通过对北太平洋西部近30年的海洋四维变分再分析(FORA-WNP30)，研究了北太平洋副热带水(STMW)的年代际变率及其对上层温跃层和混合层的影响。黑潮延伸以南形成的STMW在年代际尺度上变为厚/冷和薄/暖。这些变化被俯冲平流到南方，在那里厚(薄)STMW导致上层温跃层在STMW之上隆起(下)，在地下深处产生冷(暖)温度异常，在季节性温跃层深处异常特别大。除9月外，3 - 11月混合层均出现温度异常。这些异常与STMW的温度异常具有相同的标志，尽管它们不是由于STMW在地表的重新出现，而是由于上层温跃层的隆起。在FORA-WNP30中，由于混合层温度异常的形成在很大程度上归功于数据同化带来的增量，其机制尚不清楚。然而，混合层的热收支分析表明，混合层底部的夹带和/或垂直扩散对于将温度异常从上层温跃层输送到混合层的重要性。STMW对混合层深度也有影响。厚(薄)STMW使季节性温跃层变浅(加深)，增强(减弱)混合层以下深度的分层，从而阻碍(有利于)混合层在7 - 9月的发展。
黑潮和黑潮延伸区在冬季遇到从亚洲大陆吹来的寒冷干燥季风，大量热量散失到大气中，导致黑潮和黑潮延伸区以南形成深层混合层(图1a)。深层混合层水在平均环流和涡旋作用下俯冲到南方的温跃层(Huang and Qiu 1994;Suga et al. 2008;Nishikawa et al. 2010;Xu et al. 2014)，在上部和主温跃层之间形成一层厚的均匀层。这一层被称为副热带模态水(STMW;Masuzawa 1969;Hanawa and Talley 2001;Oka and Qiu 2012)。STMW通过黑潮再循环环流传播(Bingham 1992;Suga and Hanawa 1995)和eddies (Uehara et al. 2003;Nishikawa et al. 2010;Xu et al. 2016, 2017)向副热带西部环流大区域转移(图1b)。STMW的动力特征是低位涡(PV)，并在向南的途中保持PV，形成副热带温跃层(Kubokawa 1999;Dewar et al. 2005)。
图1
(a) 3月最大日混合层深度(颜色)和海面高度(每10厘米等高线)的气候平均值，(b)副热带模式水(STMW)厚度(颜色)和1000米等深线(等高线)。框表示本研究主要分析的S区域(25-30°N, 143-155°E)(彩色图在线)
STMW的形成在年代际尺度上存在差异(例如，Qiu and Chen 2006)，影响了副热带温跃层下游的物理和生物地球化学性质(Oka et al. 2015,2017 2019)。STMW的年代际变化也导致了副热带锋(Kobashi et al. 2021)和副热带逆流(Xie et al. 2011)的变化，它们都是由STMW分布区南边界的STMW维持的(Kobashi and Kubokawa 2012)，对副热带锋和逆流上空的大气产生重要影响(Xie et al. 2011;Zhang et al. 2017)。
最近，日本气象厅(JMA)对自1972年以来沿137°E进行的夏季重复水文观测进行了分析;Oka et al. 2018)， Kobashi et al.(2021)表明，洋斜的年代际变化与STMW厚度的变化有关。当STMW较正常厚(薄)时，季节性斜斜浅滩(加深)明显，主斜斜有加深(浅滩)的趋势。这种由模态水厚度异常引起的斜斜垂直位移已在数值模型中得到普遍认可(例如，Yamanaka et al. 2008;Nonaka et al. 2012;Sugimoto et al. 2012)，并将其理解为斜斜斜压调整(Xie et al. 2011)。Kobashi et al.(2021)进一步指出，季节性斜斜的起伏会在地下深处产生密度异常。这些密度异常似乎延伸到近地表，这表明了混合层的变化。然而，STMW的变化与混合层的变化之间的关系以及混合层变化的机制尚未得到研究。
