大西洋经向翻转环流中非艾克曼输运的经向一致性：以亚热带纬度的季节时间尺度为研究对象

《Progress in Oceanography》：Meridional coherence of non-ekman transport in the atlantic meridional overturning circulation across subtropical latitudes at the seasonal timescale

基于ECCO4和SODA3数据同化产品，本研究分析了亚热带大西洋AMOC上肢的季节变化及其纬度关联性，发现非埃克曼运输的季节变异通过东边界压力差与密度调整实现经度一致性，其中东边界75%的变异由海底压强快速调整主导，西边界则呈现慢速的温盐调整机制。

　　

翟玉佳|邹思佳|刘福凯|万秀全|杨家燕

中国海洋大学物理海洋学国家重点实验室与海洋与大气科学学院，青岛266100，中国

摘要

以往的研究主要考察了大西洋经向翻转环流（AMOC）在固定纬度的季节性变化，而其在不同纬度上的季节性协同变化及其潜在机制仍不甚明了。本研究利用两种数据同化产品，通过将AMOC的上层输送分解为直接由纬向风应力驱动的艾克曼输送（Ekman transport）和主要由地转流产生的非艾克曼输送（non-Ekman transport），来探讨亚热带纬度范围内AMOC的季节性变化。我们发现非艾克曼输送的季节性变化表现出显著的经向一致性，这种一致性与东西边界之间的压力差所估算的地转输送有关。海表高度和密度的变化通过正压和斜压调整驱动压力差，其中东边界的影响更为显著。海底压力（去除浮力高度后的海表高度）的贡献代表了对季节性压力变化的快速正压调整，并解释了约75%的地转输送方差。相比之下，沿东边界的密度驱动的季节性压力变化传播速度较慢，这表明了斜压调整的作用。东边界沿线的季节性压力变化同时受到来自西边界的远距离信号（通过波动调整）和传播路径上的局部过程的影响。本研究的结果强调了通过分析AMOC的不同动力成分来研究其纬度连通性的重要性，并强调了快速传播的波动在调节非艾克曼输送季节性变化中的作用。我们的研究进一步表明，理解边界过程，特别是海底压力，可能是研究AMOC变化的关键方面。

引言

大西洋经向翻转环流（AMOC）及其变化对海洋的热量和碳输送至关重要，是气候系统的关键组成部分。以往的研究利用观测数据和模型模拟表明，AMOC的主要变化模式是季节性的（例如，Fu等人，2023年；Han等人，2023a年，2023b年；Herrford等人，2021年；Johns等人，2023年；Kanzow等人，2010年）。最近，Fu等人（2023年）的观测分析显示，基于2014年8月至2020年6月的月度时间序列，季节性变化解释了亚北极北大西洋AMOC总变化的约40%。

在季节时间尺度上，观测和建模研究表明，AMOC的变化主要由风应力驱动（例如，Hirschi和Marotzke，2007年；Kanzow等人，2010年；Wang等人，2019年；Yang，2015年；Zhao和Johns，2014年）。AMOC的变化通常被分为两个组成部分：艾克曼输送（发生在薄表层内，直接受风驱动）和非艾克曼输送（主要受地转流驱动）。多项研究在固定纬度上考察了这些AMOC组成部分的季节性变化（例如，Dong等人，2014年；Dong等人，2015年；Elipot等人，2014年；Herrford等人，2021年；Kanzow等人，2010年；Mielke等人，2013年；Polo等人，2014年；Yang，2015年；Zhao和Johns，2014年）。Kanzow等人（2010年）在分析26.5°N处AMOC的季节性变化时发现，地转流和墨西哥湾流输送的波动幅度大于艾克曼成分。艾克曼成分代表了纬向风应力对AMOC的直接贡献，且仅限于浅表层。相比之下，地转流成分在更深的范围内主导了经向输送。这种地转流成分受海表高度和海水密度的影响，这两者都可能受到风强迫的调节。基于观测和模型模拟，Zhao和Johns（2014年）表明，在26.5°N处，艾克曼输送和地转流都对AMOC的季节性变化有贡献。在热带地区，Xu等人（2014年）强调了艾克曼输送在决定AMOC季节性变化中的作用。

与风驱动的艾克曼输送相比，AMOC中地转输送的季节性变化涉及更复杂的机制。例如，Kanzow等人（2010年）和Zhao和Johns（2014年）使用受局部风应力涡度驱动的线性罗斯贝波模型研究了26.5°N处巴哈马和非洲之间的上层海洋输送（UMO）的季节性变化，发现第一模态罗斯贝波在调节内部地转输送中起着重要作用。他们还指出，东边界处的压力变化对UMO的季节性变化起着重要作用。Yang（2015年）使用双层风驱动模型进一步强调了局部和远距离盆地尺度风应力强迫以及正压调整在调节26.5°N处AMOC季节性变化中的重要性。最近，Han（2023a）利用数据同化产品表明，亚热带纬度的短期AMOC变化受绝热水再分配过程的支配。Han（2023a）用“晃动”来描述上层和下层密度相对体积的绝热变化，这些变化通过挤压/拉伸过程产生水平输送异常，并与等密度面位移相关。简而言之，26.5°N处AMOC中地转输送的季节性变化受到局部和远距离过程的影响，涉及斜压和正压调整。这些机制是否适用于其他纬度尚不明确。

