热带气旋在海洋能量平衡和水团平衡中的作用

【摘要】： 由于海洋在上垫面加热和冷却,因此虽然海洋在上表面吸收很多热量,但并不能把这些热量有效的转化为机械能。为了维持准平衡态的大洋环流,需要外来机械能源来平衡摩擦和耗散所损失的能量。风和潮汐是最主要的机械能源。但到目前为止仍有一些机械能源不清楚,如热带气旋。热带气旋是中低纬度大气系统中很重要的成分,由于我们通常所用的风应力资料(如NCEP/NCAR)分辨率比较低,像热带气旋这种强烈的非线性事件都被平滑掉了,因此前面提到的风输入到海洋中的能量中并不包含热带气旋的贡献。 考虑到热带气旋与海洋之间的相互作用,利用一个台风--海洋耦合模式,本文研究了热带气旋在海洋能量平衡和水团平衡中的作用。本文采用的耦合模式由两个各自测试、独立发展的模式组成:三层的海洋约化重力模式和轴对称的台风模型。本文计算了1984至2005年间约1600个热带气旋输入到海洋中的能量(包括输入到浪的能量,输入到表面流特别是近惯性流中的能量)。另外,用一个简单的平底模型估计了热带气旋导致的海洋上层重力位能增加,同时,也计算了全球大洋中由热带气旋导致的混合层加深和混合。 本文的研究结果表明,当热带气旋过境时,大量的机械能被输入到海洋中。1984至2005年热带气旋输入到海洋中的年平均能量为:输入到浪1.70TW;表面流0.10TW,其中近惯性频率段0.03TW;导致的重力位能增加为0.05TW。虽然这部分能量远小于平均态风场输入的能量,但由于这部分能量主要集中在低中纬度,特别是西北太平洋和北大西洋,可能对维持大洋环流有非常重要的贡献。 热带气旋是大气系统中变化最剧烈的成分,在过去的几十年由于全球增暖现象,热带气旋的活动亦增强,因此热带气旋输入到海洋中的能量也发生了很大的年际到年代际时间尺度的变化,总体上存在增大的趋势。从1984至2005年,热带气旋输入到海洋中的能量增加了19%。热带气旋输入到海洋中能量的变化主要与热带气旋的强度有关,用PDI(Power Dissipation Index)表征热带气旋的强度指数,二者的相关系数达到0.93,也就是说热带气旋输入到海洋中的能量与PDI的变化趋势基本一致。另外,热带气旋输入到海洋中能量的变化与每年热带气旋的个数也有一定的关系,但二者的相关系数仅为0.33。 在低中纬度,热带气旋输入到海洋中的机械能可以有效地增加混合层的深度。最新的研究结果表明,低中纬度混合层的加深能有效地增强经向压强梯度,进而增强子午环流和向极热通量,同时使得维持次表层的跨密度面混合所需要的能量减小。1984至2005年热带气旋引起的混合层加深的体积通量为,其中在北太平洋有22.4。Qiu and Huang(1995)估计的北太平洋的subduction rate为35.2 ,obduction rate为7.8。热带气旋导致的混合层加深的体积通量大于通过subduction形成水团的50%,且远大于obduction,他们的结果显示obduction主要发生在以北地区,而热带气旋导致的混合层加深则主要集中在。该结果显示,热带气旋在区域海甚至全球海洋的水团平衡中有非常重要的作用,在讨论水团平衡时必须考虑热带气旋的贡献。 热带气旋输入到海洋中的能量可以输送到大洋内部很深的地方,因此热带气旋在很大程度上增强了海洋中的局地混合。本文的结果表明,热带气旋引起了强烈的垂直混合。混合率的大小为,其最大值( )出现在西北太平洋。由于热带气旋引起的混合是高度瞬变的,且发生在强层结处的低中纬度,因此热带气旋输入到海洋中机械能对大洋环流有非常重要的贡献,能更有效地驱动大洋环流。