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科研动态

观测研究揭示亚极地海域热量和淡水交换与海洋翻转环流耦合关系的差异性

2021/07/25点击次数:

7月6日, Progress in Oceanography(《海洋学进展》)在线发表了近海海洋环境科学国家重点实验室李非栗教授及合作者题为“Observation-based estimates of heat and freshwater exchanges from the subtropical North Atlantic to the Arctic”[1] 的最新研究成果。该研究基于最新现场观测数据,并结合历史观测资料,构建泛北冰洋区域的热盐收支,揭示了大西洋副极地海域极向热盐输送的时空特征,定量评估了其对泛北冰洋区域热量及淡水量交换的影响,并进一步探讨了该交换与大西洋经向翻转环流(AMOC)之间的耦合关系。

北大西洋副极地是北冰洋与大西洋进行物质交换的关键性区域。相应的热量与淡水量交换显著影响该海域温度、盐度的分布和变化。此外,该区域是北大西洋深层水形成的关键海域,而温度和盐度(密度)的变化可直接影响深层水的形成过程,从而进一步影响大西洋的深层环流系统。近年来,现场观测显示北冰洋海水的“大西洋化”(Atlantification)日益加剧,因此研究北冰洋-大西洋物质交换的属性特征、变化规律及机理,对于认识和预测极地变化,及其对大洋深层环流的反馈作用具有重要意义。

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北冰洋至北大西洋区域海表温度,显示北大西洋副极地海域是北大西洋高温水团与北冰洋-亚北极的低温水团发生交互作用的关键区域

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北大西洋副极地海域极向热量输送,其中绝大部分(~70%)与海洋经向翻转环流有关


该研究基于跨大西洋全水深温度及海流速度的连续观测,得出副极地区域2014-2018年的海洋平均极向热输送量为0.50±0.05 PW (1 PW=1015 W),主导了海洋对北冰洋海域的热量供给(通过白令海峡的热量输送可以忽略不计)。进一步分析发现,副极地海域的极向热量输送绝大部分(~80%)发生在格陵兰以东的东副极地海域(eastern subpolar gyre),与观测得到的AMOC发生的具体位置吻合 [2],表明热量交换与AMOC之间的强相关性。为了证实这种关系,研究进一步将总热量输送进行分解,发现与AMOC相关的热量输送能够解释总热量输送70%以上的量级和变率。

该研究还通过盐度和流速观测数据,得出2014-2018年副极地海域的平均极向盐度输送为12.5±1.0 Sv(1 Sv=106 m3 s-1)。造成这种极向盐度输送的主要原因,是极向流动的表层水(高盐度)与南向流动的深层水(较低盐度)之间的盐度差异。这一差异对应于高纬度区域0.36 Sv的淡水增量(稀释作用)。研究还发现格陵兰以西和以东的区域淡水交换量相同,因此与AMOC和热量交换主要发生在格陵兰以东的情况具有明显差异。这种差异性表明,淡水交换对AMOC的影响相比热量交换来说较为有限。进一步将淡水交换进行分解,发现翻转环流相关的部分只能解释约一半的淡水交换及其变率。

除此之外,该研究还综合考虑海洋热盐输送与海洋内部的温度、盐度变化,估算出北大西洋区域海-气热通量与淡水通量,并与大气再分析数据产品进行比较,指出后者存在的显著偏差。其中热通量偏差可达~5-10 W m-2,淡水通量偏差可达~0.33 cm yr-1。基于此,该研究提供了通过海洋观测对海-气物质交换进行约束的计算框架与方法。应用更长时间序列的海洋观测,相关结果将提供更稳健的海-气交换估计。

该论文合作者来自厦门大学、美国佐治亚理工学院、英国南安普顿国家海洋中心、美国迈阿密大学、美国伍兹霍尔海洋中心、苏格兰海洋科学协会及荷兰皇家海洋研究所。该研究得到美国国家科学基金、英国自然环境研究委员会、欧盟Horizon 2020及厦门大学科研启动基金等项目的资助。


文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079661121001257


参考文献:

[1]  Li, F.*, M.S. Lozier, N.P. Holliday, W.E. Johns, I.A. Le Bras, B.I. Moat, S.A. Cunningham, F.M. de Jong, Observation-based estimates of heat and freshwater exchanges from the subtropical North Atlantic to the Arctic, Progress in Oceanography, 197(102640), doi:10.1016/j.pocean.2021.102640 (2021).

[2]  Lozier, M.S.*, F. Li*, S. Bacon, F. Bahr, A.S. Bower, S.A. Cunningham, M.F. de Jong, L. de Steur, B. deYoung, J. Fischer, S.F. Gary, B.J.W. Greenan, N.P. Holliday, A. Houk, L. Houpert, M.E. Inall, W.E. Johns, H.L. Johnson, C. Johnson, J. Karstensen, G. Koman, I.A. Le Bras, X. Lin, N. Mackay, D.P. Marshall, H. Mercier, M. Oltmanns, R.S. Pickart, A.L. Ramsey, D. Rayner, F. Straneo, V. Thierry, D.J. Torres, R.G. Williams, C. Wilson, J. Yang, I. Yashayaev, J. Zhao, A sea change in our view of overturning in the subpolar North Atlantic, Science, 363(6426), 516-521, doi: 10.1126/science.aau6592 (2019).