北极-大西洋温盐环流*外文翻译资料

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北极-大西洋温盐环流*

托尔埃德里克

卑尔根大学地球物理研究所和挪威卑尔根皮叶克尼斯气候研究中心

简伊文·欧尼尔森

南森环境与遥感中心和挪威卑尔根皮叶克尼斯气候研究中心

（2013年5月28日形成初稿，2013年8月15日形成终稿）

摘要：大西洋温盐环流是全球气候的重要调节器。它的北支环流从北海延伸到冰冷的北冰洋，而且这一地区似乎更易受到气候变化的影响。从根本上来说，温盐环流与两个自由度有关。温暖和含盐的大西洋海水从北海流入北冰洋和两个分支的外流相平衡。作者列举了一个建立在观测上的分析模型，来限制北冰洋-大西洋温盐环流的强度和结构。令人惊讶的发现是，大西洋流入的强度对淡水输入的异常不敏感；它主要反映北部热量流失的变化。淡水异常主要由河口流入的分区和南极洲外流和深度的密集流出的倾覆环流平衡。更定量地说，本文提出的方法提供了一个相对简单的框架，用于温盐环流对北海的观测，过去的估计和未来的变化的响应，做出一个紧密和连续的推论。

1.0引言

大西洋温盐环流将热量和盐分从热带地区向北半球高纬度地区输送（e.g., Wunsch 2002; Kuhlbrodt et al. 2007）。格陵兰岛-苏格兰岛脊（GSR）的北部，将北海和北冰洋从北大西洋中分离出来，即北极地中海（图1）。当环流在北冰洋地中海传输时，温暖和含盐的大西洋海水的流入完全由大气热流失和淡水输入所转化（Mauritzen 1996; Rudels et al. 1999）。热量主要在北海流失，导致形成稠密的海水和翻转环流，而淡水输入维持北冰洋表层，大西洋驱动海流在下层，形成河口环流（Isachsen et al. 2007; Rudels 2010）。冷回流穿越GSR，因此表层为新鲜的极地水，深层为稠密的外流水（Hansen and Oslash;sterhus 2000）。而流入缓和了地区气候（Rhines et al. 2008），极地外流是大西洋的主要淡水来源（Dickson et al. 2007），稠密溢流是北大西洋深层水的主要来源（Quadfasel and Keuro;ase 2007）。因此，温盐环流对大西洋北方热量和淡水反常的强度、结构和敏感性是非常重要的（Curry and Mauritzen 2005; Serreze et al. 2007; Spielhagen et al.2011）。限制北冰洋-大西洋温盐环流是这个研究的目的。

热量和盐分的联合循环一般涉及两个自由度，正如所描述的北极-大西洋交换有一个流入和两个穿过格陵兰岛-苏格兰岛脊的流出。可以说，人们目前对温盐环流的理解，特别是它的北支环流，并没有反映出事实。大西洋温盐环流通常被认为是一个倾覆的循环回路（Rahmstorf 1996; Lynch-Stieglitz et al.2007），而格陵兰岛-苏格兰岛脊北部的水质量变化的描述往往涉及到从流入到致密外流的倾覆（Hansen and Oslash;sterhus2000; Mauritzen 1996; Isachsen et al. 2007），而忽略了东格陵兰洋流的可变极地流出的作用。诚然，一些作者将北极地中海的环流描述为双入海口（Stigebrandt 1985; Carmack 2007; Rudels 2010）；北海中的热量损失和随之形成的稠密的水构成了翻转环流（或负入海口），而北部淡水输入进一步维持了一个符合克努特森（1900）原始概念的河口环流：淡水强迫容纳大西洋海水的流入（一个正入海口）。然而，我们的研究似乎提供了第一中种分析框架，它解释了大西洋流入、极地流出和稠密外流的耦合倾覆和河口环流（图1），从而符合温盐环流的一般的两个自由度。

图1.北极-大西洋温盐环流。（a）构成北极-大西洋温盐环流的河口和翻转环流的示意图[原始图像的适应（(Hansen et al.2008）。（b）GSR盐度和潜在温度的气候学（见采样域的入口图）。东格陵兰海流（EGC）的极地流出的程度由34.5等盐度线（点状）表示，外流的程度由27.8等密度线（固体）表示。（c）参考AW-PW—OH温盐三角形和投影强迫[表1；（7）]。背景TS散射是超过300000个水文观测数据构成气候学（1950–2005; Nilsen et al. 2008）。颜色尺度指示观测的密度；为了可视化，冰岛东部只有1／20的数据点被绘制出来。

2.一个简单的模型

我们利用所观察到的三层结构的北极-大西洋温盐环流推导出相关联的体积输送的显式表达式。该方法被简化为动态绕过的程度（e.g.,Straneo 2006; Spall 2012）；温盐环流观测数据分为流入、极地流出和溢出的三个层次，图1假定是先验的。为了构造一个简单的（或最简单的）三层温盐环流模型，我们将热量加到已知的Knudsen（1900）方程中，用超过一个世纪的淡水输入来估算河口环流。通过包括热收支，河口环流与AW转换为PW和倾覆AW到OW进入负河口可以同时考虑，

其中是北极地中海的体积传输，和是盐度和AW、PW和OW三个层的潜在的温度（i=1, 2和3）。海洋是虚拟盐分通量QS和温度通量Qt是北极地中海的浮力强迫，平衡了GSR之间的对流传输。我们认为，如附录中所讨论的，改变海洋的盐和热储存增加了QS，T在一般的瞬时情况下，海洋平流和浮力强迫的平衡在十年的时间尺度上是可以预料到的。[还有一个相对温和的贡献，从涡旋运输跨越GSR（Hansen andOslash;sterhus 2000），但在这里不是明确考虑的。] 注意，体积输送与浮力强迫线性相关，因此和同样可以被认为在（1）-（3）里是异常的。

