北太平洋经向翻转环流和热盐输送研究综述

刘洪伟， 张启龙， 段永亮， 徐永生（1. 中国科学院海洋研究所， 山东 青岛 266071； 2. 国家海洋局第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室， 浙江 杭州310012； 3. 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室， 山东 青岛 266071； 4. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室， 山东 青岛 266237； . 国家海洋局第一海洋研究所 海洋与气候研究中心， 山东 青岛 266061）



北太平洋经向翻转环流和热盐输送研究综述

刘洪伟1， 2， 3， 4， 张启龙1， 2， 3， 段永亮5， 徐永生1， 2， 3
（1. 中国科学院海洋研究所， 山东 青岛 266071； 2. 国家海洋局第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室， 浙江 杭州310012； 3. 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室， 山东 青岛 266071； 4. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室， 山东 青岛 266237； 5. 国家海洋局第一海洋研究所 海洋与气候研究中心， 山东 青岛 266061）

北太平洋经向翻转环流是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称， 目前它拥有五个环流圈， 即副热带环流圈（the subtropical cell， STC）、热带环流圈（the tropical cell， TC）、副极地环流圈（the subpolar cell，SPC）、深层热带环流圈（the deep tropical cell， DTC）和温跃层环流圈（the thermohaline cell， THC）。这些环流圈是北太平洋经向物质和能量交换的重要通道， 它们的变化对海洋上层热盐结构和气候变化皆有重要影响。迄今， 人们已对STC、TC和DTC的结构形态、变化特征与机理开展了广泛而深入的研究， 并对STC的极向热输送特征也做了一些初步分析。但应指出的是， 关于SPC和THC的研究仍较少， 迄今尚不清楚这两个环流圈的三维结构和变异机理； 而且， 对北太平洋经向翻转环流的热盐输送研究尚处于起步阶段，目前对各环流圈的热盐输送特征、变化规律和变异机理仍知之甚少， 这些科学问题亟待深入研究。

北太平洋； 经向翻转环流； 热盐输送

［Foundation： National Natural Science Foundation of China， No.41406012；Open Fund of State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics（Second Institute of Oceanography）， No.SOED1613； Open Fund of Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry，SOA， No.GCMAC1501； NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers， No.U1406401］

北太平洋经向翻转环流（NPMOC）是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称， 目前它拥有五个环流圈：副热带环流圈（the subtropical cell， STC）［1-2］， 热带环流圈（the tropical cell， TC）， 副极地环流圈（the subpolar cell， SPC）［3］、深层热带环流圈（the deep tropical cell， DTC）［4］和温跃层环流圈（the thermohaline cell，THC）［5］。STC是连接海洋表层副热带下沉和赤道上升的经圈环流， 表层的向极流将赤道和热带的暖水输送到副热带， 而温跃层中的向赤道流则将副热带的冷水向赤道输送。因此， STC被认为是北太平洋热带和副热带上层海洋热盐交换的桥梁［1， 6-7］， 它的变化可以影响到北太平洋热带和副热带之间的热盐结构， 从而对热带北太平洋海表温度和ENSO（El Niño-Southern Oscillation）的年代际变化产生重要影响［8-13］，继而影响到全球的气候变化［1， 6-7， 14］。不仅如此， STC还是北太平洋赤道潜流水源的重要贡献者［3］。TC是一个在赤道上升、热带下沉的经向环流圈， 它将表层暖水向下输送， 并为赤道潜流提供部分水源［3］。由于DTC位于北太平洋的TC和STC之间， 并对STC的向南输送有阻挡作用， 因而DTC的存在和变化直接影响到北太平洋副热带冷水到达赤道的多寡［4］。SPC和THC在北太平洋高纬海域的热量交换中均有重要作用［5］，它们的变化对北太平洋副热带和副极地之间的热盐结构和气候变化皆有重要影响。由于这些环流圈是北太平洋经向物质和能量交换的重要通道， 因此，自20世纪90年代以来， 人们已就其结构形态、变化特征与机理及其对ENSO的影响进行了较多研究，并对STC的热输送特征和变异机制进行了初步分析，取得了一些重要成果。本文对北太平洋经向翻转环流和经向热盐输送方面的研究进展进行了综述， 并提出了需要进一步研究的科学问题， 以期为深入开展北太平洋经向翻转环流的热盐输送研究提供有利的参考依据。

