水球世界气候态与经向热量输送的耦合模式研究

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本文利用NCAR的地球气候系统模式(CESM),研究了水球世界的平均气候态和经向热量输送。设计了两组水球试验Aqua和Ridge,前者除极地存在两个岛外,星球其余部分完全被海洋覆盖;后者与前者的唯一区别是从南极到北极有一道连续的陆脊。  与现今真实世界相比,水球世界气候非常温暖。海陆分布的改变通过影响行星反照率,使得水球系统吸收更多的太阳辐射,大气和海洋温度上升。没有陆地的阻挡,Aqua海洋中形成很强的纬向流;Ekman抽吸作用强烈,经向翻转流十分深厚;这直接导致等密度面倾斜度增加,斜压不稳定性更强,中尺度涡旋运动更加活跃。中尺度涡旋的输送作用与平均流相反,很大程度上可以抵消过强的平均经向翻转流。Ridge海洋中由于存在经向延伸的地脊,使得水平环流得以形成,从而平均流的经向翻转和中尺度涡旋运动均较Aqua弱。  与传统的利用垂直方向的热量通量估计经向热量输送不同,我们直接采用流场与温度计算了大气-海洋经向热量输送。直接方法具有直观清楚的物理意义,与动力过程直接联系,可以很方便讨论经向热量输送的瞬变过程。对海洋经向热量输送的主要贡献来自于平均流和中尺度涡,两者贡献基本相反,很大程度上互相抵消。所以尽管Aqua和Ridge平均流相差很大,其海洋经向热量输送则非常相近。大气经向热量输送分解为干空气和水汽的贡献以及平均流和涡旋运动的贡献。低纬度大气,水汽将热量向赤道输送,部分抵消了干空气的贡献;中高纬度两者方向一致。同时,中高纬度大气经向热量输送主要通过涡旋运动来输送;平均流的贡献仅在低纬度超过了涡旋运动。  从真实世界到Ridge以及从Ridge到Aqua,大气经向热量输送的变化在很大程度上可以补偿海洋经向热量输送的变化,使得气候系统中总的经向热量输送变化远小于其在两个介质中分量的变化。即便在水球这样极端的气候系统中,海洋对经向热量输送的贡献也仅在低纬度占主导,在中高纬度并不会超过大气的贡献。极端的海陆分布为经向热量输送及其在大气和海洋之间分配的稳定性提供了有力的证据。如果考虑水球世界经向热量输送的内部变率,在年际和年代际时间尺度上,大气和海洋经向热量输送的补偿关系并不明显。其原因有待更多研究进一步分析。不过需要强调的是,在进一步的分析中,应该采用直接方法对大气和海洋经向热量输送分别独立进行计算。
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