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《中国科学院海洋研究所在太平洋深层经向翻转环流研究方面取得系列成果》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2020-08-04

  • 近日，中国科学院海洋研究所王凡研究团队在太平洋深层经向翻转环流（又称深层西边界流）的结构和多时间尺度变异方面取得系列成果，基于长期连续的潜标观测资料揭示了3000米以深经向翻转环流在雅浦-马里亚纳海沟连接区的结构特征和季节内-季节的变异规律。
    太平洋北半球中高纬度海区没有不断冷却失热而形成的高密度水，因此太平洋3000米以深的深层水和底层水均由深层经向翻转环流携带南极的高密水向北输运而来，这一过程在全球经向和垂向热量再分配和气候长期变化上起到重要作用。相比于经向翻转环流的大西洋深层分支，其在北太平洋深层的分支受观测数据稀少等限制以往的研究不多，但太平洋拥有全球最大的海域面积，具有全球最大的热量和碳存储能力，在全球变暖且越来越多的热量向深海转移的背景下，太平洋深层海洋过程值得重视和关注。

    雅浦-马里亚纳海沟连接区是深层经向翻转环流进入西太平洋的关键要塞通道，王凡研究团队在这一区域开展了长期的潜标观测。基于上述数据，团队发现深层经向翻转环流上下两个分支（L-PMOC和U-PMOC）具有显著的季节变化：位于通道西侧3800-4200米北向的L-PMOC在12月至次年5月流速较强，可达20 cm s-1，6月至11月，流速较弱，且在通道东侧4000米以深存在南向的L-PMOC回流，其具有和L-PMOC一样的季节位相，但强度相对较弱；而位于通道东侧3000-3800米南向的U-PMOC，其季节位相与L-PMOC相反，即12月至次年5月，流速较弱，6月至11月，流速较强。L-PMOC和U-PMOC的季节变化分别伴随着上层绕极深层水（UCPW）和下层绕极深层水（LCPW）的季节性入侵。

    除季节变化外，团队还发现该深水通道3000米以深的深层流和温度存在显著的30-90天季节内变化特征，而且季节内变化强度随深度增加，在4200米深度上观测到的流速和等温线垂向振幅可分别达45 cm s-1和600米。经过深入分析，团队揭示了上述季节内深层强化现象是由地形罗斯贝波引起，深层流速和温度变化振幅的垂向结构特征符合地形罗斯贝波的特性。结合模式数据，团队进一步讨论了该深水通道地形罗斯贝波的产生机制，其主要包括两个过程，一是表层的强涡旋通过位涡调整激发产生地形罗斯贝波；二是大尺度平均流的正压和斜压不稳定激发产生地形罗斯贝波。

    上述研究成果发表在地球物理研究杂志《Journal of Geophysical Research: Oceans》，得到了国家自然科学基金委西太平洋地球系统多圈层相互作用重大研究计划重点项目、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。

    相关成果及链接如下：

    Jianing Wang, Qiang Ma, Fan Wang*, Youyu Lu, and Larry J. Pratt, Seasonal variation of the deep limb of the Pacific meridional overturning circulation at Yap‐Mariana Junction, Journal of Geophysical Research: Oceans, 2020, 125, https://doi.org/10.1029/2019JC016017.

    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JC016017

    Qiang Ma, Fan Wang*, Jianing Wang*, and Yilong Lyu, Intensified deep ocean variability induced by topographic rossby waves at the Pacific Yap‐Mariana Junction, Journal of Geophysical Research: Oceans, 2019, 124, 8360-8374. 