一个有趣的问题是，26.5°N处的AMOC季节性变化与其他纬度的变化是否存在关联以及如何关联。Willis（2010年）利用Argo数据和海平面异常重建了41°N处的AMOC。基于观测结果，Mielke等人（2013年）进一步发现，26°N和41°N之间AMOC的非艾克曼输送的季节性变化相位相差180度。后来，Elipot等人（2014年）使用海底压力估计值报告了较小的相位差异。这两项研究都表明，尽管相位不同，但两个纬度之间的AMOC季节性变化是一致的。值得注意的是，Mielke等人（2013年）还证明了在模型模拟中两个纬度之间也存在相同的协同变化，尽管与观测结果存在相位差异。这些模型-观测差异进一步归因于Argo在西部边界附近的覆盖范围有限，导致非艾克曼输送估计的偏差（Stepanov等人，2016年）。最近，Fraser等人（2025年）结合观测和模型模拟，研究了亚热带（约26.5°N）和亚北极海洋之间AMOC变化的经向一致性，并将相位不同的变化归因于艾克曼泵送。具体来说，他们假设艾克曼泵送驱动了不同纬度之间AMOC上层的水平汇聚或发散，这种汇聚或发散通过下层的相应发散或汇聚来平衡，以满足体积守恒。然而，他们的研究仅关注了2014年至2021年间的AMOC总变化，没有考虑不同时间尺度上的差异以及AMOC不同动力成分之间的差异。总体而言，关于AMOC在季节时间尺度上的经向一致性，特别是非艾克曼输送成分及其潜在机制，仍存在很大不确定性。

AMOC由两个分支组成：其上层将温暖的水向北输送，而下层则在较深处将冷水向南输送。AMOC的流函数是通过在大西洋盆地内沿纬向积分经向速度，然后在给定纬度处垂直积分得到的。AMOC的上层被定义为从表面到流函数最大深度的经向输送（例如，Cheng等人，2013年；Kanzow等人，2009年；McCarthy等人，2012年；Xu等人，2012年）。在大西洋，最大的热量输送发生在亚北极北大西洋，主要由AMOC控制（例如，Trenberth和Caron，2001年；Xu等人，2016年）。因此，我们关注亚热带纬度范围内AMOC的经向一致性。在本研究中，我们通过将其变化分解为艾克曼输送和非艾克曼输送来探讨AMOC上层的纬度联系。下一节将简要介绍数据同化产品、观测数据集以及本研究使用的方法论。随后是对AMOC上层季节性变化的分析，重点是非艾克曼成分。最后一部分我们将呈现我们的结论。

章节片段

数据

为了量化AMOC的季节性变化，我们分析了两种数据同化产品：估计海洋环流和气候（ECCO）（ECCO Consortium等人，2020年，2021年；Forget等人，2015年）和简单海洋数据同化（SODA）（Carton等人，2018年）。我们使用的是ECCO的最新版本4（ECCO4），特别是版本4，这是一个涵盖1992年至2017年26年期间的全球多十年估计数据，包括北极海洋。

非艾克曼成分的经向一致性

为了研究AMOC及其两个组成部分（艾克曼输送和非艾克曼输送）的变化，我们按照以往研究的方法计算了它们的谱图，如图3所示（例如，Elipot等人，2014年；Johns等人，2023年）。尽管不同纬度的AMOC功率谱显示出不同的模式，但它们在一年时间尺度上始终显示出显著的变化。

结论

在本研究中，我们利用两种数据同化产品ECCO4和SODA3分析了AMOC中非艾克曼输送的季节性变化及其在亚热带纬度范围内的经向一致性。与观测结果相比，这两种产品都能很好地表示AMOC的季节性变化。我们发现，由整个盆地范围内的地转流表示的非艾克曼输送的季节性变化表现出显著的经向一致性。这种一致性进一步归因于纬度因素。

作者贡献声明

翟玉佳：撰写——初稿；可视化；方法论；调查；正式分析；数据管理；概念化。邹思佳：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿；可视化；概念化。刘福凯：撰写——审稿与编辑；可视化。万秀全：撰写——审稿与编辑；资金获取。杨家燕：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

翟玉佳、邹思佳、万秀全和刘福凯分别获得了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：42306018、42376005、42276007和42476008）。我们衷心感谢Lin Xiaopei对改进本工作的宝贵建议。我们也衷心感谢编辑和审稿人的建设性和富有意义的评论，这些评论帮助我们提高了工作的质量。