IAP/LASG ， 中国科学院 4 Jan 2008

《大洋环流和海气相互作用的数值模拟》

周天军

E-mail: zhoutj@lasg.iap.ac.cn

第十讲 大洋热盐环流

http://web.lasg.ac.cn/staff/ztj/index_c.htm

全球增暖：难以忽视的真相全球增暖：难以忽视的真相

BBC ：全球变暖大骗局？

电影《后天》剧照电影《后天》剧照

明天之后：冰冷的世界明天之后：冰冷的世界

政府间气候变化科学委员会（ IPCC ）科学评估报告

戈尔和 IPCC 共获 2007 年度诺贝尔和平奖

Pachauri

《后天》引发的科学疑问《后天》引发的科学疑问

什么是大洋热盐环流？热盐环流在气候系统中的作用如何？过去：过去：地球气候记录中的热盐环流档案

《后天》中所描述的情景过去发生过吗 ?

现在：现在：今天的热盐环流监测将来：将来：全球变暖对热盐环流有何影响？

1.热盐环流基础知识

2.热盐环流的气候作用

3.热盐环流的数值模拟

主要内容主要内容

利用耦合模式开展气候变率研究的范例

Broecker, 1991

？

热盐环流基础知识

大洋水团的区分和深层水团的形成大西洋与太平洋深层洋流的区别热盐环流与大洋环流输送带

－－ Water mass: a body of water with a common formation Water mass: a body of water with a common formation

historyhistory (Tomczak&Godfrey);(Tomczak&Godfrey);

－ － 源地和形成机制相近，具有相对均匀的物理、化学和生物源地和形成机制相近，具有相对均匀的物理、化学和生物

特征及大体一致的变化趋势，而与周围海水存在明显差异特征及大体一致的变化趋势，而与周围海水存在明显差异

的宏大水体的宏大水体（中国大百科全书，海洋卷）（中国大百科全书，海洋卷）

－ － Surface waterSurface water: : 0-200m0-200m Central water:Central water: to the bottom of main thermoclineto the bottom of main thermocline

Intermediate water:Intermediate water: to 1500mto 1500m Deep water:Deep water: water below intermediate water but not in contact with the water below intermediate water but not in contact with the

bottom, to a depth ofbottom, to a depth of about about 4000m4000m Bottom water:Bottom water: water in contact with the seabedwater in contact with the seabed

大洋水团的区分和深层水团的形成大洋水团的区分和深层水团的形成

－南极底层水

AABW (Aantarctic Bottom Water)

－北大西洋深层水 NADW (North Atlantic Deep Water)

－南极中层水

AAIW (AAIW: Antarctic Intermediate Water)

大洋主要水团的分布大洋主要水团的分布

大洋地形与洋中脊分布

大洋主要水团的源地

(England et al. 2004)

海洋中的深对流只发生少数边缘海

T-ST-S 分布分布 :: 区分水团的有效手区分水团的有效手段段

(Tomczak&Godfrey,2001)

南半球三大洋 T-S 分布之比较

A: Atlantic Ocean (41°S)I: Indian Ocean (32°S, 70°E)P: Pacific Ocean (43°S,120°W)

NADW: 高盐IDW : NADW advected into Ind OCNPDW: Mixing of AABW,NADW,AAIW

(Tomczak&Godfrey,2001)

T － S

Temperature Salinity Diagramsat the surface

T －S

Temperature Salinity at 150 meter water depth

T －S

Temperature Salinity at 500 meter water depth

T －S

Temperature Salinity at 1000 meter water depth

T －S

Temperature Salinity at 3000 meter water depth

太平洋底层、深层水团太平洋底层、深层水团

大洋深层水团的年龄

Broecker, 1985（痕量同位素示踪技术）

太平洋盐度和含氧量分布

From Craig et al. (1981).

