南极涛动对大西洋经向翻转环流的影响研究

Antarctic Oscillation (i.e., the variability in the southern westerlies) is a leading mode in atmospheric circulation variability at southern middle and high latitudes. In this project, we propose to investigate the responses of the Southern Ocean circulation, Agulhas current system, and the Atlantic meridional overturning circulation to changes in atmospheric forcing associated with Antarctic Oscillation. We will collect best available observational data and conduct numerical experiments using a high resolution global ocean circulation model. Through analyzing the observational data and model results, we will investigate the following: i) the responses of the mixed layer depth in the Southern Ocean and the Sub-Antarctic Mode Water and Antarctic Intermediate Water, including analyzing the changes in subduction rate at the base of winter mixed layer; ii) the responses of meso-scale eddy circulation in the Southern Ocean, and its role in the formations of Mode Water and Intermediate Water; iii) the responses of the Great Agulhas Current system; iv) the responses of the Atlantic Meridional Overturning Circulation, in particular, analyzing the combined effects of meso-scale eddies in the Southern Ocean and the Agulhas current system in such responses. Different forcing mechanisms of atmospheric momentum and buoyancy forcing will be examined in the above mentioned responses by carrying out sensitivity experiments. The results will help us understand i) the mechanisms involved in changes in the Southern Ocean circulation and in the Atlantic meridional overturning circulation, ii) the influences of the Southern Hemisphere climate changes on the Northern Hemisphere climate and East Asia monsoon climate, iii) the mechanisms involved in global multi-decadal climate variability.

南极涛动（即南半球西风带变异）是南半球中高纬大气环流主要模态，项目拟研究在多年代际时间尺度上南大洋环流、厄加勒斯环流和大西洋经向翻转流对与南极涛动有关的大气强迫异常的响应。项目将收集可得到的最新观测资料，采用全球高分辨率海洋环流模式进行数值试验。通过分析观测资料和模拟结果，研究下列内容：南大洋混合层以及模态水和中层水的响应，包括冬季混合层底部潜沉率的变化；南大洋中尺度涡旋环流的响应及其在水团变化中的作用；厄加勒斯洋流系统的响应；大西洋经向翻转流的响应，特别是南大洋中尺度涡旋环流和厄加勒斯洋流系统在其中的共同作用。项目也将通过敏感性试验区分研究大气风应力和浮力的不同强迫作用机制。研究结果将有利于理解南大洋环流、厄加勒斯环流和大西洋经向翻转流变异机理，从而有利于理解南半球气候系统变异对北半球气候和我国季风气候的影响，有利于理解多年代际全球气候变化的形成机理。

项目主要采用数值模拟手段研究全球海洋环流对南极涛动的响应，分析和评估了耦合气候模式南大洋模拟现状，采用全球高分辨率海洋-海冰环流模式MITgcm-ECCO2模拟大洋环流对南极涛动的响应。发现耦合气候模式在南大洋的模拟差异很大，对南极涛动的响应也存在很大的差异，这些差异主要归因于南大洋中尺度涡旋参数化的不确定性。项目通过模拟南大洋能量循环对南极涛动的响应，分析了南大洋平均动能、涡动能、平均有效位能和涡有效位能的分布特征及其对西风带变化的响应。项目也研究了天气尺度大气强迫对极端南极海冰冰情快速形成的机理，模拟了天气尺度大气强迫对全球海洋环流的影响。发现南半球高纬气旋触发的南极大陆沿岸强风事件是导致海冰快速堆积的原因，天气尺度大气强迫在中高纬等天气尺度大气活动比较显著的区域，如黑潮，湾流以及南大洋等区域，可以引起海洋环流的显著变化，天气尺度大气强迫可使风场输入到海洋表层环流中的能量增加大约50%，大西洋经向翻转环流和其它大尺度环流对天气尺度大气强迫有非常显著的响应。为进一步理解全球海洋环流对南极涛动的响应，研究了南极涛动在多年代际时间尺度上变化的原因。发现北半球热力状态的变化是南极涛动变化的主要原因，这一发现有利于理解大西洋经向翻转环流对大气强迫的响应，也表明南极臭氧洞的出现也需要全球变暖这一必要条件。由于MITgcm-ECCO2模拟的厄加勒斯环流系统，特别是厄加勒斯环的形成和泄漏过程，有较大缺陷，项目没有定量分析厄加勒斯环流系统对大西洋经向翻转环流的影响。