逆变换体输运的显式表达式（1）—（3），

函数依赖并不意味着因果关系，它只是根据第一原理诊断体积输送持续符合观测或估计的GSR水文和浮力强迫，来进行诊断。行列式是AW-PW—OWlsquo;温盐三角rsquo;面积的两倍，是GSR总水团对比度的量度（图.1c）。

3.北极-大西洋温盐环流限制

（1）-（3）守恒式在观测水文图中表现为：浮力强迫将AW转化为驻留在PW—OW混合线上的净流出水团，根据流出分为极地流出和密集流出（图.1c）。水团的体积输运等积由强迫矢量和其他两个水团的温盐对比产生的面积除以[cf. (4)–(6)]。因此，与PW—OW、AW—OW和AW-PW混合线对齐的反常强迫不存在流入、极地流出和外溢流出的变化：即 。混合线的斜率直接在S、T空间和QS、T空间之间平移(cf. 图. 2)。“混合线”一词缺乏更精确的标准术语，指的是水团的对比，而不是在GSR中的实际混合；它是GSR北部的水团转换，将AW转换为PW和OW。

温盐环流模型可能最好是由体积输送受淡水输入和热量损失约束来证明（图2，左柱；假设参考水文图：表1）。

实现了与北极地中海浮力强迫的气候估计相一致的参考输送(Mauritzen 1996; Dickson et al. 2007; Simonsen and Haugan 1996)。因此，根据所观察到的平均大西洋温盐环流（见附录），模拟运输可以被认为是现实的。通量QS、T与淡水输入和热量损失的转换需要0.029 SV（）的淡水输入以1的实际盐度来刷新1-SV流，每失去4.1-TW的热量分别使1 SV的淡水冷却1℃。注意到只考虑了GSR北部的水质量转换所消耗的淡水：即淡水输入少于净海冰输出。

从（4）-（6）可以推断出，恒定流等值线与GSR混合线对齐。北极-大西洋温盐环流的运行即AW的输入，PW和OW的输出需要由混合线AW -OW（）和AW-PW（）限制的浮力强迫。举例的对淡水（FW）和加热 （凉爽的）的回应以矢量形式显示，前者是自160年以来北极圈淡水输入异常的估计（0.03 Sv）（Peterson et al. 2006; Dyurgerovet al. 2010），而后者只是缩放至62TW 以便二个（REF）的叁考强迫一致[Eq. (7)]。注意，图2中轴的缩放反映了当前气候中的GSR水文图（图.1C）。等值线的定性排列与特定的标度无关，PW—OH混合线一般更等温，AW-OW则盐分较多。因此，流入更依赖于热量损失，极地流出更依赖于淡水输入，外溢流出反映了连续性。

4.隐含的灵敏度

图2的左侧是温盐环流对淡水和热量预算变化的响应的一般表示。相应的水质量特性依赖于缩放浮力强迫与携带水质量的体积输运有关的问题。结果可以直接地从（4）-（6）等式的部分推导中得到，

传输的独立性，水团（注意，流出被定义为负迁移。）减少AW，增加PW，或增加OW盐度（温度），从而有效地与增加淡水输入（热损失）相同。

图2是北方对温盐环流的限制。颜色阴影区指示体积传输（在SV）受到（左）淡水输入和热量损失（右）和盐度流入和潜在温度的约束。向北输送是正的，坐标轴与当前气候相一致（参见进口图左上角和图.1C）。有色（白色）半圆是正（负）传输异常的温盐排列的简单可视化；也参见图3。在右侧（红色圆圈）中的TS散射观测的1950—2005年的AW水文（Eldevik et al. 2009），断裂曲线给出了相关的线性回归和方差椭圆；黑色等高线是等距线，间距为，扰动FW、CURE、REF、GSA和95—05在正文中进行了讨论。

表1参考水文和温盐环流灵敏度：观测基准盐度，潜在温度，和体积输送在GSR（参见. Rudels et al. 1999; Hansen and Oslash;sterhus 2000; Hansen et al. 2008; Nilsson et al. 2008; Eldevik et al.2009）和相对于参考值的温盐性质的体积输运（4）-（6）的偏导数。流入被定义为正，负流出因此意味着增加流出。

这仅仅反映了流入是北极地中海盐分和热量的来源，而外流和浮力强迫则是下沉（参见图2和表1）。

以上由图2的右侧举例说明，显示由可变AW贡献的温盐环流异常（假定参考PW、OW和浮力强迫）。在观测到的AW变化的散射中，20世纪70年代的“大盐度异常”（GSA; Dickson et al. 1988）和近10年的盐渍化以及1995—2005年的变暖（95–05; Holliday et al. 2008）用向量来表示。特别注意GSR上的温盐对比如何再次约束温盐环流变化的特性（比较图2的两列）。OW和PW相似的依赖性未显示出，但在表1中对每个温盐性质变化的线性响应进行量化。

流入的减少通常与流出的减少有关（Curry and Mauritzen 2005; Hansen et al.2008）。当考虑淡水和热量收支（FW和CULL；图2，左边）时，定性关系被认为是成立的，这与密度驱动的翻转循环是一致的（Kuhlbrodt et al.2007）。然而，观测到的AW变化在很大程度上和密度是相互补偿的（参见图2，右边）。图2和表1表明，必须考虑极地流出和稠密溢流来限制流入。这显然是在一个假设的情况下，持续的像GSA一样位移的AW。这种几乎完全补偿密度的转变，特别有助于增加流入和减少流出。

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