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科研动态
科研进展
海洋试点国家实验室在北太平洋海水涩度(spiciness)年代际变化研究方面取得新进展
来源:海洋动力过程与气候功能实验室     通讯员:侯霞     2022-04-01 15:17:30
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近日,由海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室首席科学家张荣华研究员科研团队在北太平洋涩度年代际变化及其气候效应等方面的研究取得新进展,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。

海洋中存在两种类型的温盐关系,一种是温盐变化对海水密度影响是非补偿性的,对密度产生显著的增强效应。另一种是温盐变化对海水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。两种温盐关系对应于不同的强迫和反馈过程,对海水密度等产生不同的影响和气候效应。已有分析表明,涩度信号具有很好的守恒性,便于追踪,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,其在连接热带外与热带间表征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。

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(图1 a-b)。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 (图1 c-d)。通过进一步追踪涩度年代际异常的平流轨迹,研究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,进而对热带海洋热力和动力场产生影响(包括海表温度)。如此,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。

当前学界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。本工作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(图2),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。

图:北太平洋25 kg m-3等密度面上平均位势涡度(Potential Vorticity; PV)的空间结构和涩度信号(Spiciness signals)在次表层海洋潜沉通道上传播的示意图


上述研究成果近期发表于学术期刊Advances in Atmospheric Sciences(大气科学进展),由海洋动力过程与气候功能实验室在读博士研究生周光辉为第一作者,张荣华研究员为通讯作者完成。研究成果获得中科院海洋大科学研究中心、海洋试点国家实验室、中科院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1007/s00376-021-1358-6.

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