1 北太平洋经向翻转环流

本节分别综述北太平洋经向翻转环流的结构特征、变化规律和变异机理方面的研究进展。

1.1 北太平洋经向翻转环流的结构特征和变化规律

Bryan［5］在对比分析海洋环流模式的模拟能力时发现， 在北太平洋有三个经向翻转环流圈， 即THC、SPC和STC， 并给出了它们所在的位置。其中， THC位于25°～65°N， 它的垂向范围最深可达3 000 m以深， 而SPC和STC均较浅， 仅限于500 m以浅水层，分别位于25°～55°N和0°～25°N。后来， Lu等［3］利用三层半海洋模式研究STC对赤道潜流的贡献时发现，在北太平洋（0°～55°N）共有3个环流圈， 即TC、STC 和SPC， 而在南太平洋（0°～35°S）仅有TC和STC。其中， 北太平洋的TC和STC分别位于0°～5°N和0°～30°N之间， 而SPC则位于30°～55°N。这些环流圈也都较浅， 皆位于500 m以浅水层。周天军等［15］基于GOALS模式的模拟结果得出， 在南、北太平洋各存在着一个STC， 其中北太平洋的STC在15°～25°N下沉， 而在5°～10°N上升。显然， 周天军等［15］的模拟结果与Lu等［3］和Bryan［5］的结果有很大差异。这表明， 使用不同的模式得到的结果有较大差异。

由于以往的研究结果皆是通过数值模拟手段得到的， 因此需要用观测资料来加以证实。于是， Liu等［4］运用SODA资料较为系统地研究了北太平洋经向翻转环流的三维结构。他们的结果表明， 在北太平洋（0°～60°N）除了TC、STC和SPC外， 还有一个DTC。其中， TC位于0～5°N之间， 并在175°E～100°W之间发生翻转； STC位于7°～25°N之间， 其翻转区域较TC西移了约20， 大致在155°E～120°W之间； SPC位于35～50N之间， 是一个较弱的环流圈；而DTC位于100～1 200 m水层， 并在3N附近下沉、在10N附近上升， 其翻转区域大致在160E100W之间。

随着调查资料的增多和高分辨率同化数据的不断涌现， 针对北太平洋某些环流圈变化特征的研究也在逐步深入。Liu等［4］通过SODA资料的分析发现，北太平洋STC的中心位置存在着明显的季节变动，并与DTC的强弱变化有着密切的联系。其中， 在冬、春季节， DTC较弱且下沉， 其上边缘下移至150 m附近， 因而使得STC向南扩展， 并靠近TC， 从而在0～18N之间形成了一个大尺度的环流圈， 这有利于北太平洋副热带冷水直接到达赤道； 而在夏、秋季节， DTC增强且上升， 其上边缘可上移至海面， 因而迫使STC北缩， 范围变小， 并远离TC， 在此情况下，北太平洋副热带冷水难以抵达赤道。很显然， DTC的存在和变化将直接影响到北太平洋副热带冷水到达赤道的多寡， 这对Lu等［16］提出的有关“位涡障碍”导致北太平洋副热带冷水不能直接到达赤道的观点提出了质疑。

由于STC的向赤道输送减少对赤道太平洋海表温度（SST）的升高有直接的影响， 因此STC的年际和年代际变化也已引起了人们的重视， 并对其开展了较多研究。在以往的研究中， 通常将经过9N（或10N）断面的南向体积输送作为北半球STC的强度指标， 而将经过9S（或10S）断面的北向体积输送作为南半球STC的强度指标。研究发现， STC的强度皆存在着显著的年际和年代际变化。其中， STC的年际变化与ENSO循环相联系， 即在El Niño期间它减弱，而在La Niña期间则增强［17-19］； STC的年代际变化特征主要表现为： 20世纪70～90年代它处于减弱时期，而在1990年之后则开始增强［11， 18-21］。Lohmann等［22］分析了TC和STC的年代际变化与Niño4区SST之间的关系， 也得到了TC和STC的异常减弱与赤道西太平洋SST异常上升相联系的事实。而且， 经过5S 和5N这两个断面的向赤道体积输送也存在着与ENSO相联系的年际变化［13， 23］。但是， Capotondi等［18］却认为， STCs的向赤道输送变化并不能直接对ENSO产生影响。这与以前有关STCs的向赤道输送变异对ENSO有影响的观点明显不同［8-9］。