STMW在冬季海表温度(SST)异常的重现中起作用(Hanawa and Sugimoto 2004;Sugimoto and Hanawa 2005)。从春季到夏季，在深层混合层形成的冬季海温异常被浅层混合层与大气隔绝，并保留在地下深处。在随后的秋冬季，当混合层加深时，海温异常被带入加深的混合层并在地面重现(Namias and Born 1970, 1974;Alexander and Deser 1995;Alexander et al. 1999)。
有两个区域被确定为STMW重新出现的区域。一个区域是北太平洋中部，前一年冬季在黑潮延伸区以南形成的STMW向东移动，并在当前冬季在地表重新出现(Sugimoto和Hanawa 2005,2007)。这种重新出现改变了地表热惯性并影响了太平洋年代际涛动(PDO);Newman et al. 2016)。PDO是太平洋年代际海温变化的主导模态(Mantua et al. 1997;Mantua and Hare 2002)对全球气候(Newman et al. 2016)、海洋生态系统和渔业(Mantua et al. 1997;Francis et al. 1998)。另一个区域位于副热带环流的西部。Hanawa和Sugimoto(2004)比较了冬末和其他月份在同一地点的海温年际变化，表明冬季海温异常在该地点的秋季倾向于在地面重现。与北太平洋中部相比，这一地区迄今为止还没有得到太多研究。目前尚不清楚STMW如何参与冬季海温异常的重新出现。
本研究利用长期海洋再分析资料，探讨了STMW的年代际变化及其对上层温跃层和混合层的影响。研究的重点是俯冲到构造区南部的STMW，在那里STMW几乎不露头。研究表明，STMW厚度的变化使上层温跃层在STMW上方上下隆起，并在混合层中产生与STMW相同标志的温度异常。本文的其余部分组织如下:第2节描述了数据和方法。在第3节中，我们首先展示了STMW的年代际变化及其与黑潮伸展以南冬季混合层变化的关系。然后，探讨了STMW对上覆上层温跃层和混合层的影响。在热收支分析的基础上，进一步诊断了混合层温度的变化，探讨了其机理。第4节提供了一个总结，并讨论了与再现现象有关的结果。
我们利用了西北太平洋过去30年的四维变分海洋再分析数据(FORA-WNP30;Usui et al. 2017)。数据由日本海洋科学技术厅(JAMSTEC)和日本气象厅气象研究所(MRI)使用磁共振多变量海洋变分估计系统(MOVE-4DVAR;Usui et al. 2015)来同化现场观测和卫星观测。这种同化是用日本55年再分析(JRA-55;Kobayashi et al. 2015)日大气强迫。这些数据是1982年至2016年期间以0.1°格网(160°E以东或50°N以北0.17°格网)和从地表到6300 m深度的54个垂直水平的漩涡分辨率的日值提供的。FORA-WNP30相当好地再现了STMW的年代际变化(Usui et al. 2017)。此外，我们还分析了不吸收任何观测值的FORA-WNP30(以下称为Free FORA-WNP30)。这些数据与1982年至2015年期间的FORA-WNP30在相同的网格点和垂直水平上可用。
