副熱帶東北太平洋混合層深度及潛沉率季節循環對全球變暖的響應

王藝珊，夏瑞彬,

( 1. 南京信息工程大學 海洋科學學院，江蘇 南京 210044；2. 南京信大安全應急管理研究院，江蘇 南京 210044)

1 引言

海洋混合層將大氣和深海緊密聯系起來，在氣候變化中起到了至關重要的作用。副熱帶東北太平洋海域（10°～40°N，110°～160°W）海洋潛沉過程和模態水形成顯著，是將副熱帶大氣信號輸入海洋并輸送至熱帶太平洋的關鍵海區之一。全球變暖通過海溫影響海洋層結，對海洋混合層深度（Mixed Layer Depth,MLD）和潛沉過程具有顯著影響，進一步作用于其他海洋現象，因此研究該區域的混合層和潛沉過程在全球變暖背景下的變化具有十分重要的意義。

1.1 混合層深度

混合層是溝通底層大氣與深層海洋的過渡層，是大氣與海洋進行物質交換的重要通道，主要受海氣界面風應力、浮力通量等要素影響，通常被認為是海洋上層溫度、鹽度和密度垂向準均勻分布的層次。該層深度即MLD，是反映混合層性質的要素之一，受海面熱量、動量和淡水通量變化的直接調控，其變化在海氣相互作用中發揮著十分重要的影響[1]。

混合層以其擁有的極高研究價值吸引了眾多學者的目光[2-4]，在對諸如海氣熱交換[5]、次表層通風效應[6-7]和水團的形成等方面進行了長期的研究與探索。在海洋生態學領域，海洋中的初級生產力也與混合層底部的營養物、浮游植物的通量以及光可用性的調節有關。此外，混合層變化還對海洋潛沉過程及模態水的形成起到了至關重要的控制作用，世界各大洋的模態水形成區域都與冬季MLD大值區重合[8-9]。

綜合來說，計算MLD的方法大致可以分為4類：第1類是密度差法，利用混合層密度分布均勻的特征，常用的密度有0.03 kg/m3、0.1 kg/m3和0.125 kg/m3[10]；第2類是溫差法，利用混合層溫度分布均勻的特征，例如以0.1°C為溫差范圍測算MLD[11]；第3類為梯度法，又分為溫度梯度法和密度梯度法，即計算海洋上層超過溫度或密度閾值的深度[1]；第4種是混合法，綜合以上3種方法，先提取MLD一般形狀，找到對應的海洋物理要素，再通過梯度法計算組合出一套適當的MLD，這個方法最準確，但計算量大[12]。

在季節循環時間尺度上，不同海域混合層的形成機制不完全相同，且存在著非常顯著的季節變化。利用Kraus和Turner[13]的混合層模式及Qiu和Kelly[14]對黑潮延伸體中的混合層熱平衡進行研究，結果表明該區域MLD產生季節循環的主要原因是熱通量的季節變化。Qiu[15]則在2002年進一步給出了可以定量地表示海洋上混合層溫度和厚度變化的物理過程的方程組。近些年，通過對印度洋季節內MLD變化的分析，Keerthi等[16]認為，夏季赤道東印度洋MLD的季節內變化主要受夏季風的活動/破碎對流位相影響，而冬季熱帶季節內振蕩則驅動了東赤道印度洋MLD的大部分季節內變化。Chen等[17]則通過對第五次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project 5, CMIP5）多模式模擬結果偏差原因進行探究，發現引入由非破碎面波引起的垂直混合，可以改進亞熱帶地區南、北方冬季MLD的模擬效果。對于具有較強特殊性的南大洋海域，Panassa等[18]發現其MLD的風致變化超過了溫度致變化，大西洋和印度洋扇區夏季MLD呈加深趨勢，對大氣強迫表現出緯向非對稱響應特征。之后Alraddadi等[19]利用兩年期紅海中部Argo（Array for real-time geostrophic oceanography）浮標數據研究了該地區的MLD變化，發現同樣存在明顯的冬夏季節性變化規律。

此外，最新研究表明海洋渦旋對MLD季節變化也具有顯著影響。Gaube等[20]通過Argo浮標對具有水文剖面的中尺度渦旋同步衛星觀測進行了全球分析，發現調節MLD的程度與渦旋的海面高度振幅線性相關，且渦旋引起的MLD異常幅度在冬季達到最大值。類似地，Wang等[21]利用觀測結果與地球模擬器海洋模式進行對比，發現渦流傳播是MLD淺化的主要原因，且渦旋潛沉過程對北太平洋副熱帶東部模態水潛沉和輸運具有重要意義。

