波弗特环流，液态淡水积累和排出很重要，环流能造成什么影响？

文丨老叭爱哔哔

波弗特环流是北冰洋最大的液态淡水含量水库，平均储存21,800。2003-2018年FWC。它储存并可能排放大量淡水的能力使其动力学成为气候系统研究的关键兴趣。这是因为从北极到北大西洋的大量淡水流量有可能影响全球翻转环流公里3km。

与之前北大西洋副极地的盐度异常有关，并且未来可能会随着气候变化而增加。波弗特环流的上层海洋环流由气候波弗特海高压的反气旋风维持，推动环流内的埃克曼辐合和盐跃层加深。

水文观测和卫星对海面高度的测量显示，自20世纪90年代中期以来，波弗特环流发生了显著的更新，包括2003年至2018年期间FWC增加了6400公里。与之前的气候相比增加了40%。

这些变化被认为是由20世纪90年代中期以来相对反气旋性的大气环流，由于海冰覆盖变化导致的表面反气旋应力增加，海冰融化的直接贡献以及低盐度的改变等因素共同驱动的。随风从麦肯齐河和白令海峡流出。

同一时期环流的动能大约增加了一倍。加拿大盆地的风在一系列时间尺度上变化，但时间平均风应力是反气旋的，并且由此产生的时间平均埃克曼输运是收敛的。必须存在一种或多种稳定过程，以对抗埃克曼驱动的盐跃层永久加深和淡水积累。

由斜压不稳定性激活的中尺度涡流可以使会聚透镜周围的盐跃层的斜率变平，并且已在涡旋解析模型中显示，可以维持现实的波弗特环流式盐跃层。盐跃层深度和平衡时间尺度与中尺度涡扩散率成反比。

反气旋风下反对淡水积累的另一个主要过程是由反气旋冰海切变的减少引起的。随着地转环流旋转加速，施加的相对应力减小。浮冰内的内部应力会减慢冰的运动，从而使冰可能成为表面洋流的阻力并产生气旋应力。

与环流接壤的陡峭大陆坡稳定了盐跃层斜坡，有利于更强的环流，更深的盐跃层和更长的平衡时间尺度。在北部环流不受测深的限制，并且能够向外扩展这种机制可能有助于限制涡流动能的积累。

观测结果支持这一观点，即环流能够在地理上扩展，并且其中心可能会因大气强迫而漂移。人们对波弗特环流的动力学有了很多了解海冰作为将淡水重新分配进出波弗特环流的手段所发挥的作用尚未被探索。

试图检验波弗特环流液体FWC对进出该区域的海冰横向体积通量敏感的假设。假设流入环流区域的净冰应支持波弗特环流液体FWC，而净冰出口应起到排出液体FWC的作用。在自然变化和强制变化中下了这一假设。

海冰生长速率由热力学和动力学过程的结合决定。热力学过程包括冻结和融化，而动态厚度变化是由于起脊和漂流的汇聚造成的，以及由于铅形成的发散造成的变薄，从而形成开放水域。由于海冰的盐度相对较低，海冰厚度的热力学变化导致淡水与海洋的交换。

通过充当冰冻和融化位置之间的通道，海冰运动重新分配北极周围的淡水。海冰运动还可以通过较厚或较薄海冰的平流以及冰袋的变形来改变当地海冰的厚度。这些动态变化本身不会导致淡水与海洋的交换，它们可能会改变净热力学增长率，从而产生淡水与海洋的交换。

到达冰层下方的海洋热通量较低。冬季海冰的热力学增长率主要是通过冰和上覆雪的传导热损失来解释的。通量与两层的厚度成反比。假设冬季从一个地区输出冰，通过动态地减薄冰袋、增加热力学增长率、将水从液态转移到固相以及将淡水输送出去，排干淡水储液库。

通过海冰出口来扩大该地区的影响力。这些关系可能会发生变化，因为薄海冰可以让太阳辐射更早地渗透到混合层中，从而导致更快的融化，从而以更快的速度将淡水返回海洋。可以返回海洋的淡水量受到冰层厚度的限制。

根据散度定理给定区域的平均动态冰厚度变化与冰穿过该区域横向边界的体积传输有关。这种冰的导入或导出依赖于海冰速度场，要么是该速度场中的应变，要么是它平流输送空间厚度不均匀的冰的方式。

将注意力集中在固定海平面压力模式下的冰输送。冰是否会聚到这些区域或发散，取决于冰流和等压线之间的角度。还有其他潜在情况可能会发生冰运进或运出该地区的情况。

在大气和海洋边界层中，摩擦打破了地转平衡，导致流动偏离等压线。观测到的流和地转分量组成。摩擦边界层中的地转流或交叉等压流决定了这些边界层内质量的收敛和发散，无论是海冰还是海水。