最年老的水团： 1000 yrs

AABW

大西洋底层、深层水团大西洋底层、深层水团

大西洋水团分布

小结：热盐环流基础知识小结：热盐环流基础知识 －－大洋水团的区分和深层水团的形成大洋水团的区分和深层水团的形成

温度和盐度分布，是区分大洋特定水团特征的主要物理指标

大西洋、太平洋、印度洋的水团温盐特征不同

全球大洋最为重要的两个水团是北大西洋深层水（ NADW) 和南极底层水（ AABW)

大西洋与太平洋深层洋流有别

北太平洋高纬海域没有深层水形成

研究热盐环流，为何重点关注大西洋？研究热盐环流，为何重点关注大西洋？

北太平洋

为何没有深层水团形成？

年平均淡水通量年平均淡水通量 E-E-PP （（ cm/a)cm/a)

（周天军，张学洪等， 1999 ）

北太平洋表层比北大西洋要淡得多， T-S 曲线已经说明这一点 ; 原因在于水汽收支？

大洋表层盐度（大洋表层盐度（ psu)psu)

After Levitus

水通量收支盈余、亏损有别是太平洋、大西洋环流有别的重要原因之一

三大洋水汽收支的定量估计三大洋水汽收支的定量估计

(Zhou et al. 1999)

热盐环流基础知识热盐环流基础知识

－－大西洋与太平洋深层洋流的区别大西洋与太平洋深层洋流的区别

研究热盐环流，重点关注北大西洋

北大西洋的水龄，比北太平洋要年轻得多

北太平洋深层水主要是高龄水

水份收支有别，使得北大西洋高纬比北太平洋要咸得多，表层海水密度大，有利于表层水下沉、发生对流，和深层的交换增强

热盐环流和大洋环流输送带热盐环流和大洋环流输送带

热盐环流的定义热盐环流的定义来自海表的风应力、热通量和淡水通量强迫是大洋环流形成

的根本原因。受海面风的应力作用产生的海流，称作风生流；由于海面受热冷却不均、蒸发降水不匀所产生的温度和盐度

变化，导致密度分布不均匀形成的热力学海流，因为海水的密度主要由温度和盐度决定，所以这种由密度梯度驱动的深层洋流，被称为“温盐流”（或热盐流）。

风生流和温盐流的作用区域有所区别，前者限于大洋的上层和中层，即在密度跃层以上，后者则主要集中在大洋深层。

全球大洋 10%的水体受风生流影响， 90%的水体受热盐流影响。 T. Garrison

《 Oceanography 》

（ Schmitz, 1995 ）

两层热盐环流输送带示意图

站在南极大陆鸟瞰大洋环流

热盐环流是大洋环流输送带的重要组成部分

实际大洋中风生流和热盐流没有严格界限 （ the density gradient are set up

primarily by the wind).关于热盐环流的研究，重点是大西洋热

盐环流，又称“大西洋经向翻转环流”

关于热盐环流的几点共识关于热盐环流的几点共识

大西洋经圈环流大西洋经圈环流 ((热盐环流热盐环流THC)THC)

Atlantic Meridional Overturning Circulation

The flow integrated zonally in the Atlantic

ocean;NADWAABWThe Gulf Stream dominates the mass flux in

the upper ocean and is clearly part of the

MOC.

Wunsch (2002)

如何度量热盐环流的强度？

0z

w

y

v

x

u

0z

w

y

v

yw

zv

经圈‘翻转’流函数

L30T63 模拟的全球和大西洋纬向积分经圈流函数

AABW

NADWNADW(Jin et al,1999)

全球大洋纬向平均温度

L30T63L30T63 观测结果观测结果 (Jin et al,1999)

第一节 热盐环流基础知识第一节 热盐环流基础知识

热盐环流是由密度梯度驱动的深层洋流

热盐环流是大洋环流输送带的主要组成部分

研究热盐环流重点关注大西洋

大西洋热盐环流实际指大西洋经圈环流（ MOC) ，包括北大西洋深层水 NADW 的南传、以及南极底层水 AABW 的北侵，表层的湾流也是其重要组成部分

数值模式中利用海盆纬向积分经圈流函数表示热盐环流的总体输送特征