依據前人經驗，世界大洋MLD變化在各時間尺度上存在顯著差異，但均呈現冬季加深、夏季變淺的季節變化特征，且在近海地區尤為顯著。本文研究的副熱帶東北太平洋海區（10°～40°N，110°～160°W），就存在一個冬季MLD大值區[22]。Ohno等[23]曾基于Argo觀測數據對北太平洋MLD進行分析，結果表明，在20°N以北地區發現較大混合層季節變化，7月、8月MLD較淺，不足30 m，10月東部混合層初步加深，至12月20°N以北區域為MLD大值區，深度超過80 m，20°N以南地區MLD不明顯，晚冬（2-3月）達到深度最大值。Xia等[24-26]的一系列工作給出了與上述類似的結論，并重點聚焦于全球氣候變暖現象對MLD氣候態分布差異的影響，證明全球變暖后在多個模式結果中均出現了冬季MLD變淺、大值區范圍縮小的情況，這與風應力旋度變化、海洋平流、海氣熱通量變化等諸多因素有著密不可分的聯系。基于這一系列工作，擴展分析整個季節循環信號的響應，對比評估與單純冬季混合層響應的差異，是本文的關鍵之一。此外，前人對該區域MLD年際及年代際變化也進行了深入研究。在北太平洋，最顯著的年際及年代際變化是太平洋年代際振蕩（Pacifc Decadal Oscillation, PDO）[27-28]，Toyoda等[29]利用全球海洋再分析集合的EOF分析對北太平洋冬季進行了年際-年代際變化研究，證明了MLD和潛沉率變化的時間演變與PDO指數相關。MLD在年際-年代際尺度上對全球變暖的響應，是我們下一步的關注重點之一。

1.2 潛沉率

潛沉是海洋上混合層中混合較為均勻的低位勢渦度海水下沉至海洋躍層的重要過程。浮露與潛沉過程相反，主要發生在混合層由淺變深的過程中。二者均是溫躍層通風的關鍵過程，具有重要的研究意義，Huang和Qiu[22]指出潛沉率是探索風生環流垂直結構的關鍵要素。潛沉率由側向潛沉率和垂直抽吸率兩項組成，通常被認為是由大尺度風應力變化和海氣界面的熱通量變化決定。但在不同條件下，影響潛沉率的主導要素有所差異，Xia等[25-26]研究表明，在東北太平洋副熱帶海區，側向潛沉率和垂直抽吸率兩項對總潛沉率的貢獻均不可忽略。

在東北太平洋副熱帶海區，存在一個顯著的溫鹽密度垂向均勻的模態水團：北太平洋副熱帶東部模態水（the Eastern Subtropical Mode Water, ESTMW）[30]。ESTMW形成后在躍層中隨著副熱帶環流向低緯度移動，通過內部運輸過程連接東北太平洋的副熱帶和熱帶地區，對東太平洋中低緯度區域的海洋層結、環流和通風過程具有重要影響[31]。ESTMW的形成直接受到該區域混合層和潛沉過程的控制，因此對潛沉率變化和形成機制的探索是研究模態水成因的關鍵。

近年來，全球變暖通過海溫影響海洋層結，改變MLD及潛沉過程，進而引發其他海洋現象變化的情況受到廣泛關注，如Richards等[32]就發現全球變暖可能會通過改變MLD間接影響海洋亞中尺度現象。隨著近些年國際耦合模式比較計劃的發展，關于MLD的研究也得以擴展到對未來情況的預估，然而目前的研究成果多集中于副熱帶西部海區，對東部海區的全年變化規律研究較少。如Xia等[25-26]利用CMIP5模式結果，研究了東北太平洋副熱帶MLD和潛沉率對全球變暖的響應情況，結果表明，全球變暖后東北太平洋副熱帶海區總潛沉率的變化主要源自MLD鋒面控制的側向潛沉率的變化。由于潛沉過程主要發生在混合層加深和急遽變淺的冬春季節，上述研究結果也都是基于冬春季節分析的，缺少對整個季節循環信號響應的探究，其他季節潛沉過程對全球變暖響應變化尚不清楚。

因此本文將結合觀測數據與CMIP5耦合模式，首先評估模式結果在季節循環信號上的可信度；然后通過輻射強迫實驗結果模擬全球變暖背景，詳細分析副熱帶東北太平洋MLD和潛沉過程季節循環信號對全球變暖的響應。此外，季節循環信號的長期演變規律如何？其振幅有無波動？這也是一個非常有趣值得探究的問題。本文的研究區域為10°～40°N，110°～160°W的副熱帶東北太平洋區域，如無特殊標注，則默認本文中空間分布圖均為該經緯度范圍。

2 數據及方法

2.1 資料介紹

本研究中使用的觀測數據包含以下幾個部分。

Argo數據：Argo計劃于1998年提出，從2000年開始布放，用于觀測2 000 m以淺海區的溫度和鹽度剖面。目前，全球海洋中漂浮著3 000多個Argo浮標，平均約3°×3°的網格內，就有1個Argo浮標。本文使用斯克利普斯海洋研究所發布的月平均網格化產品（http://apdrc.soest.hawaii.edu/），其水平分辨率為1°×1°，垂向共58層（0 m、5 m、10～200 m每10 m一層、200～500 m每20 m一層、500～1 300 m每50 m一層、1 300～1 900 m每100 m一層、底層1 975 m），時間覆蓋為2004年1月至2021年3月。

