浪致混合对亚热带冬季海洋混合强度的影响

陈思宇，乔方利，黄传江，宋振亚

( 1. 中国海洋大学 海洋与大气学院，山东 青岛 266100；2. 自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237；4. 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室，山东 青岛 266061)

1 引言

上层海洋在全球气候系统中起着至关重要的作用。海洋上混合层具有温度、盐度及密度在垂直方向上几近相同的特点。混合层是上层海洋充分湍流混合过程的表现。水体、动量、能量通过海洋上混合层与大气进行交换，提供了海洋中几乎所有运动的能量来源，并直接影响到气候系统[1]。海洋混合层深度是由海洋混合的强度所直接决定的。但是，包括海洋环流模式、气候耦合模式及地球系统模式在内的数值模式对海洋上混合层及海洋混合的模拟均存在显著的偏差[2-6]。其中，对海洋混合模拟的偏差主要表现为模拟的冬季混合过强[7]，而夏季模拟的混合严重偏弱。参加第3次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 3, CMIP3）的数值模式普遍过高地模拟了海洋上混合层的混合强度[8-11]。虽然将一些物理过程耦合进气候模式以期解决这一问题[12-14]，但参加第5次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的数值模式仍没有解决这一问题。

浪致混合能有效地改善夏季混合层模拟过浅[5-6,15]以及亚热带地区冬季混合层模拟过深的问题[16]。这表明，浪致混合对于海洋上层并不是单调地增加混合强度。由于混合层深度具有明显的季节性变化特点[5]，因此对混合的研究也应分为夏季与冬季讨论。在对混合层研究中发现冬季混合层深度比夏季要深得多[5-6,12,16]，这主要由于冬季受冷对流的影响，导致海洋的垂向混合比夏季强得多。因此，冬季混合的强度对全年平均的影响更为显著。

亚热带海域（纬度在20°～40°之间）作为热带与高纬度地区的连接地带，对气候系统有着至关重要的作用[16]。相比于热带地区，亚热带地区的冬、夏分明，更适合研究混合强度的季节变化。同样具有明显冬、夏之分的高纬度地区，情况则比较特殊：北半球大西洋高纬度地区大西洋经向翻转环流区域具有独特的物理特性，其中拉布拉多海冬季混合层能达到1 000 m以上[17]；南半球高纬度地区即南大洋海域的混合受南极绕极流及子午向环流等因素的影响情况也较为复杂[18]。南、北半球的高纬度地区由于地理分布的不同，影响混合的物理机制也不尽相同。本文将聚焦亚热带地区，利用自然资源部第一海洋研究所地球系统模式（FIO-ESM）的数值实验来分析浪致混合对亚热带地区冬季海洋混合强度模拟的影响及机制。

2 模式及数据

2.1 CMIP5模式数据介绍

CMIP5包含了目前世界上大部分气候模式，代表了气候模式研究的当时最高水平。本文使用了1986-2005年20年的历史时期模拟结果，所涉及的气候模式如表1所示，这45个气候模式的研发者来自世界不同科研机构。总体来看，CMIP5模式的分辨率、参数化过程以及模拟能力相对于上一代气候模式均有所提高，但仍存在一些共性问题：海洋垂向混合不论CMIP3还是CMIP5的模拟都普遍偏强，海洋层结普遍偏弱等。CMIP5每个模式有多个集合数，本文使用的多模式数据为历史实验r1i1p1中20年（1986-2005年）的月平均输出结果，使用的所有模式结果在计算前均通过双线性插值到了统一网格上。

2.2 FIO-ESM模式简介及数值实验设计

FIO-ESM是全球地球系统模式，由气候系统模式和碳循环模式两部分组成，本研究的数据主要来自于气候系统模式。FIO-ESM气候系统模式包括了大气、陆面、海洋、海冰和海浪5个动力分量模式，采用了Qiao等[15]发展的非破碎浪致混合方案将海浪分量模式首次耦合到地球系统模式中。本文中使用的模式版本为FIO-ESM v1.0版本。其中大气分量模式为CAM3（Community Atmosphere Model Version 3）；陆面分量模式为通用陆面过程模式CLM3.5（Common Land Model Version 3.5）；海洋分量模式为 POP2.0（Parallel Ocean Program Version 2）；海冰分量模式为CICE4（Los Alamos National Laboratory Sea Ice Model Version 4）；海浪模式是我国自主研发的MASNUM模式。

大气分量模式CAM3采用谱动力框架，水平分辨率约为2.875°，垂向分为26层；陆面过程模式CLM3.5水平分辨率与大气模式相同，陆面模式包括了水文循环过程；海洋模式的水平分辨率为 1°×0.27°～1°×0.54°，垂直方向采用 z坐标分为 40 层，该海洋模式上200 m分为14层，采用KPP垂直混合方案；海冰分量模式为CICE4，水平分辨率与海洋模式分量相同；海浪模式水平分辨率为2°×2°，波向分辨率为30°。