    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JC015490

  • 原文来源：http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202007/t20200728_5647117.html
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相关报告

  • 《中国科学院海洋所在棉兰老流多尺度变异研究方面取得系列成果》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2019-09-12
    • 近日，《地球物理学研究通讯》（Geophysical Research Letters）发表了海洋所王凡研究组在棉兰老流（Mindanao Current，MC）多年代际长期变异的研究成果，这是该研究组继棉兰老流年代际和季节变异等一系列研究发现之后的新进展。 棉兰老流是东北信风驱动的北赤道流（North Equatorial Current，NEC）在菲律宾沿岸分叉形成的南向分支，是印尼贯穿流和北赤道逆流的主要水源，在西太平洋暖池热收支和印度洋-太平洋海盆水质量分配中起着重要作用。作为北太平洋浅层经向翻转流的西边界通道，棉兰老流能传送副热带变异信号进入赤道太平洋，在调制太平洋年代际气候变异方面扮演着重要角色。上世纪80年代起，胡敦欣院士等就开始了对棉兰老流和棉兰老潜流的研究。近期的观测表明，棉兰老流呈现多个时间尺度变异，相对于季节和年际变异，学界对棉兰老流年代际、多年代际变异的研究极少，是大洋环流和气候变化研究中的空白领域。 　聚焦棉兰老流多年代际变异，王凡研究团队通过对多种海洋模式和同化资料的联合分析，首次定量给出了棉兰老流输运在过去60年的变化趋势，并探讨了其调控机理。研究发现，1961年以来，棉兰老流呈现出非常微弱的减弱趋势（-0.3 Sv；1Sv=106 m3/s）。这一趋势在多种数据的对比中并不显著，这主要是由不同风场数据在东北信风强度变化方面存在较大差异引起。本研究发现，在风场变化的背景下北赤道流分叉点的南北移动总是可以削弱棉兰老流的变化趋势。研究还进一步指出棉兰老流对信风趋势的响应存在非对称性，对西风趋势的响应更强，这主要是由西边界流的非线性引起。 在棉兰老流的年代际变异方面，研究团队利用高分辨率再分析、模式模拟资料和数值试验，揭示了棉兰老流具有振幅~2.0 Sv的强年代际变异，指出了其与北赤道流输运变异的密切关系，强调了热带西太平洋赤道外风场变异的主导地位。这些研究弥补了学界对棉兰老流长期变异研究的不足，提出了非线性-过程在棉兰老流多年代际变异中的作用，对现有的线性动力学机制是一个补充。 此外，研究团队在2010-2014年的菲律宾海潜标观测中发现棉兰老流和棉兰老潜流存在明显的半年周期变异。通过分析观测资料和进行高分辨率模式试验，团队提出了此半年周期变异可能的物理机制。在该区域的次表层，第二斜压模态的作用很明显，其与第一斜压模态的叠加是半年周期变异产生的主要原因。另外，研究还指出了次表层涡旋与大尺度环流的相互作用也可能对半年变异有一定的贡献。这些结果加深了对西太平洋环流多尺度变异机理的认识。
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  • 《中国科学院海洋研究所在北太平洋海水涩度年代际变化研究方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-03-20
    • 近日，中国科学院海洋研究所张荣华研究团队在北太平洋涩度年代际变化及其气候效应研究方面取得新进展，首次从Argo观测资料中发现海水涩度信号存在一个完整的年代际循环过程。研究结果发表在学术期刊Advances in Atmospheric Sciences上。 众所周知，海水是咸的，其盐度和温度共同确定密度，又进一步决定海水压力从而控制海水的运动和变化。海洋中温度和盐度的分布、变化及其相互间关系涉及海洋热力学和动力学，一直是海洋科学研究的基本问题。之前的研究大多关注温度的作用，随着盐度观测资料的增多，学者们发现盐度在全球水循环、气候变率和可预报性等方面也起重要作用。海洋中存在两种类型的温盐关系，对应于不同的强迫和反馈过程，对密度等产生不同的影响和气候效应。