摘要
黑潮是北太平洋风驱动副热带环流圈的西边界流，发源于低纬度热带海域，向极输送大量的水体和热量，对中纬度海气相互作用、年代际气候变异和海洋生态系统产生重要的影响。黑潮流经海区地形复杂，相比于低纬度相对稳定的流型结构，其在日本南部和延伸体区域流轴摆动比较剧烈，并呈现出年际至年代际时间尺度的变化。其中，日本南部黑潮路径存在大弯曲和非大弯曲两种形态，而黑潮延伸体则在稳定与不稳定两种状态中切换。 本文围绕中纬度黑潮路径状态的年际至年代际时间尺度低频变异这一科学问题，利用高分辨率海洋环流模式和高质量海气耦合模式集合资料，对日本南部黑潮大弯曲路径的形成机理进行了多方面的探讨，同时分析讨论了黑潮延伸体系统变异在近短期和长期全球变暖背景下的响应。 利用高分辨率海洋环流模式，本文首先探讨了日本南部黑潮路径的变异及其机理。该模式成功再现了黑潮流域的众多显著性特征，包括日本南部黑潮路径的双模形态。分析发现，当黑潮处于非大弯曲路径状态时，区域平均的相对涡度呈现出下降的趋势；而在非大弯曲路径向大弯曲状态转换时，垂向速度剪切突然降低，同时四国海盆回流强度也随之减弱，并且后者对于调制日本南部黑潮路径变异具有关键性的作用。通过进行涡旋能量分析，表明斜压不稳定是黑潮大弯曲形成的局地动力学机制。此外，进一步研究发现，北太平洋风应力旋度异常激发的斜压Rossby波对于四国海盆回流强度具有明显的调制作用，并且西向传播的气旋式异常信号可能是导致黑潮大弯曲发生时四国海盆回流强度降低的原因，从而远程间接触发了日本南部黑潮流动的斜压不稳定。 其次，基于一个较高分辨率（能够分辨黑潮主轴）海气耦合模式的三组集合实验结果，本文研究了黑潮延伸体路径状态对于近短期（2006-2035）全球变暖的响应。在RCP4.5强迫情景下，黑潮延伸体系统趋于增强，同时其路径向北偏移并且变得更加稳定。分析发现，黑潮延伸体局地反气旋式的风应力旋度异常有助于其南部回流的增强，同时中纬度中东太平洋反气旋式风应力旋度异常激发的远程强迫作用同样能够有效促进黑潮延伸体的稳定状态。通过引入线性一层半约化重力模型并采取该耦合模式的风场进行强迫，近短期全球变暖情景下风应力场对于黑潮延伸体系统变异的主导作用进一步得到验证。此外，分析发现黑潮延伸体指数的主要贡献经度带在RCP4.5情景下向西发生了移动，这主要与北太平洋大尺度海表面气压场的西北向移动和拓展有关。 最后，本文选取了多组对黑潮延伸体主轴位置模拟效果较好的集合实验，结合KEI计算区域不同的定义方法，初步探讨了黑潮延伸体动力模态在全球变暖背景下的长期（2006-2100）变化趋势。分析发现，在变暖背景下，黑潮延伸体动力模态的变异周期倾向于往更低频的方向发展，由于线性Rossby波模型可以大致模拟出KEI的低频变化趋势，因此北太平洋大尺度风场变异可以用来解释黑潮延伸体动力模态的长期低频响应。
NETL