在FIO-ESM模式中，海浪的作用直接体现在海洋环流模式中，浪致混合会改变海洋模式模拟的垂向结构，通过耦合过程将海浪的影响传递给其他分量模式。在进行海浪耦合时，首先利用大气模式得到10 m风速，经耦合器传递给海浪模式；随后，海浪模式利用风场数据计算出波浪的波数谱，依据非破碎浪致混合的计算公式得出浪致混合系数（Bv）（式（1））；最后，将日平均Bv经耦合器传递给海洋环流模式，分别迭加到动量控制方程中的垂向黏性系数和温度、盐度控制方程中的垂向扩散系数中，通过改变海洋环流模式的原垂向混合方案，将海浪的作用耦合进气候模式之中。

本文通过有浪及无浪两个数值实验对比分析浪致混合对亚热带海洋混合过程的影响，并分析其机制。其中有浪实验参加了CMIP5国际气候模式比对计划，选取参加历史实验的20年结果（1986-2005年）。无浪模式与有浪模式完全相同，仅将浪致混合作用关闭。

2.3 观测数据

本文选用英国Hadley中心的“EN”温度数据的第4 版（EN4；https：//www.metoffice.gov.uk/hadobs/）作为上层海洋温度的观测数据。该数据集提供了1900年至今的温、盐资料，本文使用了与模式相同时间段（1986-2005年）的温度数据作为观测数据与模式数据进行对比。

表1 CMIP5中45个气候模式情况Table 1 The details of the 45 models of the CMIP5

续表 1

3 结果分析

3.1 CMIP5对冬季亚热带地区混合模拟的偏差

本文研究海区为亚热带海域（纬度在20°～40°之间），作为热带与高纬度地区的连接地带，对气候系统有着至关重要的作用[16]。我们首先评估参加CMIP5比对计划中45个模式对于海洋混合模拟的情况。

海洋混合与海洋层结相辅相成，当层结越强时海洋混合越弱；反之，层结越弱则海洋混合越强。我们采用与Kuhlbrodt和Gregory[7]相同的方法，用每一深度海水温度与海表面温度（SST）的差来表征层结的强弱，如图 1所示。由 Sallée等[18]及 Chen等[16]的温度稳定度的定义可知，南、北两个半球的亚热带地区的冬季上层2 000 m，观测的结果比大部分模式模拟的稳定度高，也就是说CMIP5中大部分模式模拟的层结强度偏弱，多模式平均的结果也明显弱于观测结果。偏弱的层结对应于混合偏强。

3.2 浪致混合对冬季亚热带地区混合模拟的影响及机制

传统观点认为在原有混合参数化方案基础上，增加浪致混合会使海洋混合率增加。但Chen等[16]最新的研究指出，浪致混合通过改变层结强弱可以使亚热带地区冬季混合层变浅。我们用与图1相同的方法评估浪致混合对上层2 000 m海洋层结强弱的影响，结果如图2所示。从图中可以看出浪致混合可以使上2 000 m海洋的层结轻微的增加，但是由于坐标范围很大，该差异看起来并不明显。

图1 CMIP5中45个模式模拟的南、北半球冬季亚热带地区上层海洋（2 000 m）平均层结强弱及多模式平均结果与观测结果的比较Fig. 1 The averaged stratification in the subtropical regions of North Hemisphere and South Hemisphere during the boreal and austral winters from the 45 CMIP5 models, multi-model mean,and observations

图2 浪致混合对南、北半球冬季亚热带地区上层海洋（2 000 m）平均层结强弱的影响Fig. 2 The simulation of the averaged stratification in the subtropical regions of North Hemisphere and South Hemisphere for the cases with and without surface wave-induced mixing

图3 多模式模拟的层结强度与实际观测强度偏差（MMM-Ob）和浪致混合贡献的偏差（Bv-noBv）的比较Fig. 3 The difference of the multi-model mean and the observations (MMM-Ob) compared with the contribution of the surface wave-induced mixing (Bv-noBv)

为了更好地对比模拟与观测偏差及浪致混合的作用，我们将多模式模拟结果与观测结果求取差值，同时将有浪实验的结果与无浪实验的结果做差，将两个差进行对比（图3）可以看出，多模式的平均结果与观测结果的差为正（图3蓝色区域），北半球在0～2.2℃之间，平均值为1.63℃；南半球在0～1.0℃之间，平均弱，也就是说其模拟的混合强度大于观测结果。浪致混合在100 m以深也可以增强层结，有浪模式的结果与无浪模式结果的差在北半球为-0.3～0℃，平均值为-0.11℃；在南半球为-0.2～0℃，平均值为-0.13℃。这说明，将浪致混合耦合进数值模式后增加了上层2 000 m海洋的稳定度，即增加了层结强度。