在本研究中，STMW被定义为表面混合层下方15.0至19.5°C之间小于2.0 10-10 m?1 s?1的PV层(Oka et al. 2019)。PV由势密度()的垂直梯度计算，忽略相对涡度，其中为密度，为科里奥利参数，为垂直坐标(向上正)。混合层深度(MLD)是指潜在温度或密度与10 m深度的对应值分别相差0.5°C或0.125 kg m?3的较浅深度(Hosoda et al. 2010)。STMW厚度定义为每日各栅格点MLD以下STMW的总厚度。STMW温度计算为STMW层位温的垂直平均值。
为了关注年代际变化，我们采用了半功率周期为6年的巴特沃斯低通滤波器。使用低通滤波和去趋势时间序列计算互相关系数和回归系数。使用时间序列长度估计的自由度在95%置信限上评估统计显著性，假设主导时间尺度为十年。
图1显示了使用FORA-WNP30数据计算的年平均STMW厚度和3月平均最大MLD的地图。3月份的平均最大MLD由每年的最大日MLD计算得出，这是后续季节STMW形成的良好前兆(Yu et al. 2020)。在黑潮伸展带以南的深冬混合层以南的25-32°N, 143-155°E区域出现了较厚的STMW。在140°E以西，厚度明显减小。这部分是由于黑潮的大曲流。黑潮有时会绕道日本南部的近海(Kawabe 1995)，这将黑潮南部的再循环环流分开，并阻挡了STMW的向西输送(Suga and Hanawa 1995;杉本和花川2014;Oka et al. 2021)。此外，沿140°E方向的伊豆-小笠原脊(图1b)使携带大部分STMW向西迁移的涡流衰减，阻碍了STMW向西移动(Xu et al. 2016, 2017)。另一个厚的STMW位于日本以南约136°E处，形成于一个空间孤立的深冬混合层(图1a)。本研究主要集中在伊豆-小笠原脊以东25-30°N, 143-155°E的区域(图1b)，以下称为S区。S区与Hanawa和Sugimoto(2004)发现的冬季海温异常再次出现的区域基本对应。
在S区取STMW厚度和温度的日时间序列平均值，绘制在图2中。这些时间序列表现出明显的季节和年代际变化，温度也表现出明显的升温趋势。年代际变化类似于Oka等人(2021)在2005年以后在15-28°N, 140°E-170°W区域的Argo浮筒观测报告的年代际变化，以及Sugimoto等人(2017)在整个STMW区域的历史水文观测报告的年代际变化。厚度和温度的变化几乎相反;即当STMW厚(薄)时，它是冷(暖)的。基于月时间序列的相关系数为- 0.89，有轻微的时间滞后，温度领先7个月(图未显示)。
图2
S地区(a) STMW厚度和(b)平均温度的日时间序列。红色曲线表示每日低通滤波值(在线彩色图)
STMW在S区域的温度约为16-18°C(图2b)，形成于黑潮伸展带以南的深层混合层(Suga and Hanawa 1990;Suga et al. 2004;Oka et al. 2021)。我们在每年的同一天检测到3月份的最大MLD和MLT，然后在30-35°N, 143-160°E的地层区域对它们进行平均(图3a, d)。我们只使用200 m深度温度大于16°C的剖面，以排除黑潮延伸以北的亚北极剖面，遵循Sugimoto和Kako(2016)的方法。MLD和MLT在年代际尺度上的变化几乎相反，表明混合层深(浅)时冷(暖)。相关性显著，系数为- 0.89，无时滞。这一结果是合理的，因为深层混合层通常是由强烈的地表冷却造成的，而由此产生的加深进一步将冷水带入混合层下方。
图3
STMW形成区(30-35°N, 143-160°E) 3月最大日平均MLD的年时间序列。粗曲线表示低通滤波值。b S地区各月平均STMW厚度年时间序列，c低通滤波值。1月至3月、4月至6月、7月至9月、10月至12月分别用灰色、绿色、红色和蓝色曲线表示。d与(a)相同，但最大MLD发生当天的混合层温度(MLT)。e和f分别与b和c相同，但STMW温度(彩色图在线)
