古气候模拟中的中层水生成率变化
末次冰期最盛期（LGM），中全新世（mid-Holocene，MH）和工业革命前（pre-industrial，PI）中层水生成有什么变化呢？...
南大洋的通风过程成对于热量和大气气体的吸收有着重要贡献，与此同时越来越多的研究也意识到中层水对于人为排放CO2的海洋汇意义非凡。因此，中层水特别是南极中层水（Antarctic IntermediateWater 简记为AAIW）的生成率（formationrate），以及它们对上层海洋热量和淡水进行再分配的能力，成为当今海洋学研究的一个热点问题。
模式模拟和观测的古气候研究显示我们现在所知的世界大洋水团结构在历史上曾发生过可观的变化。比如，末次冰期最盛期（LGM）的代用指标重建显示那时候的深层海洋是高度均一的，南半球水体对全球海洋有着广泛影响，而且南半球海水盐度比今天要大；与此同时北大西洋变得更淡，深水形成受到抑制，取而代之的是淡的北大西洋中层水形成。今天我要介绍的这项研究就用模式模拟了末次冰期最盛期（LGM），中全新世（mid-Holocene，MH）和工业革命前（pre-industrial，PI）中层水生成率的变化。
该研究用到的模式是NCAR-CCSM3的古气候版本，大气和陆地的分辨率是T42，大概是2.8°，海冰和海洋模块分辨率是1°，在赤道和北大西洋分辨率更高一点。模拟时段的大气温室气体浓度基于冰芯资料重建，温室气体变化的总体影响如下：LGM时期辐射强迫减少2.76 W m-2，MH时期辐射强迫减少0.07 W m-2，除了温室气体之外，其他的变化有地球轨道参数、冰盖面积等。
下面我们来看一下主要结果：
首先是各个时期的温盐分布，下图给出的是大西洋和印度-太平洋PI时期的盐度（图1）、温度（图2）及LGM和MH时期相对于PI时期的变化。可见，不管是温度还是盐度，LGM与PI的差异都很大，LGM时期，海洋由表至底盐度都是变大，温度都是变低的，这和冰期时期地球系统的整体变化相一致。MH时期的变化相对不那么明显而且没有表现出如LGM那样的一致性。
图二
进一步从各个洋盆的T-S properties看（图三），如下图示，黑线代表PI，红色虚线代表MH，蓝色虚线代表LGM，可见LGM与PI相比，水团性质发生了非常显著的变化，比如在南大西洋（c图），PI和MH的温盐性质高度一致，AAIW所处于的温盐范围以及盐度极小值所在的等密度面（27.2）几乎一样，而LGM时期，AAIW的温度更低，盐度更大，因此其处于的密度面（28.0）更大。
图三
计算得到的每个洋盆在每个时期里中层水/模态水所处的密度范围及其潜沉水的输送如下表所示：
在MH期间，大西洋中层水的潜沉表现出南北跷跷板现象，北大西洋中层水减少了2Sv，而南极中层水生成增加了2Sv。在太平洋，MH期间AAIW和北太平洋中层水（NPIW）的潜沉增加了2.7Sv，其中AAIW增加了2Sv。而在LGM期间，南极中层水和冰期北大西洋中层水（GNAIW）分别增加了4.2和5.3Sv，它们的增加取代了此期间NADW输送的减弱。跟PI和MH比起来，LGM期间的南极中层水所在的密度面更大，这是因为冰期的海水温度和盐度更大造成的。
在LGM期间，由于海冰增加向海洋中注入更多盐分，南极底层水的形成增强，加强了南半球翻转流；与此同时，南半球西风带强度也增加了0.2-0.4dynecm-2，风应力的增强使得向北的Ekman Transport增加，从而导致南极中层水的生成增加。之前的研究，比如Ribbe（2001）在海洋环流模式里测试了不同的西风强度对AAIW生成的影响，发现两者之间有很好的线性关系。风应力和AAIW之间的线性关系可能是因为，风应力的变化改变了与Ekman transport相联系的热量和淡水输送，从而改变AAIW的通风。
参考文献：
Wainer, I., M. Goes,L. N. Murphy, and E. Brady(2012), Changes in the intermediate water mass formation rates in the globalocean for the Last Glacial Maximum, mid-Holocene and pre-industrial climates, Paleoceanography, 27, PA3101, doi:10.1029/2012PA002290.
封面图片来自摄影师David C. Schultz，他来自美国，身为West Light图库的创立者和首席摄影师。
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