逐月溫度客觀分析數據：由Ishii等[33]根據觀測整理的再分析數據集，又稱Ishii數據，提供了編制抽樣誤差和統計誤差的輸入數據源以及相關量化的詳細信息，是對現場觀測的每月客觀分析，水平分辨率為1°×1°，涵蓋了1945-2012年期間，海平面至1 500 m深處全球海洋溫鹽數據（https://rda.ucar.edu/datasets/ds285.3/），垂向共23層（0 m、10 m、20 m、30 m、50～300 m每25 m一層、300～1 500 m每100 m一層）。

氣候模式選用由美國國家海洋大氣研究中心的地球流體動力實驗室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL）提供的地球系統模式（Earth System Model, ESM2M），是CMIP5中的一個全球海洋-大氣-陸地-冰層耦合模式[34-35]。ESM2M基于GFDL’s Modular Ocean Model version 4.1版本代碼構建海洋模式部分，采用壓力坐標方式，共計50層，水平分辨率為1°×1°。本研究采用歷史實驗（historical, 20世紀全強迫模擬）和典型濃度情景（RCP 8.5）實驗結果，表征當前背景下和全球極端變暖后的氣候態情況。選擇模擬輻射強迫極端增強的RCP 8.5實驗是為了更明顯地表現全球變暖的效應，實際情況可能并不會如實驗般顯著。GFDL-ESM2M數據下載來自GFDL官方網站（http://www.gfdl.noaa.gov/earth-system-model/）。

2.2 基本數據處理方法

2.2.1 混合層深度

截至目前，MLD還沒有完全統一的計算方法，通常會選擇溫度或密度進行判斷。結合海域實際情況及前人研究可知，副熱帶東北太平洋海域MLD的變化對位勢密度為0.03～0.1 kg/m3范圍臨界值選擇不敏感[25]，因此本研究采用的MLD定義為：在同一個水平計算網格點，垂直方向上位勢密度與海洋表層的位勢密度相差0.1 kg/m3時所對應的深度[36]。在3.1節中，我們也通過該區域溫度、鹽度、密度剖面綜合確認了本文采用的MLD定義方法是較為準確的。

2.2.2 潛沉率

為了分析長時間尺度下的潛沉過程，本文潛沉率的計算采用平均潛沉率的計算方式[37-39]，其公式為

該公式是在Cushman-Roisin[40]提出的公式的基礎上進行時間平均的結果。平均潛沉率主要由兩項構成，第一項表示側向潛沉率，表示混合層底的水平流速，hm為MLD，該項與副熱帶東北太平洋冬季MLD的水平分布差異及海水水平流速有關，因此也被稱為MLD平流。第二項we則代表混合層底垂直速度，根據Huang和Qiu[22]的研究發現，在副熱帶東北太平洋地區埃克曼抽吸速度與該項相差不大，因此本文選擇埃克曼抽吸速度近似表示混合層底垂直速度。埃克曼抽吸速度主要反映海面風旋度對潛沉的直接貢獻，定義為[41]

3 副熱帶東北太平洋混合層及潛沉率在歷史氣候背景下的季節變化

本節首先對Argo觀測數據中依據本文定義的MLD方法進行了評估。其次，為了能夠更加真實客觀地反映MLD的季節性變化，減少誤差，本文還采用了Ishii觀測數據集，與GFDL-ESM2M對比，評估模式結果在模擬MLD季節循環信號上的準確性，分析當前氣候背景下MLD和潛沉過程的季節變化特征。

3.1 現在氣候背景下混合層深度在觀測數據中的季節變化

為了確定更加精準的MLD定義方法，本小節對Argo數據集中自帶的MLD（圖未展示）與本文定義方法計算的MLD季節變化（圖1）進行了對比分析：兩者具有十分相似且顯著的季節變化特征。在深冬（2-3月），MLD達到最大值，約135 m，偏北部海區（25°～35°N，120°～150°W）出現倒“T”型大值核心區，中心深四周淺，北、東、西3個方向淺化速度較慢，向南迅速變淺（圖1b，圖1c）。自3月起，MLD逐步變淺，7月不足30 m，達到最小值（圖1c至圖1g）。10月MLD初步加深至達到最大值（圖1j至圖1l）。上述季節變化特征均與前人研究結果類似[7,42]，這初步證明了本文MLD定義方法的準確性。

但這兩種結果仍存在一定差異：本文定義計算的MLD較淺，大值核心區空間范圍較小，其中冬季差異最明顯。為了能直觀反映不同定義下MLD與海域實際情況的吻合程度，本文選取2月MLD大值核心區（27.5°～29.5°N，137.5°～139°W），對各要素進行空間平均，繪制溫度、鹽度、密度剖面圖（圖2）。如圖2所示，兩種MLD結果差異不大，本文定義MLD區域平均值（130 m）比數據集（136 m）約低4%，但卻更貼合溫度、鹽度、密度剖面分布（圖2），更符合MLD的定義，因此本文選定該定義進行后續研究。