STMW向地层南部俯冲平流。对比了3月份形成区和S区STMW混合层的年代际变化。图3绘制了S区月平均STMW厚度和温度的年时间序列。年代际变化占主导地位，各月份之间的相位几乎相同，这与形成区混合层的变化也相似。滞后相关分析显示，各月份地层区3月MLD (MLT)与STMW厚度(温度)的相关性显著，次年4月(同年11月)相关性最大，相关系数为0.85(0.94)(图未示)。时间滞后表明，厚度(温度)异常在S区传播了13(8)个月。这些不同的旅行时间可能与S区STMW厚度随温度变化的发现一致，尽管不同旅行时间的机制需要进一步研究。这些相关性支持了S区年代际变化起源于黑潮伸展带以南冬季混合层的结论。
在这里，我们研究了S区STMW厚度的年代际变化与温跃层的年代际变化之间的关系。为此，首先计算温度分布和STMW厚度的月平均值。然后，对每个月的年度时间序列进行低通滤波和去趋势化。对1982 - 2016年各月的STMW厚度变化进行了温度廓线的回归。结果与温度分布、PV和MLD的月气候学一起绘制在图4a中。STMW全年出现在200-300 m深度，4 - 11月PV低于1.7 10-10 m?1 s?1。在STMW层以上(> 19.5°C)的上层温跃层，回归显著为负，在6 - 11月的季节性温跃层，回归值较大。季节性温跃层形成于100m以上深度，春季至秋季分层较强，如图4a所示。而在STMW层以下(< 15.0°C)的主温跃层，回归总体为正。这种回归模式表明，在STMW较厚的年份，上层(主)温跃层的温度降低(增加)，这与Kobashi等人(2021)对137°E的JMA夏季观测的分析一致。这种退化不仅在夏季持续存在，而且全年都存在。
图4
a S区温度廓线对STMW厚度的月回归系数，以及温度廓线(等值线)、MLD(粗黑曲线)和位涡量(PV)的月平均值;灰色的轮廓)。回归系数仅对95%置信限下的显著区域绘制。PV等高线为1.7和2.0 10-10 m?1 s?1，代表厚STMW。b与(a)相同，但为垂直温度梯度剖面的回归系数。c与(a)相同，但结果来自Free FORA-WNP30(见文本)(在线彩色图)
为了研究等温线的起伏，我们使用线性插值方法计算了等温线表面的深度，温度增量为0.5°C，然后在S区域平均每个月。图5显示了等温线深度对STMW厚度的回归，以及深度的气候学。STMW层(约16 ~ 18℃)以上(以下)回归显著为负(正)，表明在STMW厚年，上层(主)温跃层浅化(加深)。这一结果与Xie et al.(2011)提出的温跃层斜压调整一致。在20℃等温线以上的上层温跃层，回归系数的大小几乎相同。由于在深度的起伏引起的温度变化与垂直温度梯度和等温线位移有关，即等温线的均匀起伏由于温度梯度大，导致季节性温跃层温度变化大(图4a)。
图5
S区等温深度对STMW厚度的月回归系数，以及月平均等温深度(等高线)。回归系数仅针对95%置信限的显著区域绘制(在线彩色图)。
在图6的复合温度段中，与等温线起伏相关的温度变化非常明显。根据S区月平均STMW厚度的年时间序列，利用月平均温度数据构建6月份的复合材料(图7b)。所有的数据在分析之前都是去趋势化的。当厚度异常超过一个标准差(厚STMW年;1984年、1986年、2005年、2014年和2015年)，另一种是在负异常超过一个标准差时(薄STMW年;1997-2000、2002、2009和2010)。在STMW较厚的年份，等温线明显高于STMW，出现负温度异常，而在STMW较薄的年份，等温线向下移动，出现正温度异常。除近地表温度异常外，STMW层以上温度异常总体显著。STMW层以下的温度异常与STMW层以上的温度异常大体相反，这与图4a的结果一致。
图6
