[论文解读] Surface heating steers planetary-scale ocean circulation

Dhruv Bhagtani, Andrew McColl Hogg+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2023

Oceanographic and Atmospheric ProcessesEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本研究表明，表层加热，尤其是其经向梯度，显著主导大尺度海洋环流的形成——这挑战了长期以来将环流仅归因于风应力的斯维尔德鲁普平衡理论。通过使用涡流允许的全球海洋模型模拟，研究发现表层热通量扰动在年代际时间尺度上可引致高达约0.15 Sv/W m⁻²的环流异常，且在更长的时间尺度上由于密度结构的调整，出现了非线性反馈机制。

ABSTRACT

Gyres are central features of large-scale ocean circulation and are involved in transporting tracers such as heat, nutrients, and carbon-dioxide within and across ocean basins. Traditionally, the gyre circulation is thought to be driven by surface winds and quantified via Sverdrup balance, but it has been proposed that surface buoyancy fluxes may also contribute to gyre forcing. Through a series of eddy-permitting global ocean model simulations with perturbed surface forcing, the relative contribution of wind stress and surface heat flux forcing to the large-scale ocean circulation is investigated, focusing on the subtropical gyres. In addition to gyre strength being linearly proportional to wind stress, it is shown that the gyre circulation is strongly impacted by variations in the surface heat flux (specifically, its meridional gradient) through a rearrangement of the ocean's buoyancy structure. On shorter timescales ($\sim$ decade), the gyre circulation anomalies are proportional to the magnitude of the surface heat flux gradient perturbation, with up to $\sim 0.15\,\mathrm{Sv}$ anomaly induced per $\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}$ change in the surface heat flux. On timescales longer than a decade, the gyre response to surface buoyancy flux gradient perturbations becomes non-linear as ocean circulation anomalies feed back onto the buoyancy structure induced by the surface buoyancy fluxes. These interactions complicate the development of a buoyancy-driven theory for the gyres to complement the Sverdrup relation. The flux-forced simulations underscore the importance of surface buoyancy forcing in steering the large-scale ocean circulation.

研究动机与目标

• 重新评估除传统风应力强迫外驱动大尺度海洋环流的其他因素。
• 量化表层净浮力通量（特别是热通量）对环流的相对贡献。
• 研究环流对短期（年代际）与长期（多世纪）时间尺度下热通量扰动的响应差异。
• 评估是否可将浮力强迫纳入与斯维尔德鲁普平衡并行的补充理论框架中。

提出的方法

• 利用ACCESS-OM2-025模型开展涡流允许的全球海洋模型模拟，施加扰动的表层强迫。
• 通过控制扰动的独立通量强迫模拟，分离风应力与表层热通量的影响。
• 以斯维尔德鲁普关系为基准，比较风应力与浮力强迫对环流转输的响应。
• 追踪经向质量输送与浮力结构随时间的变化，以评估反馈机制。
• 在风敏感性实验中应用改进的K-层参数化方法，以稳定混合层深度并最小化非预期的浮力通量异常。
• 采用dask与xarray实现高性能数据分析与图表生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 表层热通量，尤其是其经向梯度，在多大程度上影响副热带环流的强度与结构？
• RQ2 环流对表层热通量扰动的响应在年代际与多世纪时间尺度上是否存在差异？
• RQ3 浮力强迫能否被视为与风应力相当重要的环流驱动因素？
• RQ4 海洋的浮力结构在调制表层热通量变化响应中发挥何种作用？
• RQ5 环流异常与浮力强迫之间的反馈如何随时间改变环流响应的线性特征？

主要发现

• 环流与风应力呈线性关系，证实斯维尔德鲁普关系作为基准驱动机制的合理性。
• 表层热通量扰动在年代际时间尺度上可引致高达约0.15 Sv/W m⁻²的环流异常。
• 在超过十年的时间尺度上，由于环流与浮力结构之间的反馈，热通量梯度引起的环流响应呈现非线性特征。
• 表层热通量的经向梯度至关重要——加热的位置决定了环流响应的大小与方向。
• 浮力强迫显著改变海洋的层结与浮力结构，从而调制环流动力学。
• 完整的环流理论必须将表层浮力强迫视为关键驱动因素，而不仅依赖风应力，方能解释观测到的环流模式。