圖1 Argo觀測數據混合層深度的季節變化Fig. 1 The seasonal variation of mixed layer depth from the Argo dataset

為減小MLD季節變化特征的誤差，本文引入另一組數據—Ishii數據。受篇幅影響，在此只展示MLD變化較大的1-4月（圖3a至圖3d）：與Argo數據相同，Ishii數據中的東北太平洋副熱帶區域MLD也具有顯著且極為相似的季節變化特征。而差異主要體現在MLD數值大小及分布面積上：2-3月，Ishii數據（圖3b，圖3c）平均MLD明顯超過Argo數據（圖1b，圖1c），最大值達到154 m，相差約20 m，大值核心區空間面積擴大，約為Argo數據的1.5倍，倒“T”型區域更加明顯（圖3b）；其余季節也發生了MLD加深的情況，尤其在4月份出現了小范圍的大值核心區，最大值逼近120 m（圖3d）。

圖2 2月份Argo數據空間平均的溫度、鹽度和密度垂直廓線與混合層深度Fig. 2 Vertical profile of thermohaline, density and mixed layer depth from Argo dataset in February

圖3 副熱帶東北太平洋海域混合層深度Fig. 3 Mixed layer depth in the subtropical Northeast Pacific area

3.2 現在氣候背景下GFDL-ESM2M模擬混合層深度和潛沉率的季節變化

為了探究在全球變暖前后長時間尺度下該區域MLD和潛沉率的季節循環變化，本文比對了該海域現在氣候背景下MLD的觀測和各模式模擬結果，參考前人研究結果[25-26]，參考模式最終選用了GFDLESM2M。受篇幅影響，在此僅對MLD變化顯著的1-4月進行展示（圖3e至圖3h），詳細的季節變化情況見圖4。上述數據表明，GFDL-ESM2M歷史實驗的模擬效果與前人結果類似[36,43]，所得MLD季節變化特征與觀測結果基本保持一致，年平均值介于兩觀測數據之間。在MLD較淺的4-9月，模擬結果與Argo數據更加匹配，月均誤差不足1 m，與Ishii數據存在較大差異，月均誤差約為15 m，占此時MLD的37.5%。而在MLD較深的1-3月，模擬數據顯著加深，相比Argo數據增大約20%，相比Ishii數據增大約5%（圖4），能明顯辨別出倒“T”型大值核心區（圖3f，圖3g）。

圖4 混合層深度的季節變化Fig. 4 Seasonal variation of the mixed layer depth

綜上，模式模擬結果與實際觀測相比，雖然存在少量誤差，但海域季節變化特征極為吻合，證明GFDL-ESM2M在該海域具有優秀的模擬效果。1-3月存在的深化現象，則說明GFDL-ESM2M中令冬季MLD加深的內部機制較強，會放大潛沉信號，有助于對潛沉率的分析[25-26]。

針對潛沉率在現在氣候背景下的季節變化特征，本文通過GFDL-ESM2M對海域潛沉率、側向潛沉率和埃克曼抽吸速度進行模擬結果展示（圖5為潛沉率差距較大、空間分布出現明顯差異的2月和7月，其余月份未展示）。據模擬結果所示，潛沉率存在非常顯著的季節變化特征：10月開始升高，2月達到最大值，約為8× 10-6m/s，出現一條明顯的帶狀分布（21.5°～23.5°N，135°～145°W）特征[25]，該帶狀區域與密集等值線所代表的MLD鋒面匹配極好，暗示了MLD鋒面控制的側向潛沉率對該區潛沉率的貢獻（圖5a）；3月起逐步降低，9月達到最小值，約為1× 10-6m/s，5-10月區域平均潛沉率基本維持在1× 10-6～2× 10-6m/s。側向潛沉率的大值核心區季節變化特征與潛沉率基本一致，僅存在數值差異，最大值為2月的6× 10-6m/s（圖5b），這再次證明了MLD鋒面的重要性。除狹窄的大值核心區外，側向潛沉率在大多數區域并沒有表現出明顯的季節變化，在最大值2月、最小值7月均維持在0值附近（圖5b，圖5h），可見側向潛沉率對總潛沉率的影響具有顯著的局地差異性。埃克曼抽吸速度的季節變化較為平緩：冬季最大，夏季最小，最大值為12月的4× 10-6m/s，從2月開始減弱，比總潛沉率和側向潛沉率的衰減時間提前約1個月。冬季出現較大近圓形大值區（圖5c），與當地風應力旋度相對應[24]。