(a)厚STMW年(1984年、1986年、2005年、2014年和2015年)和(b)薄STMW年(1997-2000年、2002年和2009-2010年)6月的温度复合截面(°C等高线)及其异常(颜色)平均在143 ~ 155°E之间。这些年份是根据S区STMW厚度异常的时间序列选择的。阴影表示在95%置信限内温度与平均气候显著不同的地区(在线彩色图)
图7
(a) S地区6月MLT和(b) STMW厚度年时间序列。蓝色和红色曲线表示低通滤波值。蓝色和红色曲线的相关系数表示在a的顶部，c和d分别与a和b相同，但在10月份(在线彩色图)
等温线的起伏可以改变分层。图4b显示了垂直温度梯度对STMW厚度的回归。在深度200 ~ 400 m之间，回归总体为负，因为较厚的STMW层削弱了STMW层附近的分层。7 ~ 10月，沿季节平均温跃层顶部和底部深度的回归分别为显著的正回归和显著的负回归。这对反向回归与季节性温跃层的起伏一致。季节性温跃层的抬升减弱了平均季节性温跃层下部的分层，而增强了平均季节性温跃层上部的分层。
图6所示的复合材料截面显示了向上延伸到表面混合层的温度异常。图4a中的回归也捕捉到了地表附近温度的变化。我们计算了每个月MLT对STMW厚度和解释方差的回归(图8a, c)。将低通滤波器和趋势应用于每个月月平均值的年时间序列。除9月外，3月至11月均为显著负回归，6月解释方差峰值大于60%，10月解释方差峰值约为50%。在图7的时间序列中，MLT与STMW厚度的关系也很明显，6月和10月的相关系数分别为- 0.80和- 0.70。在每个网格点处计算回归，并在图9中进行映射。6月份在140 ~ 160°E之间的负回归非常稳健，与图1b气候学中厚STMW的面积几乎完全对应。10月，回归虽小但显著，特别是在150°E以西。注意，在年代际尺度上，STMW厚度和MLT之间存在相关性。MLT在年际时间尺度上也有变化(图7a、c)，与STMW厚度无显著相关性(图未示出)。
图8
(a) MLT和(b) MLD对S区STMW厚度的月回归系数。(a)和(b)中的黑条在95%置信限下显著。(c) MLT和(d) MLD按STMW厚度的月解释方差(在线彩色图)
图9
(a) 6月和(b) 10月MLT对STMW厚度的月回归系数，绘制在月平均厚度大于20 m的STMW区域。回归系数仅针对95%置信限的显著区域绘制(在线彩色图)。
负回归表明MLT异常与STMW温度异常具有相同的符号，因为STMW厚度与STMW温度呈负相关关系(图2)。但需要注意的是，MLT异常不是由于STMW在地表的露头，即STMW的重新出现而形成的。如图4a所示，在S区，STMW始终停留在上层温跃层以下，并不在地表露头。相反，由STMW引起的上层温跃层隆起被认为是MLT异常形成的重要原因。从12月到2月和9月，回归不显著，解释方差较小(图8a、c)。在这几个月，MLT的变化还可能受到其他因素的影响，如冬季和夏季强烈的地表热通量。
STMW改变了混合层下方的分层(图4b)，影响了混合层的发展。我们计算了MLD对STMW厚度和解释方差的逐月回归(图8b、d)。从7月到9月，回归显著为负，其中8月的解释方差峰值超过60%。这表明在厚(薄)STMW年份，混合层较浅(深)。这一关系在8月份的年-年时间序列中表现明显，相关系数为-0.81，如图10所示。
图10
(a) S地区8月MLD和(b) STMW厚度年时间序列。蓝色和红色曲线表示低通滤波值。(a)顶部表示蓝、红曲线的相关系数(在线彩色图)
