南大洋翻转环流的纬向异性及其与外强迫的关系

The dynamically intertwined Antarctic Circumpolar Current and overturning circulation are essential parts of the global ocean circulation. They have important influences on the global climate system by modulating the rate at which the Southern Ocean (SO) stores and transports heat, fresh water and carbon around the world. Previous model studies on the dynamics of SO overturning circulation are mostly from the zonally averaged perspective without considering influences from realistic wind, buoyancy and topography forcing. Based on the Southern Ocean State Estimate (SOSE) data and the high-resolution ocean-ice general circulation model MITgcm-ECCO2, we focus on the follows: the climate mean states and trends of the upper cell of SO overturning circulation over recent decades on Pacific, Indian and Atlantic sea basins; the influences of zonal asymmetry of wind and buoyancy flux (heat flux and freshwater flux) on the upper cell of SO overturning circulation of three sea basins; the sensitivity of the upper cell of SO overturning circulation on three sea basins to the changes of external forcing. This project will improve our understanding on the sources of the SO zonal asymmetric of upper-layer ocean properties and overturning circulation, with important implications for developing the prediction theory on the SO response to external forcing changes and predicting future changes of SO circulation quantitatively.

南极绕极流和翻转环流是全球大洋环流的重要组成部分，它们影响着海洋储存和运输热量,淡水和二氧化碳的能力，进而会影响全球气候变化。之前的研究多从纬向平均的角度探讨南大洋翻转环流的动力学机制，而真实情形下风场，浮力通量及海底地形对南大洋海洋环流的影响并不清楚。本项目将基于南大洋状态评估数据（Southern Ocean State Estimate，SOSE）和高分辨率海洋－海冰环流模式（MITgcm-ECCO2），重点研究以下内容：南大洋三大海盆上层翻转环流的气候态及其近四十年的变化；风场和浮力通量（热通量和淡水通量）的纬向差异对南大洋三大海盆上层翻转环流的影响；南大洋三大海盆上层翻转环流对外强迫变化的敏感性。这些研究将有利于深入理解南大洋三大海盆上层海水性质及翻转环流差异的来源，对发展南大洋对外强迫变化响应的预测理论以及定量预测未来南大洋的变化具有重要的意义。

南大洋海洋环流是全球大洋环流的重要组成部分，海气和冰气界面通量的变化对研究海洋环流和海冰对大气环流变化的响应至关重要。本项目利用全球高分辨率海洋-海冰耦合模式（MITgcm-ECCO2），参加耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的模式，参加CMIP6海洋模式比较计划（OMIP）的模式，以及多源卫星观测资料和再分析资料，定量地研究了不同时间尺度高频扰动风对南大洋风应力平均态，季节变化及变化趋势的影响；研究了高频大气活动对南极绕极流，南大洋上层经向翻转环流和南极海冰的影响；发展了基于Python的海冰模拟能力评估工具包，并利用该工具包评估了CMIP6-OMIP模式对极地海冰的模拟能力；详细地展示了大气强迫场的变化如何影响海冰密集度和速度的模拟。本项目的主要结论包括：a.在计算风应力时，包含扰动风（尤其是天气尺度过程）会显著增强南大洋平均风应力的强度，调整风应力的季节变化，并且显著增强风应力的变化趋势。CMIP5模式中南大洋风应力变化趋势的差异可引起模式模拟的南大洋环流和水团分布的差异。b.包含高频大气扰动的模式试验中，南极绕极流输送的变化很小，而南大洋上层经向翻转环流增强，且海冰范围，面积和体积分别增加。高频大气扰动对南大洋上层经向翻转环流和海冰的影响主要来源于风场变化。c.海冰评估工具包提供了性能指标和诊断图片,可以用于评估各种符合CMIP6标准的模式输出。CMIP6-OMIP模拟结果显示，通过更新大气强迫场，南极海冰密集度的模拟明显改善。d.潜热通量和净短波辐射通量的变化分别是提高夏季南极内部区域和威德尔海中部地区海冰密集度模拟水平的关键。表层风应力的变化可以改善海冰边缘区域冬季南极海冰密集度的模拟。改进的海冰模拟可通过改变冰海界面热通量和淡水通量影响南大洋混合层和环流的模拟。本项目取得的主要研究成果对深入理解南大洋大气-海洋-冰相互作用过程及其对南大洋海洋环流的影响具有重要的意义，同时对定量评估气候模式中南大洋区域的模拟偏差，提高模式对南大洋海洋环流和海冰的模拟水平具有重要的实用价值。