平均后的生成區(qū)2—4月份MLS。小數(shù)字代表極值點所在年份。上方標(biāo)注為PDO躍變的年份；(b)藍(lán)(紅)線為8年低通濾波后的PDO(生成區(qū)MLS)時間序列，小數(shù)字代表兩者的相關(guān)性系數(shù)；(c)同(b)，但為紅線為生成區(qū)CLS。 (a) The red (blue) line is the MLS smoothed by an 8-yr low-pass filter (13-month running mean). The purple line is the February-April MLS in the FR smoothed by an 8-yr running mean. The numbers represent the years which have maximum or minima of the red line. The upper texts denote the time of PDO regime shift. (b) The blue (red) line is the PDO index (MLS) smoothed by an 8-yr low-pass filter. (c) Same as (b), but the red line represents the CLS. )

圖8 生成區(qū)MLS的時間序列(a)、PDO與生成區(qū)MLS(b)和CLS(c)的年代際變化
Fig.8 The timely series of MLS、 in the FR(a) 、the decadal variability of PDO and MLS (b) and CLS (c) in the FR

卷吸項也對生成區(qū)MLS起著重要作用(見圖9、10)。MLD的年代際變化也不顯著(見圖10(a))，卷吸項的年代際變化主要是由鹽度差的年代際變化導(dǎo)致的(見圖10(d))。鹽度差在1957和1999年分別存在明顯的極大值點和極小值點。1950s期間生成區(qū)的降水速率異常相對不明顯(見圖10(b))，卷吸項在1957年的作用明顯下降過程，這可能是導(dǎo)致1950s的MLS極小值的原因。1999年則存在鹽度差絕對值的極大值，導(dǎo)致卷吸項的作用增強，但此段時間生成區(qū)降水明顯增強，抵消了卷吸項增強的效果。同時注意到1950—1990s期間，MLS和混合層下方20 m水體鹽度的差值的絕對值偏小，1990s之后鹽度差的絕對值偏大，這一定程度上表明了海洋層結(jié)的加強。即海洋層結(jié)的長期特征，也影響著MLS的年代際變化，繼而影響CLS的年代際變化。

3.4 生成區(qū)降水速率

PDO躍變前后，生成區(qū)MLS和CLS的年代際變化曲線中存在極小值點(見圖8(a))，又由于降水速率對上述MLS年代際變化起主要作用，這提示我們研究PDO與STMW生成區(qū)降水之間的關(guān)系。生成區(qū)降水速率在PDO躍變前后存在極大值點(見圖10(b))，1950—2015年，經(jīng)8年低通濾波后的NCEP生成區(qū)降水速率和PDO的年代際相關(guān)系數(shù)為-0.35，Nan等[13]基于1987—2012年的歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; ECMWF)的蒸發(fā)和降水?dāng)?shù)據(jù)，得到的15°N～35°N副熱帶海區(qū)內(nèi)的E-P和PDO的滯后相關(guān)系數(shù)為0.85，以上結(jié)果都暗示副熱帶海區(qū)內(nèi)降水量和PDO的負(fù)相關(guān)性。但也需注意到Nan等得到的相關(guān)性比本文高得多，這一方面可能是數(shù)據(jù)時長和來源的差異導(dǎo)致的，特別是Nan等的分析不包括著名的1976/1977年P(guān)DO躍變前的數(shù)據(jù)，另一方面則可能是區(qū)域選擇的空間差異較大所導(dǎo)致的。

另一方面，PDO是一個復(fù)雜的耦合過程，一般認(rèn)為其包括了大尺度隨機強迫、熱帶遙相關(guān)作用、中緯度海洋動力學(xué)和耦合的變化，對PDO的研究應(yīng)關(guān)注PDO背后具體機制的作用[17]。上文中降水速率和PDO的低相關(guān)性(-0.35)也暗示PDO并非是影響生成區(qū)降水的主導(dǎo)物理機制。已有的研究普遍顯示，在驅(qū)動PDO過程中起重要作用的厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation; ENSO)通過“大氣橋”的遙相關(guān)作用連接熱帶和溫帶，影響北太平洋區(qū)域的SST和降水變化[18-19]。Kitamura等則通過1993—2012年的多種觀測和同化數(shù)據(jù)，提出KE環(huán)流區(qū)域(28°N～35°N，141°E～160°E)區(qū)域暖季(6～10月)海面鹽度異常影響隨后的冬季鹽度，并且這種暖季異常是由太平洋-日本(Pacific-Japan; PJ)遙相關(guān)模式驅(qū)動的夏季北太平洋副熱帶高壓向西伸長/向東收縮，導(dǎo)致KE環(huán)流區(qū)域內(nèi)低壓系統(tǒng)數(shù)量變化，進(jìn)而改變KE環(huán)流區(qū)域降水速率，從而引起的[20]。