8月，STMW区域MLD较浅，空间分布均匀(图11a)。气候学(图1b)中厚STMW上方140 ~ 160°E(图11a)之间混合层下方的垂直温度梯度较大。在140°E以东，MLD对STMW厚度的回归总体为负(图11b)。其分布与温度梯度对STMW厚度的回归非常相似，但符号相反(图11c)。这些结果表明，厚(薄)STMW使季节性温跃层上升(下降)，增强(减弱)混合层以下深处的分层，从而阻碍(有利于)混合层的发展。在140°E以东的STMW区域南缘，回归较大(图11b、c)。造成这一结果的原因尚不清楚，但由于混合层相对较深，混合层可能容易受到STMW变化的影响(图11a)。
图11
a 8月份的MLD平均值(每5米的灰色等高线)和混合层底部下方10米的垂直温度梯度(颜色)。厚黑色等高线表示月平均STMW厚度为20 m，为STMW区域的指南。(b) MLD和(c)混合层底部以下10 m垂直温度梯度对8月份STMW厚度的回归系数，绘制在月平均厚度大于20 m的STMW区域。回归系数仅针对95%置信限的显著区域绘制(在线彩色图)。
STMW如何改变MLT?为了解决这一问题，利用FORA-WNP30对混合层进行了热收支分析。热预算写为:
(1)
MLT在哪里;为净表面热流密度，正值表示热增益;为混合层底部向下的辐射通量;为海水参考密度;为比热;是MLD;为海面高度;是水平速度;为垂直速度;为水平梯度算子;是水平扩散;为FORA-WNP30数据同化后增加的温升。左边表示MLT趋势。右边的第一项是净表面热流，第二项是水平平流，第三项是垂直平流，第四项是水平扩散，第五项是增量。第六项为残差，认为它表示混合层底部的垂直扩散和加深的混合层对混合层下方水的夹带之和。
所有项首先是根据海洋变量、热通量和每个网格点的增量的存档数据每天计算的。请注意，热通量也是FORA-WNP30的模式输出。计算使用与FORA-WNP30相同的代码，Usui等人(2017)和Tsujino等人(2006,2010)对此进行了详细描述。然后，从1982年到2016年，从前一年的同一开始日期开始，每天整合右边的预算条款。这些值对应于前一年的MLT趋势，如下所示:
（2）
哪里是一年的长度。然后将这些综合日值在S区域的每个月取平均值，以产生每月时间序列。使用这个月时间序列，我们检查了月平均MLT的年变化预算，以确定驱动每个月MLT年代际变化的过程。
计算中使用日均值变量代替FORA-WNP30模型时间步长的变量。因此，在严格意义上，非线性项可能与模型时间步长的非线性项不同。为了检查数据的不同时间间隔如何改变热收支估计，我们使用从每日数据计算的3天或5天平均变量进行了相同的分析。在10年的时间尺度上，结果与日常数据几乎相同。因此，我们认为在如此短的时期内的平均值可能不会改变估计。
图12显示了6月和10月的趋势项和各预算项的年代际变化，此时MLT与STMW厚度高度相关(图8a)。6月和10月之间的价格变化非常相似。两个月的热通量和增量项都相当大，比趋势项大几倍。水平平流和残余(夹带和垂直扩散)项也表现出相对较大的变化。图13显示了6月和10月趋势期与各预算期的相关和协方差比。协方差比是由方程(2)左侧实际温度趋势方差归一化的协方差，它描述了每个预算项对总温度趋势的贡献(Tesdal和Abernathey 2021)。因为所有项的和等于趋势项，所以协方差比的和必须等于1。有趣的是，所有项都没有显示出显著的相关性(图13a, b)，而增量项的协方差比非常大(图13c, d)，这表明数据同化引入的增量对MLT变化有显著贡献。
图12
(a) 6月和(b) 10月的(a) 6月和(b) 10月的(a) 6月和(b) 10月的(a) 6月的(a) 6月和(b) 10月的(a) 6月的(a) 6月和(b) 10月的(a) 6月的)Eq.(1)左方的(上)和Eq.(1)右方相应的预算项的(下)低通滤波的MLT逐年趋势项的时间序列。图中，NSF为地表净热通量，HAD为水平平流，VAD为垂直平流，HDI为水平扩散，INC为增量，RES为垂直扩散项和夹带项之和的残差