上述特征已經初步體現出不同季節控制總潛沉率變化的主要因素存在差異。為了更加準確地劃分側向潛沉率和埃克曼抽吸速度變化對潛沉率大小影響的主要控制季節，選取潛沉率大值核心海域，繪制區域平均季節變化（圖6）。結合圖5中的空間分布情況可知，6-12月總潛沉率與埃克曼抽吸速度的季節變化幾乎一致：6月開始減小，9月達到最小值，再持續增大至12月（圖6，藍綠實線）；1-5月總潛沉率與側向潛沉率季節變化特征更為相似：2月達到全年最大值，后持續減小（圖6，藍紅實線）。且側向潛沉率在5-11月基本在1× 10-6m/s以下（圖6，紅色實線），此時小于埃克曼抽吸速度，而冬季則顯著大于埃克曼抽吸速度。

綜上，在現在氣候背景下，該區域的MLD和潛沉率均存在秋冬加深，春夏變淺，冬季達到最大值且存在大值區的顯著季節變化特征，這與前人研究[25]中該區域的潛沉過程強烈受控于MLD的變化結論相符。同時，潛沉率的主要貢獻項存在明顯的季節變化差異：1-5月影響總潛沉率空間分布及控制變化的主要因素為受MLD鋒面控制的側向潛沉率[24]，6-12月主要因素則改為由風應力旋度導致的埃克曼抽吸。

4 副熱帶東北太平洋混合層及潛沉率在輻射強迫極端增強下的季節變化

本節重點利用GFDL-ESM2M的RCP 8.5實驗結果模擬全球變暖后的變化，分析副熱帶東北太平洋區域混合層和潛沉過程的季節變化特征。結合第3節現在氣候背景下的結論，給出輻射強迫極端增強前后MLD和潛沉率季節循環信號的差異性。

圖5 輻射強迫極端增強前后潛沉率（左）、側向潛沉率（中）、埃克曼抽吸速度（右）對比圖Fig. 5 Subduction rate (left), lateral induction rate (center) and Ekman pumping velocity (right) before and after the enhancement of radiative forcing

4.1 RCP 8.5實驗下GFDL-ESM2M模式模擬混合層深度和潛沉率的季節變化

圖3i至圖3l為利用GFDL-ESM2M進行RCP 8.5實驗對MLD的模擬結果（只展示1-4月），季節變化特征與歷史實驗模擬結果（圖3e至圖3h）基本一致，但各月MLD均出現顯著變淺現象。這種特征在空間平均的時間序列（圖4）中更加明顯。RCP8.5模擬結果（圖4，紅線）的季節變化特征顯著，與歷史實驗模擬結果（圖4，藍線）基本一致，但前者存在全季節、全觀測范圍海域淺化現象。這一結果在以往的研究中已有體現，例如Luo等[36]在分析IPCC-AR4（2007）中11種氣候模式的CO2倍增實驗發現：溫室氣體的增加會改變太平洋上層海洋層結，使混合層變淺。Liu等[44]研究發現，全球變暖會增強中緯度海洋的SST季節循環，迫使海表面通過增溫令年平均MLD淺化。值得注意的是，MLD的淺化趨勢在冬季尤為嚴重。這一信號表明冬季潛沉率的變化可能非常劇烈，Xia等[26]研究正給出了這一結果。而本文則將進一步分析這種MLD季節循環振幅（年極值差）的差異對潛沉率季節循環信號的影響。

GFDL-ESM2M中RCP 8.5實驗模擬結果中，總潛沉率存在明顯的季節變化特征（圖5，圖6）：秋季增大，1月達到最大值，約為3.8× 10-6m/s，春季開始減小，夏季最小；冬季存在狹長的帶狀大值區（圖5d，圖6藍色虛線，21.5°～23.5°N，135°～145°W）。側向潛沉率最大值出現在1月，約為1.8× 10-6m/s。除冬季存在大值狹長帶外，多數區域沒有明顯季節變化，全年維持在0值附近（圖5e，圖6紅色虛線）。與側向潛沉率相比，埃克曼抽吸速度不存在明顯的季節變化，冬季大值區域面積大，近乎為圓形。側向潛沉率均位于2× 10-6m/s以下，幾乎全年小于埃克曼抽吸速度（圖5f，圖6綠色虛線）。

圖6 潛沉率（SR）、側向潛沉率（LD）與埃克曼抽吸速度（WE）季節變化Fig. 6 Seasonal variation of subduction rate (SR), lateral induction rate (LD) and Ekman pumping velocity (WE)

與現在氣候背景結果類似，輻射強迫極端增強背景下，總潛沉率在不同季節的主導因素同樣存在差異。1-5月，總潛沉率與側向潛沉率的季節變化特征更為相似：持續降低（圖6，藍紅虛線）；6-12月，與埃克曼抽吸速度保持幾乎一致的變化趨勢：6月逐漸減小，9月達到最小值后增大，持續增大至12月（圖6，藍綠虛線）。結合空間分布，在RCP 8.5實驗中1-5月，總潛沉率的變化主要受控于側向潛沉率，與前人專門聚焦冬季的研究結果一致[24]；6-12月，埃克曼抽吸速度對于總潛沉率的變化影響貢獻更顯著。