在层结海洋中，混合系数可表示为

图4给出了有浪实验与无浪实验模拟的上层海洋混合率的变化（图中只给出了上层300 m，主要是由于在300 m以下混合系数变化较小）。从图中可以看出，增加的层结强度必然导致混合率的降低，除了在表层很浅的10 m深度内及20°～30°S纬度区间内100 m深度处混合率有所增加外，整个上层海洋混合率均有所下降。无浪实验模拟的北半球上2 000 m的混合率平均值为227 cm2/s，而有浪实验模拟的结果为178 cm2/s，浪致混合使北半球冬季亚热带地区混合率降低了21.6%。无浪实验模拟的南半球上2 000 m的混合率平均值为189 cm2/s，而有浪实验模拟的结果为165 cm2/s，浪致混合使北半球冬季亚热带地区混合率降低了12.7%。浪致混合使冬季亚热带海域混合率变弱，表明浪致混合并不仅是单纯增强混合，而且通过调制海洋的温、盐垂向结构来影响海洋的垂向混合。当后者作用大于前者时，就会出现加入浪致混合反而使得整体混合变弱的情况。

上层海洋热含量的变化是影响上层海洋层结强弱的主要因素[7,16]，因此我们从上层海洋温度入手来分析浪致混合使上层海洋层结及混合强度变化的机制。图5给出的是有浪实验与无浪实验模拟的温度差。从图中可以看出，除南、北纬30°左右200～300 m深度有0.05℃的降温外，浪致混合使整个冬季亚热带上层2 000 m海洋温度增加，最大可达0.3℃。增加的温度使上层海洋稳定度增加，使得海洋层结增强，海洋的垂向混合率降低。

图5 有浪实验与无浪实验模拟的海洋温度差（单位：℃）Fig. 5 The difference of temperature between the cases with and without surface wave-induced mixing (unit： ℃)

浪致混合只能重新分配热量，但不能产生热量。同时，Chen等[16]指出，浪致混合对净热通量的影响不大。图6给出的是浪致混合引起的气候态月平均的全年上层海洋温度变化。从图中可以看出，在南、北半球的夏季，浪致混合通过增加表层混合，使表层降温，次表层升温。这一部分热量被储存在海洋中并遗留到冬季，使整个上层海洋温度增加。因此，冬季上层海洋温度的增加主要来自夏季次表层增温的遗留。

4 结论

图6 南、北半球浪致混合引起的气候态月平均的上层海洋（0～2 000 m）温度变化Fig. 6 The difference of climatological monthly averaged temperature of the upper ocean (0-2 000 m) in both the North Hemisphere and South Hemisphere for the cases with and without surface wave-induced mixing

本文通过对比CMIP5中45个气候模式模拟结果与观测结果发现：现有气候模式对于亚热带地区冬季海洋层结的模拟偏弱，标志着模拟的海洋垂向混合过强。为了评估浪致混合对该海域冬季混合模拟的影响，基于FIO-ESM v1.0地球系统模式设计了一组对比实验。通过对比有浪及无浪两组实验1986-2005年20年模式数据，发现浪致混合可以使亚热带地区冬季海洋层结增强。多模式模拟与观测结果偏差相比，浪致混合使亚热带地区冬季海洋层结强度在南、北半球分别改善了23%及7%。增强的层结会抑制混合，使海洋垂向混合率降低。浪致混合使北半球冬季亚热带地区混合率从无浪实验的227 cm2/s降低到178 cm2/s，降低了21.6%；南半球冬季亚热带地区混合率从无浪实验的189 cm2/s降低到165 cm2/s，降低了12.7%。

浪致混合对冬季亚热带地区层结及混合率的影响主要是通过调制上层海洋的温、盐垂向结构实现的。浪致混合使整个亚热带冬季上层2 000 m海洋温度增加，最大增加0.3℃。增加的温度使上层海洋稳定度增加，层结增强，混合率降低。而冬季上层海洋的增温主要来自于夏季次表层增温的遗留项。

通过本文的分析可以发现，浪致混合不仅通过直接增加数值模式中的垂向混合，而且它还能通过调制上层海洋的温、盐垂向结构反过来影响海洋的混合率。在冬季亚热带海域，后者的作用更大。因此，二者的综合作用使得冬季海洋垂向混合减弱，最终使得数值模式模拟的层结及混合率均得到改善。