最近， Liu等［24］利用SODA资料较为系统地研究了北太平洋TC和STC的年际变化。但与以往研究不同的是， 他们将经过3N断面（TC的中心所在纬度）的北、南向输送分别作为TC的上、下支强度指标， 而将经过STC中心位置（存在着经向移动）所在断面的北、南向输送分别作为其上、下支强度指标［24］。他们认为， TC的上、下支强度具有同位相年际振荡， 但其下支落后于上支约5个月； 而STC上、下支强度的年际变化则是反向的， 其下支落后于上支约1个月。并且， TC和STC的下支强度均在El Niño期间减弱，而在La Niña期间增强， 但它们的年际变化均落后于ENSO（用Niño3区SSTA作为ENSO指数）约4个月。这与Capotondi等［18］的结果相吻合， 即STC向赤道输送的年际变化并不能对ENSO产生影响， 而是对ENSO的一种响应。此外， 自20世纪70年代以来， TC和STC的下支强度均呈减弱趋势， 但它们的上支强度却无此现象。

1.2 北太平洋经向翻转环流的变异机理

McCreary等［2］基于两层半海洋模式的模拟结果认为， STC的强度是由副热带南侧下沉为零的纬度上的风应力和科氏参数决定的， 而与副热带Ekman抽吸速度及热带风场强度无关。这一观点得到了Lu等［3］的三层半海洋模式结果的支持。而且， 他们还指出，TC的强度是由热带太平洋的非等密度水混合决定的。但后来的资料分析和数值模拟研究均得到了与之不同的结果。Liu 等［24］通过分析SODA和风应力资料认为， 在北半球， TC和STC向极输送的季节和年际变化都是由局地纬向风异常引起的， 而其向赤道输送则与所在纬度上的海平面东、西向坡度的季节和年际变化有关。Lee等［20］的数值模拟结果表明，近赤道风应力异常引起了STC向赤道输送的变化，而Capotondi等［18］则认为， STC向赤道输送的年际变化在10S和13N断面最显著， 这与局地风异常和第一斜压Rossby波有关。在这两个断面上， 纬向风异常激发了西传的第一斜压Rossby波， 使得温跃层深度发生剧烈变化， 从而导致STC向赤道输送的变化增大［25］。而容新尧等［26］的数值试验结果却显示， 赤道及其两侧的纬向风异常对STC的向赤道输送变化都有重要影响， 而赤道外风应力旋度变化引起的斜压Rossby波对STC向赤道输送的影响却较小。此外，Lohmann等［22］基于敏感性数值试验得出， 赤道太平洋（5S～5N）风应力异常引起了TC的年代际变化，而赤道外风应力异常对STC的年代际变化却有重要作用。

综上所述不难看出， 人们已对STC、TC和DTC的结构特征、变化规律和变异机制开展了广泛而深入的研究， 但对THC和SPC的研究却较少， 迄今尚不清楚这两个环流圈的三维结构和变异机理。

2 北太平洋经向翻转环流的热盐输送

对于全球气候系统而言， 热带存在太阳辐射盈余， 而极地则存在太阳辐射亏损。为了保持整个系统的热量平衡， 在低纬与高纬之间必须存在着强的经向热量输送。在此热量输送过程中， 海洋环流起着至关重要的作用， 它将低纬度海域的热量向高纬海域输送， 并把大量的热量释放给大气， 再由大气环流将热量向更高纬度输送。北太平洋是太平洋低纬与高纬海域经向热量和盐量交换的主要通道。其中， 极向的热盐输送主要是通过西边界强流（黑潮）和表层的埃克曼环流完成的， 而向赤道的热盐输送则主要是由东边界流（加利福尼亚流）和大洋内部的热盐环流（包括经向翻转环流）完成的［27-29］。因此， 自20世纪90年代以来， 人们已对北太平洋经向热盐输送开展了较多研究， 但有关北太平洋经向翻转环流热盐输送的研究却较少， 仅有零星报道。为了能够全面了解有关北太平洋经向热盐输送方面的研究进展， 本节分别对北太平洋经向翻转环流热盐输送和北太平洋经向热盐输送的研究现状进行了概述。