4.2 輻射強迫極端增強前后季節循環信號的差異

通過對比歷史實驗與RCP 8.5實驗結果可知，全球變暖前后MLD的季節變化特征基本保持一致（圖4）。但輻射強迫極端增強后，MLD顯著淺化，其中3月受影響強烈，區域平均值減少約20 m，占當前總深度的20%，其他季節淺化現象較小。冬季倒“T”型大值核心區面積大幅度減小，2月區域面積縮小了60%，3月面積降為0（圖3g，圖3k）。因此，在輻射強迫增強情況下，雖然季節變化特征基本一致，但MLD存在普遍淺化現象，冬季尤為突出。

而MLD的變化與海氣熱通量變化、淡水通量變化及風應力旋度變化等諸多因素有著密不可分的聯系，根據輻射強迫增強前后數據分析（圖7，海氣熱通量變化及淡水通量變化圖未展示）可知：海洋吸熱增多，海氣表面熱通量變化存在顯著季節差異，9月至翌年2月對應的MLD核心區域表面熱通量顯著減弱，表層降溫，抑制海洋分層作用，有利于混合層的形成，對冬季MLD在全球變暖后變淺起抑制作用，其余季節則起到促進作用；淡水通量變化主要分為兩部分，冬春季（12月至翌年5月）海區內靠近極地側吸收水分增多，夏秋季（6-11月）靠近赤道側吸收水分增多，其余區域在全球變暖后吸收水分減少。而MLD核心區域全年對應吸收水分減少，鹽度降低，促進海洋分層作用，不利于混合層的形成，對核心區域的MLD在全球變暖后淺化起到促進作用，但結合前人研究結果[25]，淡水通量變化較小，對混合層的形成影響微弱，并不作為主要作用機制；據圖7所示，我們關注的混合層大值區向下的風應力旋度減小，風的攪拌作用減弱，溫、鹽度等混合不均勻，抑制了混合層的形成，對全球變暖后混合層淺化做出貢獻。特別值得注意的是，該區域的風應力旋度變化存在明顯的季節特征，秋冬季顯著減弱，1月達到最小值，且存在與MLD顯著變化區域重合的冬季變化小值核心區，春夏季減弱幅度較小，甚至出現小范圍正值增大區，這在季節及空間分布上與輻射強迫極端增強前后MLD變化存在著極為相符的特征，說明風應力旋度變化在全球變暖后混合層及潛沉過程變化中起主要作用，與前人研究結果一致[24-26]，詳細物理機制預計將在后續研究中進行更加完善的分析。

受MLD季節循環變化的影響，輻射強迫增加后，潛沉過程也會產生相應的差異。與歷史實驗相比，RCP 8.5實驗中的冬季側向潛沉率大幅度下降，2月降低了1.5× 10-6m/s，約占對應歷史實驗的50%，3月則降低了近80%，最大值提前至1月，冬季狹長帶狀核心區的最大值降至3× 10-6m/s，區域面積向西向南方向收縮，區域特征性減弱（圖5d，圖6紅線）。但除冬季外，輻射強迫極端增強并未造成顯著影響，季節變化特征不變（圖5，圖6紅線）。埃克曼抽吸速度受輻射強迫增強影響較小，僅產生微小波動（圖6綠線），且總潛沉率在冬季的變化特征與側向潛沉率高度一致，因此，猜測冬季總潛沉率降低的主要原因是全球變暖對側向潛沉率的顯著影響。

圖7 風應力旋度在輻射強迫增強前后空間差值Fig. 7 Spatial difference of wind stress curl before and after the enhancement of radiative forcing

綜上，全球變暖后，受風應力旋度、海氣表面熱通量等要素變化的影響，各季節的MLD均減小，冬季大值區面積縮小。而對于潛沉過程，風應力旋度同樣起到了十分重要的作用，但這種作用并不是通過控制埃克曼抽吸速度實現的，而是通過控制MLD空間不均勻性的季節變化來使側向潛沉率減弱，進而間接導致總潛沉率減弱。冬季MLD鋒面強盛，側向潛沉率的影響將顯著增強，而埃克曼抽吸速度的季節變化信號受全球變暖影響較小，因此總潛沉率在冬季受全球變暖的影響最為強烈。盡管冬季潛沉率在全球變暖后顯著減弱，但季節循環信號的主控因素卻沒有本質改變：總潛沉率在1-5月的月變化主要受側向潛沉率調控，而6-12月的月變化主要受埃克曼抽吸速度調控。

5 副熱帶東北太平洋混合層和潛沉率季節循環信號的長期變化

在上文中，我們直接分析了全球變暖前后研究區域MLD和潛沉率多年平均的季節循環信號特征和差異，然而對這種季節循環信號的長時間演變過程尚不清楚。本節將結合兩個實驗，通過構建1860-2100年的長時間序列，來分析副熱帶東北太平洋海域MLD及潛沉率的長期變化，以及季節循環振幅、位相的長期變化趨勢。