((a)紅(藍(lán))線：式(4)左(右)側(cè)項(之和)；(b)黑線：式(4)的左項，藍(lán)線：式(4)右側(cè)各項之和，紅色：Sflx項，紫紅線：水平流項，綠線：卷吸項，灰線：E-P項；(c) 棕線：蒸發(fā)項，黑線：降水項，其它同(b)；(d)藍(lán)線：E-P項，紅線：MLS，橫線為兩者均值線。(a) The red (blue) lines are the left(right) of equation(4). (b) Black: the term on the left side of equation (4). Blue: the sum of each term on the right side of equation (4). Red: the Sflx term. Purple: the advection term. Green: the entrainment term. Gray: the E-P term. (c) The gray line is E-P term, the brown line is the evaporation term. (d) The blue line is the E-P term. The red line is MLS. The horizontal line is the average of MLS and E-P term.)

圖9 1950—2015年式(4) (a)左右側(cè)的月變化速率，(b)各項氣候態(tài)月變化，(c)經(jīng)8年滑動平均處理后的式(3)和式(4)右側(cè)各項的年代際變化，(d) E-P項與MLS年代際變化對比
Fig.9 Monthly variation of (a) the terms the left and the right of equation (4) during 1950—2015， (b) The mean seasonal cycle of each term on the right side of equation (4) from 1950 to 2015，(c) The decadal variation of E-P term and each term in the right-hand side of equation (3) and (d) the compare between E-P term and MLS decadal variation, all smoothed by an 8-yr low-pass filter

目前對降水的研究多集中于與人類生產(chǎn)生活直接相關(guān)的陸地領(lǐng)域，對大洋內(nèi)區(qū)降水的觀測和機制研究都相對較少。但從已有的成果看，黑潮的熱量水汽輸送、ENSO與大尺度的遙相關(guān)作用，在STMW生成區(qū)降水速率的變化機制中可能扮演著重要作用，這有待今后進(jìn)一步研究。

((a)藍(lán)線(紅線)為13個月滑動平均(8年低通濾波)后的生成區(qū)MLD；(b)13個月滑動平均后的生成區(qū)蒸發(fā)速率(藍(lán)線)，負(fù)的降水速率(黑線)和凈蒸發(fā)速率(綠線)，紅線為各數(shù)據(jù)8年低通濾波后的曲線。(c)(d)同(a)，但分別為卷吸項和鹽度差。(a) The blue (red) line is the MLD in the FR smoothed by a 13-month running mean (8-yr low-pass filter). (b) The evaporation rate (blue), the precipitation rate (black) and the net evaporation rate(green) in the FR smoothed by a 13-month running mean, while the red lines are smoothed by an 8-yr low-pass filter of them. (c) And (d) same as (a), but for (c) the entrainment term and (d) the salinity difference.)

圖10 1950—2015年生成區(qū)(a)MLD和(b)蒸發(fā)和降水速率，以及(c)卷吸項和(d)MLS和混合層下方20 m水體鹽度的差的時間序列
Fig.10 The timely series of (a) the MLD, (b) the E-P, (c) the entrainment term and (d) the ΔS of term (4) in the FR during 1950—2015

4 結(jié)語

本文利用全球高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果，研究了北太平洋STMW核心層鹽度(Core Layer Salinity; CLS)的年代際變化及其物理機制。結(jié)果表明，CLS存在顯著的年代際變化，在1960、1977、2005等年份存在極小值，在1956、1969、1996、2010等年份存在極大值，其空間分布則與背景流場有關(guān)，各區(qū)域時間變化趨向基本一致。侵蝕區(qū)CLS滯后生成區(qū)CLS約1～2年，這同海流平流輸運有關(guān)。生成區(qū)內(nèi)，STMW的季節(jié)循環(huán)一般可分為生成期(12—4月)、隔離期(5—6月)和侵蝕期(7—11月)，生成期MLS決定著隔離期和侵蝕期的CLS，而MLS的年代際變化則主要由海表面淡水通量的變化引起。海氣淡水通量與PDO存在一定的負(fù)相關(guān)性。在某些年份，海水垂向鹽度結(jié)構(gòu)也影響MLS和CLS的年代際變化。未來，影響副熱帶海區(qū)降水的復(fù)雜機制仍須進(jìn)一步研究。另一方面，本文未發(fā)現(xiàn)KE狀態(tài)不穩(wěn)，氣旋式中尺度渦增加導(dǎo)致的CLS明顯減小的現(xiàn)象，這可能是因為雖然氣旋渦攜帶了KE北面的低鹽水南下，但是由于內(nèi)部是高PV水，不利于STMW的生成和存儲[21]，所以對平均的CLS影響不明顯，這個也需要未來進(jìn)一步的求證和研究。