北太平洋副热带西部模态水的多核结构及其生态效应研究

Resulting from the intense air-sea interactions in winter season, the North Pacific Subtropical Mode Water (NPSTMW) reserves the hydrographic and ecological properties as in the late winter mixed layer in its formation region. Its spatial distribution and temporal variability significantly affect the low frequency variabilities of the circulation, climate and ecological system of the North Pacific Ocean. Based on high resolution vertical profiles of temperature, salinity and dissolved oxygen concentration recently obtained with Argo floats, the authors found that the NPSTMW observed in most profiles shows a multicore structure and minima of the potential vorticity well correspond to those of apparent oxygen utilization. This is different from the traditional view that the mode water is vertically uniform. This project will focus on the multicore structure of the NPSTMW, studying its spatial distribution, temporal variability and formation mechanisms, based on observations and high resolution ocean circulation model. Furthermore, we will also examine the influence of the NPSTMW in the transportation of the dissolved oxygen and its possible role played in the time variability of the North Pacific ecological system with a high resolution marine ecosystem model.

北太平洋副热带模态水作为副热带海区海气相互作用的产物，保留着形成区晚冬混合层内的水文和生态特征，其空间分布和时间变化对北太平洋环流、气候和生态系统的低频变化具有重要影响。基于Argo浮标最新获得的高垂向分辨率的海水温度、盐度和溶解氧资料，申请人发现副热带模态水在垂向上大多存在多核结构，且位势涡度的极小值与表观耗氧量的极小值有很好的对应关系。这与模态水“垂向均一”的传统观念不同。因此本项目将聚焦副热带模态水具有多核结构这一特殊现象，基于观测资料和高分辨率海洋环流数值模式研究多核模态水的空间分布和时间变化规律，并探讨其形成机制。同时，本项目还将结合高分辨率海洋生态数值模式研究多核模态水对溶解氧输运的影响，探讨多核模态水在北太平洋生态系统变化中的作用。

本项目紧紧围绕北太平洋西部模态水（STMW）多核结构的时空分布特征、形成机制及其对溶解氧分布的影响这一科学问题展开相关研究。利用太平洋通风实验（P-MoVE）在一含模态水的反气旋涡中投放的17个携带溶解氧探头的Argo浮标以及历史Argo浮标及涡分辨的OFES数据较为系统的就北太平洋副热带西部模态水多核结构的时空分布特征；模态水多核结构的形成机理；模态水多核结构对溶解氧的输运作用，开展了研究。研究发现黑潮延伸体稳定状态通过调制STMW生成区海洋层结，改变冬季混合层深度和卷挟过程，使得生成STMW性质改变，进而改变STMW多核结构性质。利用跟随两个反气旋涡观测达一年半之久的P-MoVE Argo浮标, 揭示了反气旋涡通过向西输送较冷模态水过程中，不断再通风形成STMW多核结构。指出STMW多核结构核心位势涡度和其对应的表观耗氧量存在线性关系，核心位势涡度可以作为STMW亚模态的“年龄”。发现温跃层相干涡旋（Intra-thermocline eddy）将富氧冷核STMW快速从其生成地输运并穿插到较暖STMW核心下形成多核结构。定量分析发现STMW的年代际变化与KE稳定性引起的海洋预先层结调控的海底卷吸作用相关，而与海气交换变化关系不大。增强(减弱)的海洋预先层结通过调控STMW 形成区冬季混合层底卷吸过程, 阻碍(促进)冬季混合层加深, 最终使得STMW 形成体积减少(增加)。本项目对利用P-MoVE Argo观测数据及其他相关数据对北太平洋副热带西部模态水多核结构及其生态效应开展系统研究，获得了一系列原创成果，加深了对北太平洋副热带海区通风过程的认识，特别是指出中尺度涡、温跃层相干涡旋等过程的STMW多核结构生成的影响。指出STMW亚模态核心与位势涡度存在线性相关，为研究潜沉过程对海洋溶解氧收支贡献提供借鉴。