圖8 混合層深度年平均（a）及季節循環振幅（b）長期變化Fig. 8 Long-term variation of annual average mixed layer depth (a) and seasonal cycle amplitude (b)

圖8比較了觀測數據、GDFL-ESM2M（歷史實驗）與GDFL-ESM2M（RCP 8.5）的MLD年平均及季節循環振幅的長期變化。在歷史實驗中，MLD年平均基本維持在38～54 m，波動幅度較大，長期來看呈微弱變淺趨勢，自1935年以來變化幅度及峰值增大，1994年起顯著減小，逐漸與輻射強迫增強背景下的年平均MLD趨于一致。歷史實驗結果中MLD長期變化趨勢在1945-2012年間與Ishii數據極為符合，但Ishii數據中存在著輕微的加深趨勢。相對而言，輻射強迫增強背景下年平均MLD呈現極為顯著的變淺趨勢，分布范圍降至35～49 m，且波動幅度隨著時間逐步減小，這在Argo觀測數據中有著更為明顯的表達（圖8a）。分析表明，MLD冬季長期變化趨勢與上述現象極為一致（圖未展示），這也體現出冬季MLD在年平均MLD中的主導地位。結合圖4與圖8b，在歷史實驗中，MLD季節循環振幅的平均值為59 m，不同年份差異較大，1935年以來，最大振幅與最小振幅差值達到35 m。與歷史背景相比，輻射強迫增強背景下的MLD位相并未發生明顯變化，季節循環振幅無顯著趨勢呈現，但振幅的波動幅度逐漸減小，對應冬夏季MLD的年差值小幅度下降了56 m，對于其他海洋過程，例如潛沉過程造成嚴重影響。

受MLD變化的影響，潛沉率也呈現出相似的長期變化趨勢，圖9比較了GDFL-ESM2M中兩種背景下2月的潛沉率及季節循環振幅的長期變化特征。根據圖9a可知，歷史實驗背景下側向潛沉率持續降低，范圍位于-5× 10-7～1× 10-6m/s之間，波動幅度較大。從長期變化來看，與歷史實驗背景相比，輻射強迫增強背景下的側向潛沉率減弱的速率加快，波動幅度縮小，季節循環振幅顯著降低約20%，與總潛沉率的長期變化趨勢基本一致，再次證實了冬季總潛沉率的變化是由側向潛沉率變化主控的結論（圖9a，圖9c）。埃克曼抽吸速度自身波動幅度小，長期變化趨勢也基本不變，這與其對全球變暖的響應微弱且主要集中在夏季有著密切聯系，對總潛沉率的變化影響微弱（圖9b）。綜合圖6與圖9可知，與受全球變暖影響較弱，位相、振幅無明顯變化的埃克曼抽吸（圖9e）相比，受MLD鋒面變化影響的側向潛沉率季節循環振幅的波動極大，最大值達到1.5× 10-6m/s，平均年振幅為7.5× 10-7m/s，存在明顯的季節差異性。輻射強迫極端增強后側向潛沉率的位相發生變化，最大值前移至1月，平均年振幅顯著降低約20%，降至6× 10-7m/s，波動幅度逐漸減小，但季節循環振幅沒有顯著的趨勢呈現，與總潛沉率的變化特征保持一致。

綜上，從長期看，MLD呈現持續變淺的趨勢，其空間不均勻性減弱引起的MLD鋒面減弱是控制側向潛沉率減弱，最終導致總潛沉率減弱的關鍵。另外通過對圖8、圖9的分析，我們還發現了一個有趣的現象，盡管輻射強迫極端增強前后MLD和潛沉率減弱速率呈顯著加快趨勢，但其季節循環振幅卻并沒有顯著的趨勢呈現，還出現了幅度波動減小的現象，這是主控冬季受MLD鋒面影響的側向潛沉率顯著減弱，而主控夏季的埃克曼抽吸速度受全球變暖影響減弱較小，導致冬夏季節差異縮小的結果。

圖9 2月側向潛沉率（a）、埃克曼抽吸速度（b）、潛沉率（c）及對應的季節循環振幅（d-f）長期變化Fig. 9 Long-term variation of lateral induction rate (a), Ekman pumping velocity (b), subduction rate (c) in February and corresponding seasonal amplitude (d-f)

6 結論與討論

本文聚焦副熱帶東北太平洋海區，描述在輻射強迫極端增強前后MLD和潛沉率季節變化的差異，給出季節循環信號對全球變暖的響應特征，并分析季節循環和單純冬季變化的區別，進行簡單的長期變化趨勢分析。

綜合觀測和模式模擬結果表明，現在氣候背景下該區域MLD存在明顯的季節變化：秋冬季加深，2月份達到最大值，春季變淺，夏季處于全年最小值且幾乎不存在空間分布差異。2月、3月份空間分布極不均勻，出現MLD大值核心區（25°～35°N，120°～150°W），呈倒“T”型分布，由中心向四周發散，向北、東、西3個方向變淺速度較慢，南側迅速變淺，形成強鋒面。全球變暖后，風應力旋度等重要因素抑制了混合層的形成和加深，盡管MLD的季節變化特征基本不變，但各季節深度數值均減小，其中3月反應最強烈，平均減小20 m，占此時MLD的20%。且MLD空間不均勻程度減弱，冬季倒“T”型大值區深度超過140 m的區域面積顯著減小，其中2月減小了約60%，3月降至為0。