目前， 对北太平洋经向翻转环流热盐输送的研究主要集中于STC的向极热输送方面。Klinger等［30］基于MOM2模式的模拟结果指出， STC存在着较强的向极热输送， 其最大值为0.3×1015W， 热输送的强弱变化主要是由风应力和海表温度共同引起的。而且， Riccardo等［31］认为， STC的减弱及其向极热输送的减少使得赤道海域出现了正的海表温度异常。前已提及， 在北太平洋共有5个环流圈， 而仅研究STC的向极热输送是远远不够的， 还应研究其向赤道的热输送， 而且还应探究其它环流圈的经向热输送，唯有如此方能全面了解北太平洋经向热输送的来源和路径。由此可见， 关于北太平洋经向翻转环流热盐输送的研究仍不够全面、深入， 迄今对各环流圈热盐输送的基本特征、变化规律和变异机理仍知之甚少，亟待深入研究。

虽然对北太平洋经向热盐输送的研究相对较多，但在某些方面仍存在着一些不同的观点和认识。Bryden等［32］分析了24N断面的经向热输送， 得出净北向热输送为0.751015W。其中， 黑潮热输送为1.731015W， Ekman热输送为0.931015W， 而中大洋的地转热输送为–1.911015W。Roemmich等［33］利用水文观测数据估算了跨22°N断面的热输送为0.831015W。Zhang等［34］利用直接观测数据与模式分析了北太平洋24N断面经向热输送的季节变化，结果表明在总的经向热输送（0.621015W）中， 翻转环流的经向热输送约占2/5（0.371015W）。方国洪等［35］的数值模拟结果表明， 黑潮向东海输送的热量和盐量分别为2.321015W和894106kg/s。张启龙等［36］利用东海PN断面的温盐资料得出， 黑潮的多年平均热输送为1.671015W。而孙双文等［37］的数值模拟结果则表明， 黑潮向东海的年均热输送约为0.171015W。Zheng等［38］利用1958～2004年的SODA数据计算了热带太平洋的经向热输送的结果表明， 跨10°N断面的热输送为0.281015W， 跨20°N断面的热输送为0.531015W。显然， 不同的学者利用不同的数据或方法， 得到的结果有很大的不同。

最近， 厉萍等［29-30］利用1958～2007年的月平均SODA资料， 较为系统地研究了北太平洋经向热盐输送的季节变化特征和机制。结果表明， 北太平洋净经向热盐输送存在着明显的区域性特征。其中， 在6.5～12.5N之间北太平洋主要向南输送热量和盐量，其最大值分别为–0.351015W和–48.8107kg/s， 皆出现在8N附近； 而在12.25N以北海域， 北太平洋则主要向北输送热量和盐量， 其最大值分别为1.491015W和61.35107kg/s， 皆位于24N附近； 在14N以南海域热盐输送的季节变化较显著， 而以北海域热盐输送的季节变化则相对较小； 北太平洋净经向热盐输送的季节变化在很大程度上是由同一纬度上的Ekman流和西、中、东太平洋地转流共同引起的。

此外， 张启龙等［36］的研究还表明， 黑潮热输送的年际和年代际变化都很明显， 并在1976年前后发生了一次由弱到强的气候跃变。而孙双文等［37］的数值模拟结果也表明， 黑潮对东海的热量输运具有冬季大、夏季小的季节特征， 而其年际变化则与厄尔尼诺现象密切相关。但应指出的是， 他们模拟的黑潮热输送量都明显偏小。

由此可见， 关于北太平洋经向翻转环流热盐输送的研究尚不够全面、深入， 因而对各环流圈热盐输送的基本特征、变化规律和变异机理仍不清楚， 而且对各环流圈在北太平洋经向热盐输送中的贡献迄今仍不得而知。