一种是温盐变化对密度影响是非补偿性的，对密度产生显著的增强效应。这类温盐扰动主要反映了风场的强迫作用，主要反映在温跃层深度变化上，其信号在表层也较为明显(如在海面高度异常中有清楚地显现)，动力学上主要反映了行星波的波动过程(如向西传播的第一斜压罗斯贝波等)。另一种是温盐变化对密度的影响是相互补偿的，可引入涩度这一状态量来描述对海水密度相互补偿的温度和盐度变化现象，如暖而咸（或冷而淡）的海水具有高（低）的涩度，可通过等密度分析来具体定量估算，如在水团分析中经常用涩度来度量在给定的等密度面上海水有多涩（暖而咸）的程度，证实了温盐扰动对密度的影响具有相互补偿的特征。 已有分析表明，涩度信号具有很好的守恒性，便于追踪，是海水物理属性年代际尺度变化现象的一个载体，从而可用涩度来表征年代际时间尺度上温盐扰动所具有的清晰一致的结构特征和时空演变。但由于缺少观测资料，目前对涩度的认知还很有限，例如其时空结构和演变过程及其对海洋环境和气候的影响还不十分清楚；其在连接热带外与热带间充当年代际时间尺度上次表层海洋通道的作用还没有明确的观测证据，特别需要利用长期观测资料来更系统地刻画涩度信号的时空演变，认知其在热带外海洋过程对热带影响中的作用。 为此，张荣华研究团队利用Argo观测到的温度和盐度数据，研究了北太平洋涩度年代际异常及其在海盆尺度上的时空演变特征。利用等密度分析得到涩度变率的三维空间分布。首次发现北太平洋涩度变率存在一个完整的年代际循环过程，分别由一个暖而咸和一个冷而淡的过程所组成。其中暖而咸的涩度正异常信号在2007-2013年间从东北太平洋潜沉进入次表层，之后沿北太平洋副热带流涡顺时针向西南热带海区平流，于2014-2015年到达热带太平洋西边界海区，信号强度明显减弱。另一个海水特性相反的冷而淡的涩度负异常在2014-2020年间也有着类似的演变过程。进一步，通过追踪涩度年代际异常的平流轨迹，发现等密度面上流函数等值线可以充分显示出从东北太平洋露头区到热带西边界的潜沉通道。在海盆尺度上涩度信号演变和相位转换过程中，温跃层潜沉通道中的温度和盐度变化具有高度一致性，反映出对密度的补偿特性。此外，当涩度信号中心传到热带太平洋海区时对应于局地温盐结构的改变，从而产生远程的下游效应。如影响热带海区的层结和稳定度、上层海洋混合等动力过程，从而对热带海洋热力和动力场产生影响（包括海表温度）。这样在年代际尺度上，起源于东北太平洋潜沉过程的涩度信号，表现出沿北太平洋副热带流涡的传播特征和时空演变。另外，还发现南北太平洋中涩度信号传播特征和时空演变的差别。例如，在北太平洋副热带海区潜沉的涩度信号在25 kg m-3的等密度面上随平均环流运动，约5年后到达热带区域；而在南太平洋则只需要2年左右的时间，这种南北太平洋的不对称性和相对重要性可能导致热带海气变率特征的差异性。 当前关于太平洋热带外与热带间相互作用的研究较多地关注于大气过程，对海洋作用的研究比较匮乏。该研究通过分析由盐度效应所引入的涩度这个变量，发现温跃层中的涩度信号在等密度面上有较好的守恒性，反映了海洋中的气候信号长时间记忆能力。这种通过涩度年代际变率的识别及其传播路径的确定，揭示出热带外海洋与热带间存在一个海洋通道，这一潜沉通道的发现有助于阐释北太平洋热带外-热带间海洋过程相互作用和机制，为建立发生在北太平洋的太平洋年代际涛动（PDO）和发生在热带太平洋的ENSO之间的关联提供观测证据，对于解释ENSO的多样性和年代际变化等有重要意义。 该研究由中国科学院海洋研究所博士研究生周光辉和研究员张荣华（通讯作者）共同完成。研究成果获得中国科学院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助。 相关文章链接： Zhou, G. H., and R.-H. Zhang, 2022: Structure and evolution of decadal spiciness variability in the North Pacific during 2004–20, revealed from Argo observations. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1358-6.
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