基于涩度定义的东南印度洋亚南极模态水结构及其对全球变暖的响应

Subantarctic Mode Water (SAMW) is a water mass with vertical homogeneous properties which is formed by the deep mixing in winter on the northern side of the Antarctic Circumpolar Current (ACC) just between the Subantarctic Front and the Subtropical Front. It forms the upper limb of the global overturning circulation as it subducts and advects to the subtropical gyres and even norther along isopycnals. The heat, carbon, nutrient transports associated with SAMW’s global-scale circulation make it important to the Earth’s climate. It’s showed that SAMW in the southeast Indian Ocean sector has a high signal-to-noise ratio under anthropogenic forcing. While the study of the interannual variability of the southeast Indian Ocean SAMW and the contribution from surface fluxes and circulation such as Ekman transport to the variability is rare. This project intends to combine the analysis of observation data and several model outputs to investigate interannual variability and long-term trend of SAMW defined by potential spicity in the southeast Indian Ocean sector under global warming. The contribution from surface fluxes and circulation such as Ekman transport to the variability and trend will also be investigated. The results of this project is expected to improve the understanding of ocean circulation and climate change influenced by thermal and dynamic processes in the southeast Indian Ocean sector of the Southern Ocean.

亚南极模态水（SAMW）形成于南极绕极流北部亚南极锋面和副热带锋面之间冬季海水垂向的强烈混合，沿等密度线向北潜沉输送至副热带涡流甚至更北，是南大洋在全球大洋翻转环流上支的重要部分，对海洋热量、CO2收支和再分配有重要的调控作用。其中东南印度洋SAMW对气候变暖的响应有很高的信噪比，能清晰地反映南大洋气候变化。然而，以往研究关于SAMW的定义有所缺陷，且未细化东南印度洋区域SAMW年际变率和其在全球变化背景下的长期趋势，对海气通量和Ekman传输、涡旋等环流因素对其变率的贡献也缺乏足够的认知。本项目将通过对观测资料、高分辨率模式估测资料以及地球系统模式输出资料的分析，利用涩度定义方法探讨东南印度洋SAMW的年际变率及其长期趋势，以及海表浮力通量和环流因素对其变率的贡献。本项目的研究工作将有助于增进对南大洋在东南印度洋部分海洋环流和气候变化的理解，并有助于厘清海洋热力和动力过程在其中的作用。

亚南极模态水(Subantarctic mode water，SAMW)是南大洋在全球大洋翻转环流上支中的重要一环，其形成和向北的潜沉输送对海洋热量、CO2以及营养物质收支和再分配有着重要的调控作用，其物理性质的变化也对全球气候变化有着很好的指示作用。前人的研究表明，SAMW在时间上存在着很大的自然变率，主要受到海表浮力通量、Ekman 泵压等因素的调控。在全球变暖背景下，SAMW的体积以及性质变化在各个研究呈现出不同的结论，阻碍了我们对SAMW生成转化等物理过程及其气候影响的进一步理解。因此，本项目着力分析了全球变化背景下SAMW特别是东南印度洋SAMW的年际变化、长期趋势以及背后的物理过程。本项目通过分析网格化Argo观测数据和耦合模式比较计划多模式模拟的输出数据，得到了如下几点重要结论：（1）在2004-2018年期间，观测中南印度洋SAMW体积约减少了10%，并呈现不同密度层之间体积的相反变化。这一现象与风场的变化引起的浮力通量、Ekman泵压的变化密切相关。同时，观测中南印度洋SAMW的平均温度和盐度呈增加趋势，但南印度洋SAMW生成海域的等密面露头线南移引起的密度面上的变冷变淡，在一定程度上减弱了南印度洋SAMW的平均温盐变化趋势，且变冷变淡的SAMW通过副热带环流影响整个南印度洋副热带海域的温盐变化。（2）在全球变暖背景下，SAMW体积总体减少，并且呈现上下两层体积反向变化的趋势，这一现象主要取决于海表浮力通量的改变引起的深混合层深度和位置的变化。进一步研究其性质，发现在SAMW区域出现变暖最小值和盐度的强烈变淡，并发现这一现象主要是盐度通过等密度面过程产生的结果。同时，在未来情景中，辐射强迫快速增长阶段，SAMW的体积和厚度快速减小，而在辐射强迫达到稳定阶段，SAMW缓慢恢复。SAMW的快慢响应主要依赖于海表浮力通量的演变，而西风带因向极移动影响很小。本项目得到的结论加深了对东南印度洋SAMW变化及其背后物理机制的理解，同时为南大洋水团的气候响应和影响提供了新的视角。