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大西洋温盐环流的气候效应
王涛
摘要:THC(温盐环流)是由海水温度、盐度差异驱动的全球洋流循环系统。在气候系统中,它对全球热量输送起到了十分重要的作用。它包括暖而咸的热带,副热带表层水的北向输送以及冷的北大西洋深层水的南传,整体上构成一强劲的“经圈环流系统”。由于温盐环流主要的活动区域在大西洋附近,因此在本文中主要讨论大西洋温盐环流对大西洋沿岸气候的影响,以及大西洋与太平洋这两个世界大洋的表层流之间的差异以及这种差异为两大洋附近带来的气候差异。
关键词:温盐环流 大西洋 气候效应
引言:全球大洋环流系统的一个重要组成部分,是所谓的“大西洋温盐环流输送带(THC)”。该系统能够将大量热量自热带输送到北大西洋高纬地区。在冬季,这些热量被释放给位于大洋之上、东移的大气,从而极大的改变了北欧地区的冬季气温。比较全球大洋的表层海温分布,大西洋和太平洋之间最为显著的差异位于北半球的高纬地区,东北大西洋较之同纬度的北太平洋要温暖的多。因此,THC强度的变化对于北大西洋地区的气候至关重要,它被认为是气候变化问题所带给人类的主要挑战之一。
尽管太平洋和大西洋在其各自的西边界都有很强的北向表层流,即黑潮和湾流,但是它们在高纬海域差别很大。太平洋黑潮向北延伸不远,并且其南向回流发生在近表层。在北大西洋,湾流的北向延伸很远,在高纬海域,海水首先下沉到较深的深度上,随后再转向南流。现有的水文观测资料可以清楚的揭示出这种环流差异。北大西洋表层净向北的表层流通过冷却作用,在高纬度下沉、转化为深层水团。与大西洋相反,太平洋的净向北输送几乎为零,原因就在于北向的黑潮表层流,随后是在接近大洋表层处返回赤道的。因此大西洋和太平洋所带来的气候效应是不同的。
温盐环流—全球海洋输送带
在物理海洋学中,习惯将大尺度洋流分为上层海洋的风生环流和深海的温盐环流。迄今为止,人们对前者已经有了较好地认识,而对后者的认识还很不足。动力学表明,旋转球体上得流体移动时主要集中在西边界附近而形成西边界流,深层海流亦如此。现代大西洋北部的深水源头十分强劲,通过深层西边界流可以越过赤道最终进入南大洋与威德尔海和罗斯海的深水汇合,然后再流进广阔的印度洋和太平洋海域而上升。深海中分布的碳-14含量表明,现代大洋完成一次循环的时间尺度为千年量级。
斯托梅尔最早提出了深海洋流的全球结构,后来Gordon对温跃层中的回流倾向取道围绕非洲的“暖水路径”进行描述。但是温盐环流的实际结构远远比“传送带”复杂得多。世界大洋正是靠着这种复杂的热盐环流连接并调节洋盆间的海水交换,并将热量从低纬输送到高纬度地区,其经向热量输送可占海气耦合系统总贡献的1/3~1/2。黄瑞新等认为各大洋之间的相互作用与影响可能是通过大洋的温跃层调整来完成的。
大洋热盐环流的多平衡态及其气候效应
现代大洋热盐环流的一个显著特征是洋盆间处于不对称状态这主要体现在北大西洋有活跃的深水形成,而北太平洋仅能形成中层水,其深水是源于南极形成的底水和北大西洋形成的深水,并通过混合作用处于上升状态。观测表明,现代北大西洋比北太平洋的放射性碳-14含量要高(由于放射性衰变,碳-14含量将随着深海水团的“年龄”增加而不断减少),亦说明北太平洋深水年龄较 “老”或者说通风较差。受热盐环流不对称的影响,北大西洋海表的平均温度高于同纬度北太平洋海表温度,导致北大西洋可以向其上方的大气释放更多的热量和水气,在盛行风的影响下使处于北大西洋东岸的北欧比同纬度其它地区的气候要温和宜人得多。如挪威的博多位于67°17′N、14°25′E,1月份的平均温度为零下2℃,7月份的平均温度为14℃,而阿拉斯加的诺母位于64°30′N、165°26′W,1月份平均温度为零下15℃,7月份平均温度为10℃。
1906年美国地质学家Cham Berlin首先意识到深海对气候的影响。50 年后, 美国海洋学家斯托梅尔从理论上预言大洋深海环流存在着对应不同气候的多平衡态。后来Bryan用理想的单洋盆数值环流模式验证了该理论结果,即在同一强迫下单洋盆环流系统至少有3 种平衡态:一个赤道对称的环流,两个镜像极到极的环流。从此,科学家们开始关注热盐环流状态与气候变化甚至气候突变之间
的微妙关系。
Marotzke在对理想对称的两大洋环流模式研究中发现4种不同的环流形式,可简化为图所示状况,其中(a)对应于太平洋无深水生成而大西洋有深水生成的现代大洋热盐环流状态;(b)为太平洋有深水生成而大西洋无深水生成;(c)为太平洋和大西洋都有深水生成;(d)为太平洋和大西洋均无深水生成。而非对称两大洋模式仍有北太平洋深水形成的环流形式结果。显然,不同的海洋环流形式对应不同的气候态。
图表 1 大西洋与太平洋环流组合
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