鉴于淡水集中在表层海洋和海冰中，这些转角与波弗特环流的淡水动力学高度相关。回顾一下对表面风和海冰运动之间角度关系的控制。在北半球地面风相对于地转风逆时针旋转，在南半球则相对于顺时针旋转。

观察到的转向角度显示出相当大的范围。陆地上报道的值为6–45，以及海洋上空值。极地海洋环境的观测较少，但海冰表面的阻力系数介于公海和大多数陆地表面之间，这意味着海冰上的交叉等压角处于中间值，这取决于海冰的粗糙度和年龄。

已知表面风的交叉等压角会随着几个变量的变化而变化。在中性大气中，罗斯贝数理论指出，当地转风速G和科里奥利参数f和粗糙度长度已知时，交叉等压角和地转阻力系数可以计算。将表面罗斯贝数表示为交叉等压角应随着Ro的增加而减小。

在非中性大气情况下，等压角表现出对大气稳定性的强烈依赖性。在极地海洋环境中，G存在重要的季节变化和大气稳定性，以及与气候变化相关的潜在长期趋势。以预期表面风的交叉等压角的季节性和长期趋势。

海冰速度主要由大气和海洋施加在顶面和底面的牵引力来解释，但也取决于地球自转和冰内应力以及海面倾斜。冰相对于表面风的转向角也随着这些参数的变化而显着变化。

虽然经常引用的经验法则是北半球的海冰以大约2%的表面风速漂移，并以30的角度漂移到地面风的右侧，观测结果显示了广泛的空气冰角度，以及夏季等压线向右偏差的季节周期。

冰运动与地转风之间的角度由表面风的交叉等压角与空气-冰转向角之和确定。由于前者向左转，而后者向右转，冰流的交叉等压角往往相对较小，尽管它在观测和系统空间上表现出相当大的分散性，季节性和长期变化。

冰海边界层表现出与大气边界层类似的摩擦物理，尽管在行星尺度上大约小30倍。冰浓度和冰底面的粗糙度和水柱的稳定性以及下方的地转速度再次结合起来，有助于确定冰海边界的复杂流动模式层并给模拟工作带来了重大挑战。

气候模型可以直接求解这些跨越边界层的转向角，而不是规定它们。存在不同的批量公式，并且不同的垂直分辨率可能会影响这些求解方案的合理性。无论是海冰漂移还是表面风的交叉等压角，模型解在转向角统计数据上显示出重要差异，并且通常与观测结果明显不一致。

使用了一种称为气候响应函数实验的模型扰动方法。CRF实验涉及通过与不受干扰的控制运行进行比较，观察模型如何响应模型强迫的某些方面的突然和持续变化。

CRF实验有助于清楚地描述模拟气候系统中的关系，包括对以下变化的响应，温室气体或气溶胶的浓度。河流或冰川融水径流，CRF是特征脉冲响应函数的时间积分。后者可以与强迫的时间历史进行卷积来估计响应的时间历史。

线性响应函数也可以直接从全耦合模型的长期控制运行中得出，并与观测得出的强迫时间序列进行卷积，以便与自然进行比较。气候响应函数提供了一种超越比较平均状态和跨模型气候变量如何响应特定强迫的基准的方法。

这些比较提供了识别这些差异的根本原因的机会，有助于模型开发和概念理解。设计的协调CRF实验探索北冰洋关键环流系统的行为。提出并分析了第一个此类协调系列实验。海洋和海冰对格陵兰海低压强度变化的反应。

展示了旨在探测波弗特环流对与波弗特海高压强度相关的风力突变的响应的结果。提出的气候变量之外，还需要额外的气候变量。并依赖于四个贡献建模小组进行的CRF实验的输出。实验过程涉及用相同的10m风异常扰动选定的冰海模型，并将其添加到原始强迫场。

使用了两种异常模式，基于波弗特海高压增强的反气旋模式，以及基于波弗特海高压减弱的气旋模式。异常现象以西经149为中心，影响半径约为1000公里。这种位置的选择是基于对变异模式和幅度的分析在1948年至2015年6小时NCAR-NCEP大气再分析中的海平面压力。

10m风的交叉等压角和速度可以预期在自然界中会根据一系列因素在空间和时间上发生变化。选择特定的任意交叉等压角消除了CRF实验中的这种不确定性。冰在异常中是否会聚或发散取决于空气-冰转向角度。