據前人研究表明[24-25]，該區域的潛沉過程強烈受控于MLD的變化，因此潛沉過程的季節變化信號也會對全球變暖產生響應。綜合歷史和RCP 8.5實驗結果，潛沉率的季節變化主要特征為：秋冬季增加，2月達到最大值，春夏季減弱。冬季存在狹長的帶狀大值區域（21.5°～23.5°N，135°～145°W），與側向潛沉率的空間分布一致。但側向潛沉率只在冬季顯著大于埃克曼抽吸速度，其余季節則小于埃克曼抽吸速度。由此證明，潛沉率在不同季節受到的影響因素比重不同，1-5月側向潛沉率對總潛沉率變化貢獻顯著，6-12月埃克曼抽吸速度對總潛沉率變化貢獻顯著。全球變暖后，冬季總潛沉率和側向潛沉率大幅降低，大值區域面積縮小，減弱程度與變化趨勢基本一致。而埃克曼抽吸速度受全球變暖影響較小，僅產生微小波動，對總潛沉率變化貢獻微弱。綜合分析表明，風應力旋度在全球變暖后的減弱在潛沉率響應過程中起到了十分重要的作用，但這種作用并非通過改變埃克曼抽吸速度實現，而是通過弱化MLD空間不均勻性來減小側向潛沉率，進而間接導致總潛沉率減弱。由于冬季MLD鋒面強盛，側向潛沉率影響顯著增強，因此冬季潛沉率受全球變暖的影響最強烈，這表明前人采用冬季分析潛沉率變化是合理的[24-26]。但總潛沉率季節循環信號的主控因素沒有本質改變，即1-5月的月變化主要受側向潛沉率控制，6-12月的月變化為由風應力旋度導致的埃克曼抽吸速度主控。

除季節循環外，全球變暖前后MLD和潛沉率的長期變化趨勢也具有顯著特征。歷史實驗背景下的年平均MLD波動幅度較大，長期來看呈微弱變淺趨勢，1935年后變化幅度增大，1994年幅度顯著減小，逐漸與輻射強迫增強背景下的年平均MLD趨于一致。季節循環振幅的平均值為59 m，不同年份差異較大，最大振幅與最小振幅之差為35 m。與歷史實驗背景相比，輻射強迫增強背景下的MLD年平均值變小，隨時間淺化現象顯著，季節波動幅度逐漸縮小，平均值也有一定的減小，對潛沉過程造成顯著影響。受MLD變化的影響，側向潛沉率呈現相似的長期變化趨勢。歷史實驗背景下側向潛沉率持續降低，波動幅度較大，而輻射強迫增強背景下側向潛沉率的減弱速度加快，波動幅度縮小，季節循環振幅顯著降低約20%，與總潛沉率的長期變化趨勢基本一致。埃克曼抽吸速度受全球變暖影響較小且集中于夏季，變化微弱，再次證實了冬季潛沉率的變化是由側向潛沉率變化主控。從長期看，MLD空間不均勻性減弱引起的MLD鋒面減弱是控制側向潛沉率減弱，最終導致總潛沉率減弱的關鍵。另外我們發現，盡管從長期變化來看，輻射強迫增強前后MLD和潛沉率減弱的速率呈顯著加快趨勢，但季節循環振幅卻沒有呈現出顯著趨勢，還出現了波動幅度減小的情況，這是由于冬季的主控因素受MLD鋒面影響的側向潛沉率顯著減弱，而夏季的主控因素埃克曼抽吸速度受影響微弱，造成了冬夏季節差異縮小的結果。

本文基于CMIP5模式對東北太平洋副熱帶海區進行的歷史氣候態和輻射強迫增強實驗結果，來研究該海區MLD的季節循環信號對全球變暖有怎樣的響應，及該響應對潛沉率的變化有何影響。但本文仍存在一些問題，如：觀測數據缺乏海洋流場數據佐證；僅采用單一模式進行模擬，存在一定的模式依賴性，更換模式可能得到不同模擬結果；選用模式模擬出的冬季MLD更深，深度鋒面更強，可能放大了MLD變化的影響，雖然便于機制分析，但也意味著該模式給出的分布特征可能存在一定誤差。針對這些問題，我們下一步計劃采用多模式多集合結果分析模式間差異性，并深入探討該海域全球變暖前后混合層和潛沉過程，在年際、年代際及更長時間尺度的變化規律及背后物理機制，分析各因素的貢獻。隨著最新一代CMIP6模式的發展，對氣候變暖影響問題的預估能夠變得更加準確，這也將是我們未來研究的主要工具。