图13
(a) 6月和(b) 10月，Eq.(1)左侧的MLT趋势项与Eq.(1)右侧的每个项之间的月度相关系数。横轴上，NSF为地表净热通量，HAD为水平平流，VAD为垂直平流，HDI为水平扩散，INC为增量，RES为垂直扩散项和夹带项之和的残差。C和d分别与(a)和(b)相同，但对于协方差比
为了确定数据同化的影响，我们采用与图4a(图4c)相同的方法，利用Free FORA-WNP30计算温度廓线对STMW厚度的回归。与FORA-WNP30相比，STMW全年的光伏发电要低得多。在STMW层以上出现负回归，但在季节性温跃层中不存在负回归。在混合层，10 - 12月有显著的回归，而季节性温跃层没有显著的回归。该特征与图4a所示的特征大不相同。数据同化对于再现FORA-WNP30中与STMW厚度相关的MLT异常至关重要。
一些预算项表现出与图12中的增量项相似的行为，这意味着这些项可能与增量有关。当预算项不能被模型中的物理过程完全再现时，它们就会产生错误。增量补偿错误。尽管增量的影响不一定具有物理意义，但增量与其他项之间的关系可能表明增量在S区域的局部影响。图14显示了6月和10月的相关性。热通量和垂直平流项的相关系数很大程度上是负的，而残余(垂直扩散和/或夹带)项的相关系数是正的。除了6月的垂直平流外，这些在95%置信限上都很显著。结果表明，气流的增加会减小垂直平流和热通量的变化，而增大垂直扩散和夹带的变化。然而，目前尚不清楚每个预算期限与增量有多大关系。例如，如果热通量主要与增量有关，则相关性表明，由于地表热通量导致的混合层的冷却或升温在模式中被夸大了，因此被增量抑制了。如果夹带是相关的，则夹带的冷却效果在模型中较弱，因此增量会增强。考虑到垂直扩散和夹带是可以传递下垫层上层温跃层温度异常的过程，它们可能对年代际MLT变化很重要。在S地区，气候学上MLD从6月开始加深(图4a)。因此，即使在6月和10月，也有可能发生夹带。
图14
公式(1)中(a) 6月和(b) 10月的增量项与其他项之间的月度相关系数。黑条在95%置信限上具有显著性。横轴上，NSF为地表净热通量，HAD为水平平流，VAD为垂直平流，HDI为水平扩散，RES为垂直扩散项与夹带项之和的残差
请注意，预算条款不仅与本地增量有关，还与其他时间和地点的增量有关。比较FORA-WNP30和不受约束的自由FORA-WNP30的预算平衡，可以更深入地了解数据同化的影响，这将在未来的工作中得到解决。
摘要
1 介绍
2 数据
3.结果
4 总结与讨论
数据可用性
参考文献
致谢
作者信息
搜索
导航
#####
我们利用FORA-WNP30研究了STMW的年代际变化及其对上层温跃层和混合层的影响。图15显示了结果的概要。在黑潮伸展以南的STMW形成区，冬季混合层在年代际尺度上变厚/冷和变薄/暖。这些变化被俯冲并平流到南方，可能在厚度和温度之间有不同的传播时间。与前人研究一致，厚(薄)STMW使上层温跃层上(下)隆起，在地下深处产生冷(暖)温异常，其中6 - 11月季节性温跃层深度异常较大。
图15
经向温度剖面图示意图，说明在黑潮延伸(KE)以南的深冷混合层中形成的厚冷STMW导致上层温跃层隆起。a温跃层的抬升使STMW上方冷异常除9月外在3 - 11月出现在混合层，b 7 - 9月强化混合层下方分层，使混合层变浅
除9月外，3 - 11月混合层均出现地下温度异常。在FORA-WNP30中，由于MLT异常的形成在很大程度上归功于数据同化带来的增量，其机制仍然是一个悬而未决的问题。然而，混合层的热收支分析表明，混合层底部的夹带和/或垂直扩散对于将温度异常从上层温跃层输送到混合层的重要性。STMW也会影响MLD。夏季7 ~ 9月，厚(薄)STMW使季节性温跃层变浅(加深)，增强(减弱)混合层以下深处的分层，阻碍(有利于)混合层的发展。