3 需要进一步研究的科学问题

综上所述可知， 当前人们已在北太平洋经向翻转环流的结构特征和变异机理方面开展了较多研究，并对北太平洋经向热盐输送进行了一些分析， 但对北太平洋经向翻转环流热盐输送的研究却极少。因此， 迄今尚有许多科学问题仍未得到圆满解答， 亟待深入研究。当前， 需要进一步研究的科学问题主要如下。

前文已提到， 在北太平洋共有5个翻转环流圈（TC、STC、DTC、SPC和THC）。目前人们已对STC、TC和DTC的结构特征、变化规律和变异机制开展了广泛而深入的研究， 但对THC和SPC的研究却极少， 迄今尚不清楚这两个环流圈的三维结构和变异机理。因此， 研究这两个环流圈的三维结构、变化特征和机理， 不仅有助于揭示北太平洋经向翻转环流的结构特征， 而且也有助于全面了解北太平洋经向热盐交换的过程和机制。

以往的研究表明， 北太平洋经向翻转环流属于多环结构， 而且大部分环流圈皆存在着显著的季节和年际变化。那么， 这些环流圈对北太平洋经向热盐输送的贡献究竟有多大？而且， 各环流圈的热盐输送是否也存在着季节和年际变化？因此， 深入研究各环流圈经向热盐输送的基本特征及其变化规律，并分别探讨各环流圈之间在热盐输送过程中的相互联系和相互作用， 不仅有助于揭示北太平洋内部的热盐输送通道， 而且也有助于认识北太平洋经向翻转环流热盐输送的变化特征。

众所周知， 北太平洋经向翻转环流的季节和年际变化主要是由北太平洋风应力和海洋波动（Rossby波）等动力要素共同引起的， 而STC的向极热输送则与风应力和SST有关。那么， 风应力和海洋波动是否对环流圈的热盐输送变化也有影响？浮力通量（太阳辐射、蒸发、降水）、水温和盐度等热力要素对热盐输送变化的影响如何？这些科学问题迄今仍不清楚， 值得深入研究。因此， 研究不同海域的动力强迫和热力要素对环流圈热盐输送变化的影响， 有利于揭示北太平洋经向翻转环流热盐输送的变异机理。

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（本文编辑： 李晓燕）

Investigation into the North Pacific meridional overturning circulation， and heat and salt transport: Progress report

LIU Hong-wei1， 2， 3， 4， ZHANG Qi-long1， 2， 3， DUAN Yong-liang5， XU Yong-sheng1， 2， 3
（1. Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao 266071， China； 2. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics （Second Institute of Oceanography， SOA）， Hangzhou 310012，China； 3.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves， Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao 266071， China； 4. Laboratory for Ocean Dynamics and Climate， Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology， Qingdao 266237， China； 5. Center for Ocean and Climate Research， First Institute of Oceanography， SOA， Qingdao 266061， China）

Feb.， 10， 2015

North Pacific； meridional overturning circulation； heat and salt transport

The North Pacific meridional overturning circulation （NPMOC） is the general name given to the five North Pacific overturning cells： the subtropical cell （STC）， the tropical cell （TC）， the subpolar cell （SPC）， the deep tropical cell （DTC）， and the thermocline cell （THC）. These cells are important for the leakage of meridional material and energy exchange. The NPMOC and its variation play an important role in the upper ocean thermohaline structure and climate change. The structure of the STC， TC， and DTC， and the level and mechanism of variation in these are currently being extensively analyzed， and a preliminary analysis of poleward heat transport by the STC has been completed. Less research has been undertaken on the SPC and THC； however， the three-dimensional structure and mechanism of variation remains unknown. In addition， research into heat and salt transport by the NPMOC is still at an initial stage， with little knowledge at present about the characteristics and the level and mechanism of variation within each cell. Therefore， this requires further investigation in the future.

P731

A

1000-3096（2016）01-0155-06

10.11759/hykx20150210001

2015-02-10；

2015-04-09

国家自然科学基金（41406012）； 卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放基金（SOED1613）； 国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室开放基金（GCMAC1501）； 国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目—物理海洋与气候（U1406401）

刘洪伟（1985-）， 女， 河北衡水人， 汉族， 助理研究员， 博士， 主要从事物理海洋方面研究， 电话： 0532-88298823， E-mail：liuhongwei@qdio.ac.cn