S区MLT异常与黑潮伸展带以南冬季混合层的MLT异常符号相同(图15)。这显然与Sugimoto和Hanawa(2007)提出的远程重现现象相一致，即冬季海温异常在地下深处移动，然后在地表的不同位置重新出现。事实上，S地区6月和10月的MLT变化与去年3月黑潮延伸以南的MLT变化具有显著的相关性(图16)。然而，应该注意的是，在S区，STMW保持在上层温跃层以下，并没有在地表露头(图4a)。因此，MLT异常的形成不是由于STMW的重新出现，而是由于上层温跃层的隆起。这与典型的重新出现现象不同，在这种现象中，记忆冬季海温异常的水被带入混合层。
图16
S区6月(a)和10月(b) MLT(图7a、c)与黑潮延伸以南(30-35°N, 143-160°E) STMW形成区3月MLD最大值日MLT的滞后相关系数;图3 d)。负滞后是指S区滞后于STMW形成区。封闭的圆圈表示在95%置信限上显著相关
什么过程导致上层温跃层的隆起?在地下深处，温度变化主要受平流和扩散控制;
(3）
左边表示温度的趋势。右边的第一项是辐射通量的散度，第二项是水平平流，第三项是垂直平流，第四项是水平扩散，第五项是增量。残差表示垂直扩散。我们诊断了季节性温跃层深度在50 ~ 100 m之间的每一项的垂直平均。使用与混合层相同的程序，我们评估了每个收支项对年代际温度趋势的贡献。
6月份各项的时间序列如图17所示，与趋势项的相关及协方差比如图18所示。水平平流表现出与趋势项相似的较大变化，具有显著的正相关和较大的协方差比，说明水平平流的重要性。STMW从形成区向南平流，使上层温跃层上下隆起。水平扩散也表现出显著的相关性，但其幅度和协方差比远小于水平平流。与混合层一样，增量变化较大，协方差比较大。需要进一步审查以澄清机制。
图17
6月50-100米深度的低通滤波后的年气温趋势项(左图)和相应预算项(右图)的时间序列(左图)。图中DRF为辐射通量散度，HAD为水平平流，VAD为垂直平流，HDI为水平扩散，VDI为垂直扩散，INC为增量
图18
a式(3)中左侧温度趋势项与式(3)中右侧各项在6月份50-100 m深度的相关系数和b协方差比。(a)中的黑条在95%置信限处显著。横轴上DRF为辐射通量散度，HAD为水平平流，VAD为垂直平流，HDI为水平扩散，VDI为垂直扩散，INC为增量
等温线的起伏也发生在中尺度涡旋中。在Sukigara et al.(2014)对STMW地区水文观测的分析中，发现等压线的抬升与中尺度气旋涡旋的通过有关。他们认为，等厚层的抬升为深层浮游植物的光合作用提供了养分，并为次表层浮游植物的光合作用提供了能量。虽然中尺度涡旋和STMW在空间和时间尺度上有很大的不同，但我们可以预期STMW也可能通过抬升等平行线携带物质上下。事实上，最近的一项研究分析了东经137°的JMA重复水文观测，发现表层溶解无机碳的年代际变化，并表明它们可以通过温跃层的起伏合理地解释(Ono et al. 2022, personal communication)。STMW可能不仅对地表物理性质的变化，而且对地表生物地球化学性质的变化具有重要意义。
Oka等人(已提交)报道了Argo剖面浮标观测中海温变化与STMW厚度相关，他们表明近期黑潮的大弯曲导致日本南部STMW厚度急剧减少，这加深了上层温跃层并增加了海温。这些结果与本研究的结果一致。由于STMW在副热带海洋的广大区域产生MLT异常(图9)，它可能对大气和气候产生影响。这需要在今后的研究中进一步探讨。
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10872